2. Aplicación de MTM-TL en sistemas de antenas
Esta sección se centrará en los TL de metamateriales artificiales y algunas de sus aplicaciones más comunes y relevantes para la creación de diversas estructuras de antena con bajo coste, fácil fabricación, miniaturización, amplio ancho de banda, alta ganancia y eficiencia, capacidad de escaneo de amplio alcance y perfil bajo. Estas se analizan a continuación.
1. Antenas de banda ancha y multifrecuencia
En una TL típica con una longitud de l, cuando se da la frecuencia angular ω0, la longitud eléctrica (o fase) de la línea de transmisión se puede calcular de la siguiente manera:
Donde vp representa la velocidad de fase de la línea de transmisión. Como se puede observar, el ancho de banda se corresponde estrechamente con el retardo de grupo, que es la derivada de φ con respecto a la frecuencia. Por lo tanto, a medida que la longitud de la línea de transmisión se acorta, el ancho de banda también se amplía. En otras palabras, existe una relación inversa entre el ancho de banda y la fase fundamental de la línea de transmisión, la cual es específica del diseño. Esto demuestra que, en los circuitos distribuidos tradicionales, el ancho de banda operativo no es fácil de controlar. Esto se puede atribuir a las limitaciones de las líneas de transmisión tradicionales en términos de grados de libertad. Sin embargo, los elementos de carga permiten el uso de parámetros adicionales en las líneas de transmisión metamateriales, y la respuesta de fase se puede controlar hasta cierto punto. Para aumentar el ancho de banda, es necesario tener una pendiente similar cerca de la frecuencia operativa de las características de dispersión. Las líneas de transmisión metamateriales artificiales pueden lograr este objetivo. Con base en este enfoque, en el artículo se proponen diversos métodos para mejorar el ancho de banda de las antenas. Se han diseñado y fabricado dos antenas de banda ancha cargadas con resonadores de anillo dividido (véase la Figura 7). Los resultados mostrados en la Figura 7 muestran que después de cargar el resonador de anillo dividido con la antena monopolar convencional, se excita un modo de baja frecuencia de resonancia. El tamaño del resonador de anillo dividido se optimiza para lograr una resonancia cercana a la de la antena monopolar. Los resultados muestran que cuando las dos resonancias coinciden, el ancho de banda y las características de radiación de la antena aumentan. La longitud y el ancho de la antena monopolar son 0.25λ0×0.11λ0 y 0.25λ0×0.21λ0 (4GHz), respectivamente, y la longitud y el ancho de la antena monopolar cargada con un resonador de anillo dividido son 0.29λ0×0.21λ0 (2.9GHz), respectivamente. Para la antena convencional en forma de F y la antena en forma de T sin un resonador de anillo dividido, la ganancia y la eficiencia de radiación más altas medidas en la banda de 5GHz son 3.6dBi - 78.5% y 3.9dBi - 80.2%, respectivamente. Para la antena equipada con un resonador de anillo dividido, estos parámetros son 4 dBi - 81,2 % y 4,4 dBi - 83 %, respectivamente, en la banda de 6 GHz. Al implementar un resonador de anillo dividido como carga de adaptación en la antena monopolar, se pueden soportar las bandas de 2,9 GHz a 6,41 GHz y de 2,6 GHz a 6,6 GHz, lo que corresponde a anchos de banda fraccionales del 75,4 % y ~87 %, respectivamente. Estos resultados muestran que el ancho de banda de medición se mejora aproximadamente 2,4 y 2,11 veces en comparación con las antenas monopolares tradicionales de tamaño prácticamente fijo.
Figura 7. Dos antenas de banda ancha cargadas con resonadores de anillo dividido.
