2. Az MTM-TL alkalmazása antennarendszerekben
Ez a szakasz a mesterséges metaanyagú TL-ekre és azok néhány leggyakoribb és legfontosabb alkalmazására összpontosít, amelyekkel különféle antennastruktúrákat lehet megvalósítani alacsony költséggel, könnyen gyártható, miniatürizálható, széles sávszélességgel, nagy nyereséggel és hatékonysággal, széles pásztázási képességgel és alacsony profillal. Ezeket az alábbiakban tárgyaljuk.
1. Szélessávú és többfrekvenciás antennák
Egy tipikus, l hosszúságú TL-ben, adott ω0 körfrekvencia esetén az átviteli vezeték elektromos hossza (vagy fázisa) a következőképpen számítható ki:
Ahol vp az átviteli vonal fázissebességét jelöli. Amint a fentiekből látható, a sávszélesség szorosan megfelel a csoportkésleltetésnek, amely a φ frekvencia szerinti deriváltja. Ezért, ahogy az átviteli vonal hossza rövidül, a sávszélesség is szélesedik. Más szóval, fordított összefüggés van a sávszélesség és az átviteli vonal alapfázisa között, ami tervezésfüggő. Ez azt mutatja, hogy a hagyományos elosztott áramkörökben az üzemi sávszélességet nem könnyű szabályozni. Ez a hagyományos átviteli vonalak szabadságfokokkal kapcsolatos korlátainak tulajdonítható. A terhelőelemek azonban lehetővé teszik további paraméterek használatát a metaanyagú TL-ekben, és a fázisválasz bizonyos mértékig szabályozható. A sávszélesség növelése érdekében a diszperziós karakterisztikák üzemi frekvenciája közelében hasonló meredekséggel kell rendelkezni. A mesterséges metaanyagú TL elérheti ezt a célt. Ezen megközelítés alapján a cikk számos módszert javasol az antennák sávszélességének növelésére. A tudósok két, osztott gyűrűs rezonátorokkal terhelt szélessávú antennát terveztek és gyártottak (lásd a 7. ábrát). A 7. ábrán látható eredmények azt mutatják, hogy a hagyományos monopólantennával terhelt osztott gyűrűs rezonátor után egy alacsony rezonanciafrekvenciás módus gerjesztődik. Az osztott gyűrűs rezonátor méretét optimalizálták, hogy a monopólantennához közeli rezonanciát érjenek el. Az eredmények azt mutatják, hogy amikor a két rezonancia egybeesik, az antenna sávszélessége és sugárzási jellemzői megnőnek. A monopólantenna hossza és szélessége 0,25λ0×0,11λ0, illetve 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz), az osztott gyűrűs rezonátorral terhelt monopólantenna hossza és szélessége pedig 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz). A hagyományos F alakú antenna és az osztott gyűrűs rezonátor nélküli T alakú antenna esetében a legnagyobb erősítés és sugárzási hatásfok az 5 GHz-es sávban 3,6dBi - 78,5%, illetve 3,9dBi - 80,2% volt. Egy osztott gyűrűs rezonátorral terhelt antenna esetében ezek a paraméterek a 6 GHz-es sávban 4dBi - 81,2%, illetve 4,4dBi - 83% voltak. Egy osztott gyűrűs rezonátornak a monopólantennán való illesztési terhelésként való alkalmazásával a 2,9 GHz ~ 6,41 GHz és a 2,6 GHz ~ 6,6 GHz sávok támogathatók, ami 75,4%, illetve ~87%-os frakcionális sávszélességnek felel meg. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a mérési sávszélesség körülbelül 2,4-szeresére, illetve 2,11-szeresére javult a hagyományos, megközelítőleg fix méretű monopólantennákhoz képest.
7. ábra. Két szélessávú antenna, osztott gyűrűs rezonátorokkal terhelve.
