Notícias - Uma revisão de antenas de linhas de transmissão baseadas em metamateriais (Parte 2)

2. Aplicação de MTM-TL em Sistemas de Antenas
Esta seção se concentrará em TLs de metamateriais artificiais e algumas de suas aplicações mais comuns e relevantes para a realização de diversas estruturas de antenas com baixo custo, fácil fabricação, miniaturização, ampla largura de banda, alto ganho e eficiência, ampla capacidade de varredura e baixo perfil. Elas são discutidas a seguir.

1. Antenas de banda larga e multifrequência
Em uma TL típica com comprimento de l, quando a frequência angular ω0 é fornecida, o comprimento elétrico (ou fase) da linha de transmissão pode ser calculado da seguinte forma:

Onde vp representa a velocidade de fase da linha de transmissão. Como pode ser visto acima, a largura de banda corresponde intimamente ao atraso de grupo, que é a derivada de φ em relação à frequência. Portanto, à medida que o comprimento da linha de transmissão diminui, a largura de banda também aumenta. Em outras palavras, há uma relação inversa entre a largura de banda e a fase fundamental da linha de transmissão, que é específica do projeto. Isso mostra que, em circuitos distribuídos tradicionais, a largura de banda operacional não é fácil de controlar. Isso pode ser atribuído às limitações das linhas de transmissão tradicionais em termos de graus de liberdade. No entanto, elementos de carga permitem o uso de parâmetros adicionais em LTs de metamateriais, e a resposta de fase pode ser controlada até certo ponto. Para aumentar a largura de banda, é necessário ter uma inclinação semelhante próxima à frequência operacional das características de dispersão. LTs de metamateriais artificiais podem atingir esse objetivo. Com base nessa abordagem, muitos métodos para aumentar a largura de banda de antenas são propostos no artigo. Pesquisadores projetaram e fabricaram duas antenas de banda larga carregadas com ressonadores de anel dividido (ver Figura 7). Os resultados mostrados na Figura 7 mostram que, após o carregamento do ressonador de anel dividido com a antena monopolo convencional, um modo de baixa frequência ressonante é excitado. O tamanho do ressonador de anel dividido é otimizado para atingir uma ressonância próxima à da antena monopolo. Os resultados mostram que, quando as duas ressonâncias coincidem, as características de largura de banda e radiação da antena são aumentadas. O comprimento e a largura da antena monopolo são 0,25λ0 × 0,11λ0 e 0,25λ0 × 0,21λ0 (4 GHz), respectivamente, e o comprimento e a largura da antena monopolo carregada com um ressonador de anel dividido são 0,29λ0 × 0,21λ0 (2,9 GHz), respectivamente. Para a antena convencional em forma de F e a antena em forma de T sem um ressonador de anel dividido, o maior ganho e eficiência de radiação medidos na banda de 5 GHz são 3,6 dBi - 78,5% e 3,9 dBi - 80,2%, respectivamente. Para a antena carregada com um ressonador de anel dividido, esses parâmetros são de 4 dBi - 81,2% e 4,4 dBi - 83%, respectivamente, na banda de 6 GHz. Ao implementar um ressonador de anel dividido como carga correspondente na antena monopolo, as bandas de 2,9 GHz a 6,41 GHz e 2,6 GHz a 6,6 GHz podem ser suportadas, correspondendo a larguras de banda fracionadas de 75,4% e ~87%, respectivamente. Esses resultados mostram que a largura de banda de medição é aprimorada em aproximadamente 2,4 vezes e 2,11 vezes em comparação com antenas monopolo tradicionais de tamanho aproximadamente fixo.

Figura 7. Duas antenas de banda larga carregadas com ressonadores de anel dividido.

