Novas - Unha revisión das antenas de liña de transmisión baseadas en metamateriais (Parte 2)

2. Aplicación de MTM-TL en sistemas de antenas
Esta sección centrarase nos TL de metamateriais artificiais e nalgunhas das súas aplicacións máis comúns e relevantes para a realización de diversas estruturas de antenas con baixo custo, fabricación sinxela, miniaturización, ancho de banda amplo, alta ganancia e eficiencia, capacidade de dixitalización de amplo rango e perfil baixo. Discútense a continuación.

1. Antenas de banda ancha e multifrecuencia
Nunha liña de transmisión típica cunha lonxitude l, cando se dá a frecuencia angular ω0, a lonxitude eléctrica (ou fase) da liña de transmisión pódese calcular do seguinte xeito:

Onde vp representa a velocidade de fase da liña de transmisión. Como se pode ver no anterior, o ancho de banda correspóndese estreitamente co retardo de grupo, que é a derivada de φ con respecto á frecuencia. Polo tanto, a medida que a lonxitude da liña de transmisión se fai máis curta, o ancho de banda tamén se fai máis ancho. Noutras palabras, existe unha relación inversa entre o ancho de banda e a fase fundamental da liña de transmisión, que é específica do deseño. Isto demostra que nos circuítos distribuídos tradicionais, o ancho de banda operativo non é doado de controlar. Isto pódese atribuír ás limitacións das liñas de transmisión tradicionais en termos de graos de liberdade. Non obstante, os elementos de carga permiten usar parámetros adicionais nos TL de metamateriais, e a resposta de fase pódese controlar ata certo punto. Para aumentar o ancho de banda, é necesario ter unha pendente similar preto da frecuencia de funcionamento das características de dispersión. O TL de metamateriais artificial pode lograr este obxectivo. Baseándose nesta abordaxe, propóñense moitos métodos para mellorar o ancho de banda das antenas no artigo. Os académicos deseñaron e fabricaron dúas antenas de banda ancha cargadas con resonadores de anel dividido (véxase a Figura 7). Os resultados que se mostran na Figura 7 amosan que, despois de cargar o resonador de anel dividido coa antena monopolar convencional, excítase un modo de baixa frecuencia resonante. O tamaño do resonador de anel dividido está optimizado para conseguir unha resonancia próxima á da antena monopolar. Os resultados amosan que cando as dúas resonancias coinciden, as características de ancho de banda e radiación da antena aumentan. A lonxitude e o ancho da antena monopolar son 0,25λ0×0,11λ0 e 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz), respectivamente, e a lonxitude e o ancho da antena monopolar cargada cun resonador de anel dividido son 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz), respectivamente. Para a antena convencional en forma de F e a antena en forma de T sen resonador de anel dividido, a maior ganancia e eficiencia de radiación medidas na banda de 5 GHz son 3,6 dBi - 78,5 % e 3,9 dBi - 80,2 %, respectivamente. Para a antena cargada cun resonador de anel dividido, estes parámetros son 4dBi - 81,2 % e 4,4 dBi - 83 %, respectivamente, na banda de 6 GHz. Ao implementar un resonador de anel dividido como carga de adaptación na antena monopolar, pódense soportar as bandas de 2,9 GHz ~ 6,41 GHz e de 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, o que corresponde a anchos de banda fraccionarios do 75,4 % e ~87 %, respectivamente. Estes resultados mostran que o ancho de banda de medición mellora aproximadamente 2,4 veces e 2,11 veces en comparación coas antenas monopolares tradicionais de tamaño aproximadamente fixo.

Figura 7. Dúas antenas de banda ancha cargadas con resonadores de anel dividido.

Como se mostra na Figura 8, móstranse os resultados experimentais da antena monopolar impresa compacta. Cando S11≤- 10 dB, o ancho de banda operativo é do 185 % (0,115-2,90 GHz) e, a 1,45 GHz, a ganancia máxima e a eficiencia de radiación son de 2,35 dBi e 78,8 %, respectivamente. A disposición da antena é similar a unha estrutura de láminas triangulares encadeadas, que se alimenta mediante un divisor de potencia curvilíneo. O GND truncado contén un conector central colocado debaixo do alimentador e catro aneis resonantes abertos están distribuídos ao seu redor, o que amplía o ancho de banda da antena. A antena irradia case omnidireccionalmente, cubrindo a maior parte das bandas VHF e S e todas as bandas UHF e L. O tamaño físico da antena é de 48,32 × 43,72 × 0,8 mm3 e o tamaño eléctrico é de 0,235 λ0 × 0,211 λ0 × 0,003 λ0. Ten as vantaxes do seu pequeno tamaño e baixo custo, e ten potencial para a súa aplicación en sistemas de comunicación sen fíos de banda ancha.

Figura 8: Antena monopolar cargada cun resonador de anel dividido.

A figura 9 mostra unha estrutura de antena planar que consiste en dous pares de bucles de arame meandro interconectados conectados a terra a un plano de terra en forma de T truncado a través de dúas vías. O tamaño da antena é de 38,5 × 36,6 mm2 (0,070λ0 × 0,067λ0), onde λ0 é a lonxitude de onda no espazo libre de 0,55 GHz. A antena irradia omnidireccionalmente no plano E na banda de frecuencia de funcionamento de 0,55 ~ 3,85 GHz, cunha ganancia máxima de 5,5 dBi a 2,35 GHz e unha eficiencia do 90,1 %. Estas características fan que a antena proposta sexa axeitada para diversas aplicacións, incluíndo RFID UHF, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi e Bluetooth.

Fig. 9 Estrutura de antena planar proposta.

2. Antena de ondas fugaces (LWA)
A nova antena de ondas de fuga é unha das principais aplicacións para a realización de TL de metamateriais artificiais. Para as antenas de ondas de fuga, o efecto da constante de fase β no ángulo de radiación (θm) e na anchura máxima do feixe (Δθ) é o seguinte:

L é a lonxitude da antena, k0 é o número de onda no espazo libre e λ0 é a lonxitude de onda no espazo libre. Teña en conta que a radiación só se produce cando |β|

3. Antena resonadora de orde cero
Unha propiedade única do metamaterial CRLH é que β pode ser 0 cando a frecuencia non é igual a cero. Baseándose nesta propiedade, pódese xerar un novo resonador de orde cero (ZOR). Cando β é cero, non se produce ningún cambio de fase en todo o resonador. Isto débese a que a constante de cambio de fase φ = - βd = 0. Ademais, a resonancia depende só da carga reactiva e é independente da lonxitude da estrutura. A figura 10 mostra que a antena proposta se fabrica aplicando dúas e tres unidades con forma de E, e o tamaño total é de 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 e 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, respectivamente, onde λ0 representa a lonxitude de onda do espazo libre a frecuencias de funcionamento de 500 MHz e 650 MHz, respectivamente. A antena funciona a frecuencias de 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) e 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), con anchos de banda relativos do 91,9 % e o 96,0 %. Ademais das características de pequeno tamaño e ancho de banda amplo, a ganancia e a eficiencia da primeira e segunda antena son de 5,3 dBi e 85 % (1 GHz) e 5,7 dBi e 90 % (1,4 GHz), respectivamente.

Fig. 10 Estruturas de antenas propostas de dobre E e triplo E.

4. Antena de ranura
Propúxose un método sinxelo para ampliar a apertura da antena CRLH-MTM, pero o tamaño da súa antena case non cambia. Como se mostra na Figura 11, a antena inclúe unidades CRLH apiladas verticalmente unhas sobre outras, que conteñen parches e liñas meandrosas, e hai unha ranura en forma de S no parche. A antena aliméntase mediante un conector de adaptación CPW e o seu tamaño é de 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, o que corresponde a 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, onde λ0 (3,5 GHz) representa a lonxitude de onda do espazo libre. Os resultados mostran que a antena funciona na banda de frecuencia de 0,85-7,90 GHz e o seu ancho de banda operativo é do 161,14 %. A maior ganancia de radiación e eficiencia da antena aparecen a 3,5 GHz, que son 5,12 dBi e ~80 %, respectivamente.