2. Zastosowanie MTM-TL w systemach antenowych
W tej sekcji skupimy się na sztucznych metamateriałach TL oraz ich najczęstszych i najistotniejszych zastosowaniach w realizacji różnych struktur antenowych o niskim koszcie, łatwej produkcji, miniaturyzacji, szerokim paśmie, wysokim wzmocnieniu i wydajności, możliwości skanowania w szerokim zakresie oraz niskim profilu. Omówimy je poniżej.
1. Anteny szerokopasmowe i wieloczęstotliwościowe
W typowym TL o długości l, gdy podana jest częstotliwość kątowa ω0, długość elektryczną (lub fazę) linii transmisyjnej można obliczyć w następujący sposób:
Gdzie vp reprezentuje prędkość fazową linii transmisyjnej. Jak widać z powyższego, szerokość pasma ściśle odpowiada opóźnieniu grupowemu, które jest pochodną φ względem częstotliwości. Zatem wraz ze skracaniem się długości linii transmisyjnej, szerokość pasma również się poszerza. Innymi słowy, istnieje odwrotna zależność między szerokością pasma a fazą podstawową linii transmisyjnej, co jest specyficzne dla jej konstrukcji. Pokazuje to, że w tradycyjnych obwodach rozproszonych szerokość pasma roboczego nie jest łatwa do kontrolowania. Można to przypisać ograniczeniom tradycyjnych linii transmisyjnych pod względem liczby stopni swobody. Jednakże elementy obciążające pozwalają na zastosowanie dodatkowych parametrów w metamateriałowych rezonatorach dyspersyjnych, a odpowiedź fazowa może być w pewnym stopniu kontrolowana. Aby zwiększyć szerokość pasma, konieczne jest uzyskanie podobnego nachylenia charakterystyk dyspersyjnych w pobliżu częstotliwości roboczej. Sztuczne metamateriałowe rezonatory dyspersyjne mogą osiągnąć ten cel. W oparciu o to podejście w artykule zaproponowano wiele metod zwiększania szerokości pasma anten. Naukowcy zaprojektowali i wykonali dwie anteny szerokopasmowe obciążone rezonatorami pierścieniowymi (patrz rysunek 7). Wyniki przedstawione na rysunku 7 pokazują, że po obciążeniu rezonatora pierścieniowego konwencjonalną anteną monopolową, wzbudzony zostaje mod o niskiej częstotliwości rezonansowej. Rozmiar rezonatora pierścieniowego jest zoptymalizowany w celu uzyskania rezonansu zbliżonego do częstotliwości rezonansowej anteny monopolowej. Wyniki pokazują, że gdy oba rezonanse się pokrywają, szerokość pasma i charakterystyka promieniowania anteny ulegają zwiększeniu. Długość i szerokość anteny monopolowej wynoszą odpowiednio 0,25λ0×0,11λ0 i 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz), a długość i szerokość anteny monopolowej obciążonej rezonatorem pierścieniowym wynoszą odpowiednio 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz). Dla konwencjonalnej anteny w kształcie litery F i anteny w kształcie litery T bez rezonatora pierścieniowego, najwyższe wzmocnienie i sprawność promieniowania zmierzone w paśmie 5 GHz wynoszą odpowiednio 3,6 dBi - 78,5% i 3,9 dBi - 80,2%. Dla anteny obciążonej rezonatorem pierścieniowym parametry te wynoszą odpowiednio 4 dBi - 81,2% i 4,4 dBi - 83% w paśmie 6 GHz. Implementacja rezonatora pierścieniowego jako obciążenia dopasowanego do anteny monopolowej umożliwia obsługę pasm 2,9 GHz - 6,41 GHz i 2,6 GHz - 6,6 GHz, co odpowiada ułamkowym szerokościom pasma wynoszącym odpowiednio 75,4% i ~87%. Wyniki te pokazują, że szerokość pasma pomiarowego jest poprawiona o około 2,4 raza i 2,11 raza w porównaniu z tradycyjnymi antenami monopolowymi o w przybliżeniu stałym rozmiarze.
Rysunek 7. Dwie anteny szerokopasmowe obciążone rezonatorami pierścieniowymi.
