メタマテリアルアンテナ

メタマテリアルアンテナは、メタマテリアルを使用して小型（電気的に小さい）アンテナシステムの性能を向上させるアンテナの一種です。^[1]あらゆる電磁アンテナと同様に、その目的はエネルギーを自由空間に放出することです。ただし、この種類のアンテナにはメタマテリアルが組み込まれています。メタマテリアルは、通常とは異なる物理的特性を生み出すために、新しい、多くの場合は微細な構造で設計された材料です。メタマテリアルを組み込んだアンテナ設計により、アンテナの放射電力を高めることができます。

従来のアンテナは波長に比べて非常に小さいため、信号の大部分を反射して送信元に戻します。メタマテリアルアンテナは、その斬新な構造によりエネルギーを蓄えて再放射するため、実際のサイズよりもはるかに大きいかのように動作します。確立されたリソグラフィー技術を使用して、プリント回路基板上にメタマテリアル要素を印刷することができます。^{[2] [3] [4] [5] [6]}

これらの新しいアンテナは、衛星とのポータブルな相互作用、広角ビームステアリング、緊急通信デバイス、マイクロセンサー、地質学的特徴を探索するための ポータブル地中探査レーダーなどのアプリケーションに役立ちます。

メタマテリアルアンテナの用途としては、無線通信、宇宙通信、GPS、衛星、宇宙船ナビゲーション、飛行機などがあります。

メタマテリアルを組み込んだアンテナ設計により、アンテナの放射電力を増強できます。最新のメタマテリアル アンテナは、入力無線信号の 95 パーセントを放射します。標準的なアンテナは、効率的に動作するために、信号波長の少なくとも半分のサイズが必要です。たとえば、 300 MHzでは、アンテナの長さは 0.5 メートル必要です。対照的に、実験的なメタマテリアル アンテナは波長の 50 分の 1 ほど小さく、さらにサイズを小さくすることができます。

メタマテリアルは、効率的な電力と許容可能な帯域幅を備えたマイクロ波アンテナのさらなる小型化の基盤です。メタマテリアルを採用したアンテナは、従来構築された小型アンテナの厳しい効率帯域幅の制限を克服する可能性を提供します。

メタマテリアルは、より広い周波数範囲をカバーする小型のアンテナ素子を可能にするため、スペースが限られている場合に利用可能なスペースをより有効に活用できます。これらの例では、放射素子が大きなアンテナアレイに結合されるため、高利得の小型アンテナが非常に重要です。さらに、メタマテリアルの負の屈折率は、電磁放射を分散させるのではなく、平面レンズで集束させます。^{[7] [8] [9]}

メタマテリアルアンテナに関する最も初期の研究は、メタマテリアルに囲まれた小型ダイポールアンテナの解析研究でした。この材料は、負の屈折率メタマテリアル（NIM）や二重負のメタマテリアル（DNG）など、さまざまな名前で知られています。^[10]

この構成は、解析的にも数値的にも、電力が1桁増加するように見える。同時に、リアクタンスは対応する減少をもたらすように見える。さらに、DNGシェルはこのシステムにとって自然なインピーダンス整合ネットワークとなる。^[10]

アンテナを囲むグランドプレーンにメタマテリアルを採用すると、MIMO（多入力多出力）アンテナアレイの無線周波数またはマイクロ波チャネル間の分離が向上します。^[11]メタマテリアルの高インピーダンスグランドプレーンは、グランドプレーン表面近くに配置された薄型アンテナの放射効率と軸比性能も向上させます。メタマテリアルは、漏洩波アンテナの前方波と後方波の両方を使用してビームスキャン範囲を拡大するためにも使用されています。さまざまなメタマテリアルアンテナシステムを採用して、監視センサー、通信リンク、ナビゲーションシステム、コマンドおよび制御システムをサポートできます。^[7]

アンテナの小型化以外にも、この新しい構成は、無線周波数デバイスから光学デバイスまで幅広い用途に応用できる可能性があります。メタマテリアルアンテナサブシステムの他のデバイスとの組み合わせも研究されています。^{[12]サブシステムでは、}ダブルネガティブメタマテリアルスラブのみが使用されるか、ダブルポジティブ（DPS）スラブとDNGスラブの組み合わせ、またはイプシロンネガティブ（ENG）スラブとミューネガティブ（MNG）スラブの組み合わせが採用されています。現在研究されているアンテナサブシステムには、空洞共振器、導波管、散乱体、アンテナ（放射体）などがあります。^[12]メタマテリアルアンテナは2009年までに市販されました。^{[13] [14] [15]}

ペンドリー らは、交差する細いワイヤの3次元配列を使用して負の誘電率（「ε 」）を作成できること、および銅のスプリットリング共振器の周期的配列が有効な負の透磁率（「μ 」）を生成できることを示しました。^[11]

2000年5月、スミスらの研究者グループは、スプリットリング共振器（SRR）と細いワイヤの導電ポストを初めて組み合わせ、ギガヘルツまたはマイクロ波範囲の周波数でε、μ、屈折率が負の値を持つ左手系材料を生成することに成功しました。^{[12] [16]}

