Hírek – A metaanyagokon alapuló távvezeték-antennák áttekintése (2. rész)

2. Az MTM-TL alkalmazása antennarendszerekben
Ez a rész a mesterséges metaanyag TL-ekre és néhány leggyakoribb és legrelevánsabb alkalmazásukra összpontosít különféle antennaszerkezetek megvalósítására alacsony költséggel, egyszerű gyártással, miniatürizálással, széles sávszélességgel, nagy nyereséggel és hatékonysággal, széles tartományú letapogatási képességgel és alacsony profillal. Az alábbiakban tárgyaljuk őket.

1. Szélessávú és többfrekvenciás antennák
Egy tipikus l hosszúságú TL-ben, ha az ω0 szögfrekvencia adott, az átviteli vezeték elektromos hossza (vagy fázisa) a következőképpen számítható ki:

Ahol vp az átviteli vonal fázissebessége. Amint az a fentiekből látható, a sávszélesség szorosan megfelel a csoportkésleltetésnek, amely φ deriváltja a frekvenciához képest. Ezért az átviteli vezeték hosszának csökkenésével a sávszélesség is szélesedik. Más szavakkal, fordított kapcsolat van a sávszélesség és az átviteli vonal alapfázisa között, amely tervezés specifikus. Ez azt mutatja, hogy a hagyományos elosztott áramkörökben az üzemi sávszélességet nem könnyű szabályozni. Ez a hagyományos távvezetékek szabadságfok-korlátozásának tudható be. A betöltő elemek azonban lehetővé teszik további paraméterek használatát a metaanyag TL-ekben, és a fázisválasz bizonyos mértékig szabályozható. A sávszélesség növelése érdekében a diszperziós jellemzők működési frekvenciájához hasonló meredekségre van szükség. A TL mesterséges metaanyag képes elérni ezt a célt. E megközelítés alapján a cikk számos módszert javasol az antennák sávszélességének növelésére. A tudósok két, osztott gyűrűs rezonátorral megtöltött szélessávú antennát terveztek és készítettek (lásd a 7. ábrát). A 7. ábrán látható eredmények azt mutatják, hogy az osztott gyűrűs rezonátor hagyományos monopólusú antennával történő terhelése után alacsony rezonanciafrekvenciás mód gerjesztődik. Az osztott gyűrűs rezonátor mérete úgy van optimalizálva, hogy a monopólus antennához közeli rezonanciát érjen el. Az eredmények azt mutatják, hogy ha a két rezonancia egybeesik, az antenna sávszélessége és sugárzási jellemzői megnőnek. A monopólus antenna hossza és szélessége 0,25λ0 × 0,11λ0 és 0,25λ0 × 0,21λ0 (4GHz), az osztott gyűrűs rezonátorral terhelt monopólus antenna hossza és szélessége pedig 0,29λ0 × 0,29λz0 (2. ), ill. A hagyományos F-alakú és osztott gyűrűs rezonátor nélküli T-alakú antennák esetében az 5 GHz-es sávban mért legnagyobb erősítés és sugárzási hatékonyság 3,6 dBi - 78,5%, illetve 3,9 dBi - 80,2%. Az osztott gyűrűs rezonátorral terhelt antenna esetében ezek a paraméterek 4 dBi - 81,2%, illetve 4,4 dBi - 83% a 6 GHz-es sávban. Az osztott gyűrűs rezonátor megvalósításával a monopólus antenna megfelelő terheléseként a 2,9 GHz-es ~ 6,41 GHz-es és a 2,6 GHz-es ~ 6,6 GHz-es sávok támogathatók, ami 75,4%-os, illetve ~87%-os sávszélességnek felel meg. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a mérési sávszélesség körülbelül 2,4-szeresére és 2,11-szeresére javul a hagyományos, megközelítőleg fix méretű monopólusantennákhoz képest.

7. ábra: Két osztott gyűrűs rezonátorral terhelt szélessávú antenna.

