Notizie - Una revisione delle antenne per linee di trasmissione basate su metamateriali (Parte 2)

2. Applicazione di MTM-TL nei sistemi di antenne
Questa sezione si concentrerà sui TL metamateriali artificiali e su alcune delle loro applicazioni più comuni e rilevanti per la realizzazione di varie strutture di antenne a basso costo, facile produzione, miniaturizzazione, ampia larghezza di banda, alto guadagno ed efficienza, capacità di scansione ad ampio raggio e basso profilo. Sono discussi di seguito.

1. Antenne a banda larga e multifrequenza
In un tipico TL di lunghezza l, data la frequenza angolare ω0, la lunghezza elettrica (o fase) della linea di trasmissione può essere calcolata come segue:

Dove vp rappresenta la velocità di fase della linea di trasmissione. Come si può vedere da quanto sopra, la larghezza di banda corrisponde strettamente al ritardo di gruppo, che è la derivata di φ rispetto alla frequenza. Pertanto, man mano che la lunghezza della linea di trasmissione si riduce, anche la larghezza di banda diventa più ampia. In altre parole, esiste una relazione inversa tra la larghezza di banda e la fase fondamentale della linea di trasmissione, che è specifica del progetto. Ciò dimostra che nei circuiti distribuiti tradizionali la larghezza di banda operativa non è facile da controllare. Ciò può essere attribuito alle limitazioni delle linee di trasmissione tradizionali in termini di gradi di libertà. Tuttavia, gli elementi di caricamento consentono di utilizzare parametri aggiuntivi nei TL metamateriali e la risposta di fase può essere controllata in una certa misura. Per aumentare la larghezza di banda è necessario avere una pendenza simile in prossimità della frequenza operativa delle caratteristiche di dispersione. Il metamateriale artificiale TL può raggiungere questo obiettivo. Sulla base di questo approccio, nel documento vengono proposti molti metodi per migliorare la larghezza di banda delle antenne. Gli studiosi hanno progettato e fabbricato due antenne a banda larga caricate con risonatori ad anello diviso (vedi Figura 7). I risultati mostrati nella Figura 7 mostrano che dopo aver caricato il risonatore ad anello diviso con l'antenna unipolare convenzionale, viene eccitata una modalità a bassa frequenza di risonanza. La dimensione del risonatore ad anello diviso è ottimizzata per ottenere una risonanza vicina a quella dell'antenna unipolare. I risultati mostrano che quando le due risonanze coincidono, la larghezza di banda e le caratteristiche di radiazione dell'antenna aumentano. La lunghezza e la larghezza dell'antenna unipolare sono 0,25λ0×0,11λ0 e 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), rispettivamente, e la lunghezza e la larghezza dell'antenna unipolare caricata con un risonatore ad anello diviso sono 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz) ), rispettivamente. Per l'antenna convenzionale a forma di F e l'antenna a forma di T senza risonatore ad anello diviso, il guadagno più elevato e l'efficienza di radiazione misurati nella banda a 5 GHz sono rispettivamente 3,6 dBi - 78,5% e 3,9 dBi - 80,2%. Per un'antenna caricata con un risonatore ad anello diviso, questi parametri sono rispettivamente 4dBi - 81,2% e 4,4dBi - 83% nella banda 6GHz. Implementando un risonatore ad anello diviso come carico corrispondente sull'antenna unipolare, è possibile supportare le bande 2,9 GHz ~ 6,41 GHz e 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, corrispondenti a larghezze di banda frazionarie del 75,4% e ~87%, rispettivamente. Questi risultati mostrano che la larghezza di banda di misurazione è migliorata di circa 2,4 volte e 2,11 volte rispetto alle tradizionali antenne unipolari di dimensioni approssimativamente fisse.

Figura 7. Due antenne a banda larga caricate con risonatori ad anello diviso.

