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トランジェントループ（TL）と、低コスト、製造容易性、小型化、広帯域、高利得・高効率、広範囲スキャン能力、薄型といった様々なアンテナ構造を実現する上で最も一般的かつ関連性の高い用途のいくつかに焦点を当てます。以下でそれらについて説明します。
1. 広帯域および多周波数アンテナ
長さlの典型的なTLでは、角周波数ω0が与えられている場合、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。上記のように、帯域幅は群遅延、つまり周波数に対するφの微分値と密接に対応しています。したがって、伝送線路の長さが短くなると、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逆相関関係があり、これは設計に固有のものです。これは、従来の分散回路では動作帯域幅を制御することが容易ではないことを示しています。これは、従来の伝送線路の自由度の限界に起因する可能性があります。しかし、負荷要素を使用することで、メタマテリアル伝送線路に追加のパラメータを使用でき、位相応答をある程度制御できます。帯域幅を広げるには、分散特性の動作周波数付近で同様の傾きを持つ必要があります。人工メタマテリアル伝送線路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大するための多くの方法が本論文で提案されています。研究者たちは、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・製造しました（図7参照）。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 アンテナを装荷した後、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 アンテナに近い共振を実現するよう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 アンテナの長さと幅はそれぞれ 0.25λ0×0.11λ0 と 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 アンテナの長さと幅はそれぞれ 0.29λ0×0.21λ0 (2.9GHz) です。 従来の F 字型アンテナとスプリット リング共振器のない T 字型アンテナの場合、5GHz 帯域で測定され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装荷したアンテナの場合、6GHz帯ではこれらのパラメータはそれぞれ4dBi - 81.2%、4.4dBi - 83%です。モノポールアンテナに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で、2.9GHz～6.41GHzおよび2.6GHz～6.6GHzの帯域をサポートでき、それぞれ75.4%および約87%の比帯域幅に相当します。これらの結果は、ほぼ一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倍向上す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は、コンパクトなプリントモノポールアンテナの実験結果を示しています。S11≤-10dBの場合、動作帯域幅は185％（0.115〜2.90GHz）であり、1.45GHzでは、ピークゲインと放射効率はそれぞれ2.35dBiと78.8％です。アンテナのレイアウトは、曲線電力分配器によって供給される背中合わせの三角形のシート構造に似ています。切り詰められたGNDには、フィーダーの下に配置された中央スタブがあり、その周囲に4つのオープン共振リングが分布しており、アンテナの帯域幅が広がっています。アンテナはほぼ全方向に放射し、VHFとSバンドのほとんど、およびUHFと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。小型で低コストという利点があり、ブロードバンド無線通信システムへの応用が期待されます。
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対の相互接続されたメアンダワイヤループから構成される平面アンテナ構造を示しています。これらのループは、2つのビアを介してT字型接地面に接地されています。アンテナサイズは38.5×36.6 mm²（0.070λ0×0.067λ0）で、λ0は0.55GHzの自由空間波長です。このアンテナは、0.55～3.85GHzの動作周波数帯域において、E面において全方向に放射し、2.35GHzで最大利得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、さまざまなアプリケーションに適しています。
図9 提案する平面アンテナ構造
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応用の一つです。漏洩波アンテナの場合、位相定数βが放射角（θm）と最大ビーム幅（Δθ）に与える影響は以下のとおりです。
Lはアンテナの長さ、k0は自由空間における波数、λ0は自由空間における波長です。放射は|β|の場合にのみ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 メタマテリアルのユニークな特性は、周波数がゼロでない場合、β を 0 にできることです。 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、共振はリアクティブ負荷にのみ依存し、構造の長さとは無関係です。 図 10 は、提案されたアンテナが E シェイプのユニットを 2 つと 3 つ適用して製造され、全体のサイズがそれぞれ 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 と 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0 であることを示しています。ここで、λ0 は、それぞれ動作周波数 500 MHz と 650 MHz での自由空間の波長を表します。このアンテナは0.5～1.35GHz（0.85GHz）および0.65～1.85GHz（1.2GHz）の周波数で動作し、相対帯域幅はそれぞれ91.9%および96.0%です。小型で広帯域という特徴に加え、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および85%（1GHz）、5.7dBiおよび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アンテナの開口を拡大する簡単な方法が提案されていますが、アンテナのサイズはほとんど変わりません。図11に示すように、アンテナにはパッチと蛇行線路を含む垂直に積み重ねられたCRLHユニットが含まれ、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0.85〜7.90GHz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3.5GHzで現れ、それぞれ5.12dBiと約80％です。
図11 提案されたCRLH MTMスロットアンテナ。
アンテナの詳細については、以下をご覧ください。
投稿日時: 2024年8月30日
