Metamaterial antenne - Metamaterial antenna

Denne Z -antennen testet ved National Institute of Standards and Technology er mindre enn en standard antenne med sammenlignbare egenskaper. Den høye effektiviteten er avledet fra "Z -elementet" inne i torget som fungerer som et metamateriale , noe som sterkt øker det utstrålte signalet. Firkanten er 30 millimeter på en side.

Metamaterialeantenner er en klasse antenner som bruker metamaterialer for å øke ytelsen til miniatyriserte ( elektrisk små ) antennesystemer . Formålet deres, som med enhver elektromagnetisk antenne, er å sende energi ut i ledig plass. Imidlertid inneholder denne antenneklassen metamaterialer, som er materialer konstruert med nye, ofte mikroskopiske strukturer for å produsere uvanlige fysiske egenskaper . Antennedesign som inneholder metamaterialer kan øke antennens utstrålte effekt .

Konvensjonelle antenner som er veldig små sammenlignet med bølgelengden reflekterer det meste av signalet tilbake til kilden. En metamaterialeantenne oppfører seg som om den var mye større enn den faktiske størrelsen, fordi den nye strukturen lagrer og utstråler energi. Etablerte litografiteknikker kan brukes til å skrive ut metamaterialelementer på et PC -kort .

Disse nye antennene hjelper applikasjoner som bærbar interaksjon med satellitter, vidvinkelstrålestyring, nødkommunikasjonsenheter, mikrosensorer og bærbare bakkenetrengende radarer for å søke etter geofysiske funksjoner.

Noen applikasjoner for metamaterialeantenner er trådløs kommunikasjon , romkommunikasjon , GPS , satellitter , romfartsnavigasjon og fly.

Antenner designer

Antennedesign som inneholder metamaterialer kan øke den utstrålte effekten til en antenne. De nyeste metamaterial antennene utstråle så mye som 95 prosent av et inngangsradiosignal . Standardantenner må være minst halvparten av signalbølgelengden for å fungere effektivt. Ved 300 MHz , for eksempel, må en antenne være en halv meter lang. I kontrast er eksperimentelle metamaterialeantenner så små som en femtedel av en bølgelengde, og kan ha ytterligere nedgang i størrelse.

Metamaterialer er et grunnlag for ytterligere miniatyrisering av mikrobølgeantenner , med effektiv kraft og akseptabel båndbredde. Antenner som bruker metamaterialer tilbyr muligheten til å overvinne begrensende begrensninger i effektivitetsbåndbredde for konvensjonelt konstruerte miniatyrantenner.

Metamaterialer tillater mindre antenneelementer som dekker et bredere frekvensområde , og utnytter dermed tilgjengelig plass for plassbegrensede tilfeller. I disse tilfellene er miniatyrantenner med høy forsterkning vesentlig relevant fordi de utstrålende elementene er kombinert til store antennefiler. Videre fokuserer metamaterialers negative brytningsindeks elektromagnetisk stråling fra en flat linse mot å bli spredt.

DNG -skallet

Den tidligste forskningen på metamaterialantenner var en analytisk studie av en miniatyrdipolantenne omgitt av et metamateriale. Dette materialet er kjent på forskjellige måter som et negativt indeksmetamateriale (NIM) eller dobbelt negativt metamateriale (DNG) blant andre navn.

Denne konfigurasjonen ser analytisk og numerisk ut til å gi en økning i effekt i størrelsesorden. Samtidig ser det ut til at reaktansen gir en tilsvarende nedgang. Videre blir DNG -skallet et naturlig impedans -matchende nettverk for dette systemet.

Ground plane applikasjoner

Metamaterialer som brukes i bakkeplanene rundt antenner gir forbedret isolasjon mellom radiofrekvens- eller mikrobølgekanaler til (MIMO) antenneoppsett ( multiple input multi-output ) . Metamaterialer, høyimpedans grunnplan kan også forbedre strålingseffektivitet og aksialforholdsytelse for lavprofilantenner som ligger nær overflaten av bakken . Metamaterialer har også blitt brukt for å øke strålingsskanningsområdet ved å bruke både fremover og bakoverbølger i lekkende bølgeantenner. Forskjellige metamaterialeantennesystemer kan brukes for å støtte overvåkingssensorer, kommunikasjonslenker, navigasjonssystemer og kommando- og kontrollsystemer.

Nye konfigurasjoner

I tillegg til miniatyrisering av antenner, har de nye konfigurasjonene potensielle applikasjoner som spenner fra radiofrekvensenheter til optiske enheter. Andre kombinasjoner, for andre enheter i undersystemer av metamaterialeantenner, blir undersøkt. Enten brukes doble negative metamaterialplater utelukkende eller kombinasjoner av dobbeltpositive (DPS) med DNG-plater, eller epsilon-negative (ENG) plater med mu-negative (MNG) -plater brukes i delsystemene. Antennesubsystemer som for tiden forskes på inkluderer hulromsresonatorer , bølgeledere, spredning og antenner (radiatorer). Metamaterialantenner var kommersielt tilgjengelige innen 2009.

Historie

Pendry et al. var i stand til å vise at en tredimensjonal rekke kryssende, tynne ledninger kan brukes til å lage negative verdier for permittivitet (eller " ε "), og at et periodisk utvalg av kobberdelte ringresonatorer kan gi en effektiv negativ magnetisk permeabilitet (eller " μ ").

I mai 2000 ble en gruppe forskere, Smith et al. var de første som lyktes med å kombinere split-ringresonatoren (SRR), med tynne ledende ledere og produserte et venstrehendt materiale som hadde negative verdier på ε, μ og brytningsindeks for frekvenser i gigahertz- eller mikrobølgeområdet .

I 2002 ble en annen klasse med negative brytningsindeks (NRI) metamaterialer introdusert som benytter periodisk reaktiv belastning av en 2-D overføringslinje som vertsmedium . Denne konfigurasjonen brukte positivt indeks (DPS) materiale med negativt indeks materiale (DNG). Den brukte en liten, plan, negativ-brytnings-linse i grensesnitt med en positiv indeks, parallellplate-bølgeleder. Dette ble eksperimentelt bekreftet kort tid etter.

