2. Application de MTM-TL dans les systèmes d’antennes
Cette section se concentrera sur les TL de métamatériaux artificiels et certaines de leurs applications les plus courantes et les plus pertinentes pour réaliser diverses structures d'antenne avec un faible coût, une fabrication facile, une miniaturisation, une large bande passante, un gain et une efficacité élevés, une capacité de balayage à large portée et un profil bas. Ils sont discutés ci-dessous.
1. Antennes haut débit et multifréquences
Dans un TL typique d'une longueur de 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 le montre ce qui précède, la bande passante correspond étroitement au retard de groupe, qui est la dérivée de φ par rapport à la fréquence. Par conséquent, à mesure que la longueur de la ligne de transmission diminue, la bande passante devient également plus large. En d’autres termes, il existe une relation inverse entre la bande passante et la phase fondamentale de la ligne de transmission, qui dépend de la conception. Cela montre que dans les circuits distribués traditionnels, la bande passante de fonctionnement n'est pas facile à contrôler. Cela peut être attribué aux limites des lignes de transmission traditionnelles en termes de degrés de liberté. Cependant, les éléments de chargement permettent d'utiliser des paramètres supplémentaires dans les TL de 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 au voisinage de la fréquence de fonctionnement des caractéristiques de dispersion. Le métamatériau artificiel TL peut atteindre cet objectif. Sur la base de cette approche, de nombreuses méthodes permettant d’améliorer la bande passante des antennes sont proposées dans l’article. Les chercheurs ont conçu et fabriqué deux antennes à large bande chargées de résonateurs à anneau brisé (voir Figure 7). Les résultats présentés sur la figure 7 montrent qu'après avoir chargé le résonateur à anneau fendu avec l'antenne unipolaire conventionnelle, un mode de fréquence de résonance basse 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, les caractéristiques de bande passante et de rayonnement de l’antenne augmentent. La longueur et la largeur de l'antenne unipolaire sont respectivement de 0,25λ0×0,11λ0 et 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz), et la longueur et la largeur de l'antenne unipolaire chargée d'un résonateur à anneau fendu sont de 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz). ), respectivement. 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 5 GHz sont respectivement de 3,6 dBi - 78,5 % et 3,9 dBi - 80,2 %. Pour l'antenne chargée 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 mettant en œuvre un résonateur à anneau divisé comme charge adaptée sur l'antenne monopôle, les bandes 2,9 GHz ~ 6,41 GHz et 2,6 GHz ~ 6,6 GHz peuvent être prises en charge, correspondant à des bandes passantes 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 brisé.
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 du 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. Le GND tronqué contient un tronçon central placé sous le chargeur, et quatre anneaux résonants ouverts sont répartis autour de lui, ce qui élargit la bande passante de l'antenne. L'antenne rayonne de manière presque omnidirectionnelle, couvrant la plupart des bandes VHF et S, ainsi que toutes les bandes UHF et L. La taille physique de l'antenne est de 48,32 × 43,72 × 0,8 mm3 et la taille électrique est de 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Il présente les avantages d'une petite taille et d'un faible coût, et présente des perspectives d'application potentielles dans les systèmes de communication sans fil à large bande.
Figure 8 : Antenne unipolaire chargée d'un résonateur à anneau fendu.
La figure 9 montre une structure d'antenne planaire constituée de deux paires de boucles de fils méandres interconnectées mises à la terre sur un plan de masse en forme de T tronqué via 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 maximum de 5,5 dBi à 2,35 GHz et une efficacité de 90,1 %. Ces caractéristiques rendent l'antenne proposée adaptée à diverses applications, notamment UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi et Bluetooth.
Fig. 9 Structure d'antenne planaire proposée.
2. Antenne à ondes de fuite (LWA)
La nouvelle antenne à ondes de fuite est l’une des principales applications pour réaliser des métamatériaux artificiels TL. 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 se produit uniquement lorsque |β|
3. Antenne à résonateur d'ordre zéro
Une propriété unique du métamatériau CRLH est que β peut être nul lorsque la fréquence n'est pas égale à zéro. Sur la base de 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. En effet, 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. d'espace libre aux fréquences de fonctionnement de 500 MHz et 650 MHz, respectivement. L'antenne fonctionne à des fréquences de 0,5 à 1,35 GHz (0,85 GHz) et de 0,65 à 1,85 GHz (1,2 GHz), avec des bandes passantes relatives de 91,9 % et 96,0 %. En plus des caractéristiques de petite taille et de large bande passante, le gain et l'efficacité des première et deuxième antennes sont respectivement 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 la taille de son antenne reste presque 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 méandres, et il y a une fente en forme de S sur le patch. L'antenne est alimentée par un talon 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 que sa bande passante de fonctionnement est de 161,14 %. Le gain de rayonnement et l'efficacité de l'antenne les plus élevés apparaissent à 3,5 GHz, soit respectivement 5,12 dBi et ~ 80 %.
Fig. 11 L'antenne à fente CRLH MTM proposée.
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Heure de publication : 30 août 2024
