השימוש של Metamaterials כדי לשפר את ביצועיאנטנה ו-Miniaturization

מבוא: הנדסה בלתי נראית

במשך עשרות שנים, עיצוב אנטנה נשלט על ידי מעצמה פיזית בסיסית: הגודל של מתווך יעיל חייב להיות חלק משמעותי של אורך הגל התפעולי.מערכת יחסים זו, מושרשת באלקטרומגנטים הקלאסיים, אילצה מהנדסים לבחור בין ביצועים וקומפקטיות. עם זאת, מחלקה חדשה של חומרים מהונדסים - metamaterials - היא כתיבת הכללים האלה.

מה הם מטא-חומרים? A Deep Dive into Engineersed Electroמגנטs

חומרים מטבוליים הם חומרים מובנים מלאכותיים שנועדו להציג תכונות אלקטרומגנטיות לא נמצאו בטבע.בניגוד לחומרים קונבנציונליים שנכסים רבים שלהם נובעים ממרכיבים אטומיים או מולקולריים שלהם, המטריאליזם נובע התנהגותם מהגאומטריה והסידור של אבני בניין תת הגל שלהם - לעתים קרובות נקראות "meta-atoms" תאים אלה מעוצבים בקנה מידה קטן בהרבה מאשר גל של עניין, ומאפשרים אינטראקציה עם מקרים של קרינה נראה כמודל-מפוסקתיים.

מדד רפלקטיבי שלילי והשמאל-המנדג

אולי הנכס המטריאליסטי המפורסם ביותר הוא מדד רפלקטיבי שלילי.בחומרים טבעיים, מדד השבירה הוא חיובי: שרביטי אור לעבר הנורמלי בעת כניסה למדכאים נוספים.ב metamaterial שלילי (NIM), הן את הנימוסיות ε ו- permeability μ הם שליליים בו זמנית, מה שמוביל לאינדקס שלילי.זה גורם ל"חזרה" - אפקט ניסיוני רק לדגימה, שהיה קודם לכן, בדגימה שלילית, ב-Ricial, כמו גם ב-Ricial, ב-Ricial, ב-Ricial, שפותחה, ב-Ricial, ב-Ricial, ב-Ricial, ב-Ricial, ב-Ricial, ב-Ricial, ב-Ricial, ב-Ricial Printin-Ricial, ב-Ricial, שפותחהדגימה, ב-Rine-R.

• (ב) [13]:0) ,Backward-wave propagationFLT:1 , מהירות קבוצתית מול מהירות שלב, המאפשרת פיצוי שלב עבור מחזרי אורכי משנה.
• (ב) ⁇ :0) שינוי דופלר מחלף 1:1 - מקור נע נראה לתדרים משמרים בכיוון ההפוך של הפיזיקה הקונבנציונלית.
• (ב) ,0) סופרנושינג'ר (SuperlensingFLT:1) - היכולת להתמקד בגלים מעבר למגבלה של דיפרציה, קריטית עבור הפיכה אנטנה כמעט שדה.

תכונות אלה אינן רק משככי; הן מהוות את הבסיס לשיפורים דרמטיים ברווח האנטנה, רוחב פס והפחתה בגודל.

סוגים של Metamaterials ⁇ to Antenna Design

מהנדסיאנטנה עובדים עם מספר כיתות נפרדות של חומרים מטבוליים, כל אחד מציע תשובות אלקטרומגנטיות ייחודיות:

• (הופנה מהדף ⁇ :0) ⁇ (DNG) חומרים: FLT:1 הן ε ו- μ שלילי.
• חומרים (ENG) ⁇ :0 (Epsilon-negative) חומרים: FLT:1 הרשאות שליליות רק, לעתים קרובות הבין עם מערךים זעירים-חוטיים.
• חומרים שליליים (MNG): ⁇ FLT:1 בלבד, הבינו עם resonators מפוצל (SRRs).
• (ב) ⁇ :0) ⁇ -I-anisotropics:cioFLT:1 ,צלב בין שדות חשמליים מגנטיים, המציע שליטה על קיטוב ו chirality.
• (ב) מהדורות של [[המאה ה-1]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]

כל סוג יכול להיות מותאם באמצעות גיאומטריה, מחזוריות, ובחירת substrate כדי להשיג תשובות אלקטרומגנטיות ספציפיות על פני מיקרוגל, מילימטר גלי, ואפילו תדרים גלויים.

