2. Uporaba MTM-TL v antenskih sistemih
Ta razdelek se bo osredotočil na umetne metamaterialne TL in nekatere njihove najpogostejše in najpomembnejše aplikacije za realizacijo različnih antenskih struktur z nizkimi stroški, enostavno izdelavo, miniaturizacijo, široko pasovno širino, visokim ojačanjem in učinkovitostjo, širokopasovno zmogljivostjo skeniranja in nizkim profilom. Obravnavane so v nadaljevanju.
1. Širokopasovne in večfrekvenčne antene
V tipičnem TL z dolžino l, ko je podana kotna frekvenca ω0, se lahko električna dolžina (ali faza) daljnovoda izračuna na naslednji način:
Kjer vp predstavlja fazno hitrost daljnovoda. Kot je razvidno iz zgornjega, pasovna širina tesno ustreza skupinski zakasnitvi, ki je odvod φ glede na frekvenco. Zato se s krajšanjem dolžine daljnovoda širi tudi pasovna širina. Z drugimi besedami, obstaja obratna sorazmernost med pasovno širino in osnovno fazo daljnovoda, kar je specifično za zasnovo. To kaže, da v tradicionalnih porazdeljenih vezjih delovne pasovne širine ni enostavno nadzorovati. To je mogoče pripisati omejitvam tradicionalnih daljnovodov glede stopenj svobode. Vendar pa obremenitveni elementi omogočajo uporabo dodatnih parametrov v metamaterialnih daljnovodih, fazni odziv pa je mogoče do določene mere nadzorovati. Za povečanje pasovne širine je potreben podoben naklon disperzijskih karakteristik blizu delovne frekvence. Umetni metamaterialni daljnovod lahko doseže ta cilj. Na podlagi tega pristopa je v članku predlaganih veliko metod za povečanje pasovne širine anten. Raziskovalci so zasnovali in izdelali dve širokopasovni anteni, naloženi z resonatorji z razcepljenim obročem (glej sliko 7). Rezultati, prikazani na sliki 7, kažejo, da se po obremenitvi resonatorja z razcepljenim obročem s konvencionalno monopolno anteno vzbuja nizkoresonančni frekvenčni način. Velikost resonatorja z razcepljenim obročem je optimizirana za doseganje resonance blizu resonance monopolne antene. Rezultati kažejo, da se ob sovpadanju obeh resonanc pasovna širina in sevalne karakteristike antene povečajo. Dolžina in širina monopolne antene sta 0,25λ0×0,11λ0 oziroma 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz), dolžina in širina monopolne antene, obremenjene z resonatorjem z razcepljenim obročem, pa sta 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz). Za konvencionalno anteno v obliki črke F in anteno v obliki črke T brez resonatorja z razcepljenim obročem sta bila najvišja izmerjena ojačanje in sevalna učinkovitost v pasu 5 GHz 3,6 dBi - 78,5 % oziroma 3,9 dBi - 80,2 %. Za anteno, obremenjeno z razcepljenim obročastim resonatorjem, sta ta parametra v frekvenčnem pasu 6 GHz 4 dBi - 81,2 % oziroma 4,4 dBi - 83 %. Z uporabo razcepljenega obročastega resonatorja kot ujemajoče se obremenitve na monopolni anteni je mogoče podpreti pasova 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 se je merilna pasovna širina izboljšala za približno 2,4-krat oziroma 2,11-krat v primerjavi s tradicionalnimi monopolnimi antenami približno fiksne velikosti.
Slika 7. Dve širokopasovni anteni, napolnjeni z resonatorji z razcepljenim obročem.
Kot je prikazano na sliki 8, so prikazani eksperimentalni rezultati kompaktne tiskane monopolne antene. Pri S11 ≤ 10 dB je delovna pasovna širina 185 % (0,115–2,90 GHz), pri 1,45 GHz pa sta najvišji dobiček in učinkovitost sevanja 2,35 dBi oziroma 78,8 %. Postavitev antene je podobna trikotni ploščati strukturi, ki jo napaja ukrivljeni delilnik moči. Okrajšana ozemljitev (GND) vsebuje osrednji priključek pod napajalnikom, okoli njega pa so razporejeni štirje odprti resonančni obroči, kar širi 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 velikost pa 0,235λ0 × 0,211λ0 × 0,003λ0. Ima prednosti majhnosti in nizkih stroškov ter ima potencialne možnosti uporabe v širokopasovnih brezžičnih komunikacijskih sistemih.
Slika 8: Monopolna antena, obremenjena z razcepljenim obročastim resonatorjem.
Slika 9 prikazuje planarno antensko strukturo, ki jo sestavljata dva para medsebojno povezanih meander žičnih zank, ozemljenih na okrnjeni ozemljitveni ravnini 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 ravnini E v delovnem frekvenčnem pasu 0,55 ~ 3,85 GHz, z največjim ojačanjem 5,5 dBi pri 2,35 GHz in izkoristkom 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 planarne antene.
2. Antena z puščajočim valovanjem (LWA)
Nova antena z uhajajočim valom je ena glavnih aplikacij za realizacijo umetnega metamateriala TL. Pri antenah z uhajajočim valom je vpliv fazne konstante β na kot sevanja (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 sevanje nastane le, ko je |β|
3. Antena z resonatorjem ničelnega reda
Edinstvena lastnost metamateriala CRLH je, da je β lahko enak 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 samo od reaktivne obremenitve in je neodvisna od dolžine strukture. Slika 10 prikazuje, da je predlagana antena izdelana z uporabo dveh in treh enot v obliki črke E, 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 oziroma 650 MHz. Antena deluje na frekvencah 0,5–1,35 GHz (0,85 GHz) in 0,65–1,85 GHz (1,2 GHz), z relativno pasovno širino 91,9 % oziroma 96,0 %. Poleg značilnosti majhnosti in široke pasovne širine sta ojačanje in učinkovitost prve in druge antene 5,3 dBi oziroma 85 % (1 GHz) oziroma 5,7 dBi oziroma 90 % (1,4 GHz).
Slika 10 Predlagane strukture anten z dvojno E in trojno E.
4. Režasta antena
Predlagana je bila preprosta metoda za povečanje odprtine antene CRLH-MTM, vendar njena velikost ostaja skoraj nespremenjena. Kot je prikazano na sliki 11, antena vključuje enote CRLH, zložene navpično druga na drugo, ki vsebujejo obliže in vijugaste črte, na obližu pa je reža v obliki črke S. Antena se napaja iz ujemajočega se navojnega kabla CPW, 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 dolžina pa je 161,14 %. Največji dobiček sevanja in učinkovitost antene se pojavita pri 3,5 GHz, ki znašata 5,12 dBi oziroma ~80 %.
Slika 11 Predlagana špranjska antena CRLH MTM.
Če želite izvedeti več o antenah, obiščite:
Čas objave: 30. avg. 2024
