Aktualności - Przegląd anten linii przesyłowych opartych na metamateriałach (Część 2)

2. Zastosowanie MTM-TL w systemach antenowych
W tej sekcji skupimy się na sztucznych metamateriałach TL i niektórych z ich najpowszechniejszych i odpowiednich zastosowań do realizacji różnych konstrukcji anten przy niskim koszcie, łatwej produkcji, miniaturyzacji, szerokim paśmie, wysokim wzmocnieniu i wydajności, możliwości skanowania w szerokim zakresie i niskim profilu. Omówiono je poniżej.

1. Anteny szerokopasmowe i wieloczęstotliwościowe
W typowym TL o długości l, gdy podana jest częstotliwość kątowa ω0, długość elektryczną (lub fazę) linii przesyłowej można obliczyć w następujący sposób:

Gdzie vp oznacza prędkość fazową linii przesyłowej. Jak widać z powyższego, szerokość pasma ściśle odpowiada opóźnieniu grupowemu, które jest pochodną φ względem częstotliwości. Dlatego też, gdy długość linii przesyłowej staje się krótsza, szerokość pasma również staje się szersza. Innymi słowy, istnieje odwrotna zależność pomiędzy szerokością pasma a fazą podstawową linii przesyłowej, która jest zależna od projektu. Pokazuje to, że w tradycyjnych obwodach rozproszonych przepustowość robocza nie jest łatwa do kontrolowania. Można to przypisać ograniczeniom tradycyjnych linii przesyłowych pod względem stopni swobody. Jednakże elementy ładujące umożliwiają zastosowanie dodatkowych parametrów w metamateriałach TL, a odpowiedź fazowa może być w pewnym stopniu kontrolowana. Aby zwiększyć szerokość pasma, konieczne jest uzyskanie podobnego nachylenia w pobliżu częstotliwości roboczej charakterystyk dyspersji. Sztuczny metamateriał TL może osiągnąć ten cel. W oparciu o to podejście zaproponowano wiele metod zwiększania szerokości pasma anten. Uczeni zaprojektowali i wyprodukowali dwie szerokopasmowe anteny wyposażone w rezonatory z dzielonym pierścieniem (patrz rysunek 7). Wyniki pokazane na rysunku 7 pokazują, że po obciążeniu rezonatora z dzielonym pierścieniem konwencjonalną anteną jednobiegunową wzbudzany jest tryb o niskiej częstotliwości rezonansowej. Rozmiar rezonatora z dzielonym pierścieniem jest zoptymalizowany w celu uzyskania rezonansu zbliżonego do rezonansu anteny jednobiegunowej. Wyniki pokazują, że gdy oba rezonanse pokrywają się, zwiększa się szerokość pasma i charakterystyka promieniowania anteny. Długość i szerokość anteny jednobiegunowej wynoszą odpowiednio 0,25λ0×0,11λ0 i 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz), a długość i szerokość anteny jednobiegunowej obciążonej rezonatorem z dzielonym pierścieniem wynoszą 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz) ), odpowiednio. W przypadku konwencjonalnej anteny w kształcie litery F i anteny w kształcie litery T bez rezonatora z dzielonym pierścieniem, najwyższe wzmocnienie i efektywność promieniowania zmierzone w paśmie 5 GHz wynoszą odpowiednio 3,6 dBi – 78,5% i 3,9 dBi – 80,2%. Dla anteny obciążonej rezonatorem z dzielonym pierścieniem parametry te wynoszą odpowiednio 4dBi – 81,2% i 4,4dBi – 83% w paśmie 6GHz. Dzięki zastosowaniu rezonatora z dzielonym pierścieniem jako obciążenia dopasowującego antenę jednobiegunową można obsługiwać pasma 2,9 GHz ~ 6,41 GHz i 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, co odpowiada ułamkowym pasmom odpowiednio 75,4% i ~87%. Wyniki te pokazują, że szerokość pasma pomiarowego jest poprawiona około 2,4 razy i 2,11 razy w porównaniu z tradycyjnymi antenami jednobiegunowymi o w przybliżeniu stałym rozmiarze.

