Die Entwicklung physikalischer Strukturen, die eine Phasenverschiebung des Reflexionskoeffizienten um null Grad aufweisen, stellt eine besonders interessante Herausforderung dar. Obwohl dies theoretisch das Verhalten eines perfekten magnetischen Leiters (Perfect Magnetic Conductor, PMC) ist, kommen PMC-Materialien in der Natur nicht vor. Bei richtigem Design versprechen diese Metamaterialien eine Verbesserung der Antennenleistung bei gleichzeitiger Verringerung der Gesamtgröße. Dr. Makino vom Kanazawa Institute of Technology hat auf diesem Gebiet Fortschritte erzielt, indem er eine periodische Struktur mit zwei Ringen verwendete. Die Struktur in Abbildung 1, die die Reflexionsphase von PMC bei 9,5 GHz zeigt, wurde ursprünglich in seinem Labor entworfen, hergestellt und getestet. Später wurde sie in XF simuliert und es wurde eine gute Übereinstimmung festgestellt.
Abbildung 1: Die hergestellte periodische FSS-Struktur mit zwei Ringen.
Es wurden zwei frequenzselektive Oberflächenstrukturen (FSS) hergestellt und gemessen; die periodischen Doppelringe aus Abbildung 2 waren auf beiden Oberflächen vorhanden. In Fall I bestand die FSS aus einer einzigen Substratschicht mit einer Dicke von 0,564 mm, während Fall II eine zusätzliche Abstandsschicht enthielt und mit einer Metallplatte mit einer Gesamtdicke von 5,264 mm unterlegt war.
Abbildung 2: Abmessungen der Ringe.
Für die XFdtd-Simulationen wurde jeweils nur eine einzige Doppelringeinheit modelliert, wie in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt. Während der Berechnung wurden periodische Randbedingungen auf die Einheiten angewandt, um die hergestellte Struktur besser darzustellen und gleichzeitig den Speicher- und Laufzeitbedarf zu verringern. Eine linear polarisierte ebene Welle wurde normal auf die periodische Struktur eingestrahlt, um den Messbedingungen zu entsprechen, und die gestreuten Felder wurden gesammelt.
Abbildung 3: Einheitszelle von Fall I: FSS-Struktur.
Abbildung 4: Einheitszelle von Fall II: FSS-Struktur mit Metallrückseite.
Die Transmissionskoeffizienten wurden für Fall I berechnet und mit Messungen verglichen (siehe Abbildungen 5 und 6).
Abbildung 5: Größenordnungen der Transmissionskoeffizienten für Fall I.
Abbildung 6: Phasen des Transmissionskoeffizienten für Fall I.
Die Phase des Reflexionskoeffizienten wurde für Fall II berechnet und mit dem gefertigten FSS mit Metallrückseite verglichen (siehe Abbildung 7). Diese Abbildung zeigt, dass die Struktur gut konzipiert ist und wie PMC bei 9,5 GHz eine Reflexionsphase von null Grad aufweist.
Abbildung 7: Phasen des Reflexionskoeffizienten für Fall II.
Eine zusätzliche Fall-II-Simulation wurde mit drei Einheitszellen durchgeführt, und es wurden stationäre elektrische Felder bei 9,5 GHz gespeichert. Abbildung 8 zeigt die ungleichmäßige Feldverteilung an der Oberfläche des metallgestützten FSS. Wenn diese Struktur für eine Antenne mit niedrigem Profil verwendet würde, sollte diese Verteilung bei der Bestimmung der Höhe des Strahlers über dem Reflektor berücksichtigt werden.
