2. Примена MTM-TL у антенским системима
Овај одељак ће се фокусирати на вештачке метаматеријалