Actualités - Revue des antennes de lignes de transmission à base de métamatériaux (2e partie)

2. Application du MTM-TL dans les systèmes d'antennes
Cette section se concentrera sur les TL en métamatériaux artificiels et certaines de leurs applications les plus courantes et pertinentes pour la réalisation de diverses structures d'antennes à faible coût, faciles à fabriquer, miniaturisées, à large bande passante, à gain et rendement élevés, à large plage de balayage et à faible encombrement. Ces applications sont présentées ci-dessous.

1. Antennes à large bande et multifréquences
Dans une ligne de transmission typique de longueur l, lorsque la fréquence angulaire ω0 est donnée, la longueur électrique (ou phase) de la ligne de transmission peut être calculée comme suit :

Où vp représente la vitesse de phase de la ligne de transmission. Comme on peut le voir ci-dessus, la bande passante correspond étroitement au temps de propagation de groupe, qui est la dérivée de φ par rapport à la fréquence. Par conséquent, plus la ligne de transmission est courte, plus la bande passante s'élargit. Autrement dit, il existe une relation inverse entre la bande passante et la phase fondamentale de la ligne de transmission, laquelle est spécifique à la conception. Cela montre que dans les circuits distribués traditionnels, la bande passante de fonctionnement est difficile à contrôler. Cela peut être attribué aux limitations des lignes de transmission traditionnelles en termes de degrés de liberté. Cependant, les éléments de chargement permettent d'utiliser des paramètres supplémentaires dans les lignes de transmission en métamatériaux, et la réponse en phase peut être contrôlée dans une certaine mesure. Afin d'augmenter la bande passante, il est nécessaire d'avoir une pente similaire aux caractéristiques de dispersion près de la fréquence de fonctionnement. Les lignes de transmission en métamatériaux artificiels peuvent atteindre cet objectif. Sur la base de cette approche, de nombreuses méthodes d'amélioration de la bande passante des antennes sont proposées dans l'article. Des chercheurs ont conçu et fabriqué deux antennes large bande chargées de résonateurs en anneau fendu (voir figure 7). Les résultats présentés dans la figure 7 montrent qu'après avoir chargé le résonateur à anneau fendu avec l'antenne monopôle conventionnelle, un mode à basse fréquence de résonance est excité. La taille du résonateur à anneau fendu est optimisée pour obtenir une résonance proche de celle de l'antenne monopôle. Les résultats montrent que lorsque les deux résonances coïncident, la bande passante et les caractéristiques de rayonnement de l'antenne sont augmentées. La longueur et la largeur de l'antenne monopôle sont respectivement de 0,25λ0 × 0,11λ0 et 0,25λ0 × 0,21λ0 (4 GHz), et la longueur et la largeur de l'antenne monopôle chargée d'un résonateur à anneau fendu sont respectivement de 0,29λ0 × 0,21λ0 (2,9 GHz). Pour l'antenne conventionnelle en forme de F et l'antenne en forme de T sans résonateur à anneau fendu, le gain et l'efficacité de rayonnement les plus élevés mesurés dans la bande des 5 GHz sont respectivement de 3,6 dBi - 78,5 % et 3,9 dBi - 80,2 %. Pour l'antenne équipée d'un résonateur à anneau fendu, ces paramètres sont respectivement de 4 dBi - 81,2 % et 4,4 dBi - 83 % dans la bande 6 GHz. En intégrant un résonateur à anneau fendu comme charge d'adaptation sur l'antenne monopôle, les bandes 2,9 GHz à 6,41 GHz et 2,6 GHz à 6,6 GHz peuvent être prises en charge, ce qui correspond à des largeurs de bande fractionnaires de 75,4 % et 87 % respectivement. Ces résultats montrent que la bande passante de mesure est améliorée d'environ 2,4 fois et 2,11 fois par rapport aux antennes monopôles traditionnelles de taille approximativement fixe.

Figure 7. Deux antennes à large bande chargées de résonateurs à anneau divisé.

