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

2. Anwendung von MTM-TL in Antennensystemen
Dieser Abschnitt befasst sich mit künstlichen Metamaterial-Übertragungsleitungen und einigen ihrer gängigsten und relevantesten Anwendungen zur Realisierung verschiedener Antennenstrukturen mit geringen Kosten, einfacher Fertigung, Miniaturisierung, großer Bandbreite, hoher Verstärkung und Effizienz, großem Scanbereich und flacher Bauform. Diese werden im Folgenden erläutert.

1. Breitband- und Mehrfrequenzantennen
Bei einer typischen Übertragungsleitung der Länge l kann die elektrische Länge (oder Phase) der Übertragungsleitung bei gegebener Kreisfrequenz ω0 wie folgt berechnet werden:

Hierbei bezeichnet vp die Phasengeschwindigkeit der Übertragungsleitung. Wie oben ersichtlich, korrespondiert die Bandbreite eng mit der Gruppenlaufzeit, die der Ableitung von φ nach der Frequenz entspricht. Daher vergrößert sich die Bandbreite mit abnehmender Übertragungsleitungslänge. Anders ausgedrückt: Es besteht ein inverser Zusammenhang zwischen Bandbreite und Grundphase der Übertragungsleitung, der designabhängig ist. Dies zeigt, dass die Betriebsbandbreite in herkömmlichen verteilten Schaltungen schwer zu steuern ist. Dies ist auf die begrenzten Freiheitsgrade herkömmlicher Übertragungsleitungen zurückzuführen. Durch die Verwendung von Lastelementen können jedoch zusätzliche Parameter in Metamaterial-Übertragungsleitungen genutzt und die Phasenantwort bis zu einem gewissen Grad gesteuert werden. Um die Bandbreite zu erhöhen, ist eine ähnliche Steigung der Dispersionscharakteristik nahe der Betriebsfrequenz erforderlich. Künstliche Metamaterial-Übertragungsleitungen können dieses Ziel erreichen. Basierend auf diesem Ansatz werden in diesem Beitrag zahlreiche Methoden zur Bandbreitenerhöhung von Antennen vorgestellt. Wissenschaftler haben zwei Breitbandantennen mit Split-Ring-Resonatoren entworfen und gefertigt (siehe Abbildung 7). Die in Abbildung 7 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass nach dem Hinzufügen der herkömmlichen Monopolantenne zum Spaltringresonator ein niederfrequenter Resonanzmodus angeregt wird. Die Größe des Spaltringresonators wurde optimiert, um eine Resonanzfrequenz nahe der der Monopolantenne zu erreichen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Bandbreite und Strahlungseigenschaften der Antenne verbessern, wenn die beiden Resonanzen zusammenfallen. Die Länge und Breite der Monopolantenne betragen 0,25λ₀ × 0,11λ₀ bzw. 0,25λ₀ × 0,21λ₀ (4 GHz), die der mit einem Spaltringresonator versehenen Monopolantenne 0,29λ₀ × 0,21λ₀ (2,9 GHz). Für die herkömmliche F-förmige und die T-förmige Antenne ohne Spaltringresonator wurden im 5-GHz-Band die höchsten Verstärkungs- und Strahlungswirkungsgrade von 3,6 dBi (78,5 %) bzw. 3,9 dBi (80,2 %) gemessen. Für die mit einem Spaltringresonator bestückte Antenne betragen diese Parameter im 6-GHz-Band 4 dBi – 81,2 % bzw. 4,4 dBi – 83 %. Durch den Einsatz eines Spaltringresonators als Anpassungslast an der Monopolantenne können die Frequenzbänder 2,9 GHz – 6,41 GHz und 2,6 GHz – 6,6 GHz abgedeckt werden, was relativen Bandbreiten von 75,4 % bzw. ca. 87 % entspricht. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Messbandbreite im Vergleich zu herkömmlichen Monopolantennen mit annähernd gleicher Größe um das ca. 2,4- bzw. 2,11-Fache verbessert wird.

Abbildung 7. Zwei Breitbandantennen mit Spaltringresonatoren.