Amint a 8. ábra mutatja a kompakt nyomtatott monopólantenna kísérleti eredményeit. S11≤-10 dB esetén az üzemi sávszélesség 185% (0,115-2,90 GHz), 1,45 GHz-en pedig a csúcserősítés és a sugárzási hatásfok 2,35 dBi, illetve 78,8%. Az antenna elrendezése hasonló egy hátul egymásnak fordított háromszög alakú lemezszerkezethez, amelyet egy görbe vonalú teljesítményelosztó táplál. A csonkolt GND egy központi csonkot tartalmaz, amely a betápláló áramkör alatt helyezkedik el, és négy nyitott rezonáns gyűrű helyezkedik el körülötte, ami szélesíti az antenna sávszélességét. Az antenna szinte minden irányban sugároz, lefedve a VHF és S sávok nagy részét, valamint az UHF és L sávok mindegyikét. Az antenna fizikai mérete 48,32×43,72×0,8 mm3, elektromos mérete pedig 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Előnyei a kis méret és az alacsony költség, valamint potenciális alkalmazási lehetőségek rejlenek a szélessávú vezeték nélküli kommunikációs rendszerekben.
8. ábra: Gyűrűs rezonátorral terhelt monopólantenna.
A 9. ábra egy sík antennaszerkezetet mutat, amely két pár összekapcsolt meander huzalhurokból áll, amelyek két átvezetőn keresztül egy csonka T alakú földelő síkhoz vannak földelve. Az antenna mérete 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), ahol λ0 a szabad térben mért 0,55 GHz-es hullámhossz. Az antenna minden irányban sugároz az E síkban a 0,55 ~ 3,85 GHz-es üzemi frekvenciasávban, 5,5 dBi maximális erősítéssel 2,35 GHz-en és 90,1%-os hatásfokkal. Ezek a tulajdonságok alkalmassá teszik a javasolt antennát különféle alkalmazásokhoz, beleértve az UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi és Bluetooth rendszereket.
9. ábra Javasolt síkantenna-szerkezet.
2. Szivárgó hullámú antenna (LWA)
Az új szivárgóhullámú antenna az egyik fő alkalmazási terület a mesterséges metaanyagú TL megvalósításában. Szivárgóhullámú antennák esetén a β fázisállandó hatása a sugárzási szögre (θm) és a maximális nyalábszélességre (Δθ) a következő:
L az antenna hossza, k0 a hullámszám szabad térben, λ0 pedig a hullámhossz szabad térben. Megjegyzendő, hogy sugárzás csak akkor történik, ha |β|
3. Nullarendű rezonátorantenna
A CRLH metaanyag egyedi tulajdonsága, hogy β értéke 0 lehet, ha a frekvencia nem egyenlő nullával. Ezen tulajdonság alapján egy új nulladrendű rezonátor (ZOR) generálható. Amikor β értéke nulla, a teljes rezonátorban nem történik fáziseltolódás. Ez azért van, mert a fáziseltolódási állandó φ = - βd = 0. Ezenkívül a rezonancia csak a reaktív terheléstől függ, és független a szerkezet hosszától. A 10. ábra azt mutatja, hogy a javasolt antennát két, illetve három E alakú egység alkalmazásával állították elő, a teljes méret 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0, illetve 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, ahol λ0 a szabad tér hullámhosszát jelöli 500 MHz, illetve 650 MHz üzemi frekvenciákon. Az antenna 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) és 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz) frekvenciákon működik, 91,9% és 96,0% relatív sávszélességgel. A kis méret és a széles sávszélesség jellemzői mellett az első és a második antenna nyeresége és hatásfoka 5,3 dBi és 85% (1 GHz), illetve 5,7 dBi és 90% (1,4 GHz).
10. ábra Javasolt dupla-E és tripla-E antennaszerkezetek.
4. Résantenna
Egy egyszerű módszert javasoltak a CRLH-MTM antenna apertúrájának növelésére, de az antenna mérete szinte változatlan marad. Amint a 11. ábrán látható, az antenna függőlegesen egymásra helyezett CRLH egységekből áll, amelyek foltokat és meandervonalakat tartalmaznak, és a folton egy S alakú rés található. Az antennát egy CPW illesztő csonk táplálja, mérete 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, ami 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0-nak felel meg, ahol λ0 (3,5 GHz) a szabad tér hullámhosszát jelöli. Az eredmények azt mutatják, hogy az antenna a 0,85-7,90 GHz-es frekvenciasávban működik, üzemi sávszélessége pedig 161,14%. Az antenna legnagyobb sugárzási nyeresége és hatásfoka 3,5 GHz-en jelentkezik, ami 5,12 dBi, illetve ~80%.
11. ábra A javasolt CRLH MTM résantenna.
Az antennákról bővebben itt olvashat:
Közzététel ideje: 2024. augusztus 30.
