Vijesti - Pregled antena dalekovoda na bazi metamaterijala (2. dio)

2. Primjena MTM-TL u antenskim sistemima
Ovaj odjeljak će se fokusirati na TL-ove od umjetnog metamaterijala i neke od njihovih najčešćih i relevantnih aplikacija za realizaciju različitih antenskih struktura sa niskom cijenom, jednostavnom proizvodnjom, minijaturizacijom, širokim propusnim opsegom, visokim pojačanjem i efikasnošću, mogućnošću skeniranja širokog raspona i niskim profilom. O njima se govori u nastavku.

1. Širokopojasne i višefrekventne antene
U tipičnom TL dužine l, kada je data ugaona frekvencija ω0, električna dužina (ili faza) dalekovoda može se izračunati na sledeći način:

Gdje vp predstavlja faznu brzinu dalekovoda. Kao što se može vidjeti iz gore navedenog, propusni opseg blisko odgovara grupnom kašnjenju, koje je derivat φ u odnosu na frekvenciju. Stoga, kako dužina dalekovoda postaje kraća, širina pojasa također postaje širi. Drugim riječima, postoji inverzna veza između propusnog opsega i osnovne faze dalekovoda, što je specifično za dizajn. Ovo pokazuje da u tradicionalnim distribuiranim kolima, radnu širinu pojasa nije lako kontrolisati. Ovo se može pripisati ograničenjima tradicionalnih dalekovoda u smislu stupnjeva slobode. Međutim, elementi opterećenja omogućavaju korištenje dodatnih parametara u TL-ovima od metamaterijala, a fazni odziv se može kontrolirati do određene mjere. Da bi se povećao propusni opseg, potrebno je imati sličan nagib u blizini radne frekvencije disperzijskih karakteristika. Umjetni metamaterijal TL može postići ovaj cilj. Na osnovu ovog pristupa, u radu su predložene mnoge metode za povećanje propusnog opsega antena. Naučnici su dizajnirali i proizveli dvije širokopojasne antene napunjene rezonatorima s podijeljenim prstenom (vidi sliku 7). Rezultati prikazani na slici 7 pokazuju da se nakon opterećenja rezonatora s podijeljenim prstenom konvencionalnom monopolnom antenom pobuđuje mod niske rezonantne frekvencije. Veličina rezonatora s podijeljenim prstenom je optimizirana za postizanje rezonancije bliske onoj monopolne antene. Rezultati pokazuju da kada se dvije rezonancije poklope, širina pojasa i karakteristike zračenja antene se povećavaju. Dužina i širina monopolne antene su 0,25λ0×0,11λ0 i 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), respektivno, a dužina i širina monopolne antene napunjene rezonatorom sa podijeljenim prstenom su 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz). ), respektivno. Za konvencionalnu antenu u obliku slova F i antenu u obliku slova T bez rezonatora sa podijeljenim prstenom, najveće pojačanje i efikasnost zračenja mjerene u opsegu od 5 GHz su 3,6 dBi - 78,5% i 3,9 dBi - 80,2%, respektivno. Za antenu napunjenu rezonatorom sa podeljenim prstenom, ovi parametri su 4dBi - 81,2% i 4,4dBi - 83%, respektivno, u opsegu od 6GHz. Implementacijom razdvojenog prstenastog rezonatora kao odgovarajućeg opterećenja na monopolnoj anteni, mogu se podržati opsezi od 2,9 GHz ~ 6,41 GHz i 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, što odgovara delimičnim širinama pojasa od 75,4% odnosno ~87%. Ovi rezultati pokazuju da je mjerni opseg poboljšan za približno 2,4 puta i 2,11 puta u odnosu na tradicionalne monopolne antene približno fiksne veličine.

Slika 7. Dve širokopojasne antene napunjene rezonatorima sa podeljenim prstenom.