Comme le montre la figure 8, les résultats expérimentaux de l'antenne monopôle imprimée compacte sont présentés. Lorsque S11 ≤ - 10 dB, la bande passante de fonctionnement est de 185 % (0,115-2,90 GHz), et à 1,45 GHz, le gain maximal et l'efficacité de rayonnement sont respectivement de 2,35 dBi et 78,8 %. La disposition de l'antenne est similaire à une structure en feuille triangulaire dos à dos, alimentée par un diviseur de puissance curviligne. La masse tronquée contient un stub central placé sous le feeder, et quatre anneaux résonants ouverts sont répartis autour de celui-ci, ce qui élargit la bande passante de l'antenne. L'antenne rayonne de manière quasi omnidirectionnelle, couvrant la plupart des bandes VHF et S, et toutes les bandes UHF et L. Les dimensions physiques de l'antenne sont de 48,32 × 43,72 × 0,8 mm³ et ses dimensions électriques sont de 0,235 λ0 × 0,211 λ0 × 0,003 λ0. Elle présente les avantages d'une taille compacte et d'un faible coût, et offre des perspectives d'application potentielles dans les systèmes de communication sans fil à haut débit.

Figure 8 : Antenne monopole chargée avec un résonateur à anneau fendu.

La figure 9 illustre une structure d'antenne plane composée de deux paires de boucles de fils méandriques interconnectées, reliées à un plan de masse en T tronqué par deux vias. La taille de l'antenne est de 38,5 × 36,6 mm² (0,070 λ0 × 0,067 λ0), où λ0 est la longueur d'onde en espace libre de 0,55 GHz. L'antenne rayonne de manière omnidirectionnelle dans le plan E, dans la bande de fréquences de fonctionnement de 0,55 à 3,85 GHz, avec un gain maximal de 5,5 dBi à 2,35 GHz et un rendement de 90,1 %. Ces caractéristiques rendent l'antenne proposée adaptée à diverses applications, notamment la RFID UHF, le GSM 900, le GPS, le KPCS, le DCS, l'IMT-2000, le WiMAX, le WiFi et le Bluetooth.

Fig. 9 Structure d’antenne plane proposée.

2. Antenne à ondes de fuite (LWA)
La nouvelle antenne à ondes de fuite est l'une des principales applications pour la réalisation de TL en métamatériaux artificiels. Pour les antennes à ondes de fuite, l'effet de la constante de phase β sur l'angle de rayonnement (θm) et la largeur maximale du faisceau (Δθ) est le suivant :

L est la longueur de l'antenne, k0 est le nombre d'onde dans l'espace libre et λ0 est la longueur d'onde dans l'espace libre. Notez que le rayonnement ne se produit que lorsque |β|

3. Antenne à résonateur d'ordre zéro
Une propriété unique du métamatériau CRLH est que β peut être nul lorsque la fréquence est différente de zéro. Grâce à cette propriété, un nouveau résonateur d'ordre zéro (ZOR) peut être généré. Lorsque β est nul, aucun déphasage ne se produit dans l'ensemble du résonateur. Cela est dû à la constante de déphasage φ = - βd = 0. De plus, la résonance dépend uniquement de la charge réactive et est indépendante de la longueur de la structure. La figure 10 montre que l'antenne proposée est fabriquée en appliquant deux et trois unités en forme de E, et que la taille totale est respectivement de 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 et 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, où λ0 représente la longueur d'onde de l'espace libre aux fréquences de fonctionnement de 500 MHz et 650 MHz. L'antenne fonctionne à des fréquences de 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) et de 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), avec des largeurs de bande relatives de 91,9 % et 96,0 %. Outre leur petite taille et leur large bande passante, les première et deuxième antennes présentent respectivement un gain et un rendement de 5,3 dBi et 85 % (1 GHz) et de 5,7 dBi et 90 % (1,4 GHz).

Fig. 10 Structures d'antennes double-E et triple-E proposées.

4. Antenne à fente
Une méthode simple a été proposée pour agrandir l'ouverture de l'antenne CRLH-MTM, mais sa taille reste quasiment inchangée. Comme le montre la figure 11, l'antenne comprend des unités CRLH empilées verticalement les unes sur les autres, qui contiennent des patchs et des lignes de méandres, et il y a une fente en forme de S sur le patch. L'antenne est alimentée par un stub d'adaptation CPW et sa taille est de 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, correspondant à 0,204λ0 × 0,375λ0 × 0,018λ0, où λ0 (3,5 GHz) représente la longueur d'onde de l'espace libre. Les résultats montrent que l'antenne fonctionne dans la bande de fréquences de 0,85 à 7,90 GHz, et sa bande passante de fonctionnement est de 161,14 %. Le gain de rayonnement et l'efficacité de l'antenne les plus élevés sont observés à 3,5 GHz, soit respectivement 5,12 dBi et environ 80 %.