2. Aplicación de MTM-TL en sistemas de antenas
Esta sección se centrará en las líneas de transmisión de metamateriales artificiales y algunas de sus aplicaciones más comunes y relevantes para la creación de diversas estructuras de antenas con bajo costo, fácil fabricación, miniaturización, amplio ancho de banda, alta ganancia y eficiencia, capacidad de escaneo de amplio rango y perfil bajo. Se describen a continuación.
1. Antenas de banda ancha y multifrecuencia
En una línea de transmisión típica con una longitud l, cuando se conoce 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, que depende del diseño. Esto demuestra que, en los circuitos distribuidos tradicionales, el ancho de banda operativo no es fácil de controlar. Esto se debe a las limitaciones de las líneas de transmisión tradicionales en cuanto a grados de libertad. Sin embargo, los elementos de carga permiten utilizar parámetros adicionales en las líneas de transmisión de 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 de operación de las características de dispersión. Las líneas de transmisión de metamateriales artificiales pueden lograr este objetivo. Basándose en este enfoque, en este artículo se proponen varios métodos para mejorar el ancho de banda de las antenas. Los investigadores han diseñado y fabricado dos antenas de banda ancha cargadas con resonadores de anillo partido (véase la Figura 7). Los resultados mostrados en la Figura 7 muestran que, tras cargar el resonador de anillo partido con la antena monopolo convencional, se excita un modo de baja frecuencia resonante. El tamaño del resonador de anillo partido se optimiza para lograr una resonancia cercana a la de la antena monopolo. 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 monopolo son 0,25λ0×0,11λ0 y 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz), respectivamente, y la longitud y el ancho de la antena monopolo cargada con un resonador de anillo partido son 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz), respectivamente. Para la antena convencional en forma de F y la antena en forma de T sin resonador de anillo partido, la ganancia y la eficiencia de radiación más altas medidas en la banda de 5 GHz son 3,6 dBi - 78,5 % y 3,9 dBi - 80,2 %, respectivamente. Para la antena con resonador de anillo partido, 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 partido como carga de adaptación en la antena monopolo, se pueden admitir las bandas de 2,9 GHz a 6,41 GHz y de 2,6 GHz a 6,6 GHz, correspondientes a anchos de banda fraccionarios de 75,4 % y ~87 %, respectivamente. Estos resultados demuestran que el ancho de banda de medición mejora aproximadamente 2,4 veces y 2,11 veces en comparación con las antenas monopolo tradicionales de tamaño prácticamente fijo.
Figura 7. Dos antenas de banda ancha equipadas con resonadores de anillo partido.
Como se muestra en la Figura 8, se presentan los resultados experimentales de la antena monopolo 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 máxima y la eficiencia de radiación son de 2,35 dBi y 78,8 %, respectivamente. La disposición de la antena es similar a una estructura de lámina triangular espalda con espalda, alimentada por un divisor de potencia curvilíneo. El GND truncado contiene un stub central colocado 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 irradia casi omnidireccionalmente, cubriendo la mayor parte de las bandas VHF y S, y la totalidad de las bandas UHF y L. Las dimensiones físicas de la antena son 48,32 × 43,72 × 0,8 mm³ y sus dimensiones eléctricas son 0,235λ₀ × 0,211λ₀ × 0,003λ₀. Presenta las ventajas de un tamaño reducido y un bajo coste, y tiene un gran potencial de aplicación en sistemas de comunicación inalámbrica de banda ancha.
Figura 8: Antena monopolo con resonador de anillo partido.
La figura 9 muestra una estructura de antena planar compuesta por dos pares de bucles de alambre en zigzag interconectados, conectados a tierra mediante dos vías a un plano de tierra en forma de T truncada. La antena tiene unas dimensiones de 38,5 × 36,6 mm² (0,070λ₀ × 0,067λ₀), donde λ₀ es la longitud de onda en el espacio libre de 0,55 GHz. La antena irradia 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 hacen que la antena propuesta sea adecuada para diversas aplicaciones, como UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi y Bluetooth.
Figura 9. Estructura de antena planar propuesta.
2. Antena de onda de fuga (LWA)
La nueva antena de onda de fuga es una de las principales aplicaciones para la realización de TL de metamateriales artificiales. Para las antenas de onda de fuga, 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 ocurre solo cuando |β|
3. Antena resonadora de orden cero
Una propiedad única del metamaterial CRLH es que β puede ser 0 cuando la frecuencia no es igual a cero. Basándose en esta propiedad, se puede generar un nuevo resonador de orden cero (ZOR). Cuando β es cero, no se produce ningún desplazamiento de fase en todo el resonador. Esto se debe a que la constante de desplazamiento de fase φ = - βd = 0. Además, la resonancia depende solo 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 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 96,0 %. Además de sus características de tamaño reducido 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.
Figura 10. Estructuras de antenas 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 permanece prácticamente inalterado. Como se muestra en la Figura 11, la antena incluye unidades CRLH apiladas verticalmente, que contienen parches y líneas meandriformes, y presenta una ranura en forma de S en el parche. La antena se alimenta mediante un stub de adaptación CPW, con unas dimensiones 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 a 7,90 GHz, con un ancho de banda operativo del 161,14 %. La máxima ganancia de radiación y eficiencia de la antena se observan a 3,5 GHz, con valores de 5,12 dBi y aproximadamente el 80 %, respectivamente.
Figura 11. Antena de ranura MTM CRLH propuesta.
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Fecha de publicación: 30 de agosto de 2024
