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

2. Application de la transmission MTM-TL aux systèmes d'antennes
Cette section est consacrée aux lignes de transmission en métamatériaux artificiels et à 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. Elles sont décrites 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 indiqué précédemment, la bande passante est étroitement liée au temps de propagation de groupe, qui est la dérivée de φ par rapport à la fréquence. Par conséquent, plus la longueur de la ligne de transmission diminue, 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, relation qui dépend de sa conception. Ceci 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 charge permettent d'utiliser des paramètres supplémentaires dans les lignes de transmission à 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. Les lignes de transmission à métamatériaux artificiels permettent d'atteindre cet objectif. Sur la base de cette approche, plusieurs méthodes d'amélioration de la bande passante des antennes sont proposées dans cet article. Les chercheurs ont conçu et fabriqué deux antennes à large bande chargées de résonateurs à anneaux fendus (voir figure 7). Les résultats présentés sur la figure 7 montrent qu'après l'intégration d'une antenne monopôle conventionnelle dans un résonateur à anneau fendu, un mode de résonance à basse fréquence est excité. La taille du résonateur à anneau fendu est optimisée pour obtenir une résonance proche de celle de l'antenne monopôle. Les résultats indiquent que la coïncidence des deux résonances améliore la bande passante et les caractéristiques de rayonnement de l'antenne. L'antenne monopôle mesure 0,25λ₀ × 0,11λ₀ et 0,25λ₀ × 0,21λ₀ (4 GHz), tandis que l'antenne monopôle équipée d'un résonateur à anneau fendu mesure 0,29λ₀ × 0,21λ₀ (2,9 GHz). Pour les antennes conventionnelles en forme de F et en forme de T sans résonateur à anneau fendu, le gain maximal et le rendement de rayonnement 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, les paramètres sont respectivement de 4 dBi (81,2 %) et 4,4 dBi (83 %) dans la bande des 6 GHz. L'utilisation d'un résonateur à anneau fendu comme charge d'adaptation sur l'antenne monopôle permet de couvrir les bandes de fréquences 2,9 GHz – 6,41 GHz et 2,6 GHz – 6,6 GHz, correspondant à des largeurs de bande fractionnelles de 75,4 % et d'environ 87 %, respectivement. Ces résultats montrent une amélioration de la largeur de bande de mesure d'environ 2,4 fois et 2,11 fois par rapport aux antennes monopôles traditionnelles de taille sensiblement identique.

Figure 7. Deux antennes à large bande chargées de résonateurs à anneaux fendus.

La figure 8 présente les résultats expérimentaux de l'antenne monopôle imprimée compacte. Pour S11 ≤ -10 dB, la bande passante est de 185 % (0,115-2,90 GHz). À 1,45 GHz, le gain maximal est de 2,35 dBi et le rendement de rayonnement de 78,8 %. L'antenne est constituée d'une structure triangulaire composée de deux feuilles superposées et alimentée par un diviseur de puissance curviligne. La masse (GND) tronquée comporte un stub central placé sous le câble d'alimentation, autour duquel sont disposés quatre anneaux résonants ouverts, ce qui élargit la bande passante. L'antenne rayonne de manière quasi omnidirectionnelle, couvrant la majeure partie des bandes VHF et S, ainsi que l'intégralité des bandes UHF et L. L'antenne présente des dimensions physiques de 48,32 × 43,72 × 0,8 mm³ et des dimensions électriques de 0,235λ₀ × 0,211λ₀ × 0,003λ₀. Elle bénéficie de dimensions réduites et d'un faible coût, et offre des perspectives d'application prometteuses dans les systèmes de communication sans fil à large bande.

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

La figure 9 présente une antenne planaire composée de deux paires de boucles de fil méandrées interconnectées, reliées à la masse par deux vias sur un plan de masse en forme de T tronqué. L'antenne mesure 38,5 × 36,6 mm² (0,070λ₀ × 0,067λ₀), où λ₀ est la longueur d'onde dans le vide (0,55 GHz). Elle 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 la rendent adaptée à diverses applications, notamment la RFID UHF, le GSM 900, le GPS, le KPCS, le DCS, l'IMT-2000, le WiMAX, le Wi-Fi et le 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 de la réalisation de lignes de transmission à 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 représente la longueur de l'antenne, k0 le nombre d'onde dans le vide et λ0 la longueur d'onde dans le vide. Notez que le rayonnement se produit uniquement lorsque |β|

3. Antenne résonatrice d'ordre zéro
Une propriété unique du métamatériau CRLH est que β peut être nul lorsque la fréquence est non nulle. Grâce à cette propriété, un nouveau résonateur d'ordre zéro (ZOR) peut être généré. Lorsque β est nul, aucun déphasage n'apparaît dans le résonateur. Ceci est dû au fait que 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 à partir de deux et trois unités en forme de E, et ses dimensions totales sont respectivement de 0,017λ₀ × 0,006λ₀ × 0,001λ₀ et 0,028λ₀ × 0,008λ₀ × 0,001λ₀, où λ₀ représente la longueur d'onde dans le vide aux fréquences de fonctionnement de 500 MHz et 650 MHz, respectivement. L'antenne fonctionne aux 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 %. Outre ses caractéristiques de petite taille et de large bande passante, le gain et le rendement 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, sans modifier significativement ses dimensions. Comme illustré sur la figure 11, l'antenne est composée d'unités CRLH empilées verticalement, constituées de patchs et de lignes méandriques. Chaque patch présente une fente en forme de S. L'antenne est alimentée par un stub d'adaptation CPW et mesure 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, soit 0,204λ₀ × 0,375λ₀ × 0,018λ₀, où λ₀ (3,5 GHz) représente la longueur d'onde dans le vide. Les résultats montrent que l'antenne fonctionne dans la bande de fréquences 0,85-7,90 GHz, avec une bande passante de 161,14 %. Le gain de rayonnement maximal et le rendement maximal sont atteints à 3,5 GHz, avec des valeurs respectives de 5,12 dBi et d'environ 80 %.