2. Aplicarea MTM-TL în sistemele de antene
Această secțiune se va concentra pe TL-uri din metamateriale artificiale și pe unele dintre cele mai comune și relevante aplicații ale lor pentru realizarea diverselor structuri de antene cu costuri reduse, fabricație ușoară, miniaturizare, lățime de bandă largă, câștig și eficiență ridicate, capacitate de scanare pe distanțe largi și profil redus. Acestea sunt discutate mai jos.
1. Antene de bandă largă și multifrecvență
Într-o linie de transmisie tipică cu lungimea 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 de grup, care este derivata lui φ în raport cu frecvența. Prin urmare, pe măsură ce lungimea liniei de transmisie devine mai scurtă, lățimea de bandă devine și mai mare. Cu alte cuvinte, există o relație inversă între lățimea de bandă și faza fundamentală a liniei de transmisie, care este specifică designului. Acest lucru arată că, în circuitele distribuite tradiționale, lățimea de bandă de funcționare 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 utilizarea unor parametri suplimentari în TL-urile din metamateriale, 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. TL-ul din metamateriale artificiale poate atinge acest obiectiv. Pe baza acestei abordări, în lucrare sunt propuse numeroase metode pentru îmbunătățirea lățimii de bandă a antenelor. Cercetătorii au proiectat și fabricat două antene de bandă largă încărcate cu rezonatoare inelare divizate (vezi Figura 7). Rezultatele prezentate în Figura 7 arată că, după încărcarea rezonatorului inelar divizat cu antena monopol convențională, este excitat un mod de rezonanță joasă. Dimensiunea rezonatorului inelar 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 cresc. Lungimea și lățimea antenei monopol sunt de 0,25λ0×0,11λ0 și 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz), respectiv, iar lungimea și lățimea antenei monopol încărcate cu un rezonator inelar divizat sunt de 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz), respectiv. Pentru antena convențională în formă de F și antena în formă de T fără rezonator inelar divizat, cel mai mare câștig și eficiență de radiație măsurate în banda de 5 GHz sunt de 3,6 dBi - 78,5% și 3,9 dBi - 80,2%. Pentru antena încărcată cu un rezonator inelar divizat, acești parametri sunt 4dBi - 81,2% și respectiv 4,4dBi - 83% în banda de 6 GHz. Prin implementarea unui rezonator inelar divizat ca sarcină de adaptare pe antena monopolară, pot fi suportate benzile 2,9 GHz ~ 6,41 GHz și 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, corespunzând unor lățimi de bandă fracționare de 75,4% și respectiv ~87%. Aceste rezultate arată că lățimea de bandă de măsurare este îmbunătățită de aproximativ 2,4 ori și, respectiv, 2,11 ori în comparație cu antenele monopolare tradiționale de dimensiuni aproximativ fixe.
Figura 7. Două antene de bandă largă încărcate cu rezonatoare inelare divizate.
După cum se arată în Figura 8, sunt prezentate rezultatele experimentale ale antenei monopolare compacte imprimate. Când S11≤- 10 dB, lățimea de bandă de funcționare 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%. Configurația antenei este similară cu o structură triunghiulară în foaie spate în spate, alimentată de un divizor de putere curbiliniu. GND-ul trunchiat conține un știft central plasat sub alimentator, iar în jurul acestuia sunt distribuite patru inele rezonante deschise, ceea ce lărgește lățimea de bandă a antenei. Antena radiază aproape omnidirecțional, 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 reduse și ale costului redus și are perspective potențiale de aplicare în sistemele de comunicații fără fir în bandă largă.
Figura 8: Antenă monopolară încărcată cu rezonator inelar divizat.
Figura 9 prezintă o structură de antenă planară, formată din două perechi de bucle de sârmă meandr interconectate, conectate la un plan de masă în formă de T trunchiat prin două fire de acces. 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 funcționare 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 antena propusă potrivită pentru diverse aplicații, inclusiv UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi și Bluetooth.
Fig. 9 Structura propusă a antenei planare.
2. Antenă cu undă permeabilă (LWA)
Noua antenă cu undă dispersabilă este una dintre principalele aplicații pentru realizarea de antene cu undă dispersabilă (TL) din metamateriale artificiale. Pentru antenele cu undă dispersabilă, efectul constantei de fază β asupra unghiului de radiație (θm) și lățimii maxime a fasciculului (Δθ) este următorul:
L este lungimea antenei, k0 este numărul de undă în spațiul liber, iar 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 defazare în întregul rezonator. Acest lucru se datorează faptului că constanta de defazare 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 în formă de E, iar dimensiunea totală este de 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 și respectiv 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, unde λ0 reprezintă lungimea de undă a spațiului liber la frecvențele de funcționare de 500 MHz și respectiv 650 MHz. 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 dimensiuni reduse și lățime de bandă largă, câștigul și eficiența primei și celei de-a doua antene sunt de 5,3 dBi și 85% (1 GHz) și, respectiv, 5,7 dBi și 90% (1,4 GHz).
Fig. 10 Structuri de antene propuse cu dublu-E și triplu-E.
4. Antenă tip slot
A fost propusă o metodă simplă pentru a mări apertura antenei CRLH-MTM, dar dimensiunea antenei sale a rămas aproape neschimbată. După cum se arată în Figura 11, antena include unități CRLH suprapuse vertical una peste alta, care conțin patch-uri și linii meandrate, și există o fantă în formă de S pe patch. Antena este alimentată de un stub de adaptare 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 (3,5 GHz) reprezintă lungimea de undă a spațiului liber. Rezultatele arată că antena funcționează în banda de frecvență de 0,85-7,90 GHz, 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 de 5,12 dBi și respectiv ~80%.
Fig. 11 Antena cu fantă CRLH MTM propusă.
Pentru a afla mai multe despre antene, vă rugăm să vizitați:
Data publicării: 30 august 2024