Selv om noen SRR -ineffektiviteter ble identifisert, fortsatte de å være ansatt fra 2009 for forskning. SRR har vært involvert i omfattende metamaterialforskning, inkludert forskning på metamaterialantenner.

Et nyere syn er at ved å bruke SRR som byggesteiner, er den elektromagnetiske responsen og tilhørende fleksibilitet praktisk og ønskelig.

Fasekompensasjon på grunn av negativ brytning

DNG kan tilby fasekompensasjon på grunn av deres negative brytningsindeks. Dette oppnås ved å kombinere en plate av konvensjonelt tapsfritt DPS -materiale med en plate med tapsfritt DNG -metamateriale.

DPS har en konvensjonell positiv brytningsindeks , mens DNG har en negativ brytningsindeks. Begge platene er impedans -tilpasset det ytre området (f.eks. Ledig plass). Den ønskede monokromatiske planbølgen utstråles på denne konfigurasjonen. Når denne bølgen forplanter seg gjennom den første materialplaten, oppstår en faseforskjell mellom utgangs- og inngangssiden. Når bølgen forplanter seg gjennom den andre platen, blir faseforskjellen betydelig redusert og til og med kompensert for. Derfor, da bølgen forlater den andre platen, er den totale faseforskjellen lik null.

Med dette systemet kan det produseres et fasekompensert bølgeledningssystem . Ved å stable plater av denne konfigurasjonen, vil fasekompensasjonen (stråleoversettelseseffekter) forekomme i hele systemet. Ved å endre indeksen for noen av DPS-DNG-parene, endres hastigheten med hvilken strålen kommer inn i frontflaten og går ut av baksiden av hele stabelsystemet. På denne måten kan en volumetrisk overføringslinje med lavt tap og tidsforsinkelse realiseres for et gitt system.

Videre kan denne fasekompensasjonen føre til et sett med applikasjoner, som er miniatyriserte, subbølgelengder , hulromsresonatorer og bølgeledere med applikasjoner under diffraksjonsgrenser .

Spredningskompensasjon for overføringslinje

På grunn av DNGs dispersive natur som overføringsmedium, kan det være nyttig som en dispersjonskompensasjonsenhet for tidsdomene-applikasjoner . Dispersjonen frembringer en variasjon av den gruppe hastigheten av signalenes bølgekomponenter, som de forplanter seg i DNG medium. Derfor kan stablede DNG -metamaterialer være nyttige for å modifisere signalutbredelse langs en mikrostrimmeloverføringslinje . Samtidig fører spredning til forvrengning. Imidlertid, hvis spredningen kan kompenseres for langs mikrostrimmellinjen, ville RF- eller mikrobølgesignaler som forplanter seg langs dem, redusere forvrengning betydelig. Derfor blir komponenter for å dempe forvrengning mindre kritiske, og kan føre til forenkling av mange systemer. Metamaterialer kan eliminere spredning langs mikrostripen ved å korrigere for frekvensavhengigheten til den effektive permittiviteten.

Strategien er å designe en lengde på metamateriallastet overføringslinje som kan introduseres med den opprinnelige lengden på mikrostripelinjen for å gjøre det sammenkoblede systemet dispersjonsfritt og skape et spredningskompenserende segment av overføringslinjen. Dette kan oppnås ved å introdusere et metamateriale med en spesifikk lokalisert permittivitet og en spesifikk lokalisert magnetisk permeabilitet , som deretter påvirker den relative permittiviteten og permeabiliteten til den samlede mikrostrimmellinjen. Den introduseres slik at bølgeimpedansen i metamaterialet forblir uendret. Brytningsindeksen i mediet kompenserer for spredningseffektene knyttet til selve mikrostrimmelgeometrien; gjør den effektive brytningsindeksen til paret til ledig plass.

En del av designstrategien er at den effektive permittiviteten og permeabiliteten til et slikt metamateriale skal være negativt - krever et DNG -materiale.

Innovasjon

Å kombinere venstrehendte segmenter med en konvensjonell (høyrehendt) overføringslinje gir fordeler i forhold til konvensjonelle design. Venstrehendte overføringslinjer er i hovedsak et høypassfilter med faseforflytning. Motsatt er høyrehendte overføringslinjer et lavpassfilter med faseforsinkelse. Denne konfigurasjonen er betegnet kompositt høyre/venstrehendt (CRLH) metamateriale.

Den konvensjonelle Leaky Wave-antennen har hatt begrenset kommersiell suksess fordi den mangler fullstendig backfire-to-endfire frekvensskanning. CRLH tillot fullstendig backfire-to-endfire frekvensskanning, inkludert bredside.

Mikrobølgeovn

Den metamaterial linse , som finnes i metamaterial antennesystemer, anvendes som et effektivt kopler til ekstern stråling, og fokuserer strålingen langs eller fra en mikrobåndoverføringslinje til å sende og motta komponenter. Derfor kan den brukes som inndataenhet . I tillegg kan det forbedre amplituden til flyktige bølger , samt korrigere fasen for å forplante bølger.

Direkte stråling

I dette tilfellet bruker en SRR lag av et metallisk nett av tynne ledninger - med ledninger i de tre romretningene og skiver av skum . Dette materialets permittivitet over plasmafrekvensen kan være positiv og mindre enn én. Dette betyr at brytningsindeksen er like over null. Den relevante parameteren er ofte kontrasten mellom permittivitetene i stedet for den totale permittivitetsverdien ved ønskede frekvenser. Dette skjer fordi ekvivalent (effektiv) permittivitet har en oppførsel som styres av en plasmafrekvens i mikrobølgedomenet. Dette lave optiske indeksmaterialet er da en god kandidat for ekstremt konvergente mikrolinser . Metoder som er utviklet teoretisk ved bruk av dielektriske fotoniske krystaller påført i mikrobølgedomenet for å realisere en direktivemitter ved bruk av metallgitter.