2002年に、周期的な反応負荷を2次元伝送線路としてホスト媒体として使用する、異なるクラスの負の屈折率（NRI）メタマテリアルが導入されました。この構成では、負の屈折率材料（DNG）と正の屈折率材料（DPS）が使用されました。これは、正の屈折率の平行板導波路とインターフェースされた小さな平面の負の屈折レンズを採用しました。これはすぐに実験的に検証されました。^{[17] [18]}

SRRの非効率性がいくつか特定されたが、2009年現在も研究目的で使用され続けている。SRRは、メタマテリアルアンテナの研究を含む幅広いメタマテリアル研究に利用されている。^{[4] [17] [18]}

最近の見解では、SRRを構成要素として使用することで、電磁応答とそれに伴う柔軟性が実用的かつ望ましいものになると考えられています。^[19]

DNG は負の屈折率を持つため、 位相補償を提供できます。これは、従来のロスレス DPS マテリアルのスラブとロスレス DNG メタマテリアルのスラブを組み合わせることで実現されます。

DPS は従来の正の屈折率を持ち、DNG は負の屈折率を持ちます。両方のスラブは外部領域 (例: 自由空間) に対してインピーダンス整合されています。この構成では、目的の単色平面波が放射されます。この波が最初の材料スラブを伝搬すると、出射面と入射面の間に位相差が生じます。波が 2 番目のスラブを伝搬すると、位相差は大幅に減少し、補正されます。したがって、波が 2 番目のスラブから出ると、合計位相差はゼロになります。^[20]

このシステムにより、位相補償された導波システムを作ることができる。この構成のスラブを積み重ねることで、位相補償（ビーム移動効果）がシステム全体に発生する。さらに、DPS-DNGペアのいずれかのインデックスを変更することで、ビームがスタックシステム全体の前面に入り、背面から出る速度が変化する。このようにして、与えられたシステムに対して、体積、低損失、時間遅延の伝送線路を実現することができる。^[20]

さらに、この位相補償は、小型化、サブ波長、空洞共振器、回折限界以下の導波管などの一連のアプリケーションにつながる可能性があります。^[20]

DNG は伝送媒体として分散性があるため、時間領域アプリケーション用の分散補償デバイスとして有用である可能性がある。分散により、信号が DNG 媒体内を伝播する際の波動成分のグループ速度に変化が生じる。したがって、積層型 DNG メタマテリアルは、マイクロストリップ伝送線路に沿った信号伝播を修正するのに役立つ可能性がある。同時に、分散は歪みにつながる。しかし、マイクロストリップ線路に沿って分散を補償できれば、それらに沿って伝播するRFまたはマイクロ波信号の歪みは大幅に減少する。したがって、歪みを減衰させるコンポーネントの重要性は低下し、多くのシステムの簡素化につながる可能性がある。メタマテリアルは、実効誘電率の周波数依存性を補正することで、マイクロストリップに沿った分散を排除できる。^[21]

この戦略は、メタマテリアルを装荷した伝送線路の長さを設計し、これをマイクロストリップ線路の元の長さとともに導入して、分散のないペアのシステムにし、伝送線路の分散補償セグメントを作成することです。これは、特定の局所誘電率と特定の局所透磁率を持つメタマテリアルを導入することで実現できます。メタマテリアルは、マイクロストリップ線路全体の相対誘電率と透磁率に影響を与えます。メタマテリアルの波動インピーダンスが変化しないように導入されます。媒体の屈折率は、マイクロストリップの形状自体に関連する分散効果を補償し、ペアの有効屈折率を自由空間の屈折率にします。^[21]

設計戦略の一部として、このようなメタマテリアルの有効誘電率と透磁率は負であるべきであり、DNG材料が必要である。^[21]

左手セグメントを従来の（右手）伝送線路と組み合わせると、従来の設計よりも優れた利点が得られます。左手伝送線路は、本質的に位相が進むハイパスフィルタです。逆に、右手伝送線路は位相が遅れるローパスフィルタです。この構成は、複合右手/左手（CRLH）メタマテリアルと呼ばれます。^{[22] [23] [24]}

従来の Leaky Wave アンテナは、バックファイアからエンドファイアまでの周波数スキャン機能が完全に備わっていないため、商業的な成功は限られていました。CRLH は、ブロードサイドを含むバックファイアからエンドファイアまでの周波数スキャンを完全に実現しました。

メタマテリアル アンテナ システムに使用されているメタマテリアル レンズは、外部放射への効率的な結合器として使用され、マイクロストリップ伝送線路に沿った放射やマイクロストリップ伝送線路からの放射を送信コンポーネントと受信コンポーネントに集中させます。したがって、入力デバイスとして使用できます。さらに、エバネッセント波の振幅を増強したり、伝播する波の位相を修正したりすることもできます。

この場合、SRR は、空間の 3 方向にワイヤとフォームのスライスを配置した、細いワイヤの金属メッシュの層を使用します。この材料の誘電率は、プラズマ周波数​​以上では正で 1 未満になることがあります。これは、屈折率が 0 よりわずかに大きいことを意味します。関連するパラメーターは、多くの場合、目的の周波数での全体的な誘電率の値ではなく、誘電率間のコントラストです。これは、等価 (有効) 誘電率がマイクロ波領域でプラズマ周波数​​によって制御される動作をするため発生します。したがって、この低屈折率材料は、非常に収束性の高いマイクロレンズの候補として適しています。誘電フォトニック結晶を使用して理論的に開発された方法は、金属グリッドを使用して指向性エミッターを実現するためにマイクロ波領域に適用されます。^[2]

この例では、立方体の結晶格子構造に配列されたワイヤは、アンテナの配列（アンテナアレイ）として分析できます。格子構造として、それは格子定数を持ちます。格子定数または格子パラメータは、結晶格子内の単位セル間の一定の距離を指します。^[25]

プラズモンの初期の発見により、プラズモン周波数 f _pの金属は複合材料であるという見方が生まれました。プラズモンが金属サンプルに及ぼす影響は、金属が電磁励起（放射）場の波数ベクトルとは無関係に誘電体として振る舞うような特性を作り出すことです。さらに、ごくわずかな量のプラズモンエネルギーがシステムに吸収され、γと表記されます。アルミニウムの場合、f _p = 15 eV、γ = 0.1 eV です。おそらく、金属とプラズマ周波数​​の相互作用の最も重要な結果は、プラズマ周波数​​以下では誘電率が負であり、 γの微小値までずっと負であることです。^{[25] [26]}

これらの事実は、最終的に、配列されたワイヤ構造が実質的に均質な媒体であることを意味します。^[25]

このメタマテリアルは、材料内部にある電磁放射源の放射方向を制御し、法線の周りの小さな角度領域内のすべてのエネルギーを収集することを可能にする。[ 2 ]メタ^{マテリアル}のスラブを使用することで、発散する電磁波は狭い円錐に集中する。寸法は波長に比べて小さいため、スラブは低いプラズマ周波数​​を持つ均質な材料として動作する。^[2]

伝送線路は、電磁波や電力伝送などのエネルギーの伝送を方向付けるため、ある場所から別の場所への経路の全部または一部を形成する物質媒体または構造です。伝送線路の種類には、電線、同軸ケーブル、誘電体スラブ、ストリップ線路、光ファイバー、電力線、導波管などがあります。^[27]

マイクロストリップは、プリント基板技術を使用して製造できる伝送線路の一種で、マイクロ波周波数の信号を伝送するために使用されます。基板と呼ばれる誘電体層によってグランドプレーンから分離された導電ストリップで構成されています。アンテナ、カプラ、フィルタ、電力分配器などのマイクロ波コンポーネントは、マイクロストリップから形成できます。

右側の簡略化された回路図から、総インピーダンス、コンダクタンス、リアクタンス (静電容量とインダクタンス)、および伝送媒体 (伝送線路) は、全体の値を与える単一のコンポーネントで表すことができることがわかります。

_{伝送線路媒体では、負荷が可能な限り多くの電力を吸収することが通常望ましいため、負荷インピーダンス Z L を}特性インピーダンスZ ₀に可能な限り 近づけることが重要です。

${\displaystyle R}$単位長さあたりの抵抗です。

${\displaystyle L}$単位長さあたりのインダクタンス、

${\displaystyle G}$単位長さあたりの誘電体の伝導率、

${\displaystyle C}$単位長さあたりの静電容量、

${\displaystyle j}$は虚数単位であり、

${\displaystyle \omega }$は角周波数です。

多くの場合、物理的なメタマテリアルの包含物 (またはセル) をより小さなサイズに移動するという目標があるため、集中 LC 回路または分散 LC ネットワークの議論と実装が頻繁に検討されます。集中回路要素は、実際には、より大きなコンポーネントの対応物を効果的に近似する微細な要素です。たとえば、回路の静電容量とインダクタンスは、光周波数でナノメートルのスケールであるスプリット リングを使用して作成できます。分散 LC モデルは集中 LC モデルに関連していますが、分散要素モデルは集中要素モデルよりも正確ですが、より複雑です。

有名なメタマテリアルアンテナの中には、負の屈折率を持つ伝送線路メタマテリアル（NRI-TLM）を採用しているものがあります。これには、回折限界を克服できるレンズ、狭帯域および広帯域の位相シフト線路、小型アンテナ、薄型アンテナ、アンテナ給電ネットワーク、新しい電源アーキテクチャ、高指向性カプラなどが含まれます。TLの平面メタマテリアルネットワークに直列コンデンサとシャントインダクタをロードすると、より高いパフォーマンスが得られます。これにより、屈折率が負である間、大きな動作帯域幅が得られます。 ^{[12] [28]}

スーパーレンズは回折限界を克服できるため、外部放射とのより効率的な結合が可能になり、より広い周波数帯域が可能になります。たとえば、スーパーレンズはTLMアーキテクチャに適用できます。従来のレンズでは、イメージングは​​回折限界によって制限されます。スーパーレンズを使用すると、近接場画像の詳細が失われることはありません。成長するエバネッセント波はメタマテリアル（n < 1）でサポートされ、ソースからの減衰するエバネッセント波を復元します。これにより、多少の損失の後、回折限界解像度λ/6が得られます。これは、従来のレンズの通常の回折限界であるλ/2と比較されます。^[28]

複合材料 (CRLH) 構造として右手系 (RHM) 材料と左手系 (LHM) 材料を組み合わせることで、後方から前方へのスキャン機能の両方が得られます。

メタマテリアルは2005年頃に初めてアンテナ技術に使用されました。このタイプのアンテナは、外部放射と結合するSNGの確立された機能を使用しました。共鳴結合により、アンテナよりも大きな波長が可能になりました。マイクロ波周波数では、これによりより小さなアンテナが可能になりました。^{[4] [28]}

メタマテリアルを搭載した伝送線路は、従来の標準的な遅延伝送線路に比べて大きな利点があります。サイズがよりコンパクトで、同じ短い物理的長さを占有しながら正または負の位相シフトを実現でき、周波数に対して線形で平坦な位相応答を示し、グループ遅延が短くなります。高直列分布コンデンサーにより低周波数で動作でき、同等のコプレーナ構造よりも平面寸法が小さくなります。^[28]

2002年、研究者らはSRRワイヤ構成や他の3次元媒体を使用するのではなく、後方波伝播をサポートする平面構成に注目し、その結果として負の屈折率と集束を実証しました。^[17]

ハイパス構成で容量性および誘導性素子を周期的に負荷した伝送線路が、特定の種類の逆波をサポートすることは長い間知られていました。さらに、平面伝送線路は 2 次元波動伝播に自然にマッチします。集中回路素子を使用すると、コンパクトな構成を維持しながら、より低い RF 範囲をサポートできます。これを念頭に置いて、ハイパスおよびカットオフ、周期的に負荷された 2 次元 LC 伝送線路ネットワークが提案されました。LC ネットワークは、かさばる SRR/ワイヤ構造なしで、逆波をサポートするように設計できます。これは、負の屈折効果のためにバルク媒体から方向転換した最初の提案でした。このタイプのネットワークの注目すべき特性は、共鳴に依存しないことです。代わりに、逆波をサポートする能力が負の屈折を定義します。^[17]

集束の原理は、ベセラゴとペンドリーに由来する。従来の平らな（平面の）DPSスラブM-1を左利きの媒体M-2と組み合わせると、 M-1の波動ベクトルk1を持つ電磁波が伝播し、M-2の波動ベクトルk2を持つ屈折波が生じる。M-2は後方波伝播をサポートするため、k2は法線の反対側に屈折し、 M-2のポインティングベクトルはk2と反平行である。このような条件下では、パワーは実質的に負の角度で屈折し、実質的に負の屈折率を意味する。^[17]

従来のDPS内部にある点源からの電磁波は、2つの媒体の平面インターフェースを使用してLHM内部に集中することができます。これらの条件は、DPS内の単一のノードを励起し、LHM内のすべてのポイントで接地電圧の大きさと位相を観察することによってモデル化できます。集束効果は、LHM内の予測可能な場所での電圧の「スポット」分布として現れるはずです。^[17]

負の屈折と集束は、共鳴を利用したり、誘電率と透磁率を直接合成したりすることなく実現できます。さらに、この媒体は、ホスト伝送線路媒体を適切にロードすることで実際に製造できます。さらに、結果として得られる平面トポロジーにより、LHM構造を従来の平面マイクロ波回路やデバイスと簡単に統合できます。^[17]

伝送線路媒体で横方向の電磁波伝播が発生する場合、誘電率と透磁率はε = L、μ = C と類推されます。この類推は、これらのパラメータが正の値である場合に展開されました。次の論理ステップは、負の値を実現できることを理解することでした。左手系媒体 (ε < 0 および μ < 0) を合成するには、直列リアクタンスとシャント磁化率は負になる必要があります。これは、材料パラメータがこれらの回路量に正比例するためです。^[29]

左手系媒体を合成する集中回路素子を有する伝送線路は、「従来の伝送線路」と比較して「デュアル伝送線路」と呼ばれる。デュアル伝送線路構造は、ホスト伝送線路に集中直列コンデンサ（C）とシャントインダクタ（L）を負荷することで実際に実装できる。この周期構造では、負荷が強く、集中素子が伝播特性を支配する。^[29]

無線デバイスと同様に、SRRをRF周波数で使用するには、共振器をより大きなサイズにスケーリングする必要があります。これは、デバイスの小型化に反するものでした。対照的に、LCネットワーク構成は、マイクロ波とRF周波数の両方にスケーリングできます。^[30]

LC負荷伝送線路により、負の屈折率を生成する新しいクラスのメタマテリアルが可能になりました。LCネットワークを利用して電気誘電率と磁気透過率をエミュレートすることで、動作帯域幅が大幅に増加しました。^[30]

さらに、ユニットセルは伝送線路ネットワークを介して接続され、集中回路素子を装備することができるため、SRR がコンパクトにできない周波数でもコンパクトにすることができます。個別素子または印刷素子の使用によって得られる柔軟性により、平面メタマテリアルはメガヘルツから数十ギガヘルツの範囲まで拡張可能です。さらに、コンデンサをバラクタに置き換えることで、材料特性を動的に調整できるようになりました。提案された媒体は平面であり、本質的に 2 次元 (2-D) 波の伝播をサポートするため、RF/マイクロ波デバイスおよび回路アプリケーションに適しています。^[30]

