Experimental characterization of a metamaterial lens formed by helical-shaped metallic wires

Abstract

Em 2016, foi sugerido em trabalho anterior do grupo de pesquisa Antenas e Propagação [T. A. Morgado, J. T. Costa, M. G. Silveirinha, Phys. Rev. B 93, 075102 (2016)] uma forma alternativa de imitar o comportamento dos fios condutores magnéticos perfeitos (PMC) que pode ser facilmente implementada no regime de microondas e até mesmo em bandas de frequência superiores. Este estudo teórico e numérico mostra que tal metamaterial suporta um modo transversal elétrico com velocidade de fase quase independente do vetor de onda transversal, semelhante ao que acontece no meio de fio convencional para ondas transversais magnéticas (TM)-polarizadas. Nesta tese, usando um protótipo de microondas fabricado, é fornecida a primeira verificação experimental das capacidades de imagem de sub-comprimento-de-onda da lente de meio de fios em formato helicoidal. Em particular, foi demonstrado experimental- mente que a estrutura metamaterial formada por um arranjo periódico racémico de fios metálicos em formato helicoidal permite canalizar as componentes do campo magnético de fontes de campo próximo conforme previsto no referido trabalho. Assim, e´ provado experimentalmente que tal estrutura se comporta de fato como um análogo magnético de lente de meio de fios convencionais formada por uma matriz de fios metálico retos paralelos. A lente proposta pode ter aplicações potenciais interessantes em imagem de ressonância magnética (MRI) e transferência de energia sem fio de campo próximo (NF-WPT).

In 2016, it was suggested in previous work of Antennas and Propagation research group [T. A. Morgado, J. T. Costa, M. G. Silveirinha, Phys. Rev. B 93, 075102 (2016)] an alternative way to imitate the behavior of perfectly magnetic conducting (PMC) wires that can be easily implemented in the microwave regime and even at higher frequency bands. This theoretical and numerical study shows that such a metamaterial supports transverse electric mode with phase velocity nearly independent of the transverse wave vector, similar to what happens in the conventional wire medium for transverse magnetic (TM)-polarized waves. In this thesis, using a fabricated microwave prototype, it is provided the first experimental verification of the subwavelength imaging capabilities of the helical-shaped wire medium lens. In particular, it was experimentally demonstrated that such a metamaterial slab formed by a racemic periodic array of helical-shaped metallic wires enables channeling the magnetic field components of near-field sources as predicted in the referred work. Thus, it is experimentally proven that such structure behaves indeed as a magnetic analog of the conventional wire medium lens formed by an array of parallel straight metallic wires. The proposed lens may have interesting potential applications in magnetic resonance imaging (MRI) and near-field wireless Power Transfer (NF-WPT).