2. Uporaba MTM-TL v antenskih sistemih
Ta razdelek se bo osredotočil na umetne metamaterialne TL in nekatere njihove najpogostejše in ustrezne aplikacije za realizacijo različnih antenskih struktur z nizkimi stroški, enostavno izdelavo, miniaturizacijo, široko pasovno širino, visokim ojačenjem in učinkovitostjo, zmožnostjo skeniranja širokega razpona in nizkim profilom. O njih razpravljamo spodaj.
1. Širokopasovne in večfrekvenčne antene
V tipičnem TL z dolžino l, ko je podana kotna frekvenca ω0, se lahko električna dolžina (ali faza) prenosnega voda izračuna na naslednji način:
Kjer vp predstavlja fazno hitrost prenosnega voda. Kot je razvidno iz zgoraj navedenega, pasovna širina tesno ustreza skupinski zakasnitvi, ki je odvod φ glede na frekvenco. Zato, ko se dolžina prenosnega voda krajša, se širi tudi pasovna širina. Z drugimi besedami, obstaja obratno razmerje med pasovno širino in osnovno fazo prenosnega voda, ki je specifična zasnova. To kaže, da v tradicionalnih porazdeljenih vezjih delovne pasovne širine ni enostavno nadzorovati. To je mogoče pripisati omejitvam tradicionalnih prenosnih vodov v smislu stopenj svobode. Vendar nakladalni elementi omogočajo uporabo dodatnih parametrov v metamaterialnih TL, fazni odziv pa je mogoče nadzorovati do določene mere. Da bi povečali pasovno širino, je treba imeti podoben naklon blizu delovne frekvence disperzijskih karakteristik. Umetni metamaterial TL lahko doseže ta cilj. Na podlagi tega pristopa so v članku predlagane številne metode za povečanje pasovne širine anten. Strokovnjaki so oblikovali in izdelali dve širokopasovni anteni z resonatorji z razcepljenim obročem (glej sliko 7). Rezultati, prikazani na sliki 7, kažejo, da se po obremenitvi resonatorja z razcepljenim obročem z običajno monopolno anteno vzbuja način nizke resonančne frekvence. Velikost resonatorja z razcepljenim obročem je optimizirana za doseganje resonance, ki je blizu resonanci monopolne antene. Rezultati kažejo, da se ob sovpadanju obeh resonanc pasovna širina in sevalne lastnosti antene povečajo. Dolžina in širina monopolne antene sta 0,25λ0×0,11λ0 oziroma 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), dolžina in širina monopolne antene, obremenjene z resonatorjem z razcepljenim obročem, pa sta 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz). ), oz. Pri običajni anteni v obliki črke F in anteni v obliki črke T brez resonatorja z razcepljenim obročem sta najvišji dobiček in učinkovitost sevanja, izmerjena v pasu 5 GHz, 3,6 dBi – 78,5 % oziroma 3,9 dBi – 80,2 %. Za anteno, obremenjeno z resonatorjem z razcepljenim obročem, sta ta parametra 4dBi - 81,2 % oziroma 4,4 dBi - 83 % v pasu 6 GHz. Z uvedbo resonatorja z razcepljenim obročem kot ujemajoče se obremenitve monopolne antene je mogoče podpreti pasove 2,9 GHz ~ 6,41 GHz in 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, kar ustreza delnim pasovnim širinam 75,4 % oziroma ~87 %. Ti rezultati kažejo, da je merilna pasovna širina izboljšana za približno 2,4-krat in 2,11-krat v primerjavi s tradicionalnimi monopolnimi antenami približno fiksne velikosti.
Slika 7. Dve širokopasovni anteni, obremenjeni z resonatorji z razcepljenim obročem.