周期的な2次元LC装荷伝送線路（TL）は、広い周波数範囲にわたってNRI特性を示すことが示されています。このネットワークは、従来のTL構造のローパス表現とは対照的に、ハイパス構成であるため、デュアルTL構造と呼ばれます。^[31]デュアルTL構造は、マイクロ波周波数での後方波放射と集束を実験的に実証するために使用されています。^{[17] [31]}

負の屈折率媒体であるデュアルTL構造は、単なる位相補償器ではありません。エバネッセント波の振幅を増強し、伝播波の位相を補正することができます。エバネッセント波は実際にデュアルTL構造内で成長します。^[31]

Grbicらは、高速な逆波伝播をサポートする 1 次元 LC 負荷伝送線路ネットワークを使用して、「逆チェレンコフ放射」に類似した特性を実証しました。彼らが提案した逆波放射構造は、負の屈折率を持つ LC 材料にヒントを得たものです。15 GHz でシミュレートされた E 平面パターンは、遠方場パターンでバックファイア方向への放射を示し、明らかに逆波の励起を示しています。アレイの横方向の寸法は電気的に短いため、構造は長い金属トラフで支えられています。トラフはカットオフ以下の導波管として機能し、バック放射を回復して、一方向の遠方場パターンを生み出します。^[32]

平面媒体は、実効的に負の屈折率で実装できます。基本的な概念は、プリントされた伝送線路ネットワークにインダクタとコンデンサを定期的に適切にロードすることに基づいています。この技術により、実効誘電率と透磁率の材料パラメータが本質的に負であり、同時に負であるため、別の手段を使用する必要がなくなります。提案された媒体は、屈折率が負のままである非常に広い帯域幅、2-D TM 波を誘導する機能、RF からミリ波周波数までのスケーラビリティ、低い伝送損失、およびユニットセルにバラクタやスイッチを挿入することで調整できる可能性など、他の望ましい機能を備えています。この概念は、回路および全波シミュレーションで検証されています。プロトタイプの集束デバイスが実験的にテストされました。実験結果では、入射円筒波が 1 オクターブ帯域幅内で電気的に短い領域に集束することが実証されました。これは、近接場集束を示唆しています。^[33]

これらの提案された媒体に基づいてRF /マイクロ波デバイスを実装し、無線通信、監視、レーダーなどのアプリケーションに使用することができます。^[33]

一部の研究者によると、SRR/ワイヤ構成のメタマテリアルはかさばる3D構造であり、RF/マイクロ波デバイスや回路アプリケーションへの適応は難しい。これらの構造は、狭い帯域幅内でのみ負の屈折率を実現できる。RF周波数のワイヤレスデバイスに適用する場合、スプリットリング共振器はより大きな寸法にスケーリングする必要があり、その結果、デバイスのサイズが大きくなってしまう。^[33]

提案された構造は、ワイヤ/SRR 複合材料を凌駕しており、材料パラメータの合成に SRR に頼らないため、動作帯域幅が大幅に増加します。さらに、ユニットセルは伝送線路ネットワークを介して接続されるため、集中素子を装備することができ、SRR がコンパクトにできない周波数でもコンパクトにすることができます。個別素子または印刷素子を使用することで得られる柔軟性により、平面メタマテリアルはメガヘルツから数十ギガヘルツの範囲まで拡張可能です。さらに、コンデンサの代わりにバラクタを使用することで、有効な材料特性を動的に調整できます。さらに、提案された媒体は平面であり、本質的に 2 次元 (2-D) 波の伝播をサポートします。したがって、これらの新しいメタマテリアルは、RF/マイクロ波デバイスおよび回路アプリケーションに適しています。^[33]

長波長領域では、従来の材料の誘電率と透磁率は、ローパス構成で配置された周期的なLCネットワークを使用して人工的に合成することができます。デュアル（ハイパス）構成では、これらの同等の材料パラメータは同時に負の値をとるため、負の屈折率を合成するために使用できます。^[34]

アンテナ理論は、マクスウェル方程式で説明される古典的な電磁気学理論に基づいています。^{[35]物理的には、アンテナは1つまたは複数の}導体（通常、エレメントと呼ばれる）の配置です。アンテナ端子に電圧を印加すると、エレメントに交流電流が生成され、エレメントから電磁場が放射されます。受信時には逆のことが発生します。別のソースからの電磁場がエレメントに交流電流を誘導し、アンテナ端子に対応する電圧を発生させます。一部の受信アンテナ（パラボラ型やホーン型など）には、自由空間から電磁波を収集し、実際の導電性エレメントに電磁波を向けたり集中させたりするために、形状反射面が組み込まれています。

アンテナは、遠距離でも十分に強い電磁場を作り出す。逆に、アンテナは外部から印加される電磁場に対して敏感である。送信アンテナと受信アンテナ間の実際の結合は非常に小さいため、送信局と受信局の両方に増幅回路が必要となる。アンテナは通常、通常の回路を伝送線路構成に変更して作成される。^[35]

特定のアプリケーションに必要なアンテナは、使用される帯域幅と範囲（電力）要件によって異なります。マイクロ波からミリ波の範囲（波長は数メートルからミリメートル）では、通常、次のアンテナが使用されます。^[35]

