ニュース - メタマテリアルに基づく伝送線アンテナのレビュー (パート 2)

2. アンテナシステムにおける MTM-TL の応用
このセクションでは、人工メタマテリアル TL と、低コスト、容易な製造、小型化、広帯域幅、高利得と効率、広範囲のスキャン能力、薄型のさまざまなアンテナ構造を実現するための最も一般的で関連するアプリケーションのいくつかに焦点を当てます。それらについては以下で説明します。

1. ブロードバンドおよび多周波数アンテナ
長さが l の一般的な TL では、角周波数 ω0 が与えられると、伝送線路の電気長 (または位相) は次のように計算できます。

ここで、vp は伝送線路の位相速度を表します。上記からわかるように、帯域幅は、周波数に関する φ の導関数である群遅延に密接に対応します。したがって、伝送線路長が短くなると帯域幅も広くなります。言い換えれば、帯域幅と伝送線路の基本位相の間には反比例の関係があり、これは設計固有のものです。これは、従来の分散型回路では動作帯域幅を制御するのが容易ではないことを示しています。これは、自由度の点で従来の伝送線路の制限が原因であると考えられます。ただし、要素をロードすると、追加のパラメーターをメタマテリアル TL で使用できるようになり、位相応答をある程度制御できます。帯域幅を広げるためには、分散特性の動作周波数付近で同様の傾きを持たせる必要があります。人工メタマテリアル TL はこの目標を達成できます。このアプローチに基づいて、アンテナの帯域幅を拡張するための多くの方法がこの論文で提案されています。学者らは、スプリットリング共振器を搭載した 2 つの広帯域アンテナを設計および製造しました (図 7 を参照)。図 7 に示す結果は、スプリットリング共振器に従来のモノポールアンテナを負荷した後、低共振周波数モードが励起されることを示しています。スプリットリング共振器のサイズは、モノポールアンテナの共振に近い共振を達成するために最適化されています。結果は、2 つの共振が一致すると、アンテナの帯域幅と放射特性が増加することを示しています。モノポールアンテナの長さおよび幅はそれぞれ0.25λ0×0.11λ0および0.25λ0×0.21λ0（4GHz）であり、スプリットリング共振器を装荷したモノポールアンテナの長さおよび幅は0.29λ0×0.21λ0（2.9GHz）である。）、それぞれ。スプリットリング共振器を持たない従来の F 型アンテナと T 型アンテナの場合、5GHz 帯で測定した最高利得と放射効率はそれぞれ 3.6dBi - 78.5% と 3.9dBi - 80.2% です。スプリットリング共振器を搭載したアンテナの場合、これらのパラメータは、6GHz 帯域でそれぞれ 4dBi - 81.2% と 4.4dBi - 83% です。モノポールアンテナの整合負荷としてスプリットリング共振器を実装することにより、2.9 GHz ～ 6.41 GHz および 2.6 GHz ～ 6.6 GHz の帯域をサポートでき、それぞれ 75.4% と～ 87% の部分帯域幅に対応します。これらの結果は、ほぼ固定サイズの従来のモノポールアンテナと比較して、測定帯域幅が約 2.4 倍および 2.11 倍向上していることを示しています。

図 7. スプリットリング共振器を搭載した 2 つの広帯域アンテナ。

図 8 に示すように、コンパクトなプリントモノポールアンテナの実験結果が示されています。 S11≤-10 dB の場合、動作帯域幅は 185% (0.115 ～ 2.90 GHz)、1.45 GHz でのピークゲインと放射効率はそれぞれ 2.35 dBi と 78.8% です。アンテナのレイアウトは、背中合わせの三角形のシート構造に似ており、曲線の電力分割器によって給電されます。切り取られた GND には、フィーダの下に配置された中央スタブが含まれており、4 つのオープン共振リングがその周りに分散されており、これによりアンテナの帯域幅が広がります。アンテナはほぼ全方向に放射し、VHF および S バンドの大部分と、UHF および L バンドのすべてをカバーします。アンテナの物理的サイズは 48.32×43.72×0.8 mm3、電気的サイズは 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0 です。小型かつ低コストという利点があり、広帯域無線通信システムへの応用が期待されています。

図 8: スプリットリング共振器を搭載したモノポールアンテナ。

図 9 は、2 つのビアを介して切頭 T 字型グランドプレーンに接地された、相互接続された 2 対の蛇行ワイヤループで構成される平面アンテナ構造を示しています。アンテナのサイズは 38.5×36.6 mm2 (0.070λ0×0.067λ0) です。ここで、λ0 は 0.55 GHz の自由空間波長です。このアンテナは、0.55 ～ 3.85 GHz の動作周波数帯域で E プレーン内で全方向に放射し、2.35 GHz で最大ゲイン 5.5dBi、効率 90.1% を実現します。これらの特徴により、提案されたアンテナは、UHF RFID、GSM 900、GPS、KPCS、DCS、IMT-2000、WiMAX、WiFi、Bluetooth などのさまざまなアプリケーションに適しています。

図 9 提案された平面アンテナ構造。

2. 漏洩波アンテナ (LWA)
新しい漏洩波アンテナは、人工メタマテリアル TL を実現するための主要なアプリケーションの 1 つです。漏洩波アンテナの場合、放射角 (θm) と最大ビーム幅 (Δθ) に対する位相定数 β の影響は次のとおりです。

L はアンテナの長さ、k0 は自由空間の波数、λ0 は自由空間の波長です。 |β| の場合にのみ放射が発生することに注意してください。

3. ゼロ次共振器アンテナ
CRLH メタマテリアルの固有の特性は、周波数がゼロに等しくない場合に β が 0 になる可能性があることです。この特性に基づいて、新しいゼロ次共振器 (ZOR) を生成できます。 βがゼロの場合、共振器全体で位相シフトは発生しません。これは、位相シフト定数 φ = - βd = 0 であるためです。さらに、共振は無効負荷のみに依存し、構造の長さには依存しません。図 10 は、提案するアンテナが E 形状のユニットを 2 つおよび 3 つ適用することによって製造されていることを示しており、合計サイズはそれぞれ 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 および 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0 です。ここで、λ0 は波長を表しますそれぞれ 500 MHz と 650 MHz の動作周波数での空き容量。このアンテナは、0.5 ～ 1.35 GHz (0.85 GHz) および 0.65 ～ 1.85 GHz (1.2 GHz) の周波数で動作し、相対帯域幅は 91.9% および 96.0% です。小型で広帯域幅という特性に加え、第 1 アンテナと第 2 アンテナの利得と効率はそれぞれ 5.3dBi と 85% (1GHz)、5.7dBi と 90% (1.4GHz) です。

図 10 提案されたダブル E およびトリプル E アンテナ構造。

4. スロットアンテナ
CRLH-MTMアンテナの口径を拡大する簡単な方法が提案されていますが、そのアンテナサイズはほとんど変わりません。図 11 に示すように、アンテナには垂直に積み重ねられた CRLH ユニットが含まれており、パッチと蛇行ラインが含まれており、パッチには S 字型のスロットがあります。アンテナは CPW マッチングスタブによって給電され、そのサイズは 17.5 mm × 32.15 mm × 1.6 mm で、0.204λ0×0.375λ0×0.018λ0 に相当します。ここで、λ0 (3.5GHz) は自由空間の波長を表します。結果は、アンテナが 0.85 ～ 7.90 GHz の周波数帯域で動作し、その動作帯域幅が 161.14% であることを示しています。アンテナの最高の放射利得と効率は 3.5 GHz で現れ、それぞれ 5.12dBi と約 80% です。