I dette tilfellet kan sammensatte ledninger i en kubisk , krystallgitterstruktur analyseres som en rekke antenner ( antennematrise ). Som en gitterstruktur har den en gitterkonstant . Gitterkonstanten eller gitterparameteren refererer til den konstante avstanden mellom enhetens celler i et krystallgitter.

Den tidligere oppdagelsen av plasmoner skapte oppfatningen om at metall ved plasmonfrekvens f p er et komposittmateriale. Effekten av plasmoner på en hvilken som helst metallprøve er å skape egenskaper i metallet slik at det kan oppføre seg som et dielektrikum , uavhengig av bølgevektoren til EM -eksitasjonsfeltet (stråling). Videre blir en liten brøkdel av plasmonenergi absorbert i systemet betegnet som γ . For aluminium f p = 15 eV, og γ = 0,1 eV. Det kanskje viktigste resultatet av samspillet mellom metall og plasmafrekvensen er at permittiviteten er negativ under plasmafrekvensen, helt til minuttverdien av γ .

Disse fakta resulterer til slutt i at den sammensatte trådstrukturen faktisk er et homogent medium.

Denne metamaterial gir mulighet for kontroll av retning av utslipp av en elektromagnetisk strålingskilde plassert inne i materialet, for å samle inn all energien i en liten vinkel domene rundt normal . Ved å bruke en plate av et metamateriale fokuseres divergerende elektromagnetiske bølger inn i en smal kjegle. Dimensjonene er små i forhold til bølgelengden, og dermed oppfører platen seg som et homogent materiale med lav plasmafrekvens .

Overføringslinjemodeller

Konvensjonelle overføringslinjer

Variasjoner på det skjematiske elektroniske symbolet for en overføringslinje.
Skjematisk fremstilling av elementære komponenter i en overføringslinje.

En overføringslinje er det materielle mediet eller strukturen som danner hele eller deler av en bane fra ett sted til et annet for å styre overføring av energi, for eksempel elektromagnetiske bølger eller elektrisk kraftoverføring . Typer overføringslinjer inkluderer ledninger , koaksialkabler , dielektriske plater, stripliner , optiske fibre , elektriske kraftledninger og bølgeledere.

En mikrostrimmel er en type overføringslinje som kan produseres ved hjelp av kretskortsteknologi og brukes til å formidle mikrobølgefrekvenssignaler. Den består av en ledende stripe atskilt fra et jordplan med et dielektrisk lag kjent som substratet . Mikrobølgekomponenter som antenner , koblinger , filtre og effektdelere kan dannes av en mikrostrip.

Fra den forenklede skjematikken til høyre kan det ses at total impedans, konduktans, reaktans (kapasitans og induktans) og transmisjonsmediet (transmisjonslinje) kan representeres av enkeltkomponenter som gir den totale verdien.

Med transmisjonslinje media er det viktig å tilpasse belastningsimpedansen Z- L til den karakteristiske impedans Z 0 i så stor grad som mulig, fordi det vanligvis er ønskelig at lasten absorberer så mye kraft som mulig.

er motstanden per lengdenhet,
er induktansen per lengdenhet,
er konduktansen til dielektrikumet per lengdenhet,
er kapasitansen per lengdenhet,
er den imaginære enheten , og
er vinkelfrekvensen .

Klumpete kretselementer

Ofte, på grunn av målet som flytter fysiske metamaterialinneslutninger (eller celler) til mindre størrelser, blir diskusjon og implementering av klumpede LC -kretser eller distribuerte LC -nettverk ofte undersøkt. Klumpede kretselementer er faktisk mikroskopiske elementer som effektivt tilnærmer seg sine større komponentmotparter. For eksempel kan kretskapasitans og induktans opprettes med delte ringer, som er på skalaen nanometer ved optiske frekvenser. Den distribuerte LC-modellen er relatert til den klumpede LC-modellen, men modellen med distribuert element er mer nøyaktig, men mer kompleks enn modellen med klumpede elementer .

Metamaterialbelastede overføringslinjekonfigurasjoner

Noen bemerkede metamaterialantenner bruker negative-brytningsindeks-metamaterialer for overføringslinje (NRI-TLM). Disse inkluderer linser som kan overvinne diffraksjonsgrensen , smalbånds- og bredbåndsfaseforskyvningslinjer, små antenner, lavprofilantenner, antennematingsnettverk, nye kraftarkitekturer og høydirektivitetskoblinger. Lasting av et plant metamaterialenettverk av TL -er med seriekondensatorer og shuntinduktorer gir høyere ytelse. Dette resulterer i en stor driftsbåndbredde mens brytningsindeksen er negativ.

Fordi superlinser kan overvinne diffraksjonsgrensen , muliggjør dette en mer effektiv kobling til ekstern stråling og muliggjør et bredere frekvensbånd. For eksempel kan superlensene brukes på TLM -arkitekturen. I konvensjonelle linser er avbildning begrenset av diffraksjonsgrensen . Med superlenses detaljene i nærheten felt bildene ikke går tapt. Voksende flyktige bølger støttes i metamaterialet ( n <1), som gjenoppretter de forfallne flyktige bølgene fra kilden. Dette resulterer i en diffraksjonsbegrenset oppløsning på λ/6, etter noen små tap. Dette sammenligner med λ/2, den normale diffraksjonsgrensen for konvensjonelle objektiver .

Ved å kombinere høyrehendte (RHM) med venstrehendte materialer (LHM) som en komposittmateriale (CRLH) -konstruksjon, oppnås både en bakover til fremover skanningskapasitet .

Metamaterialer ble først brukt for antenneteknologi rundt 2005. Denne typen antenner brukte SNGs etablerte evne til å koble seg til ekstern stråling . Resonant kopling tillatt for en bølgelengde som er større enn antennen. Ved mikrobølgefrekvenser tillot dette en mindre antenne.

