3D printed metamaterial lenses for microwave antennas

Denne rapporten oppsummerer arbeidet som er gjort i en utforskende studie om metamaterialer, initiert og finansiert av kompetanseområde Materialteknologi ved Forsvarets forskningsinstitutt (FFI). Temaet her er begrenset til materialer med romlig varierende permittivitet og anvendelser innen antenneteknologi. Metamaterialer er materialer med egenskaper som ikke er tilgjengelige i naturlige eller naturskapte materialer. Vanligvis fremkommer disse egenskapene ved at materialet har en spesiell struktur som resulterer i at elektromagnetiske bølger utsettes for andre verdier for permittivitet og/eller permeabilitet sammenliknet med naturlige materialer. Metaegenskapene er normalt bare til stede for begrensede frekvensområder. Forfatterne har tidligere erfaring med antenneutvikling og -produksjon ved hjelp av 3D-printere. I dette arbeidet brukte vi 3D-printing til å produsere blokker av plast med forskjellig tetthet for å demonstrere at vi kan produsere materialer med kontrollerbar permittivitet. Dette krever en struktur som er vesentlig finere enn bølgelengden. For våre mikrobølgeapplikasjoner, med bølgelengde ned mot én centimeter, kreves dermed strukturer ned mot én millimeter. Dette er nylig blitt tilgjengelig ved bruk av moderne 3D-printere. Simuleringer og målinger på plastblokkene viser at vi kan realisere relativ permittivitet som varierer fra ned mot én (som er permittiviteten til luft) opp mot permittiviteten til printematerialet med 100 prosent tetthet. For å demonstrere varierende relativ permittivitet designet vi et antall linser med romlig varierende tetthet og målte deres påvirkning på en antennes strålingsegenskaper. I eksempelet som presenteres i denne rapporten, blir økt antenneforsterkning på omkring 3dB demonstrert over en relativ båndbredde på mer enn 2:1. For et radiosystem er rekkevidden proporsjonal med kvadratroten av sendereffekten, og 3dB resulterer dermed i over 40 prosent økt rekkevidde.