Enhancing Antenna Performance with Metamaterials

שיפור ביצועים אינו רק יתרון צדדי - זה לעתים קרובות הנהג העיקרי עבור שילוב מטא-חומרים לתוך מערכות אנטנה.אנטנות אמנה להתמודד עם שינויים בסיסיים בין רווח, רוחב פס, יעילות וגודל (הנקרא "Chu-Harrington Limit"). מטאחומרים מספקים מנגנונים לעקוף חלקית את הגבולות האלה על ידי עיצוב הסביבה האלקטרומגנטית סביב האנטנה.

קבל ובימוי

על ידי טעינה אנטנה עם עדשות מטבוליות או סופר סטראט, מהנדסים יכולים להתנגש באנרגיה קורנת לתוך קרן צר יותר, מוליכות מוגברת ללא הרחבת הצמצם. A יישום משותף הוא FLT:0metamaterial Fabry-Pérotity FLT 1, שבו metavate רפלקטיבי ממוקם מעל אנטנה תוכנית יוצר השתקפות פנימית מרובים, ביעילות קרינת 9B2 היה רק שיפור סטנדרטית על פני שטח.

טכניקה נוספת משתמשת ב-FLT:0 (אפס-index או epsilon-near-near-zero (ENZ) metamaterialsFLT:1 כדי לכפות גלים אלקטרומגנטיים כדי לקרינה על פני שטח גדול, לייצר קרן הנחיה גבוהה מאוד.גישה זו היא בעלת ערך במיוחד עבור מערךים מגובשים, שבו שגיאות שלב על פני אלמנטים יכול de beamforming ביצועים.

שיפור ב Bandwidth Enhancement

אנאנטנות פסים צרות - כגון resonators תיקון - לעתים קרובות סובלים רוחב פס של רק כמה אחוזים. Metamaterials יכול להפחית את זה על ידי הצגת מצבי חידוש נוספים המתמזגים עם מצב היסוד, יצירת להקה הפעלה רחבה יותר (FLT:0Complementary מפוצלת פיצול-מפרקים (RRs)FLT:1 נדח לתוך הקרקע של microstrips, אשר דווח על ידי אנטים מ- 40% מ-מונים.

יתר על כן, קווי שידור חומרניים (FLT:0 ;0) של קווי שידור חומרי העברה של אנטנות הפועלים על פני מספר להקות תדרים בו זמנית. כי מבני CRLH תומכים הן קדימה והן לאחור גל propagation, הם יכולים לייצר תנאי התחדשות המכסים תדרים נפרדים נרחבים מאותו קצב פיזי.

חידוש הדדי בArrays

במערך האנטנה, אלמנטים מעוקלים מאוד סובלים מהפיכה הדדית חזקה, אשר מדגימה דפוס, סריקות אימפולס, וטוהר קוטביזציה.מטחומר אלקטרומגנטי מבני פיזור (EBG) כאשר ממוקמים בין אלמנטים, דיכוי גלי פני השטח ושכנים דה-קופל.FLT:0 SPlit-ring ResonatorsFLT:1 מוכנס בין כתמים הראו הפיכה מסיבית של 10B-Flements קריטי עבור מערכות דיגיטות.

שיפור יעילות התאמת ו- Polarization Purity

מטאחומרים יכולים לשמש גם כמתניפי אימפולסים מאוישים (AfLT:0metamaterial Classd-index (GRIN) עדשהFLT:1 שהוצבו לפני הזנה חלקה מעבר הגל של מקור ריכוז גבוה לסרב גבוה למרחב חופשי, צמצום ההשתקפות והגברת כוח.