En metamaterialbelastet overføringslinje har betydelige fordeler i forhold til konvensjonelle eller standard forsinkelsesoverføringslinjer. Den er mer kompakt i størrelse, den kan oppnå positiv eller negativ faseforskyvning mens den opptar samme korte fysiske lengde, og den viser en lineær, flatere faserespons med frekvens , noe som fører til kortere gruppeforsinkelser. Den kan fungere i lavere frekvens på grunn av distribuerte kondensatorer i høye serier og har mindre plane dimensjoner enn den tilsvarende koplanare strukturen.

Negative brytningsindeksmetamaterialer som støtter 2-D-bølger

I 2002, i stedet for å bruke SRR-wire-konfigurasjon eller andre 3D-medier, så forskere på plane konfigurasjoner som støttet bakoverbølget forplantning, og demonstrerte dermed negativ brytningsindeks og fokusering som en konsekvens.

Det har lenge vært kjent at overføringslinjer periodisk belastet med kapasitive og induktive elementer i en høypass-konfigurasjon støtter visse typer bakoverbølger. I tillegg er plane overføringslinjer en naturlig match for 2-D bølgeforplantning. Med kretselementer har de en kompakt konfigurasjon og kan fortsatt støtte det lavere RF -området. Med dette i tankene ble det foreslått høypassering og cutoff, periodisk lastede, todimensjonale LC-overføringslinjenett. LC -nettverkene kan utformes for å støtte bakoverbølger, uten omfangsrik SRR/trådstruktur. Dette var det første slikt forslaget som gikk bort fra massemedier for en negativ brytningseffekt. En bemerkelsesverdig egenskap ved denne typen nettverk er at det ikke er avhengig av resonans, i stedet definerer evnen til å støtte bakoverbølger negativ brytning.

Prinsippene bak fokus er hentet fra Veselago og Pendry. Kombinere en konvensjonell, flat, (plan) DPS-plate, M-1, med et venstrehendt medium, M-2, en forplantende elektromagnetisk bølge med en bølgevektor k1 i M-1, resulterer i en brytet bølge med en bølgevektor k2 i M-2. Siden støtter M-2 bakoverbølgeutbredelse k2 brytes til motsatt side av normalen, mens Poynting-vektoren til M-2 er antiparallell med k2. Under slike forhold brytes kraften gjennom en effektivt negativ vinkel, noe som innebærer en effektivt negativ brytningsindeks.

Elektromagnetiske bølger fra en punktkilde plassert inne i en konvensjonell DPS kan fokuseres inne i en LHM ved hjelp av et plant grensesnitt mellom de to mediene. Disse forholdene kan modelleres ved å spennende en enkelt node inne i DPS og observere størrelsen og fasen til spenningene til bakken på alle punkter i LHM. En fokuserende effekt skal manifestere seg som en "spot" spenningsfordeling på et forutsigbart sted i LHM.

Negativ brytning og fokusering kan oppnås uten å bruke resonanser eller direkte syntetisere permittivitet og permeabilitet. I tillegg kan dette mediet praktisk talt produseres ved hensiktsmessig lasting av et vertsoverføringslinjemedium. Videre tillater den resulterende plane topologien at LHM -strukturer lett kan integreres med konvensjonelle plane mikrobølge kretser og enheter.

Når tverrgående elektromagnetisk forplantning oppstår med et transmisjonslinjemedium, er analogien for permittivitet og permeabilitet ε = L og μ = C. Denne analogien ble utviklet med positive verdier for disse parameterne. Det neste logiske trinnet var å innse at negative verdier kunne oppnås. For å syntetisere et venstrehendt medium (ε <0 og μ <0) bør seriereaktans og shuntmottakelighet bli negativ, fordi materialparametrene er direkte proporsjonale med disse kretsmengdene.

En overføringslinje som har klumpede kretselementer som syntetiserer et venstrehendt medium, blir referert til som en "dobbel overføringslinje" sammenlignet med "konvensjonell overføringslinje". Den doble overføringslinjestrukturen kan implementeres i praksis ved å laste en vertsoverføringslinje med kondenserte seriekondensatorer (C) og shuntinduktorer (L). I denne periodiske strukturen er belastningen sterk slik at de klumpede elementene dominerer forplantningskarakteristikkene.

Venstrehendt atferd i LC-lastede overføringslinjer

Å bruke SRR -er ved RF -frekvenser , som med trådløse enheter, krever at resonatorene skaleres til større dimensjoner. Dette arbeidet mot å gjøre enhetene mer kompakte. I kontrast kan LC -nettverkskonfigurasjoner skaleres til både mikrobølgeovn og RF -frekvenser.

LC-lastede overføringslinjer gjorde det mulig for en ny klasse metamaterialer å produsere en negativ brytningsindeks . Å stole på LC -nettverk for å etterligne elektrisk permittivitet og magnetisk permeabilitet resulterte i en betydelig økning i driftsbåndbredder.

Videre er enhetens celler koblet gjennom et transmisjonslinjenettverk og kan være utstyrt med kretselementer som gjør at de kan være kompakte ved frekvenser der en SRR ikke kan være kompakt. Fleksibiliteten oppnådd ved bruk av enten diskrete eller trykte elementer gjør at plane metamaterialer kan skaleres fra megahertz til titalls gigahertz -området . I tillegg gjorde utskifting av kondensatorer med varaktorer det mulig å justere materialegenskapene dynamisk. De foreslåtte mediene er plane og støtter iboende todimensjonale (2-D) bølgeutbredelse, noe som gjør dem godt egnet for RF/mikrobølgeenhet og kretsapplikasjoner.

