Neuigkeiten - Ein Überblick über Übertragungsleitungsantennen auf Basis von Metamaterialien (Teil 2)

2. Anwendung von MTM-TL in Antennensystemen
Dieser Abschnitt konzentriert sich auf künstliche Metamaterial-TLs und einige ihrer häufigsten und relevantesten Anwendungen zur Realisierung verschiedener Antennenstrukturen mit geringen Kosten, einfacher Herstellung, Miniaturisierung, großer Bandbreite, hoher Verstärkung und Effizienz, großer Scan-Fähigkeit und niedrigem Profil. Sie werden im Folgenden erläutert.

1. Breitband- und Mehrfrequenzantennen
In einer typischen TL mit einer Länge von l kann die elektrische Länge (oder Phase) der Übertragungsleitung bei gegebener Winkelfrequenz ω0 wie folgt berechnet werden:

Dabei stellt vp die Phasengeschwindigkeit der Übertragungsleitung dar. Wie oben ersichtlich, entspricht die Bandbreite in etwa der Gruppenlaufzeit, die die Ableitung von φ nach der Frequenz darstellt. Daher vergrößert sich mit abnehmender Leitungslänge auch die Bandbreite. Anders ausgedrückt besteht eine umgekehrte Beziehung zwischen Bandbreite und Grundphase der Übertragungsleitung, die konstruktionsspezifisch ist. Dies zeigt, dass die Betriebsbandbreite in herkömmlichen verteilten Schaltungen nicht einfach zu steuern ist. Dies ist auf die eingeschränkten Freiheitsgrade herkömmlicher Übertragungsleitungen zurückzuführen. Ladeelemente ermöglichen jedoch die Nutzung zusätzlicher Parameter in Metamaterial-TLs, wodurch der Phasengang bis zu einem gewissen Grad gesteuert werden kann. Um die Bandbreite zu erhöhen, ist eine ähnliche Steigung der Dispersionseigenschaften nahe der Betriebsfrequenz erforderlich. Künstliche Metamaterial-TLs können dieses Ziel erreichen. Basierend auf diesem Ansatz werden in der vorliegenden Arbeit verschiedene Methoden zur Bandbreitenerhöhung von Antennen vorgeschlagen. Wissenschaftler haben zwei Breitbandantennen mit Split-Ring-Resonatoren entworfen und hergestellt (siehe Abbildung 7). Die in Abbildung 7 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass nach Bestückung des Spaltringresonators mit der herkömmlichen Monopolantenne ein niederfrequenter Resonanzmodus angeregt wird. Die Größe des Spaltringresonators ist so optimiert, dass eine Resonanz nahe der der Monopolantenne erreicht wird. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Bandbreite und Strahlungseigenschaften der Antenne erhöhen, wenn die beiden Resonanzen zusammenfallen. Die Länge und Breite der Monopolantenne betragen 0,25λ0 × 0,11λ0 bzw. 0,25λ0 × 0,21λ0 (4 GHz), die Länge und Breite der mit Spaltringresonator bestückten Monopolantenne betragen 0,29λ0 × 0,21λ0 (2,9 GHz). Für die herkömmliche F-förmige Antenne und die T-förmige Antenne ohne Spaltringresonator liegen die höchsten im 5-GHz-Band gemessenen Werte für Verstärkung und Strahlungseffizienz bei 3,6 dBi (78,5 %) bzw. 3,9 dBi (80,2 %). Für die mit einem Split-Ring-Resonator bestückte Antenne betragen diese Parameter 4 dBi – 81,2 % bzw. 4,4 dBi – 83 % im 6-GHz-Band. Durch die Implementierung eines Split-Ring-Resonators als passende Last an der Monopolantenne können die Bänder 2,9 GHz bis 6,41 GHz und 2,6 GHz bis 6,6 GHz unterstützt werden, was Teilbandbreiten von 75,4 % bzw. ~87 % entspricht. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Messbandbreite im Vergleich zu herkömmlichen Monopolantennen mit annähernd fester Größe um das 2,4- bzw. 2,11-Fache verbessert ist.

Abbildung 7. Zwei Breitbandantennen mit Split-Ring-Resonatoren.

Abbildung 8 zeigt die experimentellen Ergebnisse der kompakten gedruckten Monopolantenne. Bei S11 ≤ - 10 dB beträgt die Betriebsbandbreite 185 % (0,115–2,90 GHz), und bei 1,45 GHz liegen Spitzengewinn und Strahlungseffizienz bei 2,35 dBi bzw. 78,8 %. Der Aufbau der Antenne ähnelt einer Rücken-an-Rücken-Dreiecksblechstruktur, die von einem kurvenförmigen Leistungsteiler gespeist wird. Der verkürzte GND enthält einen zentralen Stummel unter der Einspeisung, um den vier offene Resonanzringe angeordnet sind, die die Bandbreite der Antenne erweitern. Die Antenne strahlt nahezu omnidirektional und deckt den Großteil des VHF- und S-Bands sowie das gesamte UHF- und L-Band ab. Die physikalische Größe der Antenne beträgt 48,32 × 43,72 × 0,8 mm3 und die elektrische Größe 0,235 λ0 × 0,211 λ0 × 0,003 λ0. Sie bietet die Vorteile einer geringen Größe und niedriger Kosten und bietet potenzielle Anwendungsaussichten in drahtlosen Breitbandkommunikationssystemen.

