Nieuws - Een overzicht van transmissielijnantennes op basis van metamaterialen (Deel 2)

2. Toepassing van MTM-TL in antennesystemen
In deze sectie richten we ons op kunstmatige metamaterialen TL's en enkele van hun meest voorkomende en relevante toepassingen voor het realiseren van diverse antennestructuren met lage kosten, eenvoudige productie, miniaturisatie, grote bandbreedte, hoge versterking en efficiëntie, een groot scanbereik en een laag profiel. Deze worden hieronder besproken.

1. Breedband- en multifrequentie-antennes
In een typische TL met een lengte l, wanneer de hoekfrequentie ω0 gegeven is, kan de elektrische lengte (of fase) van de transmissielijn als volgt worden berekend:

Waarbij vp de fasesnelheid van de transmissielijn voorstelt. Zoals hierboven te zien is, komt de bandbreedte nauw overeen met de groepsvertraging, de afgeleide van φ naar de frequentie. Naarmate de lengte van de transmissielijn korter wordt, wordt de bandbreedte dus ook breder. Met andere woorden, er is een omgekeerde relatie tussen de bandbreedte en de fundamentele fase van de transmissielijn, wat ontwerpspecifiek is. Dit toont aan dat de operationele bandbreedte in traditionele gedistribueerde schakelingen niet eenvoudig te regelen is. Dit kan worden toegeschreven aan de beperkingen van traditionele transmissielijnen wat betreft vrijheidsgraden. Belastingselementen maken het echter mogelijk om extra parameters te gebruiken in metamateriaal-TL's, en de faserespons kan tot op zekere hoogte worden geregeld. Om de bandbreedte te vergroten, is een vergelijkbare helling in de buurt van de operationele frequentie van de dispersiekarakteristieken noodzakelijk. Kunstmatige metamateriaal-TL's kunnen dit doel bereiken. Op basis van deze aanpak worden in dit artikel vele methoden voorgesteld om de bandbreedte van antennes te verbeteren. Wetenschappers hebben twee breedbandantennes ontworpen en gefabriceerd die zijn geladen met splitringresonatoren (zie figuur 7). De resultaten in Figuur 7 tonen aan dat na het laden van de splitringresonator met de conventionele monopoolantenne, een lage resonantiefrequentiemodus wordt geëxciteerd. De grootte van de splitringresonator is geoptimaliseerd om een resonantie te bereiken die dicht bij die van de monopoolantenne ligt. De resultaten tonen aan dat wanneer de twee resonanties samenvallen, de bandbreedte en stralingskarakteristieken van de antenne toenemen. De lengte en breedte van de monopoolantenne zijn respectievelijk 0,25λ0 × 0,11λ0 en 0,25λ0 × 0,21λ0 (4 GHz), en de lengte en breedte van de monopoolantenne geladen met een splitringresonator zijn respectievelijk 0,29λ0 × 0,21λ0 (2,9 GHz). Voor de conventionele F-vormige antenne en T-vormige antenne zonder splitringresonator zijn de hoogste versterking en stralingsefficiëntie gemeten in de 5 GHz-band respectievelijk 3,6 dBi - 78,5% en 3,9 dBi - 80,2%. Voor de antenne met een splitringresonator zijn deze parameters respectievelijk 4 dBi - 81,2% en 4,4 dBi - 83% in de 6GHz-band. Door een splitringresonator als matching load op de monopoolantenne te implementeren, kunnen de banden 2,9 GHz ~ 6,41 GHz en 2,6 GHz ~ 6,6 GHz worden ondersteund, wat overeenkomt met fractionele bandbreedtes van respectievelijk 75,4% en ~ 87%. Deze resultaten tonen aan dat de meetbandbreedte met ongeveer 2,4 en 2,11 keer is verbeterd ten opzichte van traditionele monopoolantennes met een ongeveer vaste grootte.

Figuur 7. Twee breedbandantennes met splitringresonatoren.

