Lens structures from novel materials for fixed and steerable beams antenna systems at sub-THz range
Kokkonen, Mikko (2024-02-23)
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202402051589
Kuvaus
Tiivistelmä
In this thesis, the feasibility of four different composite materials as a lens to be integrated into an antenna at frequencies 110–170 GHz or 220–330 GHz was investigated. The investigated lens structures were based on two different ways of refracting the wave with the lens, refraction due to the surface shape and permittivity of the lens, and diffraction. The performance of the lenses was examined using simulation methods and measurements. The refraction-based lens sizes used were at most 30 mm in diameter and 49.5 mm high, and the diffraction-based lens size was 25×27×3 mm3.
Nanocellulose-glass composite, lithium molybdate oxide-glass composite, nanocellulose-coated silica foam, and silica-polymethyl methacrylate composite were investigated. The first two of the composites used are water soluble and could be prepared at room temperature. The water solubility can facilitate the recycling of lenses in the future, and manufacturing at room temperature significantly reduces the need for energy during manufacture. Silica foam coated with nanocellulose is almost 100% air and is suitable as a substrate for diffraction based lenses when the diffraction pattern is sputtered onto the surface of the foam. The above-mentioned composites are environmentally friendly because they do not contain plastic. The silicon oxide-polymethyl methacrylate composite is a plastic composite, but the amount of plastic in it was reduced with silica so that the final composite contained ~20% silica and 80% plastics.
The dielectric properties of the composites used in the work were as follows: relative permittivity 1.018–1.5 and loss tangent 3–40×10−4. In addition, the very low relative permittivity also resulted in very low reflection from the lens surface (reflectivity < 1%). Low reflectivity and a low loss tangent can be considered useful properties in lenses, because the electromagnetic wave propagating through the lens is only slightly weakened, i.e. the efficiency of the lenses is high.
Tässä tutkimuksessa tutkittiin neljän eri komposiittimateriaalin soveltuvuutta antenniin integroitavaksi linssiksi taajuuksilla 110–170 GHz tai 220–330 GHz. Tutkittavat linssirakenteet perustuivat kahteen eri tapaan taittaa aaltoa linssillä, linssin pinnamuodosta ja permittiivisyydestä johtuvaan taittumiseen sekä diffraktioon. Linssien toiminnan tarkastelu tapahtui simulaatio menetelmin sekä mittauksin. Työssä käytetyt taittumiseen perustuvat linssit olivat enintään 30 mm halkaisijaltaan ja 49,5 mm korkeita ja diffraktioon perustuvan linssin koko oli 25×27×3 mm3.
Tutkittavana olivat nanoselluloosa-lasi komposiitti, litium molybdaatti oksidi-lasi komposiitti, nanoselluloosa pinnoitettu piioksidi vaahto, ja piioksidi-polymetyylimetakrylaatti komposiitti. Käytetyistä komposiiteista kaksi ensimmäistä on vesiliukoisia ja ne voitiin valmistaa huoneen lämpötilassa. Vesiliukoisuus voi tulevaisuudessa helpottaa linssien kierrätystä ja huoneenlämpötilassa tapahtuva valmistus vähentää huomattavasti energian tarvetta valmistuksen aikana. Nanoselluloosa pinnoitettu piioksidi vaahto osoittautui olevan lähes 100 % ilmaa ja se soveltuu erinomaisesti diffraktioon perustuvien linssien alustaksi, kun diffraktiokuvio sputteroidaan vaahdon pinnalle. Edellä mainitut komposiitit ovat myös ympäristöystävällisiä, koska ne eivät sisällä ollenkaan muovia. Piioksidi-polymetyylimetakrylaatti on muovikomposiitti, mutta muovin määrää siinä vähennettiin piioksidilla siten, että lopullinen komposiitti sisälsi ~20 % piioksidia ja ~80 % muovia.
Työssä käytettyjen komposiittien dielektriset ominaisuudet olivat seuraavat. Suhteellinen permittiivisyys 1.018–1.5 ja häviötangentti 3–40×10−4. Lisäksi erittäin alhainen suhteellinen permittiivisyys johtaa myös erittäin alhaiseen heijastukseen linssin pinnalta (heijastuskyky < 1 %). Matalaa heijastusta ja pientä häviötangenttia voidaan pitää hyödyllisinä ominaisuuksina linsseissä, koska linssin läpi etenevä sähkömagneettinen aalto heikkenee vain hieman, eli linssien hyötysuhde on korkea.
Original papers
-
Kokkonen, M., Nelo, M., Liimatainen, H., Ukkola, J., Tervo, N., Myllymäki, S., Juuti, J., & Jantunen, H. (2022). Wood-based composite materials for ultralight lens antennas in 6G systems. Materials Advances, 3(3), 1687–1694. https://doi.org/10.1039/D1MA00644D https://doi.org/10.1039/D1MA00644D
-
Kokkonen, M., Ghavidel, A., Tervo, N., Nelo, M., Myllymäki, S., & Jantunen, H. (2021). An ultralight high-directivity ceramic composite lens antenna for 220–330 GHz. IEEE Access, 9, 156592–156598. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3130319 https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3130319
-
Kokkonen, M., Pálvölgyi, P. S., Sliz, R., Jantunen, H., Kordas, K., & Myllymäki, S. (2023). An ultralow-loss and lightweight cellulose-coated silica foam for planar fresnel zone plate lens applications in future 6G devices. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 22(1), 99–103. https://doi.org/10.1109/LAWP.2022.3203434 https://doi.org/10.1109/LAWP.2022.3203434
-
Palvölgyi, P. S., Kokkonen, M., Sliz, R., Jantunen, H., Kordas, K., & Myllymäki, S. (2023). Porous low‐loss silica–PMMA dielectric nanocomposite for high‐frequency bullet lens applications. Advanced Photonics Research, 4(3), 2200208. https://doi.org/10.1002/adpr.202200208 https://doi.org/10.1002/adpr.202200208
Osajulkaisut
-
Kokkonen, M., Nelo, M., Liimatainen, H., Ukkola, J., Tervo, N., Myllymäki, S., Juuti, J., & Jantunen, H. (2022). Wood-based composite materials for ultralight lens antennas in 6G systems. Materials Advances, 3(3), 1687–1694. https://doi.org/10.1039/D1MA00644D https://doi.org/10.1039/D1MA00644D
-
Kokkonen, M., Ghavidel, A., Tervo, N., Nelo, M., Myllymäki, S., & Jantunen, H. (2021). An ultralight high-directivity ceramic composite lens antenna for 220–330 GHz. IEEE Access, 9, 156592–156598. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3130319 https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3130319
-
Kokkonen, M., Pálvölgyi, P. S., Sliz, R., Jantunen, H., Kordas, K., & Myllymäki, S. (2023). An ultralow-loss and lightweight cellulose-coated silica foam for planar fresnel zone plate lens applications in future 6G devices. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 22(1), 99–103. https://doi.org/10.1109/LAWP.2022.3203434 https://doi.org/10.1109/LAWP.2022.3203434
-
Palvölgyi, P. S., Kokkonen, M., Sliz, R., Jantunen, H., Kordas, K., & Myllymäki, S. (2023). Porous low‐loss silica–PMMA dielectric nanocomposite for high‐frequency bullet lens applications. Advanced Photonics Research, 4(3), 2200208. https://doi.org/10.1002/adpr.202200208 https://doi.org/10.1002/adpr.202200208
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [32479]