2. Застосування MTM-TL в антенних системах
У цьому розділі основна увага буде приділена штучним метаматеріальним TL та деяким з їхніх найпоширеніших та найактуальніших застосувань для реалізації різних антенних структур з низькою вартістю, легким виробництвом, мініатюризацією, широкою смугою пропускання, високим коефіцієнтом посилення та ефективністю, можливостями сканування в широкому діапазоні та низьким профілем. Вони обговорюються нижче.
1. Широкосмугові та багаточастотні антени
У типовій ПЛ довжиною l, коли задана кутова частота ω0, електричну довжину (або фазу) лінії передачі можна розрахувати наступним чином:
Де vp являє собою фазову швидкість лінії передачі. Як видно з вищесказаного, смуга пропускання точно відповідає груповій затримці, яка є похідною φ відносно частоти. Тому, зі скороченням довжини лінії передачі, смуга пропускання також стає ширшою. Іншими словами, існує обернена залежність між смугою пропускання та основною фазою лінії передачі, яка залежить від конструкції. Це показує, що в традиційних розподілених схемах робочу смугу пропускання нелегко контролювати. Це можна пояснити обмеженнями традиційних ліній передачі щодо ступенів свободи. Однак, елементи навантаження дозволяють використовувати додаткові параметри в метаматеріальних лініях передачі, і фазову характеристику можна контролювати певною мірою. Для збільшення смуги пропускання необхідно мати подібний нахил поблизу робочої частоти характеристик дисперсії. Штучна метаматеріальна лінія передачі може досягти цієї мети. На основі цього підходу в статті запропоновано багато методів розширення смуги пропускання антен. Вчені розробили та виготовили дві широкосмугові антени, завантажені розрізними кільцевими резонаторами (див. Рисунок 7). Результати, показані на рисунку 7, показують, що після навантаження розрізного кільцевого резонатора звичайною монопольною антеною збуджується низькорезонансна мода. Розмір розрізного кільцевого резонатора оптимізовано для досягнення резонансу, близького до резонансу монопольної антени. Результати показують, що коли два резонанси збігаються, смуга пропускання та 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 розрізним кільцевим резонатором, становлять 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 ГГц) відповідно. Для звичайної F-подібної антени та Т-подібної антени без розрізного кільцевого резонатора найвищий коефіцієнт посилення та ефективність випромінювання, виміряні в діапазоні 5 ГГц, становлять 3,6 дБі - 78,5% та 3,9 дБі - 80,2% відповідно. Для антени, навантаженої розщепленим кільцевим резонатором, ці параметри становлять 4 дБі - 81,2% та 4,4 дБі - 83% відповідно в діапазоні 6 ГГц. Завдяки застосуванню розщепленого кільцевого резонатора як узгоджувального навантаження на монопольній антені, можна підтримувати діапазони 2,9 ГГц ~ 6,41 ГГц та 2,6 ГГц ~ 6,6 ГГц, що відповідає частковим значенням смуги пропускання 75,4% та ~87% відповідно. Ці результати показують, що смуга пропускання вимірювання покращується приблизно в 2,4 рази та 2,11 рази порівняно з традиційними монопольними антенами приблизно фіксованого розміру.
Рисунок 7. Дві широкосмугові антени, оснащені резонаторами з розрізним кільцем.
Як показано на рисунку 8, показано експериментальні результати компактної друкованої монопольної антени. Коли S11 ≤ 10 дБ, робоча смуга пропускання становить 185% (0,115-2,90 ГГц), а на частоті 1,45 ГГц піковий коефіцієнт посилення та ефективність випромінювання становлять 2,35 дБі та 78,8% відповідно. Компонування антени подібне до трикутної листової структури, з'єднаної спиною до спини, яка живиться криволінійним дільником потужності. Усічений GND містить центральний шлейф, розміщений під живильником, а навколо нього розподілені чотири відкриті резонансні кільця, що розширює смугу пропускання антени. Антена випромінює майже всенаправлено, охоплюючи більшу частину діапазонів VHF та S, а також усі діапазони UHF та L. Фізичний розмір антени становить 48,32×43,72×0,8 мм3, а електричний розмір – 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Він має переваги невеликого розміру та низької вартості, а також має потенційні перспективи застосування в системах широкосмугового бездротового зв'язку.
Рисунок 8: Монопольна антена, навантажена розрізним кільцевим резонатором.
На рисунку 9 показано планарну структуру антени, що складається з двох пар взаємопов'язаних петель меандрового дроту, заземлених на усіченій Т-подібній площині заземлення через два переходні отвори. Розмір антени становить 38,5×36,6 мм2 (0,070λ0×0,067λ0), де λ0 – довжина хвилі у вільному просторі 0,55 ГГц. Антена випромінює всенаправлено в площині E в робочому діапазоні частот 0,55 ~ 3,85 ГГц, з максимальним коефіцієнтом посилення 5,5 дБі на частоті 2,35 ГГц та ефективністю 90,1%. Ці характеристики роблять запропоновану антену придатною для різних застосувань, включаючи UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi та Bluetooth.
Рис. 9 Запропонована структура планарної антени.
2. Антена витокової хвилі (LWA)
Нова антена витокової хвилі є одним з основних застосувань для реалізації штучної метаматеріальної TL. Для антен витокової хвилі вплив фазової постійної β на кут випромінювання (θm) та максимальну ширину променя (Δθ) є наступним:
L – довжина антени, k0 – хвильове число у вільному просторі, а λ0 – довжина хвилі у вільному просторі. Зауважте, що випромінювання відбувається лише тоді, коли |β|
3. Антена з резонатором нульового порядку
Унікальною властивістю метаматеріалу CRLH є те, 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 константа фазового зсуву φ = - βd = 0. Крім того, резонанс залежить лише від реактивного навантаження та не залежить від довжини конструкції. На рисунку 10 показано, що запропонована антена виготовлена шляхом застосування двох та трьох блоків E-подібної форми, а загальний розмір становить 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 та 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0 відповідно, де λ0 являє собою довжину хвилі вільного простору на робочих частотах 500 МГц та 650 МГц відповідно. Антена працює на частотах 0,5-1,35 ГГц (0,85 ГГц) та 0,65-1,85 ГГц (1,2 ГГц), з відносною пропускною здатністю 91,9% та 96,0%. Окрім характеристик малого розміру та широкої пропускної здатності, коефіцієнт посилення та ефективність першої та другої антен становлять 5,3 дБі та 85% (1 ГГц) та 5,7 дБі та 90% (1,4 ГГц) відповідно.
Рис. 10. Запропоновані структури антен подвійної та потрійної форм електричної форми.
4. Щілинна антена
Було запропоновано простий метод збільшення апертури антени CRLH-MTM, але розмір її антени майже не змінився. Як показано на рисунку 11, антена містить блоки CRLH, розташовані вертикально один на одному, які містять патчі та меандрові лінії, а на патчі є S-подібний паз. Антена живиться від узгоджувального шлейфу CPW, а 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) позначає довжину хвилі вільного простору. Результати показують, що антена працює в смузі частот 0,85-7,90 ГГц, а її робоча смуга пропускання становить 161,14%. Найвищий коефіцієнт посилення випромінювання та ефективність антени спостерігаються на частоті 3,5 ГГц, що становить 5,12 дБі та ~80% відповідно.
Рис. 11 Запропонована щілинна антена CRLH MTM.
Щоб дізнатися більше про антени, відвідайте:
Час публікації: 30 серпня 2024 р.