Voksende svingende bølger i negative-brytningsindeks-overføringslinjemedier

Den periodiske 2-D LC-ladede overføringslinjen ( TL ) ble vist å ha NRI-egenskaper over et bredt frekvensområde. Dette nettverket vil bli referert til som en dobbel TL-struktur siden den har en høypass-konfigurasjon, i motsetning til lavpass-representasjonen av en konvensjonell TL-struktur. Doble TL-strukturer har blitt brukt til eksperimentelt å demonstrere bakoverbølget stråling og fokusering på mikrobølgefrekvenser.

Som et negativt brytningsindeksmedium er en dobbel TL -struktur ikke bare en fasekompensator. Det kan forbedre amplituden til flyktige bølger, samt korrigere fasen for å forplante bølger. Evanescent -bølger vokser faktisk innenfor den doble TL -strukturen.

Bakoverbølget antenne ved bruk av en NRI -lastet overføringslinje

Grbic et al. brukte endimensjonalt LC-lastet transmisjonslinjenettverk, som støtter rask bakoverbølgeutbredelse for å demonstrere egenskaper som er analoge med "reversert Cherenkov-stråling". Deres foreslåtte bakoverbølgede strålende struktur ble inspirert av negative brytningsindeks LC-materialer. Det simulerte E-flymønsteret ved 15 GHz viste stråling mot bakoverretningen i fjernfeltmønsteret, noe som tydelig indikerer eksitasjonen av en bakoverbølge. Siden den tverrgående dimensjonen til matrisen er elektrisk kort, støttes strukturen av et langt metallisk trough. Tårnet fungerer som en bølgeleder under avskjæringen og gjenoppretter ryggstrålingen, noe som resulterer i enveis mønstre i fjernt felt.

Planar NIM med periodisk lastede overføringslinjer

Planmedier kan implementeres med en effektiv negativ brytningsindeks. Det underliggende konseptet er basert på riktig lasting av et trykt nettverk av overføringslinjer med jevne mellomrom med induktorer og kondensatorer. Denne teknikken resulterer i effektive permittivitets- og permeabilitetsmaterialeparametere som både er iboende og samtidig negative, og unngår behovet for å anvende separate midler. De foreslåtte mediene har andre ønskelige funksjoner, inkludert meget bred båndbredde som brytningsindeksen forblir negativ over, evnen til å lede 2-D TM -bølger, skalerbarhet fra RF til millimeterbølgefrekvenser og lave overføringstap, samt potensialet for tunbarhet ved sette inn varaktorer og/eller brytere i enhetscellen. Konseptet er verifisert med krets- og fullbølgesimuleringer. En prototype fokuseringsenhet er testet eksperimentelt. De eksperimentelle resultatene demonstrerte fokusering av en hendende sylindrisk bølge innenfor en oktavbåndbredde og over et elektrisk kort område; noe som tyder på nærfokusering.

RF/mikrobølgeenheter kan implementeres basert på disse foreslåtte mediene for applikasjoner innen trådløs kommunikasjon, overvåking og radarer.

Større overføringslinjer

Ifølge noen forskere er SRR/wire-konfigurerte metamaterialer omfangsrike 3D-konstruksjoner som er vanskelige å tilpasse for RF/mikrobølgeenhet og kretsapplikasjoner. Disse strukturene kan bare oppnå en negativ brytningsindeks innenfor en smal båndbredde. Når de brukes på trådløse enheter ved RF-frekvenser, må de delte ringresonatorene skaleres til større dimensjoner, noe som igjen tvinger til en større enhetsstørrelse.

De foreslåtte strukturene går utover wire/SRR -komposittene ved at de ikke er avhengige av SRR -er for å syntetisere materialparametrene, og dermed føre til dramatisk økte driftsbåndbredder. Videre er enhetens celler forbundet via et transmisjonslinjenettverk, og de kan derfor være utstyrt med klumpede elementer, som gjør at de kan være kompakte ved frekvenser der SRR ikke kan være kompakt. Fleksibiliteten som oppnås ved bruk av enten diskrete eller trykte elementer gjør at plane metamaterialer kan skaleres fra megahertz til ti -gigahertz -området. I tillegg kan de effektive materialegenskapene justeres dynamisk ved å bruke varaktorer i stedet for kondensatorer. Videre er de foreslåtte mediene plane og støtter iboende todimensjonale (2-D) bølgeutbredelse. Derfor er disse nye metamaterialene godt egnet for RF/mikrobølgeenhet og kretsapplikasjoner.

I langbølgelengderegimet kan permittivitet og permeabilitet for konvensjonelle materialer syntetiseres kunstig ved bruk av periodiske LC-nettverk arrangert i en lavpass-konfigurasjon. I den doble (høypass) konfigurasjonen antar disse ekvivalente materialparametrene samtidig negative verdier, og kan derfor brukes til å syntetisere en negativ brytningsindeks.

Konfigurasjoner

Antenneteori er basert på klassisk elektromagnetisk teori som beskrevet av Maxwells ligninger . Fysisk er en antenne et arrangement av en eller flere ledere , vanligvis kalt elementer. En vekselstrøm dannes i elementene ved å påføre en spenning på antenneterminalene, noe som får elementene til å utstråle et elektromagnetisk felt. I mottak skjer det motsatte: et elektromagnetisk felt fra en annen kilde induserer en vekselstrøm i elementene og en tilsvarende spenning ved antennens terminaler. Noen mottaksantenner (for eksempel parabolske og horntyper) har formede reflekterende overflater for å samle EM -bølger fra ledig plass og lede eller fokusere dem på de faktiske ledende elementene.

En antenne skaper tilstrekkelig sterke elektromagnetiske felt på store avstander. Gjensidig er den følsom for de elektromagnetiske feltene som er imponert over den eksternt. Den faktiske koblingen mellom en sender- og mottaksantenne er så liten at det kreves forsterkerkretser både på sender- og mottaksstasjonene. Antenner opprettes vanligvis ved å endre vanlige kretser til overføringslinjekonfigurasjoner.

