Contribution to the Design and Optimization of Compact Reconfigurable Antennas based on Metamaterials: Wireless and Body Communications

Abstract

In electromagnetism and optics, a new class of materials called metamaterials with unique properties such as negative permittivity (ɛ) and permeability (µ) has emerged. Furthermore, metamaterials can alter the properties of electromagnetic waves passing through them. Therefore, metamaterials are exploited to design antennas with desirable performance. In addition, they offer a possibility of miniaturization because the size of a metamaterial cell is about one-tenth of the guided wavelength. Therefore, the drawbacks of conventional patch antennas, such as low gain and efficiency, can be overcome using metamaterials. In this doctoral thesis, we have benefited from the advantages of metamaterials to design microwave circuits with very satisfactory performance. Two themes were targeted, wireless communications and bodily communications. The first theme proposes original unit cells with negative permittivity, permeability and refractive index. A compact UWB antenna is also designed and analyzed. In addition, two contributions of compact multiband antennas with excellent radiation properties for WLAN and WiMAX applications are offered. In the second theme, a new very compact reconfigurable antenna based on metamaterial is proposed. The characteristics of the proposed antenna on materials imitating human tissues (phantoms) are evaluated. The SAR values confirmed the safety of the proposed antenna for WBAN applications.

في الكهرومغناطيسية والبصريات ، ظهرت فئة جديدة من المواد تسمى المواد الخارقة ذات خصائص فريدة مثل السماحية(ɛ)والنفاذية (µ) لسالبتان. يمكن للمواد الفوقية أن تغير خصائص الموجات الكهرومغناطيسية التي تمر عبرها. لذلك ، يتم استغلال المواد الخارقة لتصميم هوائيات ذات أداء مرغوب. كما إنها توفر إمكانية التصغير لأن حجم خلية المادة الفوقية حوالي عُشر الطول الموجي الموجه. لذلك ، يمكن التغلب على عيوب هوائيات التصحيح التقليدية ، مثل الكسب والكفاءة المنخفضان باستخدام المواد الخارقة. في أطروحة الدكتوراه هذه ، استفدنا من مزايا المواد الخارقة من أجل تصميم دوائر ميكروويف بأداء مرضٍ للغاية. تم استهداف موضوعين ، الاتصالات اللاسلكية والاتصالات الجسدية. في الموضوع الأول ، تم اقتراح خلايا الوحدة لمواد خارقة أصلية ذات سماحية و نفاذية و معامل انكسار سالبة. كما تم تصميم و تحليل هوائي UWB مصغر. بالإضافة إلى ذلك ، تم تقديم مساهمتين من الهوائيات متعددة النطاقات المدمجة ذات الخصائص الإشعاعية الممتازة لتطبيقات WLAN وWiMAX. في الموضوع الثاني ، تم اقتراح هوائي جديد مضغوط للغاية قابل لإعادة التشكيل يعتمد على المواد الفوقية. تم تقييم خصائص الهوائي المقترح على المواد التي تحاكي الأنسجة البشرية (الأشباح). أكدت قيم SAR سلامة الهوائي المقترح لتطبيقات WBAN.