2. Applicazione di MTM-TL nei sistemi di antenne
Questa sezione si concentrerà sulle linee di trasmissione in metamateriali artificiali e su alcune delle loro applicazioni più comuni e rilevanti per la realizzazione di diverse strutture di antenne con basso costo, facilità di produzione, miniaturizzazione, ampia larghezza di banda, elevato guadagno ed efficienza, capacità di scansione ad ampio raggio e profilo ribassato. Tali applicazioni sono discusse di seguito.
1. Antenne a banda larga e multifrequenza
In una tipica linea di trasmissione 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 diminuisce, 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. Questo può essere attribuito alle limitazioni delle linee di trasmissione tradizionali in termini di gradi di libertà. Tuttavia, gli elementi di carico consentono l'utilizzo di parametri aggiuntivi nelle linee di trasmissione a 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 vicino alla frequenza operativa delle caratteristiche di dispersione. Le linee di trasmissione a metamateriali artificiali possono raggiungere questo obiettivo. Basandosi su questo approccio, in questo articolo vengono proposti molti metodi per migliorare la larghezza di banda delle antenne. Gli studiosi hanno progettato e realizzato due antenne a banda larga caricate con risonatori ad anello spezzato (vedere Figura 7). I risultati mostrati in Figura 7 indicano che, dopo aver caricato il risonatore ad anello diviso con l'antenna monopolare convenzionale, viene eccitata una modalità a bassa frequenza di risonanza. Le dimensioni del risonatore ad anello diviso sono ottimizzate per ottenere una risonanza vicina a quella dell'antenna monopolare. 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 monopolare sono rispettivamente 0,25λ0×0,11λ0 e 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz), mentre la lunghezza e la larghezza dell'antenna monopolare caricata con un risonatore ad anello diviso sono rispettivamente 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz). Per l'antenna convenzionale a forma di F e per l'antenna a forma di T senza risonatore ad anello diviso, il guadagno massimo 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 l'antenna caricata con un risonatore ad anello diviso, questi parametri sono rispettivamente 4dBi - 81,2% e 4,4dBi - 83% nella banda a 6 GHz. Implementando un risonatore ad anello diviso come carico di adattamento sull'antenna monopolare, 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 misura è migliorata di circa 2,4 volte e 2,11 volte rispetto alle tradizionali antenne monopolari di dimensioni approssimativamente fisse.
Figura 7. Due antenne a banda larga caricate con risonatori ad anello spezzato.
Come mostrato in Figura 8, vengono presentati i risultati sperimentali dell'antenna monopolare 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%. La configurazione dell'antenna è simile a una struttura a fogli triangolari back-to-back, alimentata da un divisore di potenza curvilineo. Il GND troncato contiene uno stub centrale posizionato sotto l'alimentatore e quattro anelli risonanti aperti sono distribuiti attorno ad esso, ampliando la larghezza di banda dell'antenna. L'antenna irradia quasi omnidirezionalmente, 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 le dimensioni elettriche sono 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Presenta i vantaggi di dimensioni ridotte e basso costo, e offre potenziali prospettive di applicazione nei sistemi di comunicazione wireless a banda larga.
Figura 8: Antenna monopolare caricata con risonatore ad anello spezzato.
La Figura 9 mostra una struttura di antenna planare composta da due coppie di anelli di filo meandro interconnessi, collegati a un piano di massa a forma di T troncata tramite due vie. 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 da 0,55 a 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 RFID UHF, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi e Bluetooth.
Figura 9. Struttura dell'antenna planare proposta.
2. Antenna a onda di fuga (LWA)
La nuova antenna a onda di fuga è una delle principali applicazioni per la realizzazione di linee di trasmissione artificiali a metamateriali. Per le antenne a onda di fuga, 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 a risonatore di ordine zero
Una proprietà unica del metamateriale CRLH è che β può essere 0 quando la frequenza è diversa da 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 realizzata 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 alle 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).
Figura 10. Strutture di antenne a doppia E e tripla E proposte.
4. Antenna a fessura
È stato proposto un metodo semplice per ampliare l'apertura dell'antenna CRLH-MTM, ma le sue dimensioni rimangono pressoché invariate. Come mostrato in Figura 11, l'antenna comprende unità CRLH impilate verticalmente una sull'altra, che contengono patch e linee meandriformi, e su ciascuna patch è presente una fessura a forma di S. 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 riscontrano a 3,5 GHz, rispettivamente pari a 5,12 dBi e ~80%.
Figura 11. L'antenna a fessura CRLH MTM proposta.
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Data di pubblicazione: 30 agosto 2024