מיניטוריזציה של אנטנות: שוברים את הגודל - גדר ההפרדה באורך הגל

אולי השימוש המשכנע ביותר של metamaterials הוא מיניטורציה אנטנה.גבול צ'ו-ההרינגטון קובע כי מוצר רווח-פסווידנטי כבול בגודל החשמלי שלו.כדי לכווץ אנטנה תוך שמירה על ביצועים מקובלים, שיטות קונבנציונליות (טעינה פולית, מלנדר) להגיע להפחתה של החזרים.מטחומרים מציעים דרך לרמות את הגבול הזה על ידי יצירת מבנים רסן להתנהג הרבה יותר מאשר גודלם הפיזי.

מבנה התחדשות

בלב של מיניטורציה מטבולית היא היכולת לאחסן אנרגיה אלקטרומגנטית יותר צפופה. A (FLT:0)split-ring resonator (SRR)FLT:1, למשל, מתנהג כמו מעגל LC אשר תדירות resonant יכול להיות נמוך מאוד עבור הממדים הפיזיים שלה על ידי הנדסה גבוהה של יכולת עצמית וטיפוח עצמי באמצעות הטבעת באמצעות הגיאומטריה יעילה של 2.

טכניקה קשורה (FLT:0) מיחזורים מפוצלים (CSRRs) irFLT:1 נדחה לתוך מטוס קרקע.כאשר מתרגש על ידי קו microstrip, CSRRs לייצר מותרות יעילה שלילית, תמיכה מצבי ההרחבה של תת-גלכימות.אנטנס המבוססים על קווי שידור מומסים של CSRR יכול להשיג גדלים חשמליים קטנים כמו λ0 תוך שמירה על רוחב פס שימושי.

אפריילון-נאאר (ENZ) ומו-נאאר-זארו (MNZ) מתקרב

חומרים עם אישורי אפס ליד (ENZ) או Permeability (MNZ) מאפשרים גלים למנהרה דרך ערוצים באורך גלים ללא מגבלות המחמירות הרגילות.בעיצוב האנטנה, שכבת ENZ יכולה להיות ממוקמת בין האכלה לבין אלמנט קורנ, להגדיל באופן דרמטי את המהירות האפקטיבי בתוך הערוץ.שלב זה מאפשר תגמולים חוזרים הרבה יותר קצר מאשר חצי אורכי.

Metamaterial-Inspired Compact Antennas

בעוד המטריאליזם האמיתי דורש מגוון תקופתי של meta-atoms, אנאנטות קומפקטיות מעשיות רבות להשתמש במבנים "מחומריים מעוררים השראה" - אלמנטים בודדים או מעטים של resonant המחקה אפקטים metamaterial כוללים:

• (FLT:0) משטחים דמויי EBG, אשר שימשו כמטוס קרקע עבור מונופולטים פרופיל נמוך, הפחתת גובה ל- λ/20.
• (ב) ויקרא י"א: ויקרא י"ד): "הראו את התנהגות שמאלית בכרכי אורכי משנה".
• כי הפונקציה כמו dipole מגנטי עם גודל < λ / 15.

עיצובים אלה קלים יותר למחיקתם של מערךים תקופתיים מלאים, אך עדיין מניבים הפחתה משמעותית בגודל.

מקרה מחקר: Wi-Fi Miniaturized Antenna for IoT Sensors

שקול מונופול טיפוסי 2.4 GHz, הדורש אורך גלי של כ-31 מ"מ על ידי טעינה המונופול עם SRR אחד מכוון ל-2.4 GHz, החוקרים יצרו אנטנה עם אורך פיזי הכולל של רק 7 מ"מ (λ0/18) תוך שמירה על רווח של 1.2 dBi ו 8% רוחב פס אימפולסיבי.

יישומים בתעשיות

ההתכנסות של ביצועים משופרים ומיניטוריזציה הופכת אנטנות מטא-חומריות אטרקטיביות למגוון רחב של מגזרים.

חמישית-הדור (G) ומעבר

תחנות בסיס 5G דורשות מערך MIMO מסיבי עם 64 עד 256 אלמנטים, הכל בתוך נפח קומפקטי.טכניקות metamaterial להפחית הפיכה הדדית ולהפגין beamforming על רכיב ספאקים של 0.3λ, המאפשר אריזה הדוקה יותר. אנטנות ציוד משתמש ליהנות מגרסאות זעירות שמתאימות בתוך סמארטפונים bezels מבלי להקריב את הביצועים של המגוון MIMO.

