Notícias - Uma análise de antenas de linha de transmissão baseadas em metamateriais (Parte 2)

2. Aplicação de MTM-TL em Sistemas de Antenas
Esta seção abordará as linhas de transmissão (TLs) de metamateriais artificiais e algumas de suas aplicações mais comuns e relevantes para a realização de diversas estruturas de antenas com baixo custo, facilidade de 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 multifrequenciais
Em uma linha de transmissão 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 de perto 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, existe 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 que parâmetros adicionais sejam usados em linhas de transmissão 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. Linhas de transmissão metamateriais artificiais podem atingir esse objetivo. Com base nessa abordagem, muitos métodos para aumentar a largura de banda de antenas são propostos neste artigo. Pesquisadores projetaram e fabricaram duas antenas de banda larga carregadas com ressonadores de anel dividido (veja a Figura 7). Os resultados apresentados na Figura 7 mostram que, após a adição do ressonador de anel dividido à antena monopolo convencional, um modo de baixa frequência de ressonância é excitado. O tamanho do ressonador de anel dividido foi otimizado para atingir 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 (4 GHz), respectivamente, e o comprimento e a largura da antena monopolo com o ressonador de anel dividido são 0,29λ0 × 0,21λ0 (2,9 GHz), respectivamente. Para as antenas convencionais em forma de F e em forma de T sem o ressonador de anel dividido, o maior ganho e a maior eficiência de radiação medidos na banda de 5 GHz foram de 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 4 dBi - 81,2% e 4,4 dBi - 83%, respectivamente, na banda de 6 GHz. Ao implementar um ressonador de anel dividido como carga de adaptação na antena monopolo, as bandas de 2,9 GHz a 6,41 GHz e de 2,6 GHz a 6,6 GHz podem ser suportadas, correspondendo a larguras de banda fracionárias de 75,4% e ~87%, respectivamente. Esses resultados mostram que a largura de banda medida 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.

Como mostrado na Figura 8, são apresentados 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 máximo e a eficiência de radiação são de 2,35 dBi e 78,8%, respectivamente. O layout da antena é semelhante a uma estrutura triangular em camadas, alimentada por um divisor de potência curvilíneo. O GND truncado contém um stub central posicionado 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. As dimensões físicas da antena são 48,32×43,72×0,8 mm³ e as dimensões elétricas são 0,235λ₀×0,211λ₀×0,003λ₀. Ela apresenta as vantagens de tamanho reduzido e baixo custo, com potencial para 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 planar composta por dois pares de espiras de fio meândrico interconectadas, aterradas a um plano de aterramento em forma de T truncado por meio de duas vias. A antena tem dimensões de 38,5 × 36,6 mm² (0,070λ₀ × 0,067λ₀), onde λ₀ é o comprimento de onda no espaço livre de 0,55 GHz. A antena irradia omnidirecionalmente no plano E na faixa de frequência de operação de 0,55 a 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.

Figura 9. Estrutura de antena plana proposta.

2. Antena de Onda Vazante (LWA)
A nova antena de onda de fuga é uma das principais aplicações para a realização de linhas de transmissão (TL) de metamateriais artificiais. Para antenas de onda de fuga, 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 vácuo e λ0 é o comprimento de onda no vácuo. Observe que a radiação ocorre somente 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, não ocorre deslocamento de fase em todo o ressonador. Isso ocorre porque a constante de deslocamento 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-se duas e três unidades com formato de E, e o tamanho total é de 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 e 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, respectivamente, onde λ0 representa o comprimento de onda no 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 reduzido 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.

Figura 10. Estruturas de antena dupla-E e tripla-E propostas.

4. Antena de fenda
Um método simples foi proposto para ampliar a abertura da antena CRLH-MTM, mas seu tamanho permanece praticamente inalterado. Como mostrado na Figura 11, a antena consiste em unidades CRLH empilhadas verticalmente, contendo elementos de patch e linhas meândricas, e há uma fenda em forma de S no patch. A antena é alimentada por um stub de adaptação CPW e suas dimensões são 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 no espaço livre. Os resultados mostram que a antena opera na faixa de frequência de 0,85 a 7,90 GHz, com uma largura de banda operacional de 161,14%. O maior ganho de radiação e a maior eficiência da antena ocorrem em 3,5 GHz, com valores de 5,12 dBi e aproximadamente 80%, respectivamente.