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

2. Aplicação de MTM-TL em Sistemas de Antena
Esta seção se concentrará em TLs de metamateriais artificiais e algumas de suas aplicações mais comuns e relevantes para a realização de várias estruturas de antenas com baixo custo, fácil fabricação, miniaturização, ampla largura de banda, alto ganho e eficiência, capacidade de varredura de amplo alcance e baixo perfil. Eles são discutidos abaixo.

1. Antenas de banda larga e multifrequência
Em uma LT típica com comprimento l, quando a frequência angular ω0 é dada, 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 do 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, existe uma relação inversa entre a largura de banda e a fase fundamental da linha de transmissão, que é específica do projeto. Isto mostra que em circuitos distribuídos tradicionais, a largura de banda operacional não é fácil de controlar. Isto pode ser atribuído às limitações das linhas de transmissão tradicionais em termos de graus de liberdade. No entanto, os elementos de carregamento permitem que parâmetros adicionais sejam usados em TLs 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 de operação das características de dispersão. O metamaterial artificial TL pode atingir esse objetivo. Com base nesta abordagem, muitos métodos para aumentar a largura de banda das antenas são propostos no artigo. Os estudiosos 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 carregar o 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 obter uma ressonância próxima à da antena monopolo. Os resultados mostram que quando as duas ressonâncias coincidem, a largura de banda e as características de radiação da antena aumentam. O comprimento e a largura da antena monopolo são 0,25λ0×0,11λ0 e 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), respectivamente, e o comprimento e a largura da antena monopolo carregada com um ressonador de anel dividido são 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz ), respectivamente. Para a antena convencional em forma de F e a antena em forma de T sem ressonador de anel dividido, o maior ganho e eficiência de radiação medidos na banda de 5 GHz são 3,6dBi - 78,5% e 3,9dBi - 80,2%, respectivamente. Para a antena carregada com ressonador de anel dividido, esses parâmetros são 4dBi - 81,2% e 4,4dBi - 83%, respectivamente, na banda de 6GHz. Ao implementar um ressonador de anel dividido como uma carga correspondente na antena monopolo, as bandas de 2,9 GHz ~ 6,41 GHz e 2,6 GHz ~ 6,6 GHz podem ser suportadas, correspondendo a larguras de banda fracionárias de 75,4% e ~ 87%, respectivamente. Estes resultados mostram que a largura de banda de medição é melhorada 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, são mostrados os resultados experimentais da antena monopolo impressa compacta. 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 seu redor, o que amplia a largura de banda da antena. A antena irradia quase omnidirecionalmente, cobrindo a maior parte 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. Tem as vantagens de tamanho pequeno e baixo custo, e tem perspectivas potenciais de 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 que consiste em dois pares de laços de fio meandro interconectados, aterrados em um plano de aterramento em forma de T truncado através de duas vias. O tamanho da antena é 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), 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 operacional de 0,55 ~ 3,85 GHz, com ganho máximo de 5,5dBi em 2,35GHz e eficiência de 90,1%. Esses recursos 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 planar proposta.

2. Antena de onda com vazamento (LWA)
A nova antena de onda com vazamento é uma das principais aplicações para a realização de metamaterial artificial TL. Para antenas de ondas com vazamento, 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 nesta 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 em 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 de espaço livre nas frequências operacionais de 500 MHz e 650 MHz, respectivamente. A antena opera em 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 pequeno tamanho e ampla largura de banda, o ganho e a eficiência da primeira e da segunda antenas são de 5,3dBi e 85% (1GHz) e 5,7dBi e 90% (1,4GHz), respectivamente.

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

4. Antena de slot
Um método simples foi proposto para aumentar a abertura da antena CRLH-MTM, mas o tamanho da antena permanece quase inalterado. Conforme mostrado na Figura 11, a antena inclui unidades CRLH empilhadas verticalmente umas sobre as outras, que contêm patches e linhas sinuosas, e há uma fenda em forma de S no patch. A antena é alimentada por um stub correspondente CPW e seu tamanho é 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 5,12dBi e ~80%, respectivamente.