Come mostrato nella Figura 8, vengono mostrati i risultati sperimentali dell'antenna unipolare stampata compatta. Quando S11≤-10 dB, la larghezza di banda operativa è del 185% (0,115-2,90 GHz) e a 1,45 GHz, il guadagno di picco e l'efficienza della radiazione sono rispettivamente di 2,35 dBi e 78,8%. La disposizione dell'antenna è simile a una struttura in lamiera triangolare back-to-back, alimentata da un divisore di potenza curvilineo. Il GND troncato contiene uno stub centrale posto sotto l'alimentatore e attorno ad esso sono distribuiti quattro anelli risonanti aperti, che ampliano la larghezza di banda dell'antenna. L'antenna irradia in modo quasi omnidirezionale, coprendo la maggior parte delle bande VHF e S e tutte le bande UHF ed L. La dimensione fisica dell'antenna è 48,32×43,72×0,8 mm3 e la dimensione elettrica è 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Presenta i vantaggi di dimensioni ridotte e basso costo e ha potenziali prospettive di applicazione nei sistemi di comunicazione wireless a banda larga.

Figura 8: Antenna unipolare caricata con risonatore ad anello diviso.

La Figura 9 mostra una struttura di antenna planare costituita da due coppie di anelli di filo meandro interconnessi collegati a terra su un piano di terra a forma di T troncato attraverso due vie. La dimensione dell'antenna è 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), dove λ0 è la lunghezza d'onda dello spazio libero di 0,55 GHz. L'antenna si irradia in modo omnidirezionale nell'E-plane nella banda di frequenza operativa di 0,55 ~ 3,85 GHz, con un guadagno massimo di 5,5 dBi a 2,35 GHz e un'efficienza del 90,1%. Queste caratteristiche rendono l'antenna proposta adatta a varie applicazioni, tra cui RFID UHF, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi e Bluetooth.

Fig. 9 Struttura dell'antenna planare proposta.

2. Antenna a onde perdite (LWA)
La nuova antenna a onde perdite è una delle principali applicazioni per la realizzazione di TL metamateriali artificiali. Per le antenne a onde perdite, l'effetto della costante di fase β sull'angolo di radiazione (θm) e sulla larghezza massima del fascio (Δθ) è il seguente:

L è la lunghezza dell'antenna, k0 è il numero d'onda nello spazio libero e λ0 è la lunghezza d'onda nello spazio libero. Si noti che la radiazione si verifica solo quando |β|

3. Antenna risonatore di ordine zero
Una proprietà unica del metamateriale CRLH è che β può essere 0 quando la frequenza non è uguale a zero. Sulla base di questa proprietà è possibile generare un nuovo risonatore di ordine zero (ZOR). Quando β è zero, non si verifica alcuno sfasamento nell'intero risonatore. Questo perché la costante di sfasamento φ = - βd = 0. Inoltre, la risonanza dipende solo dal carico reattivo ed è indipendente dalla lunghezza della struttura. La Figura 10 mostra che l'antenna proposta è fabbricata applicando due e tre unità a forma di E e la dimensione totale è rispettivamente 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 e 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, dove λ0 rappresenta la lunghezza d'onda di spazio libero alle frequenze operative di 500 MHz e 650 MHz, rispettivamente. L'antenna opera alle frequenze 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) e 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), con larghezze di banda relative del 91,9% e 96,0%. Oltre alle caratteristiche di dimensioni ridotte e ampia larghezza di banda, il guadagno e l'efficienza della prima e della seconda antenna sono rispettivamente 5,3 dBi e 85% (1 GHz) e 5,7 dBi e 90% (1,4 GHz).

Fig. 10 Strutture di antenne a doppia E e tripla E proposte.

4. Slot per antenna
È stato proposto un metodo semplice per ingrandire l'apertura dell'antenna CRLH-MTM, ma le dimensioni dell'antenna sono pressoché invariate. Come mostrato nella Figura 11, l'antenna include unità CRLH impilate verticalmente l'una sull'altra, che contengono patch e linee meandro, e sulla patch è presente una fessura a forma di S. L'antenna è alimentata da uno stub corrispondente CPW e le sue dimensioni sono 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, corrispondenti a 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, dove λ0 (3,5 GHz) rappresenta la lunghezza d'onda dello spazio libero. I risultati mostrano che l'antenna opera nella banda di frequenza di 0,85-7,90 GHz e la sua larghezza di banda operativa è del 161,14%. Il guadagno di radiazione e l'efficienza più elevati dell'antenna si riscontrano a 3,5 GHz, che sono rispettivamente 5,12 dBi e ~80%.