תקשורת אווירית ולוויינים

לווינים דורשים אנאנטנות קל משקל, גבוה-גאין עם נפח מינימלי של מטבוליות ואנטנות קרניים מכוסות הראו 40% ירידה המונית תוך שמירה על 30+ dBi רווח בקו / Ka להקות. עבור פלטפורמות אוויריות, כתמים metamaterialיים בהתאמה כי לעקוב משטחים מתפתלים לספק כיסוי חד-צדדי ללא גרור דינמי.

שתלים רפואיים ולבושים

שתלים ביו-רפואיים דורשים אנאנטנות הפועלות ב- 402-405 MHz MICS עדיין קטנות מספיק כדי להתאים בתוך שתל cochlear או קוצב. metamaterial-loaded אנטנות להשיג זאת עם שיעור ספיגה ספציפי (SAR) ערכים מתחת לגבולות רגולטוריים.לבוש מכשירים באמצעות מצע חלקיקים גמישים שמירה על ביצועים כאשר כפוף נגד הגוף האנושי, יתרון משמעותי על גבי בדים מסורתיים.

רכב רדאר ו-V2X

מודולים מכ"ם לרכב (24 GHz, 77 GHz) חייבים להתאים מאחורי הבליטות והלוגומים.מטב מבוסס גל חומרים ערכות ו עדשות metasurface מאפשרות אנטנה פרופיל שטוח עם beamwidths הצר המתאים לזיהוי לטווח ארוך.רכב אל הכל (V2X) מערכות להשתמש אנאנטנות מטא-חומריות משולבות בתוך דיור או גג.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה שלהם, אנטנה מטא-חומרית עדיין אינה תחליף לטיפה לכל העיצובים הקונבנציונליים.יש לטפל במספרים עבור אימוץ שוק המוני.

הפסדים בתדירות גבוהה

בתדרי מיקרוגל ובמיוחד בתדרי גלי מילימטר, מתכות טבעות מפוצלות וחוטים סובלים מהפסדים הומימיים. דיאלקטריים בשקעים נוספים להפחית את היעילות.עבור עיצובים מטבוליים רבים, ה- Q-factor זמין אינו מוגבל על ידי פיזיקה, אלא על ידי הפסדים של מנצח.

התנהגות נמר

רוב האלמנטים המטריאליסטיים של resonant הם צרים מטבעם - עובדה כי סכסוכים עם רוחב הפס הרחב הדרוש לתקשורת המודרנית. Broadband metamaterials דורשים מספר רב של חזרות חפיפות, אשר מגבירים מורכבות עיצוב ולעתים קרובות את הגודל הכולל. Active or Tuble meta-atoms (עם מתגי varactors או MEMS) יכולים להקל על זה אבל להציג צריכת חשמל ואמינות.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

הדפסה של תבניות תת-גל עם דיוק גבוה (מיקרומטר או דיוק תת-מיקרומטר) הוא achievable עבור תהליכים PCB אבל הופך לאתגר בתדרים גבוהים יותר שבו תכונות מתכווץ. unis in spaces או Ring רדיורי שינוי חוזר מתחדשים, צמצום התשואות.טכניקות ייצור מתקדמות כמו ליתוגרפיה לייזר 3D או הדפסה inkjet של דיוורטי הם מתעוררים אך עדיין יקר מדי עבור אלקטרוניקה גבוהה.

Anisotropy ו Angular Sרגישות

metamaterials רבים נועדו עבור קיטוב מסוים וזווית שכיחות. Off-angle או גלים חוצה קוטבים לראות תכונות שונות באופן דרסטי, להגביל את השימוש שלהם בתרחישים חד-צדדיים או קוטביזציה.חומרים Isotropic קשה להבין בתדרי מיקרוגל, אם כי מאמצים באמצעות 3Di של resonators מעוקב הם בדרך.

אינטגרציה עם Active Electronics

מחזרים מטא-חומריים הם לעתים קרובות רגישים אובייקטים מתכתיים סמוכים ועומסים דיאלקטריים, מה שהופך אינטגרציה עם מתגי RF, מגבר, ומסננים שיטות לא-טריוויאלי. Co-design כי טיפול ב metamaterial כחלק מרשת האנטנה להאכיל הם עדיין אזור מחקר פעיל.

