Вести - Преглед на антени за далноводи базирани на метаматеријали (Дел 2)

2. Примена на MTM-TL во Антенски системи
Овој дел ќе се фокусира на вештачки метаматеријални TL и некои од нивните најчести и релевантни апликации за реализација на различни антени структури со ниска цена, лесно производство, минијатуризација, широк опсег, висока добивка и ефикасност, можност за скенирање со широк опсег и низок профил. Тие се дискутирани подолу.

1. Широкопојасни и мултифреквентни антени
Во типичен TL со должина од l, кога е дадена аголната фреквенција ω0, електричната должина (или фаза) на далноводот може да се пресмета на следниов начин:

Каде што vp ја претставува фазната брзина на далноводот. Како што може да се види од горенаведеното, пропусниот опсег тесно кореспондира со доцнењето на групата, кое е дериват на φ во однос на фреквенцијата. Затоа, како што должината на далноводот станува пократка, пропусниот опсег исто така станува поширок. Со други зборови, постои обратна врска помеѓу пропусниот опсег и основната фаза на далноводот, која е специфична за дизајнот. Ова покажува дека во традиционалните дистрибуирани кола, оперативниот опсег не е лесно да се контролира. Ова може да се припише на ограничувањата на традиционалните далноводи во однос на степените на слобода. Сепак, елементите за вчитување овозможуваат користење на дополнителни параметри во метаматеријалните TL, а фазната реакција може да се контролира до одреден степен. За да се зголеми пропусниот опсег, неопходно е да се има сличен наклон во близина на работната фреквенција на карактеристиките на дисперзијата. Вештачкиот метаматеријал TL може да ја постигне оваа цел. Врз основа на овој пристап, во трудот се предложени многу методи за подобрување на пропусниот опсег на антените. Научниците дизајнираа и фабрикуваа две широкопојасни антени натоварени со резонатори на сплит прстен (види Слика 7). Резултатите прикажани на Слика 7 покажуваат дека по вчитувањето на резонаторот со разделен прстен со конвенционалната монополна антена, се возбудува режим на ниска резонантна фреквенција. Големината на резонаторот со поделен прстен е оптимизирана за да се постигне резонанца блиска до онаа на монополната антена. Резултатите покажуваат дека кога двете резонанци се совпаѓаат, карактеристиките на пропусниот опсег и зрачењето на антената се зголемуваат. Должината и ширината на монополската антена се 0,25λ0×0,11λ0 и 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), соодветно, а должината и ширината на монополната антена натоварена со резонатор со поделен прстен се 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz ), соодветно. За конвенционалната антена во облик на F и антена во форма на Т без резонатор со поделен прстен, најголемото засилување и ефикасноста на зрачење измерени во опсегот од 5GHz се 3,6dBi - 78,5% и 3,9dBi - 80,2%, соодветно. За антената натоварена со резонатор со поделен прстен, овие параметри се 4dBi - 81,2% и 4,4dBi - 83%, соодветно, во опсегот 6GHz. Со имплементирање на резонатор со поделен прстен како соодветно оптоварување на монополската антена, може да се поддржат опсезите од 2,9 GHz ~ 6,41 GHz и 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, што одговараат на фракционите пропусни широчини од 75,4% и ~87%, соодветно. Овие резултати покажуваат дека пропусниот опсег на мерење е подобрен за приближно 2,4 пати и 2,11 пати во споредба со традиционалните монополни антени со приближно фиксна големина.

Слика 7. Две широкопојасни антени натоварени со резонатори со сплит-прстен.

Како што е прикажано на слика 8, прикажани се експерименталните резултати на компактната печатена монополна антена. Кога S11≤- 10 dB, оперативниот опсег е 185% (0,115-2,90 GHz), а на 1,45 GHz, врвното засилување и ефикасноста на зрачење се 2,35 dBi и 78,8%, соодветно. Распоредот на антената е сличен на структурата на триаголен лист, кој се напојува со кривилинеарен делител на моќноста. Скратениот GND содржи централен никулец поставен под фидерот, а околу него се распоредени четири отворени резонантни прстени, што го проширува пропусниот опсег на антената. Антената зрачи речиси сенасочно, покривајќи ги повеќето VHF и S опсези и сите UHF и L опсези. Физичката големина на антената е 48,32×43,72×0,8 mm3, а електричната големина е 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Ги има предностите на малата големина и ниската цена, и има потенцијални изгледи за примена во широкопојасните безжични комуникациски системи.

Слика 8: Монополна антена натоварена со резонатор со поделен прстен.

Слика 9 покажува рамна структура на антена која се состои од два пара меѓусебно поврзани жичени јамки со меандр, заземјени на скратена рамнина за заземјување во форма на Т преку две виси. Големината на антената е 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), каде што λ0 е бранова должина на слободен простор од 0,55 GHz. Антената зрачи сенасочно во E-рамнината во оперативниот фреквентен опсег од 0,55 ~ 3,85 GHz, со максимална добивка од 5,5 dBi на 2,35 GHz и ефикасност од 90,1%. Овие карактеристики ја прават предложената антена погодна за различни апликации, вклучувајќи UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi и Bluetooth.

Сл. 9 Предложена структура на рамна антена.

2. Антена со протекување бранови (LWA)
Новата антена со протекување бранови е една од главните апликации за реализација на вештачки метаматеријал TL. За антени со протекување бранови, ефектот на фазната константа β на аголот на зрачење (θm) и максималната ширина на зракот (Δθ) е како што следува:

L е должината на антената, k0 е бројот на бранот во слободен простор, а λ0 е брановата должина во слободен простор. Забележете дека зрачењето се јавува само кога |β|

3. Резонаторна антена со нула редослед
Единствено својство на метаматеријалот CRLH е дека β може да биде 0 кога фреквенцијата не е еднаква на нула. Врз основа на ова својство, може да се генерира нов резонатор од нула ред (ZOR). Кога β е нула, не се случува фазно поместување во целиот резонатор. Тоа е затоа што константата на фазно поместување φ = - βd = 0. Покрај тоа, резонанцијата зависи само од реактивното оптоварување и е независна од должината на конструкцијата. Слика 10 покажува дека предложената антена е направена со примена на две и три единици со Е-облик, а вкупната големина е 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 и 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, соодветно слободен простор при работа фреквенции од 500 MHz и 650 MHz, соодветно. Антената работи на фреквенции од 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) и 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), со релативна ширина на опсег од 91,9% и 96,0%. Покрај карактеристиките на мала големина и широк опсег, засилувањето и ефикасноста на првата и втората антена се 5,3dBi и 85% (1GHz) и 5,7dBi и 90% (1,4GHz), соодветно.

Сл. 10 Предложени структури на антена со двојна-Е и тројна-Е.

4. Слот Антена
Едноставен метод е предложен за зголемување на отворот на антената CRLH-MTM, но нејзината големина на антената е речиси непроменета. Како што е прикажано на Слика 11, антената вклучува единици CRLH наредени вертикално една на друга, кои содржат закрпи и меандерски линии, а има и слот во форма на S на лепенката. Антената се напојува со соодветен никулец за CPW, а нејзината големина е 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, што одговара на 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, каде што λ0 (3,5 GHz) ја претставува брановата должина на слободниот простор. Резултатите покажуваат дека антената работи во фреквенцискиот опсег од 0,85-7,90 GHz, а нејзиниот работен опсег е 161,14%. Најголемото засилување на зрачењето и ефикасноста на антената се појавуваат на 3,5 GHz, кои се 5,12 dBi и ~80%, соодветно.