Metamaterialeantenne

Denne Z-antenne testet ved National Institute of Standards and Technology er mindre end en standardantenne med sammenlignelige egenskaber. Dens høje effektivitet fås fra "Z-elementet" i firkanten som virker som et metamateriale, hvilket hjælper med at udstråle radiobølger. Firkantens sider er hver 30 millimeter og frekvensen er 570,4MHz (bølgelængde i vakuum: ca. 526 mm).[1]

Metamaterialeantenner er en klasse af radioantenner, som anvender metamaterialer til at forbedre eller øge ydelsen af et antennesystem.[2][3] Anvendelsen af metamaterialer til at øge ydelsen af antenner har vundet stor interesse. Demonstrationer har vist at metamaterialer kan forbedre den udstrålede effekt af en antenne.[4] [5] Materialer som kan give negativ magnetisk permeabilitet kan f.eks. tilbyde egenskaber såsom små antenner på brøkdele af en bølgelængde, høj retningsbestemthed – og afstembar arbejdsfrekvens, inklusiv et system af antenner. Ydermere har metamateriale baserede antenner demonstreret forbedret effektivitet-båndbredde ydelse.[4]

Metamaterialer er fremstillede materialer som udviser egenskaber, der indtil videre ikke er fundet i naturen. En betydende forbedring i antenneydelse er blevet forudsagt for en klasse af metamaterialer som udviser en negativ elektrisk permittivitet, (ENG), en negativ magnetisk permeabilitet (MNG) – eller begge (ENG/MNG). Se: epsilon-negative (ENG) og mu-negative (MNG). [6][7]

Antenner som anvender metamaterialer, tilbyder at overskride de hidtidige restriktive effektivitet-båndbredde begrænsninger, som de konventionelle konstruerede, små antenner på brøkdele af en bølgelængde har. Metamateriale antenner, hvis succesfulde, ville kunne tillade små antenneelementer på brøkdele af en bølgelængde, som kan spænde over en stor båndbredde, hvilket vil tillade mere effektiv pladsudnyttelse på små platforme eller rum.[6]

Metamaterialer anvendt i stelplanet, som omgiver antenner, tilbyder øget isolation mellem radiofrekvenser eller mikrobølge antennernes tilgangsporte ved (multiple-input multiple-output) (MIMO) antennesystemer. Metamateriale høj-impedans stelplan kan også anvendes til at øge antennens udstrålingseffektivitet og til at lave retningsbestemte udstråling anvendt i f.eks. overvågningssensorer, kommunikationsforbindelser, navigationsystemer, command og control systemer.[6]

Andre kombinationer af metamaterialer med henblik på antenner, er ved at blive udforsket.[7] Enten bliver dobbelt negativt metamateriale elementer anvendt alene eller kombinationer af dobbel positiv (DPS) med DNG elementer, eller epsilon-negative (ENG) elementer med mu-negative (MNG) stykker i delsystemer. Antenne delsystemer som i øjeblikket bliver udforsket, er hulrumsresonatorer, bølgeledere, bølgespredning og antenner.[7] Ydermere er metamateriale antenner allerede (2009) kommercielt tilgængelige.[8][9]

Negativ refraktion af metamaterialeantenner

Sir John Pendry et al. var i stand til at få en 3D-system af krydsende, tynde ledere kunne anvendes til at skabe negative permittivitet ε, og at en periodisk række af ulukkede ringresonatorer kunne udvise en effektiv negativ magnetisk permeabilitet μ.

I maj 2000, var gruppen af forskere, Smith et al. de første til succesfuldt at sammensætte split-ring resonatorer, ofte benævnt som SRR, med tynde elektriske ledere som opførte sig som venstrehåndet materiale og som havde negative værdier af ε og μ for frekvenser i gigahertz- eller mikrobølge-området.[7][10]

I 2002 blev en anden klasse af negativt refraktivt indeks (NRI) metamaterialer introduceret. NRI anvender en periodisk reaktiv belastning af en 2-D transmissionslinie som dets værts medium. Denne konfiguration anvendte faktisk positivt indeks materiale med negativt indeks materiale. Konfigurationen anvendte en lille, flad, negativ-refraktiv-linse forbundet med en positiv indeks, parallel-plade bølgeleder. Dette blev eksperimentelt eftervist kort efter i en efterfølgende demonstration.[11][12]

Selvom nogle ineffektiviteter med split-ring resonanser blev erklæret under og efter introduktionen af denne kombinerede negativt og positivt indeks materiale, bliver split-ring resonatorer stadig anvendt fra 2009 til forskning. SRR har været involveret i en bred vifte af metamateriale forskning, inklusiv forskning af metamateriale antenner.[4][11][12]

En nyere synsvinkel, er at man ved at anvende SRR som typiske metamateriale byggeblokke, kan få fleksible design med gode elektriske egenskaber.[13]

Se også

  • Akustisk metamateriale
  • Metamateriale absorber
  • Ikke-lineart metamateriale
  • Fotonisk metamateriale
  • Fotonisk krystal
  • Seismisk metamateriale

