Multiband Dielectric Resonator Antennas Based on 3D-Printed Inhomogeneous and Anisotropic Ceramics - ENAC - École nationale de l'aviation civile Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Multiband Dielectric Resonator Antennas Based on 3D-Printed Inhomogeneous and Anisotropic Ceramics

Antennes à Résonateur Diélectrique Multibande fabriquées en Céramique Inhomogène et Anisotropique par Impression 3D

Résumé

Additive manufacturing, or simply three-dimensional (3D)-printing, has been playing an important role in different fields due to its rapid manufacturing, energy savings, customization, and material waste reduction, to name a few. When it comes to antenna applications, it turns out that most of the dielectric-based 3D-printed solutions proposed in the literature deal with non-resonant and large structures in comparison to the wavelength. More recently, the possibility of using ceramics as printing material opened new possibilities for the design of small and resonant structures due to the higher dielectric constant. In this context, the main goal of this work is to show the possibility of locally controlling the inhomogeneity and anisotropy of a dielectric. To demonstrate it, multi-band dielectric resonator antennas (DRAs) are proposed to achieve circular polarization and/or specific radiation patterns by manipulating the electric permittivity of the dielectric. At first, an original approach to design a dual-band and circularly polarized DRA is presented. The circular polarization is achieved only due to the manipulation of the permittivity of the dielectric instead of using complex feeding techniques and/or using complex dielectric shapes as most of the works found in the literature. The results demonstrate the efficiency of the proposed model and a design guideline for this type of antenna is presented. Besides, an extension to a triple-band antenna is proposed with the two lower bands presenting circular polarization and broadside radiation pattern, while the upper band has linear polarization and omnidirectional pattern. Both antennas require an assembly of anisotropic and isotropic dielectrics with specific values of permittivity to achieve the desired results. However, not necessarily, these materials with these characteristics would be available. To overcome this issue, periodically arranged sub-wavelength cells allow to create artificial and heterogeneous media by controlling their effective permittivity. For this purpose, only zirconia is used as printing material in a single manufacturing process using 3D printing technology.
La fabrication additive, ou simplement l’impression tridimensionnelle (3D), joue un rôle important dans différents domaines en raison de sa rapidité de fabrication, des économies d’énergie, de la personnalisation et de la réduction des déchets de matériaux, par exemple. En ce qui concerne les applications d’antennes, il s’avère que la plupart des solutions imprimées en 3D à base de diélectrique proposées dans la littérature portent sur des structures non résonantes et de grande taille par rapport à la longueur d’onde. Plus récemment, la possibilité d’utiliser la céramique comme matériau d’impression a ouvert de nouvelles possibilités pour la conception de structures petites et résonantes en raison de la constante diélectrique plus élevée. Dans ce contexte, l’objectif principal de ce travail est de montrer la possibilité de contrôler localement l’inhomogénéité et l’anisotropie d’un diélectrique. Pour le démontrer, des antennes à résonateur diélectrique (DRAs) multibandes sont proposées pour obtenir polarisation circulaire et/ou des diagrammes de rayonnement spécifiques en manipulant la permittivité électrique du diélectrique. Dans un premier temps, une approche originale pour concevoir un DRA bi-bande à polarisation circulaire est présentée. La polarisation circulaire est obtenue uniquement grâce à la manipulation de la permittivité du diélectrique au lieu d’utiliser des techniques d’alimentation complexes et/ou d’utiliser des formes diélectriques complexes comme la plupart des travaux trouvés dans la littérature. Les résultats démontrent l’efficacité du modèle proposé et un guide de conception pour ce type d’antenne est présenté. En outre, une extension à une antenne à trois bandes est proposée, les deux bandes inférieures présentant polarisation circulaire et un diagramme de rayonnement large, tandis que la bande supérieure a une polarisation linéaire et un diagramme omnidirectionnel. Les deux antennes nécessitent un assemblage de diélectriques anisotropes et isotropes avec des valeurs spécifiques de permittivité pour obtenir les résultats souhaités. Cependant, ces matériaux présentant ces caractéristiques ne sont pas nécessairement disponibles. Pour surmonter ce problème, des motifs sub-longueur d’onde agencés périodiquement permettent de créer des milieux artificiels et hétérogènes en contrôlant leur permittivité effective. Pour cela uniquement la zircone est utilisée comme matériau d’impression en un seul procédé de fabrication en utilisant la technologie d’impression 3D.
Fichier principal
Vignette du fichier
20220728_thesis.pdf (32.83 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-04105479 , version 1 (24-05-2023)

Licence

Paternité - Pas d'utilisation commerciale - Pas de modification

Identifiants

  • HAL Id : tel-04105479 , version 1

Citer

José Bruno de Araújo. Multiband Dielectric Resonator Antennas Based on 3D-Printed Inhomogeneous and Anisotropic Ceramics. Engineering Sciences [physics]. ISAE-SUPAERO, 2022. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04105479⟩
26 Consultations
7 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More