Вести - Преглед на антени за преносни линии базирани на метаматеријали (дел 2)

2. Примена на MTM-TL во антенски системи
Овој дел ќе се фокусира на вештачки метаматеријални TL-ови и некои од нивните најчести и релевантни примени за реализација на различни антенски структури со ниска цена, лесно производство, минијатуризација, широк пропусен опсег, високо засилување и ефикасност, можности за скенирање со широк опсег и низок профил. Тие се дискутирани подолу.

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

Каде што vp ја претставува фазната брзина на преносната линија. Како што може да се види од горенаведеното, пропусниот опсег тесно одговара на групното доцнење, кое е дериват на φ во однос на фреквенцијата. Затоа, како што должината на преносната линија станува пократка, пропусниот опсег исто така станува поширок. Со други зборови, постои инверзна врска помеѓу пропусниот опсег и основната фаза на преносната линија, што е специфично за дизајнот. Ова покажува дека во традиционалните дистрибуирани кола, оперативниот пропусен опсег не е лесен за контрола. Ова може да се припише на ограничувањата на традиционалните преносни линии во однос на степените на слобода. Сепак, елементите за оптоварување дозволуваат да се користат дополнителни параметри во метаматеријалните TL, а фазниот одговор може да се контролира до одреден степен. За да се зголеми пропусниот опсег, потребно е да има сличен наклон во близина на работната фреквенција на карактеристиките на дисперзија. Вештачките метаматеријални TL можат да ја постигнат оваа цел. Врз основа на овој пристап, во трудот се предложени многу методи за подобрување на пропусниот опсег на антените. Научниците дизајнирале и изработиле две широкопојасни антени натоварени со разделени прстенести резонатори (видете Слика 7). Резултатите прикажани на Слика 7 покажуваат дека по полнењето на резонаторот со разделен прстен со конвенционалната монополна антена, се возбудува режим на ниска резонантна фреквенција. Големината на резонаторот со разделен прстен е оптимизирана за да се постигне резонанца блиска до онаа на монополната антена. Резултатите покажуваат дека кога двете резонанции се совпаѓаат, пропусниот опсег и карактеристиките на зрачењето на антената се зголемуваат. Должината и ширината на монополната антена се 0,25λ0×0,11λ0 и 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), соодветно, а должината и ширината на монополната антена натоварена со резонатор со разделен прстен се 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz), соодветно. За конвенционалната антена во облик на F и антената во облик на Т без резонатор со разделен прстен, највисокото засилување и ефикасност на зрачење измерени во опсегот од 5GHz се 3,6dBi - 78,5% и 3,9dBi - 80,2%, соодветно. За антената натоварена со резонатор со разделен прстен, овие параметри се 4dBi - 81,2% и 4,4dBi - 83%, соодветно, во опсегот од 6 GHz. Со имплементација на резонатор со разделен прстен како соодветно оптоварување на монополната антена, може да се поддржат опсезите од 2,9 GHz ~ 6,41 GHz и 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, што одговара на фракциони пропусни опсези 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 наполнети со резонатори со разделен прстен.

Како што е прикажано на Слика 8, прикажани се експерименталните резултати од компактната печатена монополска антена. Кога S11≤- 10 dB, работниот пропусен опсег е 185% (0,115-2,90 GHz), а на 1,45 GHz, врвното засилување и ефикасноста на зрачењето се 2,35 dBi и 78,8%, соодветно. Распоредот на антената е сличен на триаголна лисна структура со грб-до-грб, која се напојува со криволинеарен делител на моќност. Скратениот GND содржи централен дел поставен под доводникот, а околу него се распоредени четири отворени резонантни прстени, што го проширува пропусниот опсег на антената. Антената зрачи речиси сенасочно, покривајќи го поголемиот дел од VHF и S опсезите, како 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. Има предности како што се малата големина и ниската цена, а има и потенцијални перспективи за примена во широкопојасните безжични комуникациски системи.

Слика 8: Монополска антена наполнета со разделен прстенест резонатор.

Слика 9 прикажува рамна структура на антена која се состои од два пара меѓусебно поврзани меандрични жичени јамки заземјени на скратена заземјувачка рамнина во форма на Т преку две вијаси. Големината на антената е 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), каде што λ0 е брановата должина на слободниот простор од 0,55 GHz. Антената зрачи сеопфатно во Е-рамнината во работниот фреквентен опсег од 0,55 ~ 3,85 GHz, со максимално засилување од 5,5dBi 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 рамна структура на антена.

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

L е должината на антената, k0 е брановиот број во слободниот простор, а λ0 е брановата должина во слободниот простор. Забележете дека зрачењето се јавува само кога |β|

3. Резонаторска антена од нулти ред
Уникатно својство на CRLH метаматеријалот е тоа што β може да биде 0 кога фреквенцијата не е еднаква на нула. Врз основа на ова својство, може да се генерира нов резонатор од нулти ред (ZOR). Кога β е нула, не се јавува фазно поместување во целиот резонатор. Ова е затоа што константата на фазно поместување φ = - βd = 0. Покрај тоа, резонанцијата зависи само од реактивното оптоварување и е независна од должината на структурата. Слика 10 покажува дека предложената антена е изработена со примена на две и три единици со E-форма, а вкупната големина е 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 и 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, соодветно, каде што λ0 ја претставува брановата должина на слободниот простор на работни 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 релативни пропусни опсези од 91,9% и 96,0%. Покрај карактеристиките на мала големина и широк пропусен 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 антени со двојно Е и тројно Е.

4. Антена со слотови
Предложен е едноставен метод за зголемување на отворот на антената CRLH-MTM, но нејзината големина е речиси непроменета. Како што е прикажано на Слика 11, антената вклучува CRLH единици наредени вертикално една врз друга, кои содржат делови и меандрски линии, а на делот има слот во форма на S. Антената се напојува од CPW соодветен држач, 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 пропусен опсег е 161,14%. Најголемото зголемување на зрачењето и ефикасноста на антената се појавуваат на 3,5 GHz, што се 5,12 dBi и ~80%, соодветно.