Новини - Огляд лінійних антен на основі метаматеріалів (Частина 2)

2. Застосування MTM-TL в антенних системах
У цьому розділі буде зосереджено увагу на штучних метаматеріальних TL і деяких з їх найпоширеніших і актуальних застосувань для реалізації різноманітних структур антени з низькою вартістю, простим виготовленням, мініатюрністю, широкою смугою пропускання, високим посиленням і ефективністю, можливістю сканування широкого діапазону та низьким профілем. Вони обговорюються нижче.

1. Широкосмугові та багаточастотні антени
У типовому ПЛ довжиною l, коли задано кутову частоту ω0, електричну довжину (або фазу) лінії передачі можна розрахувати наступним чином:

Де vp представляє фазову швидкість лінії передачі. Як видно з вищесказаного, смуга пропускання близько відповідає груповій затримці, яка є похідною від φ по частоті. Тому, коли довжина лінії передачі стає меншою, смуга пропускання також стає ширшою. Іншими словами, існує зворотна залежність між смугою пропускання та основною фазою лінії передачі, яка є специфічною для конструкції. Це показує, що в традиційних розподілених схемах нелегко контролювати робочу смугу пропускання. Це можна пояснити обмеженнями традиційних ліній передачі з точки зору ступенів свободи. Однак елементи навантаження дозволяють використовувати додаткові параметри в метаматеріальних TL, і фазову характеристику можна певною мірою контролювати. Щоб збільшити смугу пропускання, необхідно мати аналогічний нахил поблизу робочої частоти дисперсійних характеристик. Штучний метаматеріал TL може досягти цієї мети. На основі цього підходу в статті запропоновано багато методів для збільшення смуги пропускання антен. Вчені розробили та виготовили дві широкосмугові антени, завантажені резонаторами з роздільними кільцями (див. Малюнок 7). Результати, наведені на малюнку 7, показують, що після навантаження на резонатор з розділеним кільцем звичайною монопольною антеною збуджується режим низької резонансної частоти. Розмір резонатора з розділеним кільцем оптимізовано для досягнення резонансу, близького до резонансу монопольної антени. Результати показують, що коли два резонанси збігаються, пропускна здатність і характеристики випромінювання антени збільшуються. Довжина та ширина монопольної антени становлять 0,25λ0×0,11λ0 та 0,25λ0×0,21λ0 (4 ГГц) відповідно, а довжина та ширина монопольної антени, навантаженої кільцевим резонатором, становлять 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 ГГц). ), відповідно. Для звичайної F-подібної антени та Т-подібної антени без резонатора з розділеним кільцем найвищий коефіцієнт підсилення та ефективність випромінювання, виміряні в діапазоні 5 ГГц, становлять 3,6 дБі – 78,5% та 3,9 дБі – 80,2% відповідно. Для антени, навантаженої кільцевим резонатором, ці параметри становлять 4dBi - 81,2% і 4,4dBi - 83% відповідно в діапазоні 6 ГГц. Використовуючи резонатор з розділеним кільцем як відповідне навантаження на монопольну антену, можна підтримувати діапазони 2,9 ГГц ~ 6,41 ГГц і 2,6 ГГц ~ 6,6 ГГц, що відповідає частковій смузі пропускання 75,4% і ~87% відповідно. Ці результати показують, що смуга вимірювання покращена приблизно в 2,4 рази та 2,11 рази порівняно з традиційними монопольними антенами приблизно фіксованого розміру.

Малюнок 7. Дві широкосмугові антени, завантажені резонаторами з розділеним кільцем.

