Jaunumi — uz metamateriāliem balstītu pārvades līniju antenu apskats (2. daļa)

2. MTM-TL pielietojums antenu sistēmās
Šajā sadaļā galvenā uzmanība tiks pievērsta mākslīgiem metamateriālu TL un dažiem to izplatītākajiem un atbilstošākiem lietojumiem dažādu antenu konstrukciju realizēšanai ar zemām izmaksām, vieglu ražošanu, miniaturizāciju, plašu joslas platumu, augstu pastiprinājumu un efektivitāti, plaša diapazona skenēšanas iespējām un zemu profilu. Tie ir apspriesti tālāk.

1. Platjoslas un daudzfrekvenču antenas
Tipiskā TL ar garumu l, kad ir dota leņķiskā frekvence ω0, pārvades līnijas elektrisko garumu (vai fāzi) var aprēķināt šādi:

Kur vp apzīmē pārvades līnijas fāzes ātrumu. Kā redzams no iepriekš minētā, joslas platums cieši atbilst grupas aizkavei, kas ir φ atvasinājums attiecībā pret frekvenci. Tāpēc, pārvades līnijas garumam kļūstot īsākam, arī joslas platums kļūst plašāks. Citiem vārdiem sakot, pastāv apgriezta saistība starp joslas platumu un pārvades līnijas pamatfāzi, kas ir specifiska konstrukcijai. Tas parāda, ka tradicionālajās sadalītajās shēmās darbības joslas platumu nav viegli kontrolēt. To var saistīt ar tradicionālo pārvades līniju ierobežojumiem brīvības pakāpju ziņā. Tomēr ielādes elementi ļauj izmantot papildu parametrus metamateriālu TL, un fāzes reakciju var kontrolēt zināmā mērā. Lai palielinātu joslas platumu, ir nepieciešams līdzīgs slīpums tuvu dispersijas raksturlielumu darbības frekvencei. Mākslīgais metamateriāls TL var sasniegt šo mērķi. Pamatojoties uz šo pieeju, rakstā ir piedāvātas daudzas metodes antenu joslas platuma palielināšanai. Zinātnieki ir izstrādājuši un izgatavojuši divas platjoslas antenas, kas noslogotas ar dalītā gredzena rezonatoriem (sk. 7. attēlu). 7. attēlā parādītie rezultāti parāda, ka pēc dalītā gredzena rezonatora noslogošanas ar parasto monopola antenu tiek ierosināts zemas rezonanses frekvences režīms. Sadalītā gredzena rezonatora izmērs ir optimizēts, lai sasniegtu rezonansi, kas ir tuvu monopola antenai. Rezultāti liecina, ka tad, kad abas rezonanses sakrīt, antenas joslas platums un starojuma raksturlielumi tiek palielināti. Monopola antenas garums un platums ir attiecīgi 0,25λ0 × 0,11λ0 un 0,25λ0 × 0,21λ0 (4GHz), un monopola antenas garums un platums, kas noslogots ar sadalītā gredzena rezonatoru, ir 0,29λ0 × 0,29λ0 (2. ), attiecīgi. Parastajai F-veida antenai un T-veida antenai bez dalītā gredzena rezonatora lielākais pastiprinājums un starojuma efektivitāte, kas izmērīta 5GHz joslā, ir attiecīgi 3,6dBi - 78,5% un 3,9dBi - 80,2%. Antenai, kas noslogota ar dalītā gredzena rezonatoru, šie parametri ir attiecīgi 4dBi - 81,2% un 4,4dBi - 83%, 6 GHz joslā. Ieviešot dalītā gredzena rezonatoru kā atbilstošu monopola antenas slodzi, var atbalstīt 2,9 GHz ~ 6,41 GHz un 2,6 GHz ~ 6,6 GHz joslas, kas atbilst frakcionētajiem joslas platumiem attiecīgi 75,4% un ~ 87%. Šie rezultāti liecina, ka mērījumu joslas platums ir uzlabots aptuveni 2,4 reizes un 2,11 reizes, salīdzinot ar tradicionālajām aptuveni fiksēta izmēra monopola antenām.

7. attēls. Divas platjoslas antenas, kas noslogotas ar sadalīto gredzenu rezonatoriem.