Rysunek 7. Dwie anteny szerokopasmowe obciążone rezonatorami z dzielonym pierścieniem.

Jak pokazano na rysunku 8, pokazano wyniki eksperymentów kompaktowej drukowanej anteny jednobiegunowej. Gdy S11≤-10 dB, szerokość pasma roboczego wynosi 185% (0,115-2,90 GHz), a przy 1,45 GHz wzmocnienie szczytowe i wydajność promieniowania wynoszą odpowiednio 2,35 dBi i 78,8%. Układ anteny jest podobny do trójkątnej konstrukcji arkuszowej, która jest zasilana przez krzywoliniowy dzielnik mocy. Ścięty GND zawiera centralny króciec umieszczony pod zasilaczem, a wokół niego rozmieszczone są cztery otwarte pierścienie rezonansowe, co poszerza szerokość pasma anteny. Antena promieniuje niemal dookólnie, pokrywając większość pasm VHF i S oraz wszystkie pasma UHF i L. Fizyczny rozmiar anteny wynosi 48,32×43,72×0,8 mm3, a rozmiar elektryczny to 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Ma zalety niewielkich rozmiarów i niskiego kosztu oraz ma potencjalne perspektywy zastosowania w szerokopasmowych systemach komunikacji bezprzewodowej.

Rysunek 8: Antena jednobiegunowa obciążona rezonatorem z dzielonym pierścieniem.

Rysunek 9 przedstawia płaską konstrukcję anteny składającą się z dwóch par połączonych ze sobą pętli z drutu meandrowego, uziemionych do płaszczyzny uziemienia w kształcie ściętej litery T poprzez dwie przelotki. Rozmiar anteny wynosi 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), gdzie λ0 to długość fali w wolnej przestrzeni wynosząca 0,55 GHz. Antena promieniuje dookólnie w płaszczyźnie E w zakresie częstotliwości roboczej 0,55 ~ 3,85 GHz, z maksymalnym wzmocnieniem 5,5 dBi przy 2,35 GHz i wydajnością 90,1%. Cechy te 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 płaska konstrukcja anteny.

2. Antena nieszczelna (LWA)
Nowa antena z nieszczelną falą jest jednym z głównych zastosowań w realizacji sztucznego metamateriału TL. W przypadku anten z falą nieszczelną 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 pamiętać, że promieniowanie występuje tylko wtedy, gdy |β|

3. Antena rezonatora zerowego rzędu
Unikalną właściwością metamateriału CRLH jest to, że β może wynosić 0, gdy częstotliwość nie jest równa zero. W oparciu o tę właściwość 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 biernego i jest niezależny od długości konstrukcji. Rysunek 10 pokazuje, że proponowana antena jest wykonana poprzez zastosowanie dwóch i trzech jednostek w kształcie litery E, a jej całkowity rozmiar wynosi odpowiednio 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 i 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, gdzie λ0 oznacza długość fali wolnej przestrzeni przy częstotliwościach roboczych 500 MHz i 650 odpowiednio MHz. Antena działa w zakresie częstotliwości 0,5–1,35 GHz (0,85 GHz) i 0,65–1,85 GHz (1,2 GHz), przy względnej szerokości pasma 91,9% i 96,0%. Oprócz cech charakterystycznych małych rozmiarów i szerokiego pasma, zysk i wydajność 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 konstrukcje anten typu double-E i triple-E.

4. Antena szczelinowa
Zaproponowano prostą metodę powiększania apertury anteny CRLH-MTM, ale jej rozmiar anteny pozostaje prawie niezmieniony. Jak pokazano na rysunku 11, antena zawiera jednostki CRLH ułożone pionowo jedna na drugiej, które zawierają plamy i linie meandrowe, a na łatce znajduje się szczelina w kształcie litery S. Antena jest zasilana przez końcówkę dopasowującą 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) oznacza długość fali w wolnej przestrzeni. Z wyników wynika, że antena pracuje w paśmie częstotliwości 0,85-7,90 GHz, a jej szerokość robocza wynosi 161,14%. Najwyższy zysk promieniowania i wydajność anteny występują przy 3,5 GHz, które wynoszą odpowiednio 5,12 dBi i ~80%.