ダイポールアンテナ、ショートアンテナ、パラボラアンテナやその他の反射アンテナ、ホーンアンテナ、潜望鏡アンテナ、ヘリカルアンテナ、スパイラルアンテナ、表面波アンテナ、漏洩波アンテナ。漏洩波アンテナには、誘電体アンテナ、誘電体装荷アンテナ、およびさまざまなマイクロストリップアンテナが含まれます。^[35]

SRRは1999年にペンドリーによって導入され、メタマテリアルの最も一般的な要素の1つです。^[36]非磁性伝導ユニットとして、入射電磁場の周波数がSRR共振周波数に近い場合に、負の有効透磁率を高めるユニットの配列で構成されています。SRRの共振周波数は、その形状と物理的設計によって異なります。さらに、共振は、そのサイズよりもはるかに大きな波長で発生する可能性があります。^{[37] [38]}要素の形状をさらに最適化するには、遺伝的アルゴリズムやその他の最適化アルゴリズムを使用すると便利です。マルチ周波数設計では、SRRの代わりに、シェルペンスキー、コッホなどのフラクタル設計やその他のフラクタル設計を適用できます。^[11]

ダブルネガティブメタマテリアル（DNG）の適用により、電気的に小さなダイポールアンテナから放射される電力を大幅に増加させることができます。これは、アンテナをダブルネガティブ（DNG）材料のシェルで囲むことで実現できます。電気ダイポールが均質なDNG媒体に埋め込まれると、アンテナは、DNG材料の相互作用のない自由空間の場合のように、容量性ではなく誘導的に動作します。さらに、ダイポールとDNGシェルの組み合わせにより、放射される実際の電力が自由空間アンテナよりも1桁以上増加します。ダイポールアンテナのリアクタンスの顕著な減少は、放射電力の増加に対応しています。^[10]

無効電力は、DNGシェルがダイポールの自然なマッチングネットワークとして機能していることを示しています。DNG素材は、このアンテナシステムの固有リアクタンスを自由空間に一致させ、したがってDNG素材のインピーダンスは自由空間と一致します。これは、アンテナに自然なマッチング回路を提供します。^[10]

SRR-DNGメタマテリアルを追加することで、同等の自由空間アンテナに比べて放射電力が1桁以上増加しました。負の透磁率により、電気的に小さなアンテナ、高い指向性、調整可能な動作周波数が生成されます。右手系材料（RHM）とVeselago-左手系材料（LHM）を組み合わせると、他の新しい特性が得られます。SRRで得られる単一の負の材料共振器は、次のようにマイクロ波周波数で動作するときに電気的に小さなアンテナを生成できます。^[4]

評価した SRR の構成は、内側のリングと外側のリングに相対的に反対のギャップがある2 つの同心の環状リングでした。その幾何学的パラメータは、R = 3.6 mm、r = 2.5 mm、w = 0.2 mm、t = 0.9 mm でした。R と r は環状パラメータで使用され、w はリング間の間隔、t は外側のリングの幅です。材料の厚さは 1.6 mm でした。誘電率は 4 GHz で 3.85 でした。SRR は、エッチング技術を使用して 30 μm厚の銅基板上に製造されました。SRR はモノポール アンテナを使用して励起されました。モノポール アンテナは、同軸ケーブル、グランド プレーン、および放射コンポーネントで構成されていました。グランド プレーンの材料はアルミニウムでした。アンテナの動作周波数は 3.52 GHz で、これは SRR の幾何学的パラメータを考慮して決定されました。 8.32 mmの長さのワイヤがグランドプレーンの上に配置され、アンテナに接続され、動作波長の4分の1でした。アンテナは3.28 mmの給電波長と7.8 GHzの給電周波数で動作しました。SRRの共振周波数はモノポールの動作周波数よりも低かったです。^[4]

モノポールSRRアンテナは、SRRワイヤ構成を使用して（λ/10）で効率的に動作しました。良好な結合効率と十分な放射効率を示しました。その動作は、効率的な結合と放射のための従来のアンテナサイズであるλ/2での従来のアンテナに匹敵しました。したがって、モノポールSRRアンテナは、SRRの共振周波数で許容できる電気的に小さなアンテナになります。^{[4] [11]}

SRRをこの構成の一部にすると、アンテナの放射パターンなどの特性が従来のモノポールアンテナと比較して完全に変わります。SRR構造を変更することで、アンテナサイズは( λ/40 )に達する可能性があります。2、3、4つのSRRを並べて結合すると、放射パターンがわずかにシフトします。^[4]

2005 年に、指向性を高めるメタマテリアル カバー付きパッチ アンテナが提案されました。数値結果によると、このアンテナは従来のパッチ アンテナと比較して指向性が大幅に改善されました。これは、2007 年にメタマテリアルを使用したモバイル通信における指向性パッチ アンテナの効率的な設計として引用されました。^[11] この設計は、左手系材料 (LHM) 伝送線路モデルと、LHM等価回路モデルの回路要素 L および C に基づいています。この研究では、指向性パッチ アンテナの望ましい特性を得るために、LHM 等価回路モデルの L および C 値を決定するための公式を開発しました。モバイル通信の実際の周波数帯域から得られた設計例が実行され、このアプローチの効率性が示されました。^{[39] [40] [41]}