Kot je prikazano na sliki 8, so prikazani eksperimentalni rezultati kompaktne tiskane monopolne antene. Ko je S11≤- 10 dB, je delovna pasovna širina 185 % (0,115–2,90 GHz), pri 1,45 GHz pa sta največje ojačenje in učinkovitost sevanja 2,35 dBi oziroma 78,8 %. Postavitev antene je podobna trikotni ploščati strukturi, ki se napaja s hrbtno stranjo, ki se napaja iz ukrivljenega delilnika moči. Prisekana GND vsebuje osrednji nastavek, ki je nameščen pod podajalnikom, okoli njega pa so razporejeni štirje odprti resonančni obroči, ki širijo pasovno širino antene. Antena seva skoraj vsesmerno in pokriva večino pasov VHF in S ter vse pasove UHF in L. Fizična velikost antene je 48,32×43,72×0,8 mm3, električna pa 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Njegove prednosti so majhnost in nizki stroški ter potencialne možnosti uporabe v širokopasovnih brezžičnih komunikacijskih sistemih.
Slika 8: Monopolna antena, obremenjena z resonatorjem z razcepljenim obročem.
Slika 9 prikazuje strukturo ravninske antene, sestavljeno iz dveh parov medsebojno povezanih vijugastih žičnih zank, ki so ozemljene na prisekano ozemljitveno ravnino v obliki črke T skozi dva prehoda. Velikost antene je 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), kjer je λ0 valovna dolžina prostega prostora 0,55 GHz. Antena seva vsesmerno v E-ravnini v delovnem frekvenčnem pasu 0,55 ~ 3,85 GHz, z največjim ojačanjem 5,5 dBi pri 2,35 GHz in učinkovitostjo 90,1 %. Zaradi teh lastnosti je predlagana antena primerna za različne aplikacije, vključno z UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi in Bluetooth.
Slika 9 Predlagana struktura ravninske antene.
2. Leaky Wave Antena (LWA)
Nova puščajoča valovna antena je ena glavnih aplikacij za uresničitev umetnega metamateriala TL. Pri antenah s puščajočimi valovi je učinek fazne konstante β na sevalni kot (θm) in največjo širino žarka (Δθ) naslednji:
L je dolžina antene, k0 je valovno število v prostem prostoru in λ0 je valovna dolžina v prostem prostoru. Upoštevajte, da do sevanja pride le, če |β|
3. Resonatorska antena ničelnega reda
Edinstvena lastnost metamateriala CRLH je, da je β lahko 0, ko frekvenca ni enaka nič. Na podlagi te lastnosti je mogoče ustvariti nov resonator ničelnega reda (ZOR). Ko je β enak nič, v celotnem resonatorju ne pride do faznega premika. To je zato, ker je konstanta faznega premika φ = - βd = 0. Poleg tega je resonanca odvisna le od reaktivne obremenitve in ni odvisna od dolžine strukture. Slika 10 prikazuje, da je predlagana antena izdelana z uporabo dveh in treh enot z E-obliko, skupna velikost pa je 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 oziroma 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, kjer λ0 predstavlja valovno dolžino prostega prostora pri delovnih frekvencah 500 MHz in 650 MHz oz. Antena deluje pri frekvencah 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) in 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), z relativno pasovno širino 91,9 % in 96,0 %. Poleg značilnosti majhne velikosti in široke pasovne širine sta ojačenje in učinkovitost prve in druge antene 5,3 dBi in 85 % (1 GHz) oziroma 5,7 dBi in 90 % (1,4 GHz).
Slika 10 Predlagane strukture dvojne in trojne E antene.
4. Antena z režo
Predlagana je bila preprosta metoda za povečanje odprtine antene CRLH-MTM, vendar je njena velikost antene skoraj nespremenjena. Kot je prikazano na sliki 11, antena vključuje enote CRLH, zložene navpično eno na drugo, ki vsebujejo zaplate in meandre, na zaplati pa je reža v obliki črke S. Anteno napaja CPW ujemajoča se žica, njena velikost pa je 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, kar ustreza 0,204λ0 × 0,375λ0 × 0,018λ0, kjer λ0 (3,5 GHz) predstavlja valovno dolžino prostega prostora. Rezultati kažejo, da antena deluje v frekvenčnem pasu 0,85-7,90 GHz, njena delovna pasovna širina pa je 161,14 %. Največji dobiček sevanja in učinkovitost antene se pojavita pri 3,5 GHz, kar je 5,12 dBi oziroma ~80 %.
Slika 11 Predlagana režna antena CRLH MTM.
Če želite izvedeti več o antenah, obiščite:
Čas objave: 30. avgust 2024
