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

2. Toepassing van MTM-TL in antennesystemen
In dit gedeelte wordt ingegaan op kunstmatige metamateriaal transmissielijnen (TL's) en enkele van hun meest voorkomende en relevante toepassingen voor het realiseren van diverse antennestructuren met lage kosten, eenvoudige fabricage, miniaturisatie, brede bandbreedte, hoge versterking en efficiëntie, breed scanbereik en een laag profiel. Deze worden hieronder besproken.

1. Breedband- en multifrequentieantennes
In een typische transmissielijn met lengte l kan, gegeven de hoekfrequentie ω0, 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, die de afgeleide is van φ ten opzichte van de frequentie. Daarom wordt de bandbreedte breder naarmate de lengte van de transmissielijn korter wordt. Met andere woorden, er bestaat een omgekeerd verband tussen de bandbreedte en de fundamentele fase van de transmissielijn, wat ontwerpspecifiek is. Dit toont aan dat de operationele bandbreedte in traditionele gedistribueerde circuits niet gemakkelijk te controleren is. Dit kan worden toegeschreven aan de beperkingen van traditionele transmissielijnen in termen van vrijheidsgraden. Belastingselementen maken echter het gebruik van extra parameters in metamateriaal-transmissielijnen mogelijk, waardoor de faserespons tot op zekere hoogte kan worden gecontroleerd. Om de bandbreedte te vergroten, is het noodzakelijk om een vergelijkbare helling te hebben in de buurt van de werkfrequentie van de dispersiekarakteristieken. Kunstmatige metamateriaal-transmissielijnen kunnen dit doel bereiken. Op basis van deze benadering worden in dit artikel verschillende methoden voorgesteld om de bandbreedte van antennes te vergroten. Onderzoekers hebben twee breedbandantennes ontworpen en gefabriceerd die zijn voorzien van split-ring-resonatoren (zie Figuur 7). De resultaten in Figuur 7 tonen aan dat na het belasten van de splitringresonator met de conventionele monopoolantenne een resonantiemodus met een lage frequentie wordt opgewekt. De afmetingen van de splitringresonator zijn geoptimaliseerd om een resonantie te bereiken die dicht bij die van de monopoolantenne ligt. De resultaten laten zien dat wanneer de twee resonanties samenvallen, de bandbreedte en de 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 belast met een splitringresonator zijn respectievelijk 0,29λ0 × 0,21λ0 (2,9 GHz). Voor de conventionele F-vormige antenne en de T-vormige antenne zonder splitringresonator zijn de hoogste gemeten versterking en stralingsefficiëntie 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 4dBi - 81,2% en 4,4dBi - 83% in de 6GHz-band. Door een splitringresonator als aanpassingsbelasting op de monopoolantenne te implementeren, kunnen de banden van 2,9 GHz tot 6,41 GHz en van 2,6 GHz tot 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 keer en 2,11 keer is verbeterd in vergelijking met traditionele monopoolantennes van nagenoeg gelijke afmetingen.

Figuur 7. Twee breedbandantennes voorzien van split-ring resonatoren.

Zoals weergegeven in figuur 8, worden de experimentele resultaten van de compacte geprinte monopoolantenne getoond. Wanneer S11≤-10 dB, bedraagt de werkingsbandbreedte 185% (0,115-2,90 GHz), en bij 1,45 GHz zijn de piekversterking en stralingsefficiëntie respectievelijk 2,35 dBi en 78,8%. De antenne heeft een lay-out die lijkt op een driehoekige plaatstructuur met twee platen aan weerszijden, die wordt gevoed door een kromlijnige vermogensverdeler. De afgeknotte GND bevat een centrale stub die onder de voedingslijn is geplaatst, en vier open resonantieringen zijn eromheen verdeeld, wat de bandbreedte van de antenne vergroot. De antenne straalt vrijwel omnidirectioneel uit en bestrijkt het grootste deel van de 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 0,235λ0 × 0,211λ0 × 0,003λ0. De antenne heeft als voordelen een klein formaat en lage kosten en biedt veelbelovende toepassingsmogelijkheden in breedband draadloze communicatiesystemen.

Figuur 8: Monopoolantenne belast met splitringresonator.

Figuur 9 toont een planaire antennestructuur bestaande uit twee paren onderling verbonden meanderdraadlussen die via twee via's zijn geaard aan een afgeknot T-vormig aardvlak. De antenne heeft een afmeting van 38,5 × 36,6 mm² (0,070λ0 × 0,067λ0), waarbij λ0 de golflengte in vrije ruimte is van 0,55 GHz. De antenne straalt omnidirectioneel 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 rendement 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.

Afbeelding 9. Voorgestelde vlakke antennestructuur.

2. Lekke golfantenne (LWA)
De nieuwe lekgolfantenne is een van de belangrijkste toepassingen voor het realiseren van kunstmatige metamateriaal-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 golfgetal in vrije ruimte en λ0 is de golflengte in 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 nul kan zijn wanneer de frequentie niet gelijk is aan nul. Op basis van deze eigenschap kan een nieuwe nulde-orde resonator (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 toont dat de voorgestelde antenne is vervaardigd door twee en drie eenheden met een E-vorm toe te passen, met een totale afmeting van respectievelijk 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 en 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, waarbij λ0 de golflengte van de vrije ruimte vertegenwoordigt bij werkfrequenties 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 respectievelijk 91,9% en 96,0%. Naast de kenmerken van een klein formaat en een brede bandbreedte, bedragen de versterking en het rendement van de eerste en tweede antenne respectievelijk 5,3 dBi en 85% (1 GHz) en 5,7 dBi en 90% (1,4 GHz).

Afbeelding 10. Voorgestelde dubbele-E- en drievoudige-E-antennestructuren.

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