Den nødvendige antennen for en gitt applikasjon er avhengig av anvendt båndbredde og rekkevidde (effekt). I mikrobølgeovnen til millimeterbølgeområdet-bølgelengder fra noen få meter til millimeter-brukes vanligvis følgende antenner:

Dipolantenner, korte antenner, parabolske og andre reflektorantenner, hornantenner, periskopantenner, spiralantenner, spiralantenner, overflate- og lekkbølgeantenner. Utette bølgeantenner inkluderer dielektriske og dielektriske belastede antenner, og en rekke mikrostripantenner.

Stråleegenskaper med SRR

SRR ble introdusert av Pendry i 1999, og er et av de vanligste elementene i metamaterialer . Som en ikke -magnetisk ledende enhet består den av en rekke enheter som gir en forbedret negativ effektiv magnetisk permeabilitet når frekvensen for det innfallende elektromagnetiske feltet er nær SRR -resonansfrekvensen. Resonansfrekvensen til SRR avhenger av dens form og fysiske design. I tillegg kan resonans forekomme ved bølgelengder som er mye større enn størrelsen. For ytterligere formoptimalisering av elementene er det hensiktsmessig å bruke genetiske og andre optimaliseringsalgoritmer. I flerfrekvensdesign kan man bruke fraktaldesign som Sierpensky, Koch eller andre fraktaler i stedet for SRR.

Dobbel negative metamaterialer

Gjennom påføring av doble negative metamaterialer (DNG) kan kraften som utstråles av elektrisk små dipolantenner øke betydelig. Dette kan oppnås ved å omgi en antenne med et skall av dobbelt negativt (DNG) materiale. Når den elektriske dipolen er innebygd i et homogent DNG -medium, virker antennen induktivt snarere enn kapasitivt, slik den ville gjort i ledig plass uten samspillet mellom DNG -materialet. I tillegg øker dipol-DNG-skallkombinasjonen den virkelige effekten som utstråles med mer enn en størrelsesorden over en ledig plassantenne. En bemerkelsesverdig reduksjon i reaktansen til dipolantennen tilsvarer økningen i utstrålt effekt.

Den reaktive effekten indikerer at DNG -skallet fungerer som et naturlig matchende nettverk for dipolen. DNG -materialet matcher den inneboende reaktansen til dette antennesystemet med ledig plass, og derfor samsvarer impedansen til DNG -materialet med ledig plass. Den gir en naturlig matchende krets til antennen.

Enkelt negativ SRR og monopolkompositt

Tillegget av et SRR-DNG-metamateriale økte den utstrålte effekten med mer enn en størrelsesorden over en sammenlignbar ledig plassantenne. Elektrisk små antenner, høy direktivitet og avstembar driftsfrekvens produseres med negativ magnetisk permeabilitet. Ved kombinasjon av et høyrehendt materiale (RHM) med et Veselago-venstrehendt materiale (LHM) oppnås andre nye egenskaper. En enkelt resonator med negativt materiale, oppnådd med en SRR, kan produsere en elektrisk liten antenne når den opererer ved mikrobølgefrekvenser, som følger:

Konfigurasjonen av en SRR som ble vurdert var to konsentriske ringformede ringer med relativt motsatte hull i den indre og ytre ringen. Dens geometriske parametere var R = 3,6 mm, r = 2,5 mm, w = 0,2 mm, t = 0,9 mm. R og r brukes i ringformede parametere, w er avstanden mellom ringene og t = bredden på den ytre ringen. Materialet hadde en tykkelse på 1,6 mm. Tillatelsen var 3,85 ved 4 GHz. SRR ble fremstilt med en etsingsteknikk på et 30 um tykt kobbersubstrat . SRR var begeistret ved å bruke en monopolantenne . Monopolantennen var sammensatt av en koaksialkabel , jordplan og strålende komponenter. Grunnplanmaterialet var aluminium . Driftsfrekvensen til antennen var 3,52 GHz, som ble bestemt ved å ta hensyn til de geometriske parametrene til SRR. En 8,32 mm trådlengde ble plassert over jordplanet, koblet til antennen, som var en fjerdedel av operasjonsbølgelengden. Antennen jobbet med en matebølgelengde på 3,28 mm og en matefrekvens på 7,8 GHz. SRRs resonansfrekvens var mindre enn monopoloperasjonsfrekvensen.

Monopol-SRR-antennen opererte effektivt ved (λ/10) ved hjelp av SRR-trådkonfigurasjonen. Det viste god koblingseffektivitet og tilstrekkelig strålingseffektivitet. Driften var sammenlignbar med en konvensjonell antenne på λ/2, som er en konvensjonell antennestørrelse for effektiv kobling og stråling. Derfor blir monopol-SRR-antennen en akseptabel elektrisk liten antenne ved SRRs resonansfrekvens.

Når SRR er en del av denne konfigurasjonen, endres egenskaper som antennens strålingsmønster helt i forhold til en konvensjonell monopolantenne. Med endringer i SRR -strukturen kan antennestørrelsen nå ( λ/40 ). Kobling 2, 3 og 4 SRR side ved side forskyver strålingsmønstrene litt.

Patch antenner

I 2005 ble en antenne med en metamaterial dekselet ble foreslått som forbedret retnings . I henhold til de numeriske resultatene viste antennen en betydelig forbedring i retning, sammenlignet med konvensjonelle patchantenner. Dette ble sitert i 2007 for en effektiv design av direktive patch -antenner i mobilkommunikasjon ved bruk av metamaterialer. Denne designen var basert på den venstrehendte materialet (LHM) overføringslinjemodell, med kretselementene L og C til LHM- ekvivalente kretsmodellen . Denne studien utviklet formler for å bestemme L- og C -verdiene til den LHM -ekvivalente kretsmodellen for ønskelige egenskaper ved direktive patch -antenner. Designeksempler avledet fra faktiske frekvensbånd i mobilkommunikasjon ble utført, noe som illustrerer effektiviteten til denne tilnærmingen.