Як показано на малюнку 8, показані результати експериментів компактної друкованої монопольної антени. Коли S11≤- 10 дБ, робоча смуга частот становить 185% (0,115-2,90 ГГц), а на 1,45 ГГц пікове посилення та ефективність випромінювання становлять 2,35 дБі та 78,8% відповідно. Компонування антени схоже на трикутну листову конструкцію, розташовану спиною до спини, яка живиться криволінійним дільником потужності. Усічений GND містить центральний шлейф, розміщений під фідером, і чотири відкриті резонансні кільця, розподілені навколо нього, що розширює смугу пропускання антени. Антена випромінює майже всенаправлено, охоплюючи більшість діапазонів VHF і S, а також усі діапазони UHF і L. Фізичний розмір антени становить 48,32×43,72×0,8 мм3, а електричний – 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Він має такі переваги, як малий розмір і низька вартість, і потенційні перспективи застосування в системах широкосмугового бездротового зв’язку.

Малюнок 8: Монопольна антена, навантажена резонатором з розділеним кільцем.

На малюнку 9 показана структура планарної антени, що складається з двох пар з’єднаних між собою петель меандрового дроту, заземлених на усічену Т-подібну площину заземлення через два отвору. Розмір антени 38,5×36,6 мм2 (0,070λ0×0,067λ0), де λ0 – довжина хвилі вільного простору 0,55 ГГц. Антена випромінює всенаправлено в E-площині в робочому діапазоні частот 0,55 ~ 3,85 ГГц, з максимальним посиленням 5,5 дБі на 2,35 ГГц і ефективністю 90,1%. Ці особливості роблять пропоновану антену придатною для різних застосувань, включаючи UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi і Bluetooth.

Рис. 9 Пропонована структура планарної антени.

2. Хвильова антена (LWA)
Нова антена з витоком хвилі є одним із основних застосувань для реалізації штучного метаматеріалу TL. Для хвильових антен із витоком вплив фазової постійної β на кут випромінювання (θm) і максимальну ширину променя (Δθ) виглядає наступним чином:

L — довжина антени, k0 — хвильове число у вільному просторі, λ0 — довжина хвилі у вільному просторі. Зауважимо, що випромінювання відбувається лише тоді, коли |β|

3. Резонаторна антена нульового порядку
Унікальна властивість метаматеріалу CRLH полягає в тому, що β може дорівнювати 0, коли частота не дорівнює нулю. На основі цієї властивості можна створити новий резонатор нульового порядку (ZOR). Коли β дорівнює нулю, фазовий зсув у всьому резонаторі не відбувається. Це пояснюється тим, що постійна фазового зсуву φ = - βd = 0. Крім того, резонанс залежить тільки від реактивного навантаження і не залежить від довжини конструкції. На малюнку 10 показано, що запропонована антена виготовлена шляхом застосування двох і трьох блоків з E-формою, а загальний розмір становить 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 і 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0 відповідно, де λ0 представляє довжину хвилі. вільного простору на робочих частотах 500 МГц і 650 МГц відповідно. Антена працює на частотах 0,5-1,35 ГГц (0,85 ГГц) і 0,65-1,85 ГГц (1,2 ГГц), з відносною смугою пропускання 91,9% і 96,0%. На додаток до характеристик малого розміру та широкої смуги, коефіцієнт підсилення та ефективність першої та другої антен становить 5,3 дБі та 85% (1 ГГц) та 5,7 дБі та 90% (1,4 ГГц) відповідно.

Рис. 10 Запропоновані структури подвійної та потрійної E антени.

4. Щізна антена
Було запропоновано простий спосіб збільшення апертури антени CRLH-MTM, але розмір її антени майже не змінився. Як показано на малюнку 11, антена включає блоки CRLH, розташовані вертикально один на одному, які містять патчі та меандрові лінії, а на патчі є S-подібний проріз. Антена живиться через узгоджувальний шлейф CPW, її розмір становить 17,5 мм × 32,15 мм × 1,6 мм, що відповідає 0,204λ0 × 0,375λ0 × 0,018λ0, де λ0 (3,5 ГГц) представляє довжину хвилі вільного простору. Результати показують, що антена працює в діапазоні частот 0,85-7,90 ГГц, а її робоча смуга пропускання становить 161,14%. Найвищий коефіцієнт випромінювання та ефективність антени спостерігаються на частоті 3,5 ГГц, що становить 5,12 дБі та ~80% відповідно.