Bal Virdee介绍
超材料是工程的人工合成的复合材料表现出特定的电磁响应不是发现在自然材料(维基百科,1997)。事实上,周期性结构中常用的实现超材料显示负的介电常数和磁导率,和零折射率(Lapine不在,2007;Sihvola 2007)。这些特征属性的超材料是由他们组成部分的安排。组件构成超材料通常称为硬邦邦或metamolecules,可以定期安排在一个,两个或三个维度。这些组件的电磁耦合可以引出和修改材料属性。
负折射和双负材料的原始概念是1945年首次创造了曼德尔斯塔姆和Veselage (曼德尔斯塔姆,1945)和1967年(Veselago 1968),分别。负折射的可行性在2000年首次用实验验证了史密斯和彭迪(彭迪et al ., 1999;谢尔比et al ., 2001)。尽管在这个领域已经取得了很大的进步在新世纪(帕迪拉et al ., 2006;Lapine不在,2007;Sihvola 2007;Zheludev 2010;Caloz 2011;McPhedran et al ., 2011;Zheludev和Kivshar, 2012年),一个独特的、清晰和准确的定义一般概念“超材料”仍然是一个有争议的问题。然而,有几个公认的功能材料,最重要的是它要求预成型件的尺寸,因此超材料的周期性,比操作波长小得多。这将确保得到一个准均匀材料(Lapine不在,2007;Sihvola 2007)。这是一个明显区别与其他周期性结构,例如,图晶体散射数组、电磁能带拓扑、频率选择表面等。
天线的一个关键组件,使无线通信成为可能。天线的作用是界面的无线电系统的外部环境。无线通信系统需要在发射机和接收机天线正常运转。超材料的概念已被广泛应用于设计的微波,毫米波太赫兹设备和天线。快速发展的灵活的移动设备如手机、笔记本电脑、可穿戴设备,等等,天线与不同可协调的功能,基于可变结构,为下一代无线通信系统的需求。
超材料的应用在过去的十年中取得了伟大的科学和工程领域的成功。变量超材料设计从无线电频率光的频率,和不同的功能已经实现,例如,负折射率新名词,各向异性和bianisotropy (Lapine不在,2007;Sihvola 2007)。作为一个跨学科主题,超材料可以根据不同的标准分为不同的类别。从工作频率的角度来看,他们可以分为微波超材料,太赫兹超材料,光子材料。从空间布置的角度来看,有1 d超材料,2 d超材料,和3 d超材料。从材料的角度来看,有金属和电介质材料。
最重要的一个应用程序的超材料天线设计。由于超材料的不同寻常的特性,我们可以实现天线无法意识到小说特色与传统材料。在随后的章节中,几种类型的超材料天线将简要回顾。
电小天线
电小天线(ESA)是高度期望的无线应用程序,因为它们可以很容易地与设备在不影响系统集成形式因素。性能的天线的带宽,增益等非常关键,是由基本规模限制,即。朱棣文的限制(楚,1948)。尽管现代集成电路技术可以使小型化电子电路规模很小,在传统的设计中,天线的性能与它的物理尺寸。天线通常有维度的顺序操作波长。因此,这个集边界大小的整个无线系统(加戈et al ., 2001;黄2002;Kumar和雷,2003年;Balanis 2012)。这个问题使超材料研究的一个热门话题电小天线的发展。这是一个机会使用零折射率材料(ZIM)中作为其操作在设计频率波长是无限的。自ZIM天线的波数是零,从理论上讲,这种天线的物理尺寸可以独立于其工作频率(Sanada et al ., 2003;赖et al ., 2004;Sanada et al ., 2004;2014年严和安妮•凡登布希)。
多波段天线
移动通信系统需要支持多个通信标准,例如,5克、蓝牙、无线、NFC等。为了节省空间需要有一个天线,可以同时容纳这些标准。多波段天线通常与不同的共振结构设计。这种方法的缺点是产生的大尺寸天线,由最低工作频率(Herraiz-Martinez et al ., 2008;王et al ., 2010)。因为超材料结构可以支持正面和负面的模式以及一个零阶模式,可以利用这个性质来实现单一天线运行在多个乐队和微型引导。
天线镜头和偏振器
方向性并获得与介质透镜天线可以提高。这种方法唯一的缺点是成本过高的3 d眼镜。此外,镜头的位置需要精心挑选与天线相位中心的关系。镜头的高成本可以抵消使用一个2 d超材料制成的透镜,这可以很容易地结合平面天线结构,减少天线系统的概要和大小(吴et al ., 2007;Grbic et al ., 2011)。
