Новини - Преглед на антени за предавателни линии, базирани на метаматериали (Част 2)

2. Приложение на MTM-TL в антенни системи
Този раздел ще се съсредоточи 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, голямо усилване и ефективност, възможност за широкообхватно сканиране и нисък профил. Те са обсъдени по-долу.

1. Широколентови и многочестотни антени
В типичен TL с дължина l, когато е дадена ъгловата честота ω0, електрическата дължина (или фаза) на предавателната 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 в голяма степен на груповото забавяне, което е производната на φ по отношение на честотата. Следователно, тъй като дължината на предавателната линия става по-къса, честотната лента също става по-широка. С други думи, има обратна връзка между честотната лента и основната фаза на предавателната линия, която е специфична за дизайна. Това показва, че в традиционните разпределени вериги работната честотна лента не е лесна за контролиране. Това може да се отдаде на ограниченията на традиционните преносни линии по отношение на степените на свобода. Въпреки това, зареждащите елементи позволяват да се използват допълнителни параметри в метаматериалните TL и фазовият отговор 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. Изкуственият метаматериал TL може да постигне тази цел. Въз основа на този подход в статията са предложени много методи за подобряване на честотната лента на антените. Учените са проектирали и произвели две широколентови антени, заредени с резонатори с разделени пръстени (вижте Фигура 7). Резултатите, показани на фигура 7, показват, че след натоварване на резонатора с разделен пръстен с конвенционалната монополна антена се възбужда режим на ниска резонансна честота. Размерът на резонатора с разделен пръстен е оптимизиран за постигане на 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 резонатор с разделен пръстен, са 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz ), съответно. За конвенционалната F-образна антена и Т-образната антена без резонатор с разделен пръстен най-високото усилване и ефективност на излъчване, измерени в обхвата 5GHz, са съответно 3,6dBi - 78,5% и 3,9dBi - 80,2%. За антената, заредена с резонатор с разделен пръстен, тези параметри са съответно 4dBi - 81.2% и 4.4dBi - 83% в обхвата 6GHz. Чрез прилагане на резонатор с разделен пръстен като съвпадащ товар върху монополната антена, могат да се поддържат честотните ленти 2,9GHz ~ 6,41GHz и 2,6GHz ~ 6,6GHz, съответстващи на частична честотна лента от 75,4% и ~87%, съответно. 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, заредени с резонатори с разделени пръстени.

Както е показано на фигура 8, са показани експерименталните резултати от 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%. Оформлението на антената е подобно на триъгълна листова структура гръб до гръб, която се захранва от криволинеен делител на мощността. Прекъснатият GND съдържа централен щифт, поставен под захранващото устройство, и четири отворени резонансни пръстена са разпределени около него, което разширява честотната лента на антената. Антената излъчва почти всепосочно, покривайки повечето от VHF и S лентите, както и всички UHF и L ленти. 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, заредена с резонатор с разделен пръстен.

Фигура 9 показва планарна антенна структура, състояща се от две двойки свързани помежду си меандърни жични бримки, 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 на свободното пространство от 0,55 GHz. Антената излъчва многопосочно в E-равнината в работната честотна лента от 0,55 ~ 3,85 GHz, с максимално усилване от 5,5 dBi 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 планарна структура на антената.

2. Антена с течаща вълна (LWA)
Новата антена с течаща вълна е едно от основните приложения за реализиране на изкуствени метаматериални TL. За антени със спукана вълна ефектът на фазовата константа β върху ъгъла на излъчване (θm) и максималната ширина на лъча (Δθ) е както следва:

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

3. Резонаторна антена 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 получава фазово изместване в целия резонатор. Това е така, защото константата на фазово изместване φ = - βd = 0. Освен това резонансът зависи само от реактивния товар и не зависи от дължината на конструкцията. Фигура 10 показва, че предложената антена е произведена чрез прилагане на две и три единици с E-форма и общият размер е съответно 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 и 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0, където λ0 представлява дължината на вълната свободно 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, усилването и ефективността на първата и втората антена са съответно 5,3dBi и 85% (1GHz) и 5,7dBi и 90% (1,4GHz).

Фиг. 10 Предложени двойно-E и тройно-E антенни структури.

4. Слот антена
Предложен е прост метод за увеличаване на апертурата на антената CRLH-MTM, но нейният размер на антената е почти непроменен. Както е показано на Фигура 11, антената включва CRLH модули, подредени вертикално един върху друг, които съдържат петна и меандърни линии, и има S-образен слот върху пластира. Антената се захранва от CPW съвпадаща тръба и нейният размер е 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, съответстващ 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 0.85-7.90GHz, а работната й честотна лента е 161.14%. Най-високото усилване на радиацията и ефективността на антената се появяват при 3,5 GHz, които са съответно 5,12 dBi и ~80%.