2. Primjena MTM-TL u antenskim sistemima
Ovaj odjeljak će se fokusirati na vještačke metamaterijalne TL-ove i neke od njihovih najčešćih i najrelevantnijih primjena za realizaciju različitih antenskih struktura s niskom cijenom, jednostavnom proizvodnjom, miniaturizacijom, 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 tipičnoj TL liniji dužine l, kada je data ugaona frekvencija ω0, električna dužina (ili faza) dalekovoda može se izračunati na sljedeći 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 se dužina dalekovoda skraćuje, propusni opseg također postaje širi. Drugim riječima, postoji inverzni odnos između propusnog opsega i osnovne faze dalekovoda, što je specifično za dizajn. Ovo pokazuje da u tradicionalnim distribuiranim kolima, radni propusni opseg nije lako kontrolisati. To se može pripisati ograničenjima tradicionalnih dalekovoda u smislu stepena slobode. Međutim, elementi opterećenja omogućavaju korištenje dodatnih parametara u metamaterijalnim TL-ovima, a fazni odziv se može kontrolisati do određene mjere. Da bi se povećao propusni opseg, potrebno je imati sličan nagib u blizini radne frekvencije karakteristika disperzije. Vještački metamaterijalni TL može postići ovaj cilj. Na osnovu ovog pristupa, u radu su predložene mnoge metode za poboljšanje propusnog opsega antena. Naučnici su dizajnirali i izradili dvije širokopojasne antene opterećene rezonatorima sa razdvojenim prstenom (vidi Sliku 7). Rezultati prikazani na Slici 7 pokazuju da se nakon opterećenja rezonatora s razdvojenim prstenom konvencionalnom monopolnom antenom pobuđuje mod niske rezonantne frekvencije. Veličina rezonatora s razdvojenim prstenom je optimizirana kako bi se postigla rezonancija bliska rezonanci monopolne antene. Rezultati pokazuju da kada se dvije rezonancije poklapaju, propusni opseg 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 opterećene rezonatorom s razdvojenim prstenom su 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz), respektivno. Za konvencionalnu antenu u obliku slova F i antenu u obliku slova T bez rezonatora s razdvojenim prstenom, najveće pojačanje i efikasnost zračenja izmjereni u opsegu od 5 GHz su 3,6dBi - 78,5% i 3,9dBi - 80,2%, respektivno. Za antenu opterećenu razdvojenim prstenastim rezonatorom, ovi parametri su 4dBi - 81,2% i 4,4dBi - 83%, respektivno, u opsegu od 6 GHz. 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 frakcijskim propusnim opsegima od 75,4% i ~87%, respektivno. Ovi rezultati pokazuju da je propusni opseg mjerenja poboljšan za približno 2,4 puta i 2,11 puta u poređenju sa tradicionalnim monopolnim antenama približno fiksne veličine.
Slika 7. Dvije širokopojasne antene opterećene rezonatorima sa split-ringom.
Kao što je prikazano na Slici 8, prikazani su eksperimentalni rezultati kompaktne štampane monopolne antene. Kada je S11 ≤ 10 dB, radni propusni 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 ploča postavljenih leđa uz leđa, koja se napaja krivolinijskim razdjelnikom snage. Skraćeni GND sadrži centralni krak postavljen ispod napojnog uređaja, a oko njega su raspoređena četiri otvorena rezonantna prstena, što proširuje propusni opseg antene. Antena zrači gotovo omnidirekcionalno, 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 mogućnosti primjene u širokopojasnim bežičnim komunikacijskim sistemima.
Slika 8: Monopolna antena opterećena rezonatorom sa razdvojenim prstenom.
Slika 9 prikazuje planarnu strukturu antene koja se sastoji od dva para međusobno povezanih petlji vijugave žice uzemljenih na skraćenu T-oblikovanu uzemljenu ravan kroz dva prolaza. Veličina antene je 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), gdje je λ0 talasna dužina u slobodnom prostoru od 0,55 GHz. Antena zrači omnidirekcionalno u E-ravni u radnom frekventnom opsegu od 0,55 ~ 3,85 GHz, sa maksimalnim pojačanjem od 5,5dBi na 2,35GHz i efikasnošću od 90,1%. Ove karakteristike čine predloženu antenu pogodnom za različite primjene, uključujući UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi i Bluetooth.
Sl. 9 Predložena struktura planarne antene.
2. Antena sa curećim talasom (LWA)
Nova antena sa propuštajućim talasom je jedna od glavnih primjena za realizaciju TL-a sa vještačkim metamaterijalima. Za antene sa propuštajućim talasom, uticaj fazne konstante β na ugao zračenja (θm) i maksimalnu širinu snopa (Δθ) je sljedeći:
L je dužina antene, k0 je talasni broj u slobodnom prostoru, a λ0 je talasna dužina u slobodnom prostoru. Treba napomenuti da se zračenje javlja samo kada je |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 generirati novi rezonator nultog reda (ZOR). Kada je β nula, ne dolazi do faznog pomaka u cijelom rezonatoru. To je zato što je konstanta faznog pomaka φ = - βd = 0. Osim toga, rezonanca zavisi samo od reaktivnog opterećenja i nezavisna je od dužine strukture. Slika 10 pokazuje da je predložena antena izrađena primjenom dvije i tri jedinice E-oblika, a ukupna veličina je 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 i 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, respektivno, gdje 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 iznose 5,3dBi i 85% (1 GHz) i 5,7dBi i 90% (1,4 GHz), respektivno.
Sl. 10 Predložene strukture antene sa dvostrukim E i trostrukim E oblikom.
4. Utorna antena
Predložena je jednostavna metoda za povećanje otvora blende CRLH-MTM antene, ali veličina njene antene je gotovo nepromijenjena. Kao što je prikazano na Slici 11, antena uključuje CRLH jedinice vertikalno naslagane jedna na drugu, koje sadrže zakrpe i meandar linije, a na zakrpi se nalazi utor u obliku slova S. Antena se napaja CPW adapterom, a njena veličina je 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, što odgovara 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, gdje λ0 (3,5 GHz) predstavlja talasnu dužinu slobodnog prostora. Rezultati pokazuju da antena radi u frekventnom opsegu od 0,85-7,90 GHz, a njen radni propusni opseg je 161,14%. Najveće pojačanje zračenja i efikasnost antene pojavljuju se na 3,5 GHz, što iznosi 5,12 dBi i ~80%, respektivno.
Sl. 11 Predložena CRLH MTM slot antena.
Za više informacija o antenama, posjetite:
Vrijeme objave: 30. avg. 2024.