Kā parādīts 8. attēlā, ir parādīti kompaktās drukātās monopola antenas eksperimentālie rezultāti. Ja S11≤- 10 dB, darbības joslas platums ir 185% (0,115–2,90 GHz), un pie 1,45 GHz maksimālais pastiprinājums un starojuma efektivitāte ir attiecīgi 2,35 dBi un 78,8%. Antenas izkārtojums ir līdzīgs trīsstūrveida lokšņu struktūrai, kas tiek veidota pret aizmuguri, ko baro izliekts jaudas dalītājs. Saīsinātajā GND ir centrālais izvads, kas novietots zem padevēja, un ap to ir sadalīti četri atvērti rezonanses gredzeni, kas paplašina antenas joslas platumu. Antena izstaro gandrīz visos virzienos, aptverot lielāko daļu VHF un S joslu, kā arī visas UHF un L joslas. Antenas fiziskais izmērs ir 48,32 × 43,72 × 0,8 mm3, bet elektriskais izmērs ir 0,235λ0 × 0,211λ0 × 0,003λ0. Tam ir maza izmēra un zemu izmaksu priekšrocības, un tam ir potenciālas pielietošanas iespējas platjoslas bezvadu sakaru sistēmās.

8. attēls: monopola antena, kas noslogota ar sadalītā gredzena rezonatoru.

9. attēlā parādīta plakana antenas struktūra, kas sastāv no diviem savstarpēji savienotu līkumainu vadu cilpu pāriem, kas caur diviem caurumiem ir iezemēti nošķeltai T-veida iezemētai plaknei. Antenas izmērs ir 38,5 × 36,6 mm2 (0,070 λ0 × 0,067 λ0), kur λ0 ir brīvās telpas viļņa garums 0,55 GHz. Antena E-plaknē izstaro visvirziena darbības frekvenču joslā 0,55 ~ 3,85 GHz ar maksimālo pastiprinājumu 5,5 dBi pie 2,35 GHz un efektivitāti 90,1%. Šīs funkcijas padara piedāvāto antenu piemērotu dažādiem lietojumiem, tostarp UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi un Bluetooth.

9. att. Piedāvātā plakanās antenas struktūra.

2. Noplūdes viļņu antena (LWA)
Jaunā noplūdes viļņu antena ir viens no galvenajiem pielietojumiem mākslīgā metamateriāla TL realizācijai. Noplūdes viļņu antenām fāzes konstantes β ietekme uz starojuma leņķi (θm) un maksimālo staru kūļa platumu (Δθ) ir šāda:

L ir antenas garums, k0 ir viļņa skaitlis brīvā telpā, un λ0 ir viļņa garums brīvā telpā. Ņemiet vērā, ka starojums notiek tikai tad, ja |β|

3. Nulles kārtas rezonatora antena
CRLH metamateriāla unikāla īpašība ir tāda, ka β var būt 0, ja frekvence nav vienāda ar nulli. Pamatojoties uz šo īpašību, var ģenerēt jaunu nulles kārtas rezonatoru (ZOR). Kad β ir nulle, visā rezonatorā nenotiek fāzes nobīde. Tas ir tāpēc, ka fāzes nobīdes konstante φ = - βd = 0. Turklāt rezonanse ir atkarīga tikai no reaktīvās slodzes un nav atkarīga no konstrukcijas garuma. 10. attēlā parādīts, ka piedāvātā antena ir izgatavota, pielietojot divas un trīs vienības ar E formu, un kopējais izmērs ir 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 un 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, kur attiecīgi ir 0,001λ0. brīvas vietas darba frekvencēs 500 MHz un 650 MHz. Antena darbojas 0,5–1,35 GHz (0,85 GHz) un 0,65–1,85 GHz (1,2 GHz) frekvencēs ar relatīvo joslas platumu 91,9% un 96,0%. Papildus maza izmēra un plaša joslas platuma īpašībām pirmās un otrās antenas pastiprinājums un efektivitāte ir attiecīgi 5,3 dBi un 85% (1 GHz) un 5,7 dBi un 90% (1,4 GHz).

10. att. Piedāvātās dubultās E un trīskāršās E antenas struktūras.

4. Slotu antena
Ir ierosināta vienkārša metode, lai palielinātu CRLH-MTM antenas apertūru, taču tās antenas izmērs gandrīz nemainās. Kā parādīts 11. attēlā, antenā ir vertikāli viena uz otras sakrautas CRLH vienības, kurās ir plankumi un līkumotas līnijas, un uz plākstera ir S formas slots. Antenu baro ar CPW atbilstošu izvadu, un tās izmērs ir 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, kas atbilst 0,204λ0 × 0,375λ0 × 0,018λ0, kur λ0 (3,5GHz) apzīmē brīvās vietas viļņa garumu. Rezultāti liecina, ka antena darbojas frekvenču joslā no 0,85 līdz 7,90 GHz, un tās darbības joslas platums ir 161,14%. Vislielākais antenas starojuma pieaugums un efektivitāte parādās pie 3,5 GHz, kas ir attiecīgi 5,12 dBi un ~ 80%.