この構成では、ゼロ屈折率メタマテリアルで作られた平面開口部を使用します。これは通常の（従来の）湾曲レンズに比べて利点があり、指向性が大幅に向上します。^[11]これらの研究により、マイクロ波源および非源デバイス、回路、アンテナの小型化と電磁性能の向上が可能になりました。^[42]

メタマテリアル表面アンテナ技術(M-SAT) は、プラットフォームが移動中か静止中かに関係なく、衛星にロックオンされた一貫した広帯域無線周波数ビームをメタマテリアルを使用して誘導および維持する発明です。ジンバルとモーターは、平面構成のメタマテリアルアレイに置き換えられます。また、この新しい技術では、フェーズドアレイ機器のように位相シフターは必要ありません。必要な効果は、必要に応じてアクティブ化されたメタマテリアル要素のパターンを変更することで実現されます。この技術は、メタマテリアルクローキング理論の実用的な応用です。アンテナは、ラップトップコンピューターとほぼ同じサイズです。^{[43] [44] [45]}

メタマテリアルベースのアンテナの研究と応用。関連コンポーネントも研究されています。^{[46] [47]}

光伝送媒体として機能する一対の材料間の界面が、通常（正）または異常（負）のいずれかの反対の誘電率および/または透磁率の結果として相互作用する場合、顕著な異常な動作が発生する可能性があります。ペアは、DPS、ENG、またはMNG層とペアになったDNGメタマテリアル（層）です。DNG層のみがペアになっている場合は発生しない波動伝播動作および特性が発生する可能性があります。^[48]

2 つの媒体の界面では、接線方向の電界と磁界の成分の連続性の概念を適用できます。2 つの媒体の透磁率または誘電率のいずれかが反対の符号を持つ場合、界面の両側の接線方向の電界の法線成分は境界で不連続になります。これは、界面に集中した共鳴現象があることを意味します。これは、LC 回路の共鳴におけるインダクタとコンデンサの接合部での電流と電圧の分布に似ています。この「界面共鳴」は、2 つのこのような共役材料間の不連続に沿って発生するため、ペアになった層の合計厚さとは本質的に無関係です。^{[48] [49]}

形状は、2枚の平行板を完全導体（PEC）として理想的な構造にしたもの。この構造には、均質で等方性の材料でできた2枚の平面スラブが積み重ねられており、それぞれの構成パラメータはε ₁、ε ₂、u ₁、u ₂である。各スラブの厚さはd、スラブ1はd ₁、スラブ2はd ₂である。どのパラメータの組み合わせを採用するかを選択するには、DPSとDNG、またはENGとMNGの材料を組み合わせる必要がある。前述のように、これは反対の符号を持つ構成パラメータのペアを組み合わせたものである。^[50]

負の誘電率と透磁率の実数値は、負の屈折nの実数値となる。ロスレス媒体では、存在するのは実数値のみである。この概念は、従来のロスレス材料DPSをロスレスNIM（DNG）と組み合わせた場合の位相補償をマッピングするために使用できる。^[49]

_{位相補償では、厚さ d 1}の DPS はε > 0 および μ > 0 である。逆に、厚さ d ₂の NIM はε < 0 および μ < 0 である。DPS 誘電体材料 (d ₁ ) の固有インピーダンスが外部領域の固有インピーダンスと同じであり、垂直入射平面波に応答すると仮定する。DPS インピーダンスと外部インピーダンスが等しいため、波は反射することなく媒体を通過します。ただし、DPS スラブの端の平面波は、材料の始まりの平面波と位相がずれています。^[49]

次に、平面波は損失のない NIM (d ₂ ) に入ります。特定の周波数では、ε < 0、μ < 0、n < 0 です。DPS と同様に、NIM には外部と等しい固有インピーダンスがあり、したがって損失がありません。入射波の電力は最初のスラブに入り (最初のインターフェースで反射することなく)、最初のスラブを横断し、2 番目のインターフェースから出て、2 番目のスラブに入ってそれを横断し、最後に 2 番目のスラブから出るため、最初のスラブの電力フローの方向 (つまり、ポインティング ベクトル) は 2 番目のスラブの方向と同じである必要があります。ただし、前述のように、電力の方向は位相速度の方向と反平行です。したがって、波ベクトル k _{2は k 1}の反対方向になります。さらに、最初のスラブを横断することによって生じる位相差は、2 番目のスラブを横断することによって減少し、キャンセルされることもあります。 2つの厚さの比がd ₁ / d ₂ = n ₂ / n ₁の場合、前面と背面の合計位相差はゼロになります。^{[49]これは、選択された周波数でのNIMスラブが位相補償器として機能することを示しています。この位相補償プロセスは、} d 1 + d 1の厚さではなく、d 1 / d 2の比率のみに基づいていることに注意することが重要です。したがって、この比率が上記の条件を満たす限り、d ₁ + _d 1は_任意の_値にすること_ができ_ます。最後に、この2層構造が存在していても、この構造を通過する波は位相差を経験しません。

これに続いて次のステップはサブ波長空洞共振器である。^[49]