Kao što je prikazano na slici 8, prikazani su eksperimentalni rezultati kompaktne štampane monopolne antene. Kada je S11≤- 10 dB, radni opseg je 185% (0,115-2,90 GHz), a na 1,45 GHz, vršno pojačanje i efikasnost zračenja su 2,35 dBi i 78,8%, respektivno. Raspored antene je sličan trouglastoj strukturi koja se napaja krivolinijskim razdjelnikom snage. Skraćeni GND sadrži centralni stub postavljen ispod fidera, a oko njega su raspoređena četiri otvorena rezonantna prstena, što proširuje propusni opseg antene. Antena zrači gotovo svesmjerno, pokrivajući većinu VHF i S opsega, te sve UHF i L opsege. Fizička veličina antene je 48,32×43,72×0,8 mm3, a električna veličina je 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Ima prednosti male veličine i niske cijene, te ima potencijalne izglede za primjenu u širokopojasnim bežičnim komunikacionim sistemima.

Slika 8: Monopolna antena sa razdvojenim prstenastim rezonatorom.

Slika 9 prikazuje planarnu antensku strukturu koja se sastoji od dva para međusobno povezanih žičanih petlji meandra uzemljenih na skraćenu uzemljenu ravan u obliku slova T kroz dva prolaza. Veličina antene je 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), gde je λ0 talasna dužina slobodnog prostora od 0,55 GHz. Antena zrači omnidirekciono u E-ravni u radnom frekvencijskom opsegu od 0,55 ~ 3,85 GHz, sa maksimalnim pojačanjem od 5,5 dBi na 2,35 GHz i efikasnošću od 90,1%. Ove karakteristike čine predloženu antenu pogodnom za različite aplikacije, uključujući UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi i Bluetooth.

Slika 9 Predložena planarna struktura antene.

2. Antena propusnih valova (LWA)
Nova antena za curenje je jedna od glavnih aplikacija za realizaciju TL od umjetnog metamaterijala. Za antene sa propusnim talasima, efekat fazne konstante β na ugao zračenja (θm) i maksimalnu širinu snopa (Δθ) je sledeći:

L je dužina antene, k0 je talasni broj u slobodnom prostoru, a λ0 je talasna dužina u slobodnom prostoru. Imajte na umu da se zračenje javlja samo kada |β|

3. Rezonatorska antena nultog reda
Jedinstveno svojstvo CRLH metamaterijala je da β može biti 0 kada frekvencija nije jednaka nuli. Na osnovu ovog svojstva može se generisati novi rezonator nultog reda (ZOR). Kada je β nula, ne dolazi do pomaka faze u cijelom rezonatoru. To je zato što je konstanta faznog pomaka φ = - βd = 0. Osim toga, rezonancija ovisi samo o reaktivnom opterećenju i neovisna je o dužini strukture. Slika 10 pokazuje da je predložena antena proizvedena primjenom dvije i tri jedinice sa E-oblikom, a ukupna veličina je 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 i 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, pri čemu λ0 predstavlja talasnu dužinu slobodnog prostora na radnim frekvencijama od 500 MHz i 650 MHz, respektivno. Antena radi na frekvencijama od 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) i 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), sa relativnim propusnim opsegom od 91,9% i 96,0%. Pored karakteristika male veličine i širokog propusnog opsega, pojačanje i efikasnost prve i druge antene su 5,3dBi i 85% (1GHz) i 5,7dBi i 90% (1,4GHz), respektivno.

Slika 10 Predložene strukture antene sa dvostrukom E i trostrukom E.

4. Slot antena
Predložena je jednostavna metoda za povećanje otvora CRLH-MTM antene, ali njena veličina antene je gotovo nepromijenjena. Kao što je prikazano na slici 11, antena uključuje CRLH jedinice naslagane okomito jedna na drugu, koje sadrže zakrpe i meandarske linije, a na zakrpi se nalazi utor u obliku slova S. Antena se napaja CPW priključkom za usklađivanje, a njena veličina je 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, što odgovara 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, gdje λ0 (3,5GHz) predstavlja talasnu dužinu slobodnog prostora. Rezultati pokazuju da antena radi u frekvencijskom opsegu od 0,85-7,90GHz, a njen radni propusni opseg iznosi 161,14%. Najveći dobitak zračenja i efikasnost antene pojavljuju se na 3.5GHz, što iznosi 5.12dBi i ~80%, respektivno.