Jak pokazano na rysunku 8, przedstawiono wyniki eksperymentalne kompaktowej drukowanej anteny monopolowej. Dla S11 ≤ -10 dB, pasmo robocze wynosi 185% (0,115-2,90 GHz), a dla 1,45 GHz, zysk szczytowy i sprawność promieniowania wynoszą odpowiednio 2,35 dBi i 78,8%. Układ anteny przypomina strukturę arkusza trójkątnego typu back-to-back, zasilaną przez krzywoliniowy dzielnik mocy. Obcięty przewód GND zawiera centralny trzpień umieszczony pod zasilaczem, a wokół niego rozmieszczone są cztery otwarte pierścienie rezonansowe, co poszerza pasmo anteny. Antena promieniuje niemal dookólnie, pokrywając większość pasm VHF i S oraz wszystkie pasma UHF i L. Wymiary anteny wynoszą 48,32 × 43,72 × 0,8 mm³, a wymiary elektryczne 0,235 λ0 × 0,211 λ0 × 0,003 λ0. Zaletą anteny są jej niewielkie rozmiary i niski koszt, co stwarza potencjalne możliwości zastosowania w szerokopasmowych systemach komunikacji bezprzewodowej.
Rysunek 8: Antena monopolowa obciążona rezonatorem pierścieniowym.
Rysunek 9 przedstawia płaską strukturę anteny składającą się z dwóch par połączonych ze sobą pętli drutu meandrowego, uziemionych do płaszczyzny uziemienia w kształcie litery T poprzez dwa otwory przelotowe. Wymiary anteny wynoszą 38,5 × 36,6 mm² (0,070 λ0 × 0,067 λ0), gdzie λ0 to długość fali w wolnej przestrzeni wynosząca 0,55 GHz. Antena promieniuje dookólnie w płaszczyźnie E w paśmie częstotliwości roboczych 0,55 ~ 3,85 GHz, z maksymalnym wzmocnieniem 5,5 dBi przy 2,35 GHz i sprawnością 90,1%. Te cechy sprawiają, że proponowana antena nadaje się do różnych zastosowań, w tym UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi i Bluetooth.
Rys. 9 Proponowana struktura anteny płaskiej.
2. Antena z falą wyciekającą (LWA)
Nowa antena z falą wyciekającą jest jednym z głównych zastosowań w realizacji sztucznej TL z metamateriału. W przypadku anten z falą wyciekającą wpływ stałej fazowej β na kąt promieniowania (θm) i maksymalną szerokość wiązki (Δθ) jest następujący:
L to długość anteny, k0 to liczba falowa w wolnej przestrzeni, a λ0 to długość fali w wolnej przestrzeni. Należy zauważyć, że promieniowanie występuje tylko wtedy, gdy |β|
3. Antena rezonatorowa zerowego rzędu
Unikalną właściwością metamateriału CRLH jest to, że β może wynosić 0, gdy częstotliwość nie jest równa zeru. Na podstawie tej właściwości można wygenerować nowy rezonator zerowego rzędu (ZOR). Gdy β wynosi zero, w całym rezonatorze nie występuje przesunięcie fazowe. Dzieje się tak, ponieważ stała przesunięcia fazowego φ = - βd = 0. Ponadto rezonans zależy tylko od obciążenia reaktywnego i jest niezależny od długości konstrukcji. Rysunek 10 pokazuje, że proponowana antena jest wytwarzana przez zastosowanie dwóch i trzech jednostek o kształcie litery E, a jej całkowity rozmiar wynosi odpowiednio 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 i 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, gdzie λ0 reprezentuje długość fali w wolnej przestrzeni przy częstotliwościach roboczych odpowiednio 500 MHz i 650 MHz. Antena pracuje w zakresie częstotliwości 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) i 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), przy względnych szerokościach pasma wynoszących odpowiednio 91,9% i 96,0%. Oprócz niewielkich rozmiarów i szerokiego pasma, zysk energetyczny i sprawność pierwszej i drugiej anteny wynoszą odpowiednio 5,3 dBi i 85% (1 GHz) oraz 5,7 dBi i 90% (1,4 GHz).
Rys. 10 Proponowane struktury anten podwójnego E i potrójnego E.
4. Antena szczelinowa
Prosta metoda została zaproponowana w celu powiększenia apertury anteny CRLH-MTM, ale jej rozmiar anteny pozostał niemal niezmieniony. Jak pokazano na rysunku 11, antena zawiera jednostki CRLH ułożone pionowo jedna na drugiej, które zawierają łaty i linie meandrowe, a na łacie znajduje się szczelina w kształcie litery S. Antena jest zasilana przez dopasowany odcinek CPW, a jej rozmiar wynosi 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, co odpowiada 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, gdzie λ0 (3,5 GHz) reprezentuje długość fali wolnej przestrzeni. Wyniki pokazują, że antena działa w paśmie częstotliwości 0,85–7,90 GHz, a jej szerokość pasma roboczego wynosi 161,14%. Najwyższy zysk promieniowania i sprawność anteny występują przy 3,5 GHz, które wynoszą odpowiednio 5,12 dBi i ~80%.
Rys. 11 Proponowana antena szczelinowa CRLH MTM.
Aby dowiedzieć się więcej o antenach, odwiedź stronę:
Czas publikacji: 30 sierpnia 2024 r.