Wie in Abbildung 8 dargestellt, sind die experimentellen Ergebnisse der kompakten gedruckten Monopolantenne abgebildet. Bei S11 ≤ -10 dB beträgt die Betriebsbandbreite 185 % (0,115–2,90 GHz). Bei 1,45 GHz liegen die maximale Verstärkung bei 2,35 dBi und der Strahlungswirkungsgrad bei 78,8 %. Der Antennenaufbau ähnelt einer dreieckigen Plattenstruktur mit zwei gegenüberliegenden Leiterbahnen und wird über einen gekrümmten Leistungsteiler gespeist. Die abgeschnittene Massefläche (GND) enthält einen zentralen Stichleitungsanschluss unterhalb der Speiseleitung. Vier offene Resonanzringe sind um diesen Stichleitungsanschluss angeordnet, wodurch die Bandbreite der Antenne erweitert wird. Die Antenne strahlt nahezu omnidirektional und deckt den größten Teil des VHF- und S-Bandes sowie das gesamte UHF- und L-Band ab. Die Antenne hat physikalische Abmessungen von 48,32 × 43,72 × 0,8 mm³ und elektrische Abmessungen von 0,235λ₀ × 0,211λ₀ × 0,003λ₀. Sie zeichnet sich durch geringe Größe und niedrige Kosten aus und bietet vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten in drahtlosen Breitbandkommunikationssystemen.

Abbildung 8: Monopolantenne mit Spaltringresonator.

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

Abb. 9 Vorgeschlagene planare Antennenstruktur.

2. Leckwellenantenne (LWA)
Die neue Leckwellenantenne ist eine der Hauptanwendungen zur Realisierung künstlicher Metamaterial-Übertragungsleitungen. Bei Leckwellenantennen hat die Phasenkonstante β folgenden Einfluss auf den Abstrahlwinkel (θm) und die maximale Strahlbreite (Δθ):

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

3. Resonatorantenne nullter Ordnung
Eine einzigartige Eigenschaft des CRLH-Metamaterials ist, dass β gleich null sein kann, wenn die Frequenz ungleich null ist. Basierend auf dieser Eigenschaft lässt sich ein neuer Resonator nullter Ordnung (ZOR) erzeugen. Wenn β null ist, tritt im gesamten Resonator keine Phasenverschiebung auf. Dies liegt daran, dass die Phasenverschiebungskonstante φ = -βd = 0 ist. Darüber hinaus hängt die Resonanz nur von der reaktiven Last ab und ist unabhängig von der Länge der Struktur. Abbildung 10 zeigt, dass die vorgeschlagene Antenne durch die Verwendung von zwei bzw. drei E-förmigen Einheiten gefertigt wird. Die Gesamtgröße beträgt 0,017λ₀ × 0,006λ₀ × 0,001λ₀ bzw. 0,028λ₀ × 0,008λ₀ × 0,001λ₀, wobei λ₀ die Wellenlänge im Vakuum bei Betriebsfrequenzen von 500 MHz bzw. 650 MHz darstellt. Die Antenne arbeitet in den Frequenzbereichen 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 der geringen Größe und der großen Bandbreite weisen die erste und zweite Antenne eine Verstärkung von 5,3 dBi und einen Wirkungsgrad von 85 % (1 GHz) bzw. 5,7 dBi und 90 % (1,4 GHz) auf.

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

4. Schlitzantenne
Es wurde eine einfache Methode zur Vergrößerung der Apertur der CRLH-MTM-Antenne vorgeschlagen, deren Größe jedoch nahezu unverändert bleibt. Wie in Abbildung 11 dargestellt, besteht die Antenne aus vertikal übereinander gestapelten CRLH-Einheiten mit Patchantennen und Mäanderleitungen. Die Patchantenne weist einen S-förmigen Schlitz auf. Die Speisung erfolgt über einen CPW-Anpassungsstub mit den Abmessungen 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, was 0,204λ₀ × 0,375λ₀ × 0,018λ₀ entspricht, wobei λ₀ (3,5 GHz) die Wellenlänge im Vakuum darstellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Antenne im Frequenzband von 0,85–7,90 GHz arbeitet und eine Betriebsbandbreite von 161,14 % aufweist. Die höchste Strahlungsverstärkung und der höchste Wirkungsgrad der Antenne werden bei 3,5 GHz mit 5,12 dBi bzw. ca. 80 % erreicht.