Ziņas — Pārraides līniju antenu, kuru pamatā ir metamateriāli, apskats (2. daļa)

2. MTM-TL pielietojums antenu sistēmās
Šajā sadaļā galvenā uzmanība tiks pievērsta mākslīgiem metamateriāliem — TL — un dažiem no to visizplatītākajiem un atbilstošākajiem pielietojumiem dažādu antenu struktūru realizēšanai ar zemām izmaksām, vienkāršu izgatavošanu, miniaturizāciju, plašu joslas platumu, augstu pastiprinājumu un efektivitāti, plaša diapazona skenēšanas iespējām un zemu profilu. Tie ir apspriesti turpmāk.

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

Kur vp apzīmē pārraides līnijas fāzes ātrumu. Kā redzams no iepriekš minētā, joslas platums precīzi atbilst grupas aizkavei, kas ir φ atvasinājums attiecībā pret frekvenci. Tāpēc, samazinoties pārraides līnijas garumam, joslas platums kļūst arī platāks. Citiem vārdiem sakot, pastāv apgriezta attiecība starp joslas platumu un pārraides līnijas pamatfāzi, kas ir atkarīga no konstrukcijas. Tas parāda, ka tradicionālajās sadalītajās shēmās darbības joslas platumu nav viegli kontrolēt. To var attiecināt uz tradicionālo pārraides līniju ierobežojumiem brīvības pakāpju ziņā. Tomēr slodzes elementi ļauj metamateriālu TL izmantot papildu parametrus, un fāzes reakciju var kontrolēt zināmā mērā. Lai palielinātu joslas platumu, ir nepieciešams līdzīgs slīpums dispersijas raksturlielumu darba frekvences tuvumā. Mākslīgi metamateriāli TL var sasniegt šo mērķi. Pamatojoties uz šo pieeju, rakstā ir ierosinātas daudzas metodes antenu joslas platuma palielināšanai. Zinātnieki ir projektējuši un izgatavojuši divas platjoslas antenas, kas noslogotas ar sadalītiem gredzenu rezonatoriem (sk. 7. attēlu). 7. attēlā redzamie rezultāti rāda, ka pēc šķeltā gredzena rezonatora noslodzes ar parasto monopola antenu tiek ierosināta zema rezonanses frekvences moda. Šķeltā gredzena rezonatora izmērs ir optimizēts, lai sasniegtu rezonansi, kas ir tuvu monopola antenas rezonansei. Rezultāti liecina, ka, abām rezonansēm sakrītot, antenas joslas platums un starojuma raksturlielumi palielinās. Monopola antenas garums un platums ir attiecīgi 0,25λ0×0,11λ0 un 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz), un monopola antenas, kas noslodzīta ar šķelto gredzenu rezonatoru, garums un platums ir attiecīgi 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz). Parastajai F-veida antenai un T-veida antenai bez šķeltā gredzena rezonatora lielākais pastiprinājums un starojuma efektivitāte, kas izmērīta 5 GHz joslā, ir attiecīgi 3,6 dBi - 78,5 % un 3,9 dBi - 80,2 %. Antenai, kas noslogota ar dalīta gredzena rezonatoru, šie parametri 6 GHz joslā ir attiecīgi 4 dBi - 81,2 % un 4,4 dBi - 83 %. Ieviešot dalīta gredzena rezonatoru kā atbilstošu slodzi monopola antenā, var atbalstīt 2,9 GHz ~ 6,41 GHz un 2,6 GHz ~ 6,6 GHz joslas, kas atbilst attiecīgi 75,4 % un ~87 % daļējai joslas platumam. Šie rezultāti liecina, ka mērījumu joslas platums ir uzlabots aptuveni 2,4 un 2,11 reizes, salīdzinot ar tradicionālajām monopola antenām ar aptuveni fiksētu izmēru.

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

Kā parādīts 8. attēlā, ir parādīti kompaktās drukātās monopola antenas eksperimentālie rezultāti. Pie 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 savienota ar mugurpusi, un to baro izliekts jaudas dalītājs. Nošķeltajā GND ir centrālais vads, kas novietots zem padeves vada, un ap to ir izvietoti četri atvērti rezonanses gredzeni, kas paplašina antenas joslas platumu. Antena izstaro gandrīz visvirzienu veidā, 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, un elektriskais izmērs ir 0,235λ0 × 0,211λ0 × 0,003λ0. Tam ir maza izmēra un zemas izmaksas priekšrocības, un tam ir potenciālas pielietojuma iespējas platjoslas bezvadu sakaru sistēmās.

8. attēls: Monopola antena, kas noslogota ar sadalīta gredzena rezonatoru.

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

9. attēls. Piedāvātā plaknes antenas struktūra.

2. Noplūdes viļņu antena (LWA)
Jaunā noplūdes viļņa antena ir viens no galvenajiem mākslīgā metamateriāla TL realizācijas pielietojumiem. Noplūdes viļņa antenām fāzes konstantes β ietekme uz starojuma leņķi (θm) un maksimālo stara 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, kad |β|

3. Nulles kārtas rezonatora antena
CRLH metamateriāla unikāla īpašība ir tā, 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 struktūras garuma. 10. attēlā redzams, ka piedāvātā antena ir izgatavota, izmantojot divas un trīs E-veida vienības, un kopējais izmērs ir attiecīgi 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 un 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, kur λ0 apzīmē brīvas telpas viļņa garumu attiecīgi darba frekvencēs 500 MHz un 650 MHz. Antena darbojas frekvencēs 0,5–1,35 GHz (0,85 GHz) un 0,65–1,85 GHz (1,2 GHz), ar relatīvajiem joslas platumiem 91,9% un 96,0%. Papildus mazajiem izmēriem un plašajam joslas platumam 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. attēls. Piedāvātās dubultās E un trīskāršās E antenu struktūras.

4. Slota antena
Ir piedāvāta vienkārša metode, kā palielināt CRLH-MTM antenas apertūru, taču tās izmērs gandrīz nemainās. Kā parādīts 11. attēlā, antena ietver vertikāli viena virs otras sakrautas CRLH vienības, kurās ir ielāpi un meandru līnijas, un ielāpā ir S veida sprauga. Antenu baro CPW atbilstības izciļņš, un tā izmērs ir 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, kas atbilst 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, kur λ0 (3,5 GHz) apzīmē brīvās telpas viļņa garumu. Rezultāti liecina, ka antena darbojas frekvenču joslā no 0,85 līdz 7,90 GHz, un tās darbības joslas platums ir 161,14 %. Antenas vislielākais starojuma pastiprinājums un efektivitāte ir pie 3,5 GHz, kas ir attiecīgi 5,12 dBi un ~80 %.