Conforme mostrado na Figura 8, os resultados experimentais da antena monopolo impressa compacta são mostrados. Quando S11 ≤ - 10 dB, a largura de banda operacional é de 185% (0,115-2,90 GHz), e em 1,45 GHz, o ganho de pico e a eficiência de radiação são de 2,35 dBi e 78,8%, respectivamente. O layout da antena é semelhante a uma estrutura de folha triangular costas com costas, que é alimentada por um divisor de potência curvilíneo. O GND truncado contém um stub central colocado sob o alimentador, e quatro anéis ressonantes abertos são distribuídos ao redor dele, o que amplia a largura de banda da antena. A antena irradia quase omnidirecionalmente, cobrindo a maioria das bandas VHF e S, e todas as bandas UHF e L. O tamanho físico da antena é 48,32 × 43,72 × 0,8 mm³, e o tamanho elétrico é 0,235λ0 × 0,211λ0 × 0,003λ0. Apresenta as vantagens de tamanho pequeno e baixo custo, além de potencial aplicação em sistemas de comunicação sem fio de banda larga.

Figura 8: Antena monopolo carregada com ressonador de anel dividido.

A Figura 9 mostra uma estrutura de antena plana composta por dois pares de laços de fios meandros interconectados, aterrados a um plano de aterramento em forma de T truncado por meio de duas vias. O tamanho da antena é 38,5 × 36,6 mm² (0,070 λ0 × 0,067 λ0), onde λ0 é o comprimento de onda do espaço livre de 0,55 GHz. A antena irradia omnidirecionalmente no plano E na faixa de frequência de operação de 0,55 ~ 3,85 GHz, com um ganho máximo de 5,5 dBi a 2,35 GHz e uma eficiência de 90,1%. Essas características tornam a antena proposta adequada para diversas aplicações, incluindo UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi e Bluetooth.

Fig. 9 Estrutura de antena plana proposta.

2. Antena de onda de vazamento (LWA)
A nova antena de onda vazada é uma das principais aplicações para a realização de TL com metamateriais artificiais. Para antenas de onda vazada, o efeito da constante de fase β no ângulo de radiação (θm) e na largura máxima do feixe (Δθ) é o seguinte:

L é o comprimento da antena, k0 é o número de onda no espaço livre e λ0 é o comprimento de onda no espaço livre. Observe que a radiação ocorre apenas quando |β|

3. Antena ressonadora de ordem zero
Uma propriedade única do metamaterial CRLH é que β pode ser 0 quando a frequência não é igual a zero. Com base nessa propriedade, um novo ressonador de ordem zero (ZOR) pode ser gerado. Quando β é zero, nenhuma mudança de fase ocorre em todo o ressonador. Isso ocorre porque a constante de mudança de fase φ = - βd = 0. Além disso, a ressonância depende apenas da carga reativa e é independente do comprimento da estrutura. A Figura 10 mostra que a antena proposta é fabricada aplicando duas e três unidades com formato E, e o tamanho total é 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 e 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, respectivamente, onde λ0 representa o comprimento de onda do espaço livre nas frequências de operação de 500 MHz e 650 MHz, respectivamente. A antena opera nas frequências de 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) e 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), com larguras de banda relativas de 91,9% e 96,0%. Além das características de tamanho pequeno e ampla largura de banda, o ganho e a eficiência da primeira e da segunda antenas são de 5,3 dBi e 85% (1 GHz) e 5,7 dBi e 90% (1,4 GHz), respectivamente.

Fig. 10 Estruturas propostas para antenas duplo-E e triplo-E.

4. Antena de fenda
Um método simples foi proposto para ampliar a abertura da antena CRLH-MTM, mas seu tamanho permanece praticamente inalterado. Conforme mostrado na Figura 11, a antena inclui unidades CRLH empilhadas verticalmente umas sobre as outras, contendo patches e linhas de meandro, e há uma ranhura em forma de S no patch. A antena é alimentada por um stub CPW correspondente e seu tamanho é de 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, correspondendo a 0,204λ0 × 0,375λ0 × 0,018λ0, onde λ0 (3,5 GHz) representa o comprimento de onda do espaço livre. Os resultados mostram que a antena opera na faixa de frequência de 0,85-7,90 GHz e sua largura de banda operacional é de 161,14%. O maior ganho de radiação e eficiência da antena aparecem em 3,5 GHz, que são 5,12 dBi e ~80%, respectivamente.