ニュース - メタマテリアルを用いた伝送線路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伝送線路に焦点を当て、低コスト、容易な製造、小型化、広帯域幅、高利得・高効率、広範囲走査能力、薄型といった特長を備えた様々なアンテナ構造を実現するための、最も一般的で関連性の高い応用例について解説します。以下で詳しく説明します。

1. 広帯域および多周波アンテナ
長さlの一般的な伝送線路において、角周波数ω0が与えられた場合、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 は伝送線の位相速度を表します。上記からわかるように、帯域幅は群遅延と密接に対応しており、群遅延は φ の周波数に関する微分です。したがって、伝送線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、帯域幅と伝送線の基本位相の間には逆相関があり、これは設計に固有のものです。これは、従来の分布回路では、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、従来の伝送線が自由度に関して制限されていることに起因します。しかし、負荷要素により、メタマテリアル TL で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。帯域幅を増やすには、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 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向上させるための多くの方法が論文で提案されています。研究者らは、スプリットリング共振器を負荷した 2 つの広帯域アンテナを設計および製作しました (図 7 を参照)。図 7 に示す結果は、従来のモノポールアンテナをスプリットリング共振器にロードした後、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ロード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 型アンテナとスプリットリング共振器のない T 型アンテナの場合、5GHz 帯で測定された最高の利得と放射効率は、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、6GHz帯におけるこれらのパラメータはそれぞれ4dBi - 81.2%と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帯と2.6GHz～6.6GHz帯をサポートでき、それぞれ75.4%と約87%の比帯域幅に対応します。これらの結果は、測定帯域幅が、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、約2.4倍と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に示すように、小型プリントモノポールアンテナの実験結果を示します。S11≤-10 dBの場合、動作帯域幅は185%（0.115～2.90 GHz）で、1.45 GHzでは、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、曲線状の電力分配器によって給電される、背中合わせの三角形シート構造に似ています。切り詰められたGNDには、給電器の下に配置された中央スタブがあり、その周囲に4つの開放共振リングが配置されており、アンテナの帯域幅を広げています。アンテナはほぼ全方向に放射し、VHF帯とS帯の大部分、およびUHF帯とL帯のすべてをカバーします。アンテナの物理的なサイズは48.32×43.72×0.8 mm³、電気的なサイズは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つのビアを介して切り詰められたT字型の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からな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、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の動作周波数帯域においてE面内で全方向に放射し、2.35 GHzで最大利得5.5 dBi、効率90.1%を実現します。これらの特徴により、提案するアンテナは、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例の一つです。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)に及ぼす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、共振はリアクティブ負荷のみに依存し、構造の長さに依存しません。図10は、提案されたアンテナがE字型のユニットを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500 MHzと650 MHzの動作周波数における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。小型で広帯域幅という特徴に加え、第1および第2アンテナの利得と効率は、それぞれ5.3dBiと85%（1GHz）および5.7dBiと90%（1.4GHz）です。

図10 提案されたダブルE型およびトリプルE型アンテナ構造。

4. スロットアンテナ
CRLH-MTMアンテナの開口部を拡大する簡単な方法が提案されているが、アンテナのサイズはほとんど変わらない。図11に示すように、アンテナはパッチと蛇行線を含むCRLHユニットが垂直に積み重ねられており、パッチ上にS字型のスロットがある。アンテナはCPW整合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に相当する。ここでλ0（3.5GHz）は自由空間の波長を表す。結果によると、アンテナは0.85～7.90GHzの周波数帯域で動作し、動作帯域幅は161.14%である。アンテナの放射利得と効率は3.5GHzで最大となり、それぞれ5.12dBiと約80%である。