偏振镜是通用组件用于不同的应用程序包括天线、成像,显示和显微镜。基于手性介质的偏振器是用来将一个线性极化波转换成圆极化波,和到目前为止提出了各种偏振转换器(Hosseininnejad et al ., 2012;朱et al ., 2013;朱et al ., 2014)。在无线通信收发两用机使用线性偏振电磁波时校准是必要的。然而,在现实中极化传播信号的经验会改变由于电离层的反射和法拉第旋转。不结盟运动在极化将导致信号衰减。这个问题可以被利用圆偏振电磁波(克劳斯和Marhefka, 2003)。
传统方法制作偏振转换器是利用光学光栅,各向异性媒体,Brewester和法拉第效应(吴et al ., 2013;金正日et al ., 2012 a;Almpanis et al ., 2017)。偏振转换器使用metasurfaces开发有可伸缩的几何图形的优势相比传统的偏振转换器,有进一步改善的范围(郝et al ., 2007;Kaouach et al ., 2011;王et al ., 2013;Tamayama et al ., 2014;李et al ., 2015)。
其他类型的基于超材料天线
其他的例子基于超材料包括漏波天线的辐射结构(Caloz和伊藤,2004;阮et al ., 2007;Caloz et al ., 2008;Losito et al ., 2011)、磁性电介质微带天线(Ikonen et al ., 2006;Mosallaei Sarabandi, 2007),超宽带(UWB)天线与切口乐队(Zhang et al ., 2008;金正日et al ., 2012 b)等。所有这些设计表现出更好的性能比相应的常规设计。
未来的挑战
电小天线
电小天线要小维度与操作波长。然而,ESA的设计挑战由于其局限性,这就需要妥协天线尺寸和性能之间的带宽和辐射效率。虽然超材料已被证明是有效地降低辐射元素的大小通过使零级模式,主要挑战保持不变。例如,超材料的窄带特性直接影响小元谐振器天线的带宽。到目前为止大部分的设计都只关注减少天线的大小通过利用超材料细胞的亚波长共振,然而未达最佳标准的天线的整体性能。特别是,超材料单元之间的交互和其他天线不认为虽然这种交互确定天线的性能是至关重要的。
尽管ESA设计基于超材料相对简单,但实现整体性能优良等其他因素需要考虑进给机构,超材料结构单元的位置细胞,天线住房,等等。此外,理论公式提供一个洞察等天线是重要关键的描述参数以及提供设计指导方针。很明显从最近的文学领域还没有成熟,虽然有一些伟大的超材料天线的例子,科学的了解是有限的工作原理和设计主要依靠电磁模拟。加快ESA的设计理想的性能特征背后所需要的是准确的制定理论超材料天线。更具体地说,我们需要增加带宽和技术改善esa的辐射效率。小,节能和宽带天线将是下一代无线通信系统的重要组件。
天线增益
天线的增益是受到其孔径大小和效率的影响。最近技术提出改善获得包括接近零折射率(NZRI) superstrates和人工磁导体(AMC)的表面。这是因为NZRI superstrates可以专注的电磁能量,和AMC就像反射表面。超材料激发了梯度折射率(GRIN)镜头也可以提高收益,这是在一个宽的带宽(Thippeswamy et al ., 2021)。获得这些技术的改善主要是由于增加孔径大小。此外,NZRI和AMC的表面更容易制造和低于金属反射镜,需要极端的表面平滑度更高的频率。
增益增强技术基于NRZI和AMC superstrates只适用于固定梁天线因为这些superstrates辐射能量集中在一个特定的方向。然而,调查要做集成superstrates与梁可操纵的天线。并发的可行性得到增强和光束控制真正有可能当超材料可以动态配置,适应实时接收环境的变化。
GRIN透镜集成光束可操纵的天线实现光束控制通过机械手段或辐射元素之间切换定位在不同的方向。这是一种麻烦的方法,因此需要一个动态的解决方案可以电子控制和敏捷。不幸的是,GRIN镜头各种低调各种应用程序是不相容的。
整个电信行业约占全球碳排放量的1.4%。相比之下,航空工业制造了全球2%的碳排放量。显然需要根本性变革在无线通信实现零碳排放。波束形成是5克和超出系统的关键技术,降低碳排放量聚焦无线信号对一个特定的接收设备,而不是传输信号在各个方向。直接连接导致更快的,高质量的,和更可靠的通讯连接要比没有波束形成。达到进一步改善系统性能,从而减少温室气体排放需要增加梁的梁增益和辐射效率可操纵的数组。这需要进一步研究自适应NRZI AMC metasurfaces和低调的超材料GRIN镜头。
天线隔离
5 g无线系统中大量的使用多输入多multiple-out (MIMO)是至关重要的增加电池容量和下载数据的用户设备。这是与多个天线实现共存于同一平台和操作在同一频带。然而,大规模的分布式天线的性能可以被辐射元素之间的相互耦合相互作用构成天线阵列。不必要的耦合的抑制阵列基于超材料分离技术已经被证明是非常有效的(Zhang et al ., 2019)。这是通过插入超材料相邻单元之间的解耦。使用超材料的好处是,它提供了一个低调的解决方案,在大多数情况下,数组的大小没有影响。空间允许它在某些情况下可以改进现有的天线阵列。
超材料的主要缺点启发解耦技术迄今报告文学是窄带的限制。对现有和新一代的无线通信系统运营多个乐队使窄带超材料分离一个无效的解决方案。互耦隔离-20分贝MIMO系统中是可以接受的。同样,在连续波或FMCW雷达系统的性能依赖于发射机和接收机之间的隔离。在雷达、隔离干扰免疫所需比100分贝。明显脱钩宽带是一个挑战,一个低调的超材料分离是高度优先使用导电屏蔽。因此调查所需的新型超材料技术的发展,可以为应用程序提供隔离在一个宽带多波段无线系统。
频率变化
一个关键参数,频率会影响天线的性能。天线设计一个特定频率的,因此其性能是有效的在一个集中在其共振频率的频率范围。然而,由于天线的其他属性(例如,辐射方向图和阻抗)改变频率,其共振频率可能只是接近这些其他属性的中心频率。因此,需要研究一种基于超材料设计技术,最大限度地减少这样的频率变化。
无线电力传输
无线电力传输的必要性(WPT)电动汽车(EV)增长的需求(Zhang et al ., 2018)。然而,当前WPT技术目前存在的技术瓶颈,如低能耗效率,短的传输范围和电磁暴露等。超材料表现出巨大潜力集中的磁通密度,增强的电磁场通过左撇子的特点。一个全新的研究领域是新兴结合WPT和超材料技术来提高无线电力传输。
结论
未来无线技术的发展需要新一代的天线子系统高效和能够同时支持多个函数的传输和接收射频信号频带宽。减少天线尺寸已成为无线通信系统的小型化的一个关键因素。学术界和产业界的研究人员所面临的挑战是开发创新的解决方案利用小说特征表现出由2 d和3 d超材料。尤其是天线和天线的重要性,利用超材料的独特性质是明显的在文学。这里讨论的是需要电小天线,天线增益,和隔离增强基于超材料的原则。它也指出,无线电力传输技术将超材料可以提供一个增强的传输性能。随着电动汽车无线充电技术的应用,研究基于超材料的WPT无疑是必要的。很明显,超材料启发天线提供了令人兴奋的新机会对现有和未来的无线通信和雷达系统。小说超材料的属性成为可能建立新的设计方法是不可用的。然而,最近文献的审查表明,许多设计挑战尚未解决。 The challenges discussed here should inspire researchers to make their mark by developing innovative metamaterial antennas for a wide range of applications.
作者的贡献
作者证实了这项工作的唯一贡献者和已批准出版。
的利益冲突
作者说,这项研究是在没有进行任何商业或金融关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
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关键词:超材料天线电小天线,多波段天线,天线镜头,天线极化,无线电力传输
引用:Virdee B超材料天线(2022)重大挑战。前面。天线Propag。1:1032205。doi: 10.3389 / fanpr.2022.1032205
收到:2022年8月30日;接受:2022年10月25日;
发表:2022年11月11日。
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