Știri - O revizuire a antenelor de linii de transmisie bazată pe metamateriale (Partea 2)

2. Aplicarea MTM-TL în sistemele de antenă
Această secțiune se va concentra pe TL-uri metamateriale artificiale și pe unele dintre cele mai comune și relevante aplicații ale acestora pentru realizarea diferitelor structuri de antene cu cost redus, fabricare ușoară, miniaturizare, lățime de bandă largă, câștig și eficiență ridicate, capacitate de scanare cu gamă largă și profil redus. Ele sunt discutate mai jos.

1. Antene de bandă largă și multi-frecvență
Într-un TL tipic cu o lungime de l, când este dată frecvența unghiulară ω0, lungimea electrică (sau faza) liniei de transmisie poate fi calculată după cum urmează:

Unde vp reprezintă viteza de fază a liniei de transmisie. După cum se poate observa din cele de mai sus, lățimea de bandă corespunde îndeaproape cu întârzierea grupului, care este derivata lui φ în raport cu frecvența. Prin urmare, pe măsură ce lungimea liniei de transmisie devine mai scurtă, și lățimea de bandă devine mai largă. Cu alte cuvinte, există o relație inversă între lățimea de bandă și faza fundamentală a liniei de transmisie, care este specifică proiectării. Acest lucru arată că în circuitele distribuite tradiționale, lățimea de bandă de operare nu este ușor de controlat. Acest lucru poate fi atribuit limitărilor liniilor de transmisie tradiționale în ceea ce privește gradele de libertate. Cu toate acestea, elementele de încărcare permit folosirea unor parametri suplimentari în metamaterialele TL, iar răspunsul de fază poate fi controlat într-o anumită măsură. Pentru a crește lățimea de bandă, este necesar să existe o pantă similară în apropierea frecvenței de funcționare a caracteristicilor de dispersie. Metamaterialul artificial TL poate atinge acest obiectiv. Pe baza acestei abordări, în lucrare sunt propuse multe metode de îmbunătățire a lățimii de bandă a antenelor. Oamenii de știință au proiectat și fabricat două antene de bandă largă încărcate cu rezonatoare cu inel divizat (vezi Figura 7). Rezultatele prezentate în Figura 7 arată că după încărcarea rezonatorului cu inel divizat cu antena monopol convențională, este excitat un mod de frecvență de rezonanță joasă. Dimensiunea rezonatorului cu inel divizat este optimizată pentru a obține o rezonanță apropiată de cea a antenei monopol. Rezultatele arată că atunci când cele două rezonanțe coincid, lățimea de bandă și caracteristicile de radiație ale antenei sunt crescute. Lungimea și lățimea antenei monopol sunt 0,25λ0×0,11λ0 și, respectiv, 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), iar lungimea și lățimea antenei monopol încărcate cu un rezonator inel divizat sunt 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz). ), respectiv. Pentru antena convențională în formă de F și antena în formă de T fără un rezonator inel divizat, cel mai mare câștig și eficiența radiației măsurate în banda de 5 GHz sunt 3,6 dBi - 78,5% și, respectiv, 3,9 dBi - 80,2%. Pentru antena încărcată cu un rezonator cu inel divizat, acești parametri sunt 4dBi - 81,2% și, respectiv, 4,4dBi - 83% în banda de 6GHz. Prin implementarea unui rezonator inel divizat ca sarcină de potrivire pe antena monopol, benzile de 2,9GHz ~ 6,41GHz și 2,6GHz ~ 6,6GHz pot fi acceptate, corespunzătoare lățimii de bandă fracționale de 75,4% și, respectiv, ~87%. Aceste rezultate arată că lățimea de bandă de măsurare este îmbunătățită de aproximativ 2,4 ori și de 2,11 ori comparativ cu antenele tradiționale monopol de dimensiune aproximativ fixă.

Figura 7. Două antene de bandă largă încărcate cu rezonatoare cu inel divizat.

După cum se arată în Figura 8, sunt prezentate rezultatele experimentale ale antenei monopol imprimate compacte. Când S11≤- 10 dB, lățimea de bandă de operare este de 185% (0,115-2,90 GHz), iar la 1,45 GHz, câștigul de vârf și eficiența radiației sunt de 2,35 dBi și, respectiv, 78,8%. Dispunerea antenei este similară cu o structură de foi triunghiulară spate în spate, care este alimentată de un divizor de putere curbiliniu. GND-ul trunchiat conține un stub central plasat sub alimentator și patru inele rezonante deschise sunt distribuite în jurul său, ceea ce mărește lățimea de bandă a antenei. Antena radiază aproape omnidirecțională, acoperind majoritatea benzilor VHF și S și toate benzile UHF și L. Dimensiunea fizică a antenei este de 48,32×43,72×0,8 mm3, iar dimensiunea electrică este de 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Are avantajele dimensiunilor mici și costurilor reduse și are perspective potențiale de aplicare în sistemele de comunicații fără fir în bandă largă.

Figura 8: Antenă Monopol încărcată cu rezonator cu inel divizat.

Figura 9 prezintă o structură de antenă plană constând din două perechi de bucle de sârmă meander interconectate, împământate la un plan de masă trunchiat în formă de T prin două căi. Dimensiunea antenei este de 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), unde λ0 este lungimea de undă în spațiul liber de 0,55 GHz. Antena radiază omnidirecțional în planul E în banda de frecvență de operare de 0,55 ~ 3,85 GHz, cu un câștig maxim de 5,5 dBi la 2,35 GHz și o eficiență de 90,1%. Aceste caracteristici fac ca antena propusă să fie potrivită pentru diverse aplicații, inclusiv UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi și Bluetooth.

Fig. 9 Structura antenă plană propusă.

2. Antenă Leaky Wave (LWA)
Noua antenă leaky wave este una dintre principalele aplicații pentru realizarea metamaterialului artificial TL. Pentru antenele cu undă cu scurgeri, efectul constantei de fază β asupra unghiului de radiație (θm) și a lățimii maxime a fasciculului (Δθ) este următorul:

L este lungimea antenei, k0 este numărul de undă în spațiul liber și λ0 este lungimea de undă în spațiul liber. Rețineți că radiația apare numai atunci când |β|

3. Antenă rezonatoare de ordin zero
O proprietate unică a metamaterialului CRLH este că β poate fi 0 atunci când frecvența nu este egală cu zero. Pe baza acestei proprietăți, poate fi generat un nou rezonator de ordin zero (ZOR). Când β este zero, nu are loc nicio schimbare de fază în întregul rezonator. Acest lucru se datorează faptului că constanta defazării φ = - βd = 0. În plus, rezonanța depinde doar de sarcina reactivă și este independentă de lungimea structurii. Figura 10 arată că antena propusă este fabricată prin aplicarea a două și trei unități cu formă E, iar dimensiunea totală este 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 și, respectiv, 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, unde λngth reprezintă unda. de spaţiu liber la frecvenţe de operare de 500 MHz şi 650 MHz, respectiv. Antena funcționează la frecvențe de 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) și 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), cu lățimi de bandă relative de 91,9% și 96,0%. Pe lângă caracteristicile de dimensiune mică și lățime de bandă largă, câștigul și eficiența primei și celei de-a doua antene sunt de 5,3dBi și 85% (1GHz) și 5,7dBi și respectiv 90% (1,4GHz).

Fig. 10 Structuri propuse de antenă dublu-E și triplu-E.

4. Slot Antena
O metodă simplă a fost propusă pentru a mări deschiderea antenei CRLH-MTM, dar dimensiunea antenei este aproape neschimbată. Așa cum se arată în Figura 11, antena include unități CRLH stivuite vertical una pe cealaltă, care conțin petice și linii de șerpuire și există o fantă în formă de S pe plasture. Antena este alimentată de un stub de potrivire CPW, iar dimensiunea sa este de 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, corespunzând la 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, unde λ0 (3,5GHz) reprezintă lungimea de undă a spațiului liber. Rezultatele arată că antena funcționează în banda de frecvență de 0,85-7,90GHz, iar lățimea de bandă de funcționare este de 161,14%. Cel mai mare câștig de radiație și eficiență a antenei apar la 3,5 GHz, care sunt 5,12 dBi și, respectiv, ~80%.