Abbildung 8: Monopolantenne mit Split-Ring-Resonator.

Abbildung 9 zeigt eine planare Antennenstruktur, bestehend aus zwei Paaren miteinander verbundener Mäanderdrahtschleifen, die über zwei Durchkontaktierungen mit einer T-förmigen Massefläche verbunden sind. Die Antennengröße beträgt 38,5 × 36,6 mm² (0,070 λ0 × 0,067 λ0), wobei λ0 die Freiraumwellenlänge von 0,55 GHz ist. Die Antenne strahlt omnidirektional in der E-Ebene im Betriebsfrequenzband von 0,55 bis 3,85 GHz ab, mit einem maximalen Gewinn von 5,5 dBi bei 2,35 GHz und einem Wirkungsgrad von 90,1 %. Diese Eigenschaften machen die vorgeschlagene Antenne für verschiedene Anwendungen geeignet, darunter UHF-RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi und Bluetooth.

Abb. 9 Vorgeschlagene planare Antennenstruktur.

2. Leckwellenantenne (LWA)
Die neue Leckwellenantenne ist eine der Hauptanwendungen zur Realisierung künstlicher Metamaterialien (TL). Bei Leckwellenantennen wirkt sich die Phasenkonstante β wie folgt auf den Abstrahlwinkel (θm) und die maximale Strahlbreite (Δθ) aus:

L ist die Antennenlänge, k0 ist die Wellenzahl im freien Raum und λ0 ist die Wellenlänge im freien Raum. Beachten Sie, dass Strahlung nur auftritt, wenn |β|

3. Resonatorantenne nullter Ordnung
Eine einzigartige Eigenschaft des CRLH-Metamaterials besteht darin, dass β 0 sein kann, wenn die Frequenz ungleich null ist. Basierend auf dieser Eigenschaft kann ein neuer Resonator nullter Ordnung (ZOR) erzeugt werden. Wenn β null ist, tritt im gesamten Resonator keine Phasenverschiebung auf. Dies liegt an der Phasenverschiebungskonstante φ = - βd = 0. Darüber hinaus hängt die Resonanz nur von der Blindlast ab und ist unabhängig von der Länge der Struktur. Abbildung 10 zeigt, dass die vorgeschlagene Antenne durch Verwendung von zwei und drei Einheiten mit E-Form hergestellt wird und die Gesamtgröße 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 bzw. 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0 beträgt, wobei λ0 die Wellenlänge des freien Raums bei Betriebsfrequenzen von 500 MHz bzw. 650 MHz darstellt. Die Antenne arbeitet mit Frequenzen von 0,5–1,35 GHz (0,85 GHz) und 0,65–1,85 GHz (1,2 GHz) mit relativen Bandbreiten von 91,9 % bzw. 96,0 %. Neben den Eigenschaften der geringen Größe und der großen Bandbreite betragen Verstärkung und Effizienz der ersten und zweiten Antenne 5,3 dBi und 85 % (1 GHz) bzw. 5,7 dBi und 90 % (1,4 GHz).

Abb. 10 Vorgeschlagene Doppel-E- und Dreifach-E-Antennenstrukturen.

4. Schlitzantenne
Es wurde eine einfache Methode vorgeschlagen, um die Apertur der CRLH-MTM-Antenne zu vergrößern, ihre Antennengröße blieb jedoch nahezu unverändert. Wie in Abbildung 11 dargestellt, besteht die Antenne aus vertikal übereinander gestapelten CRLH-Einheiten, die Patches und Mäanderlinien enthalten, und auf dem Patch befindet sich ein S-förmiger Schlitz. Die Antenne wird von einem CPW-Anpassungsstummel gespeist und hat die Abmessungen 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, entsprechend 0,204λ0 × 0,375λ0 × 0,018λ0, wobei λ0 (3,5 GHz) die Wellenlänge des freien Raums darstellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Antenne im Frequenzband von 0,85–7,90 GHz arbeitet und ihre Betriebsbandbreite 161,14 % beträgt. Der höchste Strahlungsgewinn und Wirkungsgrad der Antenne treten bei 3,5 GHz auf, was 5,12 dBi bzw. ~80 % entspricht.