כיוונים עתידיים: מה שקרים

ככל שטכניקות ייצור מתקדמות ומדע החומר מתקדם, המחסומים לאימוץ אנטנה מטא-חומרית נופלים בהדרגה.

ייצור תוספתי ו 3D הדפסה

הדפסה תלת מימדית מאפשרת metamaterials תלת-ממדיים מלאים עם גיאמטריה מורכבת בלתי אפשרי לייצר עם ליתוגרפיה Planar. Dielectric וחומרים התנהגותיים ניתן להדפיס במשותף כדי ליצור עדשות כיתה-index מבנים resonant באופן נפח. גישה זו מבטיחה אנאנטנות בצורת מותאם אישית עם ביצועים מותאמים לפלטפורמות ספציפיות.

מיפוי מחדש וחכם יותר

שילובים של אינסטלציה, PIN diodes, או אלמנטים טונה המבוססים על גרפן לתוך תאים יחידה מאפשר את התכונות האלקטרומגנטיות של metamaterial להיות שונה בזמן אמת. אנטנות metasurfaces חד-משמעי יכול לעבור בין רמות גבוהות של ג'נין ורחב כיסוי רחב טווח, להסתגל לתנאי ערוץ משתנים במהירות, ואפילו לבצע מספר עצום של מרחביים.

לא ליניארית ו-Metmable Metamaterials

מעבר מבנים פסיביים ליניאריים, metamaterials שאינם לינאריים המשלבים רכיבים פעילים (למשל, טרנזיס או photodiodes) יכולים לספק המרה תדירות, דור הרמוני, וסימן ערבוב בתוך האנטנה עצמה.חומרים "סבירים" כאלה יכולים לפשט ארכיטקטורות טרנסצנציות על ידי מיזוג אנטנה ותפקודי חזית RF.

המונחים: Quantum-Engineered Metamaterials

בגבול, אפקטים קוונטיים במטא-חומרים יכולים לאפשר אנטנה אולטרה-נמוכה על ידי שימוש במט-atom סופר-מוליכים או על ידי ניצול הפיכה של exciton-קוטב במבנה חלקיקים למחצה.למרות שעדיין קידוד עבור אנטנה מסחרית, גישות אלה מבטיח לדחוף יעילות ומיניון למגבלות בסיסיות.

מסקנה

המטריאליזם התפתחו מסקרנות מעבדה לתוך ערכת כלים מעשית עבור מהנדסי אנטנה.היכולת שלהם לספק אינדיקציות קירור שלילי, ליד אפס פרמטרים חוקתיים, ותגובות רזוני טווח subwave מאפשר שליטה חסרת תקדים על גלים אלקטרומגנטיים. המטרות התאום של ביצועים משופרים - רווח גבוה יותר, רוחב פס רחב יותר, הפיכה אלחוטית מוגברת - וקטנות דרסטית מובנות בטיפוסים עבור 5G, IoT, ואובדן מהיר, בעוד שעדיין הופך להיות בעל ביצועים גבוהים של חומר טבעי, כמו גם לאפקטיביים, תוך כדי שיפור רוחב פס רחב יותר, ואפקטיביים מתקדמים, כמו גם כן, כמו גם תכונות סטנדרטיות גבוהה של יעילות גבוהה של חומר טבעי, כמו גם תכונות מהירות גבוהה של יעילות גבוהה של עיצוב.

[השדה נע במהירות; מהנדסים וחוקרים מעודדים להישאר נוכחיים עם התפתחויות באמצעות ספרות עמיתים-reviewed.FLT:0A סקירה כללית על ידי Shalaev (2007) בטבע PhotonicsphFLT:1 מספק רקע מצוין, בעוד לאחרונה IEEE עסקאות על אנאנטנות גליות ו-Proagation בעיות תכונה באופן קבוע עיצובים מטאפורים מעשיים, FLT2Engheuls 5: NZFir 5G נשאר קבוע לתארים.