Новини - Преглед на антени за преносни линии, базирани на метаматериали (част 2)

2. Приложение на MTM-TL в антенни системи
Този раздел ще се фокусира върху изкуствени метаматериални TL и някои от техните най-често срещани и подходящи приложения за реализиране на различни антенни структури с ниска цена, лесно производство, миниатюризация, широка честотна лента, високо усилване и ефективност, възможност за широкообхватно сканиране и нисък профил. Те са разгледани по-долу.

1. Широколентови и многочестотни антени
В типична преносна линия с дължина l, когато е дадена ъгловата честота ω0, електрическата дължина (или фаза) на преносната линия може да се изчисли, както следва:

Където vp представлява фазовата скорост на предавателната линия. Както може да се види от горното, честотната лента съответства тясно на груповото закъснение, което е производна на φ по отношение на честотата. Следователно, с намаляването на дължината на предавателната линия, честотната лента също се разширява. С други думи, съществува обратна зависимост между честотната лента и основната фаза на предавателната линия, което е специфично за проекта. Това показва, че в традиционните разпределени схеми работната честотна лента не е лесна за управление. Това може да се дължи на ограниченията на традиционните предавателни линии по отношение на степените на свобода. Въпреки това, натоварващите елементи позволяват използването на допълнителни параметри в метаматериалните TL и фазовият отклик може да се контролира до известна степен. За да се увеличи честотната лента, е необходимо да има подобен наклон близо до работната честота на дисперсионните характеристики. Изкуствените метаматериални TL могат да постигнат тази цел. Въз основа на този подход в статията са предложени много методи за подобряване на честотната лента на антените. Учените са проектирали и изработили две широколентови антени, заредени с резонатори с разделен пръстен (вижте Фигура 7). Резултатите, показани на Фигура 7, показват, че след зареждане на разцепения пръстенов резонатор с конвенционална монополна антена, се възбужда нискорезонансен честотен режим. Размерът на разцепения пръстенов резонатор е оптимизиран, за да се постигне резонанс, близък до този на монополната антена. Резултатите показват, че когато двата резонанса съвпадат, честотната лента и характеристиките на излъчване на антената се увеличават. Дължината и ширината на монополната антена са съответно 0.25λ0×0.11λ0 и 0.25λ0×0.21λ0 (4GHz), а дължината и ширината на монополната антена, заредена с разцепен пръстенов резонатор, са съответно 0.29λ0×0.21λ0 (2.9GHz). За конвенционалната F-образна антена и Т-образната антена без разцепен пръстенов резонатор, най-високото усилване и ефективност на излъчване, измерени в 5GHz диапазона, са съответно 3.6dBi - 78.5% и 3.9dBi - 80.2%. За антената, натоварена с раздвоен пръстенов резонатор, тези параметри са съответно 4dBi - 81,2% и 4,4dBi - 83% в честотната лента 6 GHz. Чрез внедряване на раздвоен пръстенов резонатор като съгласуващ товар върху монополната антена, могат да се поддържат честотните ленти 2,9 GHz ~ 6,41 GHz и 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, което съответства на частични честотни ленти от съответно 75,4% и ~87%. Тези резултати показват, че честотната лента на измерване е подобрена приблизително 2,4 пъти и 2,11 пъти в сравнение с традиционните монополни антени с приблизително фиксиран размер.

Фигура 7. Две широколентови антени, натоварени с резонатори с разделен пръстен.

Както е показано на Фигура 8, са показани експерименталните резултати на компактната печатна монополна антена. Когато S11 ≤ 10 dB, работната честотна лента е 185% (0,115-2,90 GHz), а при 1,45 GHz, пиковото усилване и ефективността на излъчване са съответно 2,35 dBi и 78,8%. Схемата на антената е подобна на триъгълна листова структура „гръб до гръб“, която се захранва от криволинеен делител на мощността. Скъсеният GND съдържа централен штекер, поставен под захранващото устройство, и четири отворени резонансни пръстена са разпределени около него, което разширява честотната лента на антената. Антената излъчва почти всепосочно, покривайки по-голямата част от VHF и S диапазоните, и всички UHF и L диапазони. Физическият размер на антената е 48,32 × 43,72 × 0,8 mm3, а електрическият размер е 0,235λ0 × 0,211λ0 × 0,003λ0. Той има предимствата на малък размер и ниска цена и има потенциални перспективи за приложение в широколентови безжични комуникационни системи.

Фигура 8: Монополюсна антена, натоварена с разцепен пръстенов резонатор.

Фигура 9 показва плоска антенна структура, състояща се от два чифта взаимосвързани меандърни проводници, заземени към пресечена Т-образна заземителна равнина през два отвора. Размерът на антената е 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), където λ0 е дължината на вълната в свободното пространство от 0,55 GHz. Антената излъчва всепосочно в E-равнината в работната честотна лента от 0,55 ~ 3,85 GHz, с максимално усилване от 5,5dBi при 2,35 GHz и ефективност от 90,1%. Тези характеристики правят предложената антена подходяща за различни приложения, включително UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi и Bluetooth.

Фиг. 9 Предложена структура на планарна антена.

2. Антена с изтичащи вълни (LWA)
Новата антена с изтичащи вълни е едно от основните приложения за реализиране на изкуствени метаматериални TL. За антените с изтичащи вълни, ефектът на фазовата константа β върху ъгъла на излъчване (θm) и максималната ширина на лъча (Δθ) е следният:

L е дължината на антената, k0 е вълновото число в свободно пространство, а λ0 е дължината на вълната в свободно пространство. Обърнете внимание, че излъчването възниква само когато |β|

3. Антена с резонатор от нулев порядък
Уникално свойство на метаматериала CRLH е, че β може да бъде 0, когато честотата не е равна на нула. Въз основа на това свойство може да се генерира нов резонатор от нулев порядък (ZOR). Когато β е нула, не се наблюдава фазово изместване в целия резонатор. Това е така, защото константата на фазово изместване φ = - βd = 0. Освен това, резонансът зависи само от реактивното натоварване и е независим от дължината на структурата. Фигура 10 показва, че предложената антена е изработена чрез прилагане на два и три елемента с E-образна форма, а общият размер е съответно 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 и 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0, където λ0 представлява дължината на вълната на свободното пространство при работни честоти от 500 MHz и 650 MHz, съответно. Антената работи на честоти от 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) и 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), с относителна честотна лента от 91,9% и 96,0%. В допълнение към характеристиките на малък размер и широка честотна лента, коефициентът на усилване и ефективност на първата и втората антена са съответно 5,3 dBi и 85% (1 GHz) и 5,7 dBi и 90% (1,4 GHz).

Фиг. 10 Предложени структури на двойна-Е и тройна-Е антена.

4. Слотова антена
Предложен е прост метод за увеличаване на апертурата на антената CRLH-MTM, но размерът на антената е почти непроменен. Както е показано на Фигура 11, антената включва CRLH модули, подредени вертикално един върху друг, които съдържат пластири и меандърни линии, и има S-образен слот на пластира. Антената се захранва от CPW съгласуващ муфа, а размерът ѝ е 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, което съответства на 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, където λ0 (3,5 GHz) представлява дължината на вълната на свободното пространство. Резултатите показват, че антената работи в честотната лента от 0,85 до 7,90 GHz, а работната ѝ честотна лента е 161,14%. Най-високото усилване на излъчването и ефективност на антената се наблюдават при 3,5 GHz, които са съответно 5,12 dBi и ~80%.