Zoals weergegeven in figuur 8, worden de experimentele resultaten van de compacte, geprinte monopoolantenne weergegeven. Bij S11 ≤ -10 dB bedraagt de bandbreedte 185% (0,115-2,90 GHz) en bij 1,45 GHz bedragen de piekversterking en de stralingsefficiëntie respectievelijk 2,35 dBi en 78,8%. De antenne is vergelijkbaar met een rug-aan-rug driehoekige plaatstructuur, die wordt gevoed door een kromlijnige vermogensdeler. De afgeknotte aardingslijn bevat een centrale stub onder de feeder, en daaromheen zijn vier open resonantieringen verdeeld, wat de bandbreedte van de antenne vergroot. De antenne straalt vrijwel omnidirectioneel uit en bestrijkt de meeste VHF- en S-banden, en alle UHF- en L-banden. De fysieke afmetingen van de antenne zijn 48,32 × 43,72 × 0,8 mm³ en de elektrische afmetingen zijn 0,235 λ0 × 0,211 λ0 × 0,003 λ0. De antenne heeft de voordelen van een klein formaat en lage kosten, en biedt potentiële toepassingen in breedband draadloze communicatiesystemen.

Figuur 8: Monopoolantenne geladen met splitringresonator.

Figuur 9 toont een vlakke antennestructuur bestaande uit twee paar onderling verbonden meanderende draadlussen die via twee via's geaard zijn aan een afgeknot T-vormig grondvlak. De antenne heeft een afmeting van 38,5 × 36,6 mm² (0,070 λ0 × 0,067 λ0), waarbij λ0 de golflengte in de vrije ruimte is van 0,55 GHz. De antenne straalt omnidirectioneel uit in het E-vlak in de werkfrequentieband van 0,55 ~ 3,85 GHz, met een maximale versterking van 5,5 dBi bij 2,35 GHz en een efficiëntie van 90,1%. Deze eigenschappen maken de voorgestelde antenne geschikt voor diverse toepassingen, waaronder UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, wifi en Bluetooth.

Figuur 9 Voorgestelde planaire antennestructuur.

2. Lekgolfantenne (LWA)
De nieuwe lekgolfantenne is een van de belangrijkste toepassingen voor de realisatie van kunstmatige metamaterialen TL. Voor lekgolfantennes is het effect van de faseconstante β op de stralingshoek (θm) en de maximale bundelbreedte (Δθ) als volgt:

L is de antennelengte, k0 is het golflengtegetal in de vrije ruimte en λ0 is de golflengte in de vrije ruimte. Merk op dat straling alleen optreedt wanneer |β|

3. Resonatorantenne van nulde orde
Een unieke eigenschap van het CRLH-metamateriaal is dat β 0 kan zijn wanneer de frequentie ongelijk is aan nul. Op basis van deze eigenschap kan een nieuwe resonator van nulde orde (ZOR) worden gegenereerd. Wanneer β nul is, treedt er geen faseverschuiving op in de gehele resonator. Dit komt doordat de faseverschuivingsconstante φ = - βd = 0. Bovendien hangt de resonantie alleen af van de reactieve belasting en is deze onafhankelijk van de lengte van de structuur. Figuur 10 laat zien dat de voorgestelde antenne is vervaardigd door twee en drie E-vormige units toe te passen, en de totale afmetingen zijn respectievelijk 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 en 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, waarbij λ0 de golflengte van de vrije ruimte vertegenwoordigt bij bedrijfsfrequenties van respectievelijk 500 MHz en 650 MHz. De antenne werkt op frequenties van 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) en 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), met relatieve bandbreedtes van 91,9% en 96,0%. Naast de kenmerken van een klein formaat en een grote bandbreedte, bedragen de versterking en efficiëntie van de eerste en tweede antenne respectievelijk 5,3 dBi en 85% (1 GHz) en 5,7 dBi en 90% (1,4 GHz).

Figuur 10 Voorgestelde dubbele-E- en triple-E-antennestructuren.

4. Sleufantenne
Er is een eenvoudige methode voorgesteld om de opening van de CRLH-MTM-antenne te vergroten, maar de antennegrootte blijft vrijwel ongewijzigd. Zoals weergegeven in Figuur 11, bevat de antenne verticaal op elkaar gestapelde CRLH-eenheden, die patches en meanderlijnen bevatten, en bevindt zich op de patch een S-vormige sleuf. De antenne wordt gevoed door een CPW-aanpassingsstub en is 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm groot, wat overeenkomt met 0,204λ0 × 0,375λ0 × 0,018λ0, waarbij λ0 (3,5 GHz) de golflengte van de vrije ruimte vertegenwoordigt. De resultaten tonen aan dat de antenne werkt in de frequentieband van 0,85-7,90 GHz en de bandbreedte 161,14% bedraagt. De hoogste stralingsversterking en efficiëntie van de antenne worden bereikt bij 3,5 GHz, respectievelijk 5,12 dBi en ~80%.