上で説明した位相補償器は、コンパクトな 1 次元空洞共振器の設計可能性を概念化するために使用できます。上記の 2 層構造は、2 つの完全な反射器、つまり 2 つの完全な導電板として適用されます。概念的には、共振器内で制約されるのはd ₁ / d ₂であり、d ₁ + d ₂ではありません。したがって、原理的には、この周波数で第 2 層が負の誘電率と透磁率を持つメタマテリアルとして機能し、その比率が正しい値と相関する場合、特定の周波数に対して薄いサブ波長空洞共振器を持つことができます。^[49]

厚さの比率が満たされている限り、空洞は概念的には薄くても共振することができます。これにより、原理的には波長以下の薄くてコンパクトな空洞共振器が可能になります。^[49]

周波数選択表面（FSS）ベースのメタマテリアルは、同等のLC回路構成を利用しています。キャビティ内でFSSを使用すると、小型化、共振周波数の低下、カットオフ周波数の低下、導波管構成での高速波から低速波へのスムーズな遷移が可能になります。^[51]

LHMの応用として、マイクロ波領域で動作する4つの異なる空洞が製造され、実験的に観察され、説明されました。^[52]

磁気双極子をメタマテリアル（スラブ）のグランドプレーン上に配置した。メタマテリアルは、負の構成パラメータ、負の誘電率、負の透磁率のいずれかを持つ。これらのメタマテリアルスラブによってサポートされる漏洩波の分散特性と放射特性がそれぞれ調査された。^[53]

複数のシステムが特許を取得しています。

フェーズドアレイシステムとそのようなシステムで使用されるアンテナは、通信やレーダーアプリケーションなどの分野でよく知られています。一般的にフェーズドアレイシステムは、回路要素を使用して相対的な位相差と時間遅延を補正することにより、アレイ全体で信号をコヒーレントに再構成することによって機能します。^[54]

2004年に特許を取得したフェーズドアレイアンテナシステムは、自動車レーダーアプリケーションに有用である。NIMを両凹レンズとして使用してマイクロ波を集束させることで、アンテナのサイドローブのサイズが縮小される。これは放射エネルギー損失の減少と比較的広い有効帯域幅に等しい。このシステムは、効率的で動的に測距されるフェーズドアレイレーダーシステムである。^[54]

さらに、マイクロストリップ伝送線路を所定の距離でグランドプレーン上に吊り下げることで、マイクロストリップ伝送線路全体の信号振幅が増加します。言い換えれば、マイクロストリップ伝送線路は固体基板と接触していません。誘電体による信号損失が大幅に減少し、信号減衰が減少します。^[54]

このシステムは、モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）の性能を向上させるなど、さまざまな利点を持つように設計されました。伝送線路はフォトリソグラフィーで作成されます。細いワイヤアレイで構成されるメタマテリアルレンズは、伝送線路とエミッター/レシーバー要素間の送信信号または受信信号を集束させます。^[54]

レンズは入力装置としても機能し、ラインに沿って配置された多数の周期的な単位セルで構成されています。レンズは同じ構成の複数のライン、つまり複数の周期的な単位セルで構成されています。周期的な単位セルは、複数の分散要素回路のコンポーネントとしてのコンデンサとインダクタなどの複数の電気部品で構成されています。^[54]

メタマテリアルには、導電性の伝送素子、伝送素子を接地するための少なくとも第1の接地面を含む基板、伝送素子に沿って周期的に構成された複数のユニットセル回路、および伝送素子を少なくとも第1の接地面に電気的に接続するための少なくとも1つのビアが組み込まれている。また、この伝送素子を基板から所定の距離に吊り下げる手段も備えており、伝送素子が接地面から第2の所定の距離に配置されるようにする。^[54]

この構造は、波の導波や散乱に使用するために設計されました。隣接する2つの層が使用されています。最初の層は、イプシロン負（ENG）材料またはミュー負（MNG）材料です。2番目の層は、ダブルポジティブ（DPS）材料またはダブルネガティブ（DNG）材料です。または、最初の層がMNG材料の場合、2番目の層はENG材料にすることができ、その逆も可能です。^[55]

メタマテリアルは、より小型でシンプルなシールドで複数のデバイス間の干渉を減らすことができます。従来の吸収体の厚さは3インチですが、メタマテリアルの厚さはミリメートル単位、つまり2mm（0.078インチ）です。^[56]

• Ziolkowski, RW; Lin, Chia-Ching; Nielsen, Jean A.; Tanielian, Minas H.; Holloway, Christopher L. (2009 年 8 月～9 月)。「設計と実験的検証」。IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters。8 : 989–993。Bibcode :2009IAWPL...8..989Z。CiteSeerX 10.1.1.205.4814。doi : 10.1109 / LAWP.2009.2029708。S2CID 7804333  。 

• 米空軍研究所が実証したメタマテリアル技術がアンテナの放射パターンを変換
• ε と μ が同時に負の値を持つ物質の電気力学 Victor G. Veselago。
• 後方波媒体用マイクロ波伝送線路ネットワークと散乱の低減
• 空気を通して電力を放射する
• NTIA 連邦無線周波数管理に関する規制および手順マニュアル。2011 年。