Kilder/referencer

  1. ^ researchgate.net: Ziolkowski, R.W. & Jin, Peng & Nielsen, J.A. & Tanielian, M.H. & Holloway, Christopher. (2009). Experimental Verification of Z Antennas at UHF Frequencies. Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE. 8. 1329 - 1333. 10.1109/LAWP.2009.2038180
  2. ^ Enoch, Stefan; Tayeb, G; Sabouroux, P; Guérin, N; Vincent, P (2002-11-04). "A Metamaterial for Directive Emission" (PDF). Phys. Rev. Lett. 89 (21): 213902. doi:10.1103/PhysRevLett.89.213902. PMID 12443413. Arkiveret fra originalen den 10. maj 2019. Hentet 2009-09-16.{{cite journal}}: CS1-vedligeholdelse: Uegnet url (link),
  3. ^ Omar F., Siddiqui; Mo Mojahedi, George V. Eleftheriades (2003-10-14). "Periodically LTL With Effective NRI and Negative Group Velocity". IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Univ. of Toronto, Ont., Canada: IEEE. 51 part 1 (10): 2619-2625. doi:10.1109/TAP.2003.817556.
  4. ^ a b c Kamil, Boratay Alici; Ekmel Özbay (2007-03-22). "Radiation properties of a split ring resonator and monopole composite" (PDF). Phys. Stat. Sol. (b). 244 (4): 1192-1196. doi:10.1002/pssb.200674505. Arkiveret fra originalen den 3. marts 2016. Hentet 2009-09-17.{{cite journal}}: CS1-vedligeholdelse: Uegnet url (link), Citat: "...The application of metamaterials to increase antenna performance is of great interest. It was shown that introducing metamaterials could enhance the radiated power of the antenna [8]. Moreover, negative magnetic permeability materials are a candidate for obtaining properties such as an electrically small antenna size [9–14], high directivity [15, 16], and tunable operational frequency [13, 17]..."
  5. ^ Wu, B.-I.; W. Wang, J. Pacheco, X. Chen, T. Grzegorczyk and J. A. Kong (2005). "A Study of Using Metamaterials as Antenna Substrate to Ehance Gain" (PDF). Progress in Electromagnetics Research. MIT,Cambridge,MA,USA: EMW Publishing. 51: 295–328 (34 pages). doi:10.2528/PIER04070701. Arkiveret fra originalen den 3. juli 2010. Hentet 2009-09-21.{{cite journal}}: CS1-vedligeholdelse: BOT: original-url status ukendt (link) CS1-vedligeholdelse: Flere navne: authors list (link)
  6. ^ a b c Bukva, Ms. Erica; Navy-Unmanned Combat Air Systems (N-UCAS) (20. august 2007 - September 19, 2007). "Metamaterial-Based Electrically Small Antenna". Acquistion Program: Advanced Development Prgm Office for N-UCAS. Navy SBIR 2007.3 - Topic N07-184. Arkiveret fra originalen den 14. juli 2011. Hentet 2010-03-19. {{cite web}}: Tjek datoværdier i: |date= (hjælp)CS1-vedligeholdelse: Uegnet url (link),
  7. ^ a b c d Engheta, Nader; Richard W. Ziolkowski (2006-06). Metamaterials: physics and engineering explorations. Wiley & Sons. s. 43-85. ISBN 9780471761020. {{cite book}}: Tjek datoværdier i: |date= (hjælp)
  8. ^ "NETGEAR Ships 'The Ultimate Networking Machine' for Gamers, Media Enthusiasts and Small Businesses". technogog.com. Arkiveret fra originalen den 5. januar 2020.{{cite news}}: CS1-vedligeholdelse: Uegnet url (link),
  9. ^ Hurst, Brian (2009-09-28). "RAYSPAN Ships 20 Millionth Metamaterial Antenna". Reuters. Arkiveret fra originalen den 9. januar 2010. Hentet 2009-10-20.{{cite news}}: CS1-vedligeholdelse: BOT: original-url status ukendt (link)
  10. ^ Shelby, R. A.; Smith D.R; Shultz S. (2001). "Experimental Verification of a Negative Index of Refraction". Science. 292 (5514): 77. doi:10.1126/science.1058847. PMID 11292865.{{cite journal}}: CS1-vedligeholdelse: Flere navne: authors list (link)
  11. ^ a b Iyer, Ashwin K.; George V. Eleftheriades (2002-06-07). "Negative Refractive Index Metamaterials Supporting 2-D Waves" (PDF). IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. 2: 1067. doi:10.1109/MWSYM.2002.1011823. Arkiveret fra originalen den 9. august 2017. Hentet 2009-11-08.{{cite journal}}: CS1-vedligeholdelse: Uegnet url (link),
  12. ^ a b Iyer, Ashwin K.; Kremer, Peter; Eleftheriades, George (2003-04-07). "Experimental and theoretical verification of focusing in a large, periodically loaded transmission line negative refractive index metamaterial" (PDF). Optics Express. 11 (07): 696. doi:10.1364/OE.11.000696. Arkiveret fra originalen den 31. marts 2016. Hentet 2009-11-08.{{cite journal}}: CS1-vedligeholdelse: Uegnet url (link),
  13. ^ Chen, Hou-Tong; Palit, Sabarni; Tyler, Talmage; Bingham, Christopher M.; Zide, Joshua M. O.; O’hara, John F.; Smith, David R.; Gossard, Arthur C.; Averitt, Richard D.; et al. (2008-09-04). "Hybrid metamaterials enable fast electrical modulation of freely propagating terahertz waves" (PDF). Applied Physics Letters. 93: 091117 (2008). doi:10.1063/1.2978071. Arkiveret fra originalen den 5. juni 2011. Hentet 2009-11-12. {{cite journal}}: Eksplicit brug af et al. i: |first= (hjælp)CS1-vedligeholdelse: BOT: original-url status ukendt (link)

Eksterne henvisninger

Medier brugt på denne side

Z Antennas at UHF Frequencies.jpg
---Metamaterial Antennas ---- This Z antenna tested at the National Institute of Standards and Technology is smaller than a standard antenna with comparable properties. Its high efficiency is derived from the "Z element" inside the square that acts as a metamaterial, greatly boosting the signal sent over the air. The square is 30 millimeters on a side.