Aktualności - Przegląd anten linii transmisyjnych opartych na metamateriałach (część 2)

2. Zastosowanie MTM-TL w systemach antenowych
Ta sekcja skupi się na sztucznych metamateriałach TL i niektórych z ich najczęstszych i najbardziej istotnych zastosowań do realizacji różnych struktur antenowych o niskim koszcie, łatwej produkcji, miniaturyzacji, szerokim paśmie, wysokim wzmocnieniu i wydajności, możliwości skanowania w szerokim zakresie i niskim profilu. Są one omówione poniżej.

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

Gdzie vp oznacza prędkość fazową linii transmisyjnej. Jak widać z powyższego, szerokość pasma ściśle odpowiada opóźnieniu grupowemu, które jest pochodną φ względem częstotliwości. Dlatego też, gdy długość linii transmisyjnej staje się krótsza, szerokość pasma również staje się szersza. Innymi słowy, istnieje odwrotna zależność między szerokością pasma a fazą podstawową linii transmisyjnej, która jest specyficzna dla projektu. Pokazuje to, że w tradycyjnych obwodach rozproszonych szerokość pasma roboczego nie jest łatwa do kontrolowania. Można to przypisać ograniczeniom tradycyjnych linii transmisyjnych pod względem stopni swobody. Jednak elementy obciążające pozwalają na użycie dodatkowych parametrów w metamateriałowych TL, a odpowiedź fazowa może być kontrolowana w pewnym stopniu. 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 w artykule zaproponowano wiele metod zwiększania szerokości pasma anten. Naukowcy zaprojektowali i wykonali dwie szerokopasmowe anteny obciążone rezonatorami pierścieniowymi (patrz rysunek 7). Wyniki pokazane na rysunku 7 pokazują, że po obciążeniu rezonatora pierścienia dzielonego konwencjonalną anteną monopolową, wzbudzany jest niski tryb częstotliwości rezonansowej. Rozmiar rezonatora pierścienia dzielonego jest optymalizowany w celu uzyskania rezonansu zbliżonego do rezonansu anteny monopolowej. Wyniki pokazują, że gdy oba rezonanse pokrywają się, 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 pierścienia dzielonego wynoszą odpowiednio 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz). W przypadku konwencjonalnej anteny w kształcie litery F i anteny w kształcie litery T bez rezonatora pierścienia dzielonego najwyższy zysk i wydajność promieniowania zmierzone w paśmie 5 GHz wynoszą odpowiednio 3,6 dBi - 78,5% i 3,9 dBi - 80,2%. W przypadku anteny obciążonej rezonatorem pierścienia dzielonego parametry te wynoszą odpowiednio 4 dBi - 81,2% i 4,4 dBi - 83% w paśmie 6 GHz. Poprzez wdrożenie rezonatora pierścienia dzielonego jako obciążenia dopasowanego do anteny monopolowej, można obsługiwać pasma 2,9 GHz ~ 6,41 GHz i 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, co odpowiada ułamkowym szerokościom pasma odpowiednio 75,4% i ~87%. Wyniki te pokazują, że szerokość pasma pomiaru jest poprawiona o około 2,4 raza i 2,11 raza w porównaniu do tradycyjnych anten monopolowych o mniej więcej stałym rozmiarze.

Rysunek 7. Dwie anteny szerokopasmowe obciążone rezonatorami pierścieniowymi.

Jak pokazano na rysunku 8, przedstawiono wyniki eksperymentów kompaktowej drukowanej anteny monopolowej. Gdy S11≤- 10 dB, szerokość pasma roboczego wynosi 185% (0,115-2,90 GHz), a przy 1,45 GHz, szczytowy zysk i wydajność promieniowania wynoszą odpowiednio 2,35 dBi i 78,8%. Układ anteny jest podobny do trójkątnej struktury arkusza typu back-to-back, która jest zasilana przez krzywoliniowy dzielnik mocy. Obcięty GND zawiera centralny odcinek umieszczony pod podajnikiem, a wokół niego rozmieszczone są cztery otwarte pierścienie rezonansowe, co poszerza szerokość pasma anteny. Antena promieniuje niemal dookólnie, obejmując 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 wynosi 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Ma ona zalety małych rozmiarów i niskich kosztów, a także potencjalne perspektywy 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 ściętej płaszczyzny uziemienia w kształcie litery T przez dwa otwory przelotowe. Rozmiar anteny wynosi 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), gdzie λ0 jest długością fali w wolnej przestrzeni wynoszącą 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 wydajnością 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 upływową (LWA)
Nowa antena z falą wyciekającą jest jednym z głównych zastosowań do realizacji sztucznego metamateriału TL. 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 z rezonatorem 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 wolnej przestrzeni przy częstotliwościach roboczych odpowiednio 500 MHz i 650 MHz. Antena pracuje w częstotliwościach 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) i 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), ze względnymi szerokościami pasma wynoszącymi 91,9% i 96,0%. Oprócz niewielkich 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 struktury anten podwójnego-E i potrójnego-E.

4. Antena szczelinowa
Zaproponowano prostą metodę powiększenia apertury anteny CRLH-MTM, ale jej rozmiar anteny pozostał niemal niezmieniony. Jak pokazano na rysunku 11, antena obejmuje 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 pasujący 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 wydajność anteny występują przy 3,5 GHz, które wynoszą odpowiednio 5,12 dBi i ~80%.