Novinky - Prehľad antén pre prenosové vedenia na báze metamateriálov (2. časť)

2. Aplikácia MTM-TL v anténnych systémoch
Táto časť sa zameria na umelé metamateriálové TL a niektoré z ich najbežnejších a najrelevantnejších aplikácií na realizáciu rôznych anténnych štruktúr s nízkymi nákladmi, jednoduchou výrobou, miniaturizáciou, širokou šírkou pásma, vysokým ziskom a účinnosťou, možnosťou skenovania v širokom rozsahu a nízkym profilom. Sú diskutované nižšie.

1. Širokopásmové a multifrekvenčné antény
V typickom TL s dĺžkou l, keď je daná uhlová frekvencia ω0, možno elektrickú dĺžku (alebo fázu) prenosového vedenia vypočítať takto:

Kde vp predstavuje fázovú rýchlosť prenosového vedenia. Ako je vidieť z vyššie uvedeného, šírka pásma úzko zodpovedá skupinovému oneskoreniu, ktoré je deriváciou φ vzhľadom na frekvenciu. Preto s kratšou dĺžkou prenosového vedenia sa šírka pásma tiež rozširuje. Inými slovami, existuje inverzný vzťah medzi šírkou pásma a základnou fázou prenosového vedenia, čo je špecifické pre daný návrh. To ukazuje, že v tradičných distribuovaných obvodoch nie je ľahké ovládať prevádzkovú šírku pásma. To možno pripísať obmedzeniam tradičných prenosových vedení z hľadiska stupňov voľnosti. Zaťažovacie prvky však umožňujú použitie ďalších parametrov v metamateriálových TL a fázovú odozvu je možné do určitej miery ovládať. Na zvýšenie šírky pásma je potrebné mať podobný sklon disperzných charakteristík v blízkosti prevádzkovej frekvencie. Umelé metamateriálové TL môžu tento cieľ dosiahnuť. Na základe tohto prístupu je v článku navrhnutých mnoho metód na zvýšenie šírky pásma antén. Vedci navrhli a vyrobili dve širokopásmové antény s delenými kruhovými rezonátormi (pozri obrázok 7). Výsledky znázornené na obrázku 7 ukazujú, že po zaťažení rezonátora s deleným kruhovým rezonátorom konvenčnou monopólovou anténou sa vybudí mód s nízkou rezonančnou frekvenciou. Veľkosť rezonátora s deleným kruhovým rezonátorom je optimalizovaná tak, aby sa dosiahla rezonancia blízka rezonancii monopólovej antény. Výsledky ukazujú, že keď sa tieto dve rezonancie zhodujú, šírka pásma a vyžarovacie charakteristiky antény sa zväčšia. Dĺžka a šírka monopólovej antény sú 0,25λ0×0,11λ0 a 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz) a dĺžka a šírka monopólovej antény zaťaženej rezonátorom s deleným kruhovým rezonátorom sú 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz). Pre konvenčnú anténu v tvare F a anténu v tvare T bez rezonátora s deleným kruhovým rezonátorom je najvyšší zisk a vyžarovacia účinnosť namerané v pásme 5 GHz 3,6 dBi - 78,5 % a 3,9 dBi - 80,2 %. Pre anténu zaťaženú deleným kruhovým rezonátorom sú tieto parametre 4dBi - 81,2 % a 4,4dBi - 83 % v pásme 6 GHz. Implementáciou deleného kruhového rezonátora ako prispôsobovacej záťaže na monopólovej anténe je možné podporiť 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 monopólovými anténami približne pevnej veľkosti.

Obrázok 7. Dve širokopásmové antény s delenými kruhovými rezonátormi.

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 %. Usporiadanie antény je podobné trojuholníkovej plechovej štruktúre chrbtom k sebe, ktorá je napájaná krivočiarym deličom výkonu. Skrátený GND obsahuje centrálny vývod umiestnený pod napájačom a okolo neho sú rozmiestnené štyri otvorené rezonančné krúžky, čo rozširuje šírku pásma antény. Anténa vyžaruje takmer všesmerovo a 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 malých rozmerov a nízkych nákladov a má potenciálne využitie v širokopásmových bezdrôtových komunikačných systémoch.

Obrázok 8: Monopolová anténa zaťažená deleným kruhovým rezonátorom.

Obrázok 9 znázorňuje planárnu anténnu štruktúru pozostávajúcu z dvoch párov prepojených slučiek meandrových drôtov uzemnených na skrátenej základnej rovine v tvare T cez dva priechody. Rozmery antény sú 38,5 × 36,6 mm2 (0,070λ0 × 0,067λ0), kde λ0 je vlnová dĺžka vo voľnom priestore 0,55 GHz. Anténa vyžaruje všesmerovo v rovine E v prevádzkovom 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. Anténa s deravou vlnou (LWA)
Nová anténa s deravou vlnou je jednou z hlavných aplikácií na realizáciu umelej metamateriálnej TL. Pre antény s deravou vlnou je vplyv fázovej konštanty β na uhol vyžarovania (θm) a maximálnu šírku lúča (Δθ) nasledovný:

L je dĺžka antény, k0 je vlnočíslo vo voľnom priestore a λ0 je vlnová dĺžka vo voľnom priestore. Všimnite si, že k žiareniu dochádza iba vtedy, keď |β|

3. Anténa s rezonátorom nultého rádu
Jedinečnou vlastnosťou metamateriálu CRLH je, že β môže byť 0, keď frekvencia nie je rovná nule. Na základe tejto vlastnosti je možné vygenerovať nový rezonátor nultého rádu (ZOR). Keď je β nula, v celom rezonátore nedochádza k žiadnemu fázovému posunu. Je to preto, že konštanta fázového posunu φ = - βd = 0. Okrem toho rezonancia závisí iba od jalového 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, kde λ0 predstavuje vlnovú dĺžku voľného priestoru pri prevádzkových frekvenciách 500 MHz a 650 MHz. Anténa pracuje na frekvenciách 0,5 – 1,35 GHz (0,85 GHz) a 0,65 – 1,85 GHz (1,2 GHz) s relatívnou šírkou 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 Navrhované štruktúry antén s dvojitým E a trojitým E.

4. Štrbinová anténa
Bola navrhnutá jednoduchá metóda na zväčšenie apertúry antény CRLH-MTM, ale jej veľkosť zostala takmer nezmenená. Ako je znázornené na obrázku 11, anténa obsahuje jednotky CRLH naskladané vertikálne na sebe, ktoré obsahujú záplaty a meandrové čiary, a na záplate je štrbina v tvare S. Anténa je napájaná prispôsobovacím vývodom CPW 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 žiarenia a účinnosť antény sa objavujú pri 3,5 GHz, čo je 5,12 dBi a ~80 %.