Notizie - Una revisione delle antenne a linea 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 diverse strutture di antenna a basso costo, di facile fabbricazione, miniaturizzate, con ampia larghezza di banda, elevato guadagno ed efficienza, ampia capacità di scansione a lungo raggio e basso profilo. Tali applicazioni sono discusse di seguito.

1. Antenne a banda larga e multifrequenza
In una tipica TL con lunghezza l, quando è 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 osservare da quanto sopra, la larghezza di banda corrisponde strettamente al ritardo di gruppo, che è la derivata di φ rispetto alla frequenza. Pertanto, al diminuire della lunghezza della linea di trasmissione, anche la larghezza di banda aumenta. 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 ai limiti delle linee di trasmissione tradizionali in termini di gradi di libertà. Tuttavia, gli elementi di carico consentono l'utilizzo di parametri aggiuntivi nei TL in 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. I TL in metamateriali artificiali possono raggiungere questo obiettivo. Sulla base di questo approccio, nell'articolo vengono proposti numerosi metodi per aumentare la larghezza di banda delle antenne. Gli studiosi hanno progettato e realizzato due antenne a banda larga caricate con risonatori ad anello diviso (vedi Figura 7). I risultati mostrati in Figura 7 mostrano che, dopo aver caricato il risonatore ad anello diviso con l'antenna monopolo convenzionale, viene eccitata una modalità a bassa frequenza di risonanza. Le dimensioni del risonatore ad anello diviso sono ottimizzate per ottenere una risonanza prossima a quella dell'antenna monopolo. 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 monopolo sono rispettivamente 0,25λ0×0,11λ0 e 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz), mentre la lunghezza e la larghezza dell'antenna monopolo caricata con un risonatore ad anello diviso sono rispettivamente 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz). Per l'antenna convenzionale a F e l'antenna a T senza risonatore ad anello diviso, il guadagno e l'efficienza di radiazione più elevati misurati nella banda dei 5 GHz sono rispettivamente 3,6 dBi - 78,5% e 3,9 dBi - 80,2%. Per l'antenna dotata di un risonatore ad anello diviso, questi parametri sono rispettivamente 4 dBi - 81,2% e 4,4 dBi - 83% nella banda dei 6 GHz. Implementando un risonatore ad anello diviso come carico di adattamento sull'antenna monopolo, è possibile supportare le bande 2,9 GHz ~ 6,41 GHz e 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, corrispondenti a larghezze di banda frazionarie rispettivamente del 75,4% e dell'87%. Questi risultati mostrano che la larghezza di banda di misura è migliorata di circa 2,4 volte e 2,11 volte rispetto alle tradizionali antenne monopolo di dimensioni pressoché fisse.

Figura 7. Due antenne a banda larga dotate di risonatori ad anello diviso.

Come mostrato in Figura 8, sono mostrati i risultati sperimentali dell'antenna monopolo 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 di radiazione sono rispettivamente di 2,35 dBi e 78,8%. Il layout dell'antenna è simile a una struttura a fogli triangolari contrapposti, alimentata da un partitore di potenza curvilineo. Il GND troncato contiene uno stub centrale posizionato sotto l'alimentatore e quattro anelli risonanti aperti sono distribuiti attorno ad esso, il che amplia 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 e L. Le dimensioni fisiche dell'antenna sono 48,32×43,72×0,8 mm³, mentre quelle elettriche sono 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Presenta i vantaggi di dimensioni ridotte e costi contenuti, con potenziali applicazioni nei sistemi di comunicazione wireless a banda larga.

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

La Figura 9 mostra la struttura di un'antenna planare costituita da due coppie di anelli di filo a meandro interconnessi, collegati a terra tramite due vie a un piano di massa a forma di T troncata. Le dimensioni dell'antenna sono 38,5×36,6 mm² (0,070λ0×0,067λ0), dove λ0 è la lunghezza d'onda nello spazio libero di 0,55 GHz. L'antenna irradia omnidirezionalmente nel piano E 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 diverse applicazioni, tra cui UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi e Bluetooth.

Fig. 9 Struttura proposta dell'antenna planare.

2. Antenna a onde disperse (LWA)
La nuova antenna a onde leaky è una delle principali applicazioni per la realizzazione di TL metamateriali artificiali. Per le antenne a onde leaky, 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 risonante di ordine zero
Una proprietà unica del metamateriale CRLH è che β può essere 0 quando la frequenza non è uguale a zero. In base a 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 le dimensioni totali sono rispettivamente 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 e 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, dove λ0 rappresenta la lunghezza d'onda dello spazio libero alle frequenze operative di 500 MHz e 650 MHz, rispettivamente. L'antenna opera a frequenze di 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 del 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 di 5,3 dBi e 85% (1 GHz) e 5,7 dBi e 90% (1,4 GHz).

Fig. 10 Strutture proposte per antenne doppie-E e triple-E.

4. Antenna a fessura
È stato proposto un metodo semplice per ingrandire l'apertura dell'antenna CRLH-MTM, ma le sue dimensioni rimangono pressoché invariate. Come mostrato in Figura 11, l'antenna include unità CRLH impilate verticalmente l'una sull'altra, che contengono patch e linee a meandro, e presenta una fessura a forma di S sulla patch. L'antenna è alimentata da uno stub di adattamento 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 0,85-7,90 GHz e la sua larghezza di banda operativa è del 161,14%. Il guadagno di radiazione e l'efficienza massimi dell'antenna si ottengono a 3,5 GHz, che sono rispettivamente 5,12 dBi e ~80%.