Flat linse horn antenne

Denne konfigurasjonen bruker en flat blenderåpning konstruert av nullindeksmetamateriale. Dette har fordeler i forhold til vanlige (konvensjonelle) buede linser, noe som resulterer i en mye bedre retning. Disse undersøkelsene har gitt muligheter for miniatyrisering av mikrobølge- og ikke-kildeenheter, kretser, antenner og forbedring av elektromagnetisk ytelse.

Metamaterials overflateantenneteknologi

Metamaterials surface antenne technology (M-SAT) er en oppfinnelse som bruker metamaterialer for å dirigere og opprettholde en konsekvent bredbånds radiofrekvensstråle låst på en satellitt enten plattformen er i bevegelse eller stasjonær. Gimbals og motorer erstattes av matriser av metamaterialer i en plan konfigurasjon. Med denne nye teknologien er det heller ikke nødvendig med faseskift som med faset utstyr. Den ønskede effekten oppnås ved å variere mønsteret av aktiverte metamaterialelementer etter behov. Teknologien er en praktisk anvendelse av metamaterialisk tilsløringsteori . Antennen er omtrent på størrelse med en bærbar datamaskin.

Forskning og anvendelser av metamaterialbaserte antenner. Relaterte komponenter blir også undersøkt.

Subbølgelengdehulrom og bølgeledere

Når grensesnittet mellom et par materialer som fungerer som optiske overføringsmedier samhandler som et resultat av motstridende permittivitets- og / eller permeabilitetsverdier som enten er vanlige (positive) eller ekstraordinære (negative), kan det oppstå bemerkelsesverdige avvikende atferd. Paret ville være et DNG -metamateriale (lag), sammenkoblet med et DPS-, ENG- eller MNG -lag. Det kan forekomme bølgeutbredelsesatferd og egenskaper som ellers ikke ville skje hvis bare DNG -lag er sammenkoblet.

I grensesnittet mellom to medier kan konseptet om kontinuiteten til de tangensielle elektriske og magnetiske feltkomponentene brukes. Hvis enten permeabiliteten eller permittiviteten til to medier har motsatte tegn, vil de normale komponentene i det tangensielle feltet, på begge sider av grensesnittet, være diskontinuerlige ved grensen. Dette innebærer et konsentrert resonansfenomen ved grensesnittet. Dette ser ut til å være lik strøm- og spenningsfordelingene i krysset mellom en induktor og kondensator, ved resonansen til en LC -krets. Denne " grensesnittresonansen " er i hovedsak uavhengig av den totale tykkelsen på de sammenkoblede lagene, fordi den oppstår langs diskontinuiteten mellom to slike konjugerte materialer.

Bølgelederstrukturer med parallelle plater

Geometrien består av to parallelle plater som perfekte ledere (PEC), en idealisert struktur, fylt av to stablete plane plater av homogene og isotrope materialer med sine respektive konstituerende parametere ε 1 , ε 2 , u 1 , u 2 . Hver plate har tykkelse = d, plate 1 = d 1 og plate 2 = d 2 . Å velge hvilken kombinasjon av parametere som skal brukes, innebærer sammenkobling av DPS og DNG eller ENG og MNG materialer. Som nevnt tidligere er dette ett par motsatt signerte konstituerende parametere, kombinert.

Tynne resonatorer i hulbølgelengden

Fasekompensasjon

De virkelige komponentverdiene for negativ permittivitet og permeabilitet resulterer i reelle komponentverdier for negativ brytning n. I et tapsfritt medium er alt som eksisterer reelle verdier. Dette konseptet kan brukes til å kartlegge fasekompensasjon når et konvensjonelt tapsfritt materiale, DPS, matches med et tapsfritt NIM (DNG).

I fasekompensasjon har DPS med tykkelse d 1 ε> 0 og µ> 0. Omvendt har NIM for tykkelse d 2 ε <0 og µ <0. Anta at den indre impedansen til DPS dielektrisk materiale (d 1 ) er den samme som i den ytre regionen og reagerer på en normalt hendende plan bølge. Bølgen beveger seg gjennom mediet uten refleksjon fordi DPS -impedansen og ytre impedansen er like. Imidlertid er planbølgen på slutten av DPS -platen ute av fase med planbølgen i begynnelsen av materialet.

Flybølgen kommer deretter inn i den tapsfrie NIM (d 2 ). Ved visse frekvenser ε <0 og µ <0 og n <0. I likhet med DPS har NIM inneboende impedans som er lik utsiden, og er derfor også tapsfri. Retningen for effektstrømmen (dvs. Poynting -vektoren) i den første platen skal være den samme som i den andre, fordi kraften til den innfallende bølgen kommer inn i den første platen (uten refleksjon ved det første grensesnittet), krysser første plate, forlater det andre grensesnittet, går inn i den andre platen og krysser den og forlater til slutt den andre platen. Som nevnt tidligere er imidlertid kraftretningen antiparallell med retningen til fasehastigheten. Derfor er bølgevektoren k 2 i motsatt retning av k 1 . Videre kan den faseforskjellen som utvikles ved å krysse den første platen reduseres og til og med avbrytes ved å krysse den andre platen. Hvis forholdet mellom de to tykkelsene er d 1 / d 2 = n 2 / n 1 , er den totale faseforskjellen mellom forsiden og baksiden null. Dette demonstrerer hvordan NIM -platen ved valgte frekvenser fungerer som en fasekompensator. Det er viktig å merke seg at denne fasekompensasjonsprosessen bare er på forholdet mellom d 1 / d 2 i stedet for tykkelsen på d 1 + d 1 . Derfor kan d 1 + d 1 være hvilken som helst verdi, så lenge dette forholdet tilfredsstiller betingelsen ovenfor. Til slutt, selv om denne to-lags strukturen er tilstede, ville bølgen som krysser denne strukturen ikke oppleve faseforskjellen.

Etter dette er det neste trinnet sub -bølgelengden hulrom resonator.

