Novinky - Prehľad antén prenosových vedení založených na metamateriáloch (2. časť)

2. Aplikácia MTM-TL v anténnych systémoch
Táto časť sa zameria na umelé metamateriálové TL a niektoré z ich najbežnejších a relevantných aplikácií na realizáciu rôznych anténnych štruktúr s nízkymi nákladmi, jednoduchou výrobou, miniaturizáciou, širokou šírkou pásma, vysokým ziskom a účinnosťou, schopnosťou skenovania so širokým rozsahom a nízkym profilom. O nich sa hovorí nižšie.

1. Širokopásmové a viacfrekvenčné antény
V typickom TL s dĺžkou l, keď je daná uhlová frekvencia ω0, elektrická dĺžka (alebo fáza) prenosového vedenia sa môže vypočítať takto:

Kde vp predstavuje fázovú rýchlosť prenosového vedenia. Ako je možné vidieť z vyššie uvedeného, šírka pásma úzko zodpovedá skupinovému oneskoreniu, ktoré je deriváciou φ vzhľadom na frekvenciu. Preto, keď sa dĺžka prenosovej linky skracuje, šírka pásma sa tiež rozširuje. Inými slovami, existuje inverzný vzťah medzi šírkou pásma a základnou fázou prenosovej linky, ktorá je špecifická pre dizajn. To ukazuje, že v tradičných distribuovaných obvodoch nie je ľahké ovládať operačnú šírku pásma. To možno pripísať obmedzeniam tradičných prenosových vedení, pokiaľ ide o stupne voľnosti. Zaťažovacie prvky však umožňujú použitie ďalších parametrov v metamateriálových TL a fázovú odozvu možno do určitej miery kontrolovať. Aby sa zväčšila šírka pásma, je potrebné mať podobný sklon blízko pracovnej frekvencie disperzných charakteristík. Tento cieľ môže dosiahnuť umelý metamateriál TL. Na základe tohto prístupu je v článku navrhnutých mnoho metód na zvýšenie šírky pásma antén. Vedci navrhli a vyrobili dve širokopásmové antény naplnené rezonátormi s deleným prstencom (pozri obrázok 7). Výsledky zobrazené na obrázku 7 ukazujú, že po zaťažení rezonátora s deleným prstencom konvenčnou monopólovou anténou sa vybudí režim nízkej rezonancie. Veľkosť rezonátora s deleným prstencom je optimalizovaná na dosiahnutie rezonancie blízkej rezonancii monopolnej antény. Výsledky ukazujú, že keď sa tieto dve rezonancie zhodujú, šírka pásma a vyžarovacie charakteristiky antény sa zvýšia. Dĺžka a šírka monopolnej antény sú 0,25λ0×0,11λ0 a 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz) a dĺžka a šírka monopolnej antény zaťaženej rezonátorom s deleným prstencom sú 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz) ), resp. Pre konvenčnú anténu v tvare F a anténu v tvare T bez rezonátora s deleným prstencom je najvyšší zisk a účinnosť žiarenia nameraná v pásme 5 GHz 3,6 dBi - 78,5 % a 3,9 dBi - 80,2 %, v tomto poradí. Pre anténu zaťaženú deleným prstencovým rezonátorom sú tieto parametre 4dBi - 81,2%, respektíve 4,4dBi - 83% v pásme 6GHz. Implementáciou deleného prstencového rezonátora ako zodpovedajúceho zaťaženia na monopolnej anténe môžu byť podporované pásma 2,9 GHz ~ 6,41 GHz a 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, čo zodpovedá zlomkovým šírkam pásma 75,4 % a ~ 87 %. Tieto výsledky ukazujú, že šírka pásma merania sa zlepšila približne 2,4-krát a 2,11-krát v porovnaní s tradičnými monopolnými anténami približne pevnej veľkosti.

Obrázok 7. Dve širokopásmové antény zaťažené rezonátormi s deleným prstencom.