Como se muestra en la Figura 8, se muestran los resultados experimentales de la antena monopolar impresa compacta. Cuando S11 ≤ - 10 dB, el ancho de banda operativo es del 185 % (0,115-2,90 GHz), y a 1,45 GHz, la ganancia pico y la eficiencia de radiación son de 2,35 dBi y 78,8 %, respectivamente. El diseño de la antena es similar a una estructura de lámina triangular adosada, alimentada por un divisor de potencia curvilíneo. La GND truncada contiene un stub central situado debajo del alimentador, y cuatro anillos resonantes abiertos se distribuyen a su alrededor, lo que amplía el ancho de banda de la antena. La antena radia prácticamente de forma omnidireccional, cubriendo la mayor parte de las bandas VHF y S, y todas las bandas UHF y L. El tamaño físico de la antena es de 48,32 × 43,72 × 0,8 mm³ y el tamaño eléctrico es de 0,235 λ0 × 0,211 λ0 × 0,003 λ0. Presenta las ventajas de su pequeño tamaño y bajo coste, y tiene potencial de aplicación en sistemas de comunicación inalámbrica de banda ancha.
Figura 8: Antena monopolo cargada con resonador de anillo dividido.
La Figura 9 muestra una estructura de antena planar compuesta por dos pares de bucles de alambre de meandro interconectados, conectados a tierra a un plano de tierra en forma de T truncada mediante dos vías. El tamaño de la antena es de 38,5 × 36,6 mm² (0,070 λ0 × 0,067 λ0), donde λ0 es la longitud de onda en el espacio libre de 0,55 GHz. La antena radia omnidireccionalmente en el plano E en la banda de frecuencia operativa de 0,55 a 3,85 GHz, con una ganancia máxima de 5,5 dBi a 2,35 GHz y una eficiencia del 90,1 %. Estas características la hacen adecuada para diversas aplicaciones, como UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi y Bluetooth.
Fig. 9 Estructura de antena planar propuesta.
2. Antena de ondas fugaces (LWA)
La nueva antena de ondas con fugas es una de las principales aplicaciones para la obtención de TL metamaterial artificial. En este tipo de antenas, el efecto de la constante de fase β sobre el ángulo de radiación (θm) y el ancho máximo del haz (Δθ) es el siguiente:
L es la longitud de la antena, k0 es el número de onda en el espacio libre y λ0 es la longitud de onda en el espacio libre. Nótese que la radiación solo ocurre cuando |β|
3. Antena resonadora de orden cero
Una propiedad única del metamaterial CRLH es que β puede ser cero cuando la frecuencia no es cero. Basándose en esta propiedad, se puede generar un nuevo resonador de orden cero (ZOR). Cuando β es cero, no se produce desfase en todo el resonador. Esto se debe a que la constante de desfase φ = - βd = 0. Además, la resonancia depende únicamente de la carga reactiva y es independiente de la longitud de la estructura. La Figura 10 muestra que la antena propuesta se fabrica aplicando dos y tres unidades con forma de E, y el tamaño total es de 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 y 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, respectivamente, donde λ0 representa la longitud de onda del espacio libre a frecuencias de operación de 500 MHz y 650 MHz, respectivamente. La antena opera en frecuencias de 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) y 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), con anchos de banda relativos del 91,9 % y el 96,0 %. Además de su pequeño tamaño y amplio ancho de banda, la ganancia y la eficiencia de la primera y la segunda antena son de 5,3 dBi y 85 % (1 GHz) y 5,7 dBi y 90 % (1,4 GHz), respectivamente.
Fig. 10 Estructuras de antena doble E y triple E propuestas.
4. Antena de ranura
Se ha propuesto un método sencillo para ampliar la apertura de la antena CRLH-MTM, pero su tamaño prácticamente no varía. Como se muestra en la Figura 11, la antena incluye unidades CRLH apiladas verticalmente, que contienen parches y líneas de meandro, y una ranura en forma de S en el parche. La antena se alimenta mediante un stub de adaptación CPW, y su tamaño es de 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, lo que corresponde a 0,204λ0 × 0,375λ0 × 0,018λ0, donde λ0 (3,5 GHz) representa la longitud de onda del espacio libre. Los resultados muestran que la antena opera en la banda de frecuencia de 0,85-7,90 GHz, y su ancho de banda operativo es del 161,14 %. La mayor ganancia de radiación y eficiencia de la antena se observan en 3,5 GHz, con 5,12 dBi y ~80 %, respectivamente.
Fig. 11 La antena de ranura CRLH MTM propuesta.
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Hora de publicación: 30 de agosto de 2024