Kompakte sub-bølgelengde 1-D hulromsresonatorer ved bruk av metamaterialer

Fasekompensatoren beskrevet ovenfor kan brukes til å konseptualisere muligheten for å designe en kompakt 1-D hulromsresonator. Den ovennevnte to-lags strukturen påføres som to perfekte reflektorer, eller med andre ord, to perfekt ledende plater. Konseptuelt er det som er begrenset i resonatoren d 1 / d 2 , ikke d 1 + d 2 . Derfor kan man i prinsippet ha en tynn subbølgelengdehullsresonator for en gitt frekvens, hvis det andre laget virker med et metamateriale med negativ permittivitet og permeabilitet og forholdet korrelerer med de riktige verdiene.

Hulrommet kan konseptuelt være tynt mens det fortsatt er resonant, så lenge tykkelsesforholdet er tilfredsstilt. Dette kan i prinsippet gi mulighet for subbølgelengde, tynne, kompakte hulromsresonatorer.

Miniatyrhulrumsresonator som bruker FSS

Frekvensselektive overflate (FSS) -baserte metamaterialer benytter tilsvarende LC -kretskonfigurasjoner. Bruk av FSS i et hulrom gir mulighet for miniatyrisering, reduksjon av resonansfrekvensen, senker cut-off-frekvensen og jevn overgang fra en hurtigbølge til en langsom bølge i en bølgelederkonfigurasjon.

Komposittmetamaterialbaserte hulrom

Som en LHM -applikasjon ble fire forskjellige hulrom som opererte i mikrobølgeregimet fremstilt og observert og beskrevet eksperimentelt.

Metamateriell grunnplan

Utbredelse av utet modus med metamaterialet jordplan

En magnetisk dipol ble plassert på metamateriale (plate) bakkeplan. Metamaterialene har enten bestanddeler som både er negative eller negative permittivitet eller negativ permeabilitet. Dispergerings- og strålingsegenskapene til lekkende bølger som støttes av disse metamaterialplatene, ble henholdsvis undersøkt.

Patenterte systemer

Microstrip line ( 400 ) for et faset array metamaterial antennesystem. 401 representerer enhetscellekretser som er komponert periodisk langs mikrostripen. 402 -serie kondensatorer. 403 er T-veikryss mellom kondensatorer, som kobler ( 404 ) spiralinduktorforsinkelseslinjer til 401. 404 er også koblet til bakken vias 405 .

Flere systemer har patenter .

Fasesystemer og antenner for bruk i slike systemer er velkjente innen områder som telekommunikasjon og radarapplikasjoner . Generelt fungerer fasede matrisesystemer ved å sammenstille signaler på nytt over hele matrisen ved å bruke kretselementer for å kompensere for relative faseforskjeller og tidsforsinkelser.

Faset matriseantenne

Patentert i 2004, et faset array -antennesystem er nyttig i bilradarapplikasjoner. Ved anvendelse av Nims som en bikonkav linse for å fokusere mikrobølger, at antennens sidesløyfer som er redusert i størrelse. Dette tilsvarer en reduksjon i utstrålt energitap, og en relativt bredere nyttig båndbredde. Systemet er et effektivt, dynamisk varierende faset radarsystem .

I tillegg økes signalamplituden over mikrostrimmeloverføringslinjene ved å suspendere dem over bakkeplanet på en forhåndsbestemt avstand. Med andre ord er de ikke i kontakt med et solid underlag. Dielektrisk signaltap reduseres betydelig, noe som reduserer signaldemping.

Dette systemet ble designet for å øke ytelsen til den monolitiske mikrobølgeovnintegrerte kretsen (MMIC), blant andre fordeler. En overføringslinje opprettes med fotolitografi. En metamateriell linse, som består av en tynn trådmatrise, fokuserer de overførte eller mottatte signalene mellom linjen og sender / mottakerelementene.

Linsen fungerer også som en inngangsenhet og består av en rekke periodiske enhetsceller plassert langs linjen. Linsen består av flere linjer av samme sminke; flere periodiske enhetsceller. De periodiske enhetscellene er konstruert av flere elektriske komponenter; kondensatorer og induktorer som komponenter i flere kretser med distribuert element .

Metamaterialet inneholder et ledende overføringselement, et substrat som omfatter minst et første jordingsplan for jording av overføringselementet, en flerhet av enhetscellekretser som er komponert periodisk langs overføringselementet og minst en via for elektrisk å koble overføringselementet til minst det første bakkeplanet. Den inkluderer også et middel for å suspendere dette overføringselementet en forhåndsbestemt avstand fra underlaget på en slik måte at overføringselementet er plassert i en andre forhåndsbestemt avstand fra grunnplanet.

ENG og MNG bølgeledere og spredningsanordninger

Denne strukturen ble designet for bruk i bølgeledning eller spredning av bølger. Den bruker to tilstøtende lag. Det første laget er et epsilon-negativt (ENG) materiale eller et mu-negativt (MNG) materiale. Det andre laget er enten et dobbelt-positivt (DPS) materiale eller et dobbelt-negativt (DNG) materiale. Alternativt kan det andre laget være et ENG -materiale når det første laget er et MNG -materiale eller omvendt.

Redusere forstyrrelser

Metamaterialer kan redusere interferens på tvers av flere enheter med mindre og enklere skjerming. Selv om konvensjonelle absorbere kan være tre centimeter tykke, kan metamaterialer være i millimeterområdet - 2 mm (0,078 tommer) tykke.

Se også

Generelle referanser

Ziolkowski, RW; Lin, Chia-Ching; Nielsen, Jean A .; Tanielian, Minas H .; Holloway, Christopher L. (august - september 2009). "Design og eksperimentell verifisering av". IEEE -antenner og trådløse formeringsbrev . 8 : 989–993. Bibcode : 2009IAWPL ... 8..989Z . CiteSeerX  10.1.1.205.4814 . doi : 10.1109/LAWP.2009.2029708 . S2CID  7804333 .

Referanser

Eksterne linker