Ako je znázornené na obrázku 8, sú zobrazené experimentálne výsledky kompaktnej tlačenej monopólovej antény. Keď S11 ≤- 10 dB, prevádzková šírka pásma je 185 % (0,115 – 2,90 GHz) a pri 1,45 GHz je maximálny zisk a účinnosť žiarenia 2,35 dBi a 78,8 %. Rozloženie antény je podobné ako trojuholníková listová štruktúra chrbtom k sebe, ktorá je napájaná krivočiarym rozdeľovačom výkonu. Zrezaný GND obsahuje centrálny pahýľ umiestnený pod podávačom a okolo neho sú rozmiestnené štyri otvorené rezonančné prstence, ktoré rozširujú šírku pásma antény. Anténa vyžaruje takmer všesmerovo, pokrýva väčšinu pásiem VHF a S a všetky pásma UHF a L. Fyzická veľkosť antény je 48,32×43,72×0,8 mm3 a elektrická veľkosť je 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Má výhody malej veľkosti a nízkych nákladov a má potenciálne uplatnenie v širokopásmových bezdrôtových komunikačných systémoch.

Obrázok 8: Monopolová anténa zaťažená rezonátorom s deleným prstencom.

Obrázok 9 zobrazuje rovinnú anténnu štruktúru pozostávajúcu z dvoch párov vzájomne prepojených slučiek meandrových drôtov uzemnených k základnej doske v tvare zrezaného T cez dva priechody. Veľkosť antény je 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), kde λ0 je vlnová dĺžka voľného priestoru 0,55 GHz. Anténa vyžaruje všesmerovo v rovine E v pracovnom frekvenčnom pásme 0,55 ~ 3,85 GHz, s maximálnym ziskom 5,5 dBi pri 2,35 GHz a účinnosťou 90,1 %. Vďaka týmto vlastnostiam je navrhovaná anténa vhodná pre rôzne aplikácie, vrátane UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi a Bluetooth.

Obr. 9 Navrhovaná štruktúra planárnej antény.

2. Netesná vlnová anténa (LWA)
Nová deravá vlnová anténa je jednou z hlavných aplikácií na realizáciu umelého metamateriálu TL. V prípade antén s netesnými vlnami je vplyv fázovej konštanty β na uhol žiarenia (θm) a maximálnu šírku lúča (Δθ) takýto:

L je dĺžka antény, k0 je vlnové číslo vo voľnom priestore a λ0 je vlnová dĺžka vo voľnom priestore. Všimnite si, že žiarenie nastáva iba vtedy, keď |β|

3. Anténa rezonátora nultého rádu
Jedinečnou vlastnosťou metamateriálu CRLH je, že β môže byť 0, keď sa frekvencia nerovná nule. Na základe tejto vlastnosti možno vygenerovať nový rezonátor nultého rádu (ZOR). Keď je β nula, nenastáva fázový posun v celom rezonátore. Je to spôsobené tým, že konštanta fázového posunu φ = - βd = 0. Okrem toho rezonancia závisí len od reaktívneho zaťaženia a je nezávislá od dĺžky konštrukcie. Obrázok 10 ukazuje, že navrhovaná anténa je vyrobená použitím dvoch a troch jednotiek s tvarom E a celková veľkosť je 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 a 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, v tomto poradí, kde λ0 predstavuje vlnovú dĺžku voľného priestoru pri prevádzkových frekvenciách 500 MHz a 650 MHz, resp. Anténa pracuje na frekvenciách 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) a 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), s relatívnymi šírkami pásma 91,9 % a 96,0 %. Okrem charakteristík malej veľkosti a širokej šírky pásma je zisk a účinnosť prvej a druhej antény 5,3 dBi a 85 % (1 GHz) a 5,7 dBi a 90 % (1,4 GHz).

Obr. 10 Navrhovaná štruktúra antény double-E a triple-E.

4. Slotová anténa
Bola navrhnutá jednoduchá metóda na zväčšenie otvoru CRLH-MTM antény, ale jej veľkosť antény je takmer nezmenená. Ako je znázornené na obrázku 11, anténa obsahuje jednotky CRLH naskladané vertikálne na sebe, ktoré obsahujú záplaty a meandrovité čiary a na záplate je štrbina v tvare S. Anténa je napájaná CPW zodpovedajúcim stubom a jej veľkosť je 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, čo zodpovedá 0,204λ0 × 0,375λ0 × 0,018λ0, kde λ0 (3,5 GHz) predstavuje vlnovú dĺžku voľného priestoru. Výsledky ukazujú, že anténa pracuje vo frekvenčnom pásme 0,85-7,90 GHz a jej prevádzková šírka pásma je 161,14 %. Najvyšší zisk vyžarovania a účinnosť antény sa objavujú pri 3,5 GHz, čo je 5,12 dBi a ~ 80 %.