Kisméretű antennák tulajdonságainak javítása metaanyagok segítségével
Napjaink mobil kommunikációs hálózatai (5G – 6G) és a mesterséges intelligencia rohamos fejlődésével elengedhetetlen a kis méretű, nyomtatott antennák (pl. patch antenna, invertált-F antenna) alkalmazása ezekben a rendszerekben. Az ilyen antennák egyik felhasználási területe az antenna rácsokban való alkalmazásuk, amely többek között iránymérési feladatokat lát el. Iránymérésre számos területen van szükség, mint például a radar rendszerekben, mobil hálózatokban, beltéri helymeghatározásban vagy navigációban. Az ilyen alkalmazásokban fontos követelmény a kis méret elérése. Dolgozatomban különböző metaanyagokat és azok alkalmazhatóságát vizsgálom meg az antennák környezetében a méretcsökkentés érdekében. A szimulációkat a CST Studio Suite nevű szoftverrel végzem. Munkám során a 2,4GHz-es frekvenciára az iparban tipikusan alkalmazott 40mm×40mm-es méretű FR4 hordozót választottam.
A metaanyagok olyan mesterséges anyagok, melyek homogén, fém struktúrákból állnak. Az ilyen homogén struktúrát elemi cellának ("atomnak") nevezik, melynek a hullámhossz negyedénél kisebbnek kell lennie. Ezek a struktúrák lehetnek szimmetrikusak, aszimmetrikusak, izotrópok vagy anizotrópok. A speciális elektromágneses tulajdonság elérése érdekében az elemi cellák lehetnek rendezett vagy rendezetlen szerkezetben.
Dolgozatomban többek között megvizsgálom az ún. mushroom (gomba) szerkezetű metaanyagot is. Ez egy ún. nagyimpedanciás felület, amely egy szigetelő rétegre nyomtatott vékony fém rácsból és egy fémes föld felületből áll. A két réteg között fémmel bevont furatok (viák) teremtik meg a kapcsolatot, melyeknek köszönhetően egy összefüggő fémes struktúrát kapunk. A rácsot kis méretű elemi patch-ek alkotják. A beérkező elektromágneses hullám felületi hullámként terjed tovább a felületen, ezért az anyagot a felületi impedanciájával lehet jellemezni. Ez a felület modellezhető egy párhuzamos LC rezgőkörként. A rezonancia frekvencia alatt a felület induktív és TM módusú felületi hullámot szállít, míg a rezonancia frekvencia felett a felület kapacitív és TE módusú felületi hullámot szállít. A rezonancia frekvencia környezetében, az ún. band gap frekvenciasávban (a záró sávban) a felület impedanciája sokkal nagyobb, mint a szabad tér hullámimpedanciája, és semmilyen felületi hullámot nem szállít. Ezért az ilyen felületeket EBG (Electromagnetic Band Gap) felületeknek is szokás nevezni. Ezt a felületet a nyomtatott antenna alatti rétegbe helyezve, a band gap frekvenciasávban nem fognak felületi hullámok terjedni, így növelve ezzel az antenna hatásfokát. Továbbá, amennyiben a metaanyag rezonancia frekvenciája az antenna rezonancia frekvenciája felé van hangolva, akkor csökkenthető az antenna mérete is, így érve el a kitűzött célt.
szerző
-
Iványi László Máté
Villamosmérnöki szak, mesterképzés
mesterképzés (MA/MSc)
konzulensek
-
Dr. Berceli Tibor
Professor Emeritus, Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék -
Dr. Zólomy Attila
egy. docens, Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék -
Süle Ádám
Senior Hardware Mérnök, Silicon Laboratories Hungary Kft. (külső)