A 8. ábrán látható módon a kompakt nyomtatott monopólusú antenna kísérleti eredményei láthatók. Amikor S11≤- 10 dB, a működési sávszélesség 185% (0,115-2,90 GHz), 1,45 GHz-en pedig a csúcserősítés és a sugárzási hatékonyság 2,35 dBi, illetve 78,8%. Az antenna elrendezése hasonló a háromszög alakú, egymás mellett elhelyezkedő lapszerkezethez, amelyet egy görbe vonalú teljesítményelosztó táplál. A csonka GND egy központi csonkot tartalmaz a feeder alatt, és körülötte négy nyitott rezonáns gyűrű van elosztva, ami az antenna sávszélességét szélesíti. Az antenna szinte minden irányban sugároz, lefedi a VHF és S sávok nagy részét, valamint az összes UHF és L sávot. Az antenna fizikai mérete 48,32×43,72×0,8 mm3, elektromos mérete 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Előnye a kis méret és az alacsony költség, és potenciális alkalmazási lehetőségei vannak a szélessávú vezeték nélküli kommunikációs rendszerekben.

8. ábra: Monopólus antenna osztott gyűrűs rezonátorral terhelve.

A 9. ábra egy sík antennaszerkezetet mutat, amely két pár egymáshoz kapcsolódó kanyargó huzalhurokból áll, amelyek két átmenőn keresztül egy csonka T alakú alaplapra vannak földelve. Az antenna mérete 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), ahol λ0 a 0,55 GHz-es szabad tér hullámhossza. Az antenna minden irányban sugároz az E-síkban a 0,55 ~ 3,85 GHz-es üzemi frekvenciasávban, maximális erősítéssel 5,5 dBi 2,35 GHz-en és 90,1%-os hatásfokkal. Ezek a tulajdonságok a javasolt antennát különféle alkalmazásokhoz teszik alkalmassá, beleértve az UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi és Bluetooth antennákat.

9. ábra Javasolt sík antennaszerkezet.

2. Leaky Wave Antenna (LWA)
Az új szivárgó hullámantenna a mesterséges metaanyag TL megvalósításának egyik fő alkalmazása. Szivárgó hullámantennák esetén a β fázisállandó hatása a sugárzási szögre (θm) és a maximális sugárszélességre (Δθ) a következő:

L az antenna hossza, k0 a hullámszám a szabad térben, és λ0 a hullámhossz a szabad térben. Ne feledje, hogy a sugárzás csak akkor következik be, ha |β|

3. Nullarendű rezonátorantenna
A CRLH metaanyag egyedülálló tulajdonsága, hogy β lehet 0, ha a frekvencia nem egyenlő nullával. Ezen tulajdonság alapján új nulla rendű rezonátor (ZOR) generálható. Ha β nulla, nem történik fáziseltolódás a teljes rezonátorban. Ennek az az oka, hogy a fáziseltolódási állandó φ = - βd = 0. Ráadásul a rezonancia csak a reaktív terheléstől függ, és független a szerkezet hosszától. A 10. ábra azt mutatja, hogy a javasolt antennát két és három E-alakú egység alkalmazásával állítják elő, és a teljes méret 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 és 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0 0,001λ0s, ahol a hullám 0,001λ0. szabad hely a működési frekvenciákon 500 MHz, illetve 650 MHz. Az antenna 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) és 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz) frekvencián működik, relatív sávszélessége 91,9% és 96,0%. A kis méret és a széles sávszélesség jellemzői mellett az első és a második antenna erősítése és hatékonysága 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. Slot Antenna
Egy egyszerű módszert javasoltak a CRLH-MTM antenna apertúrájának növelésére, de az antenna mérete szinte változatlan. A 11. ábrán látható módon az antenna függőlegesen egymásra rakott CRLH egységeket tartalmaz, amelyek foltokat és meandervonalakat tartalmaznak, és van egy S alakú nyílás a folton. 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 a λ0 (3,5 GHz) a szabad tér hullámhosszát jelenti. Az eredmények azt mutatják, hogy az antenna a 0,85-7,90 GHz-es frekvenciasávban működik, működési sávszélessége 161,14%. Az antenna legnagyobb sugárzási nyeresége és hatásfoka 3,5 GHz-en jelenik meg, ami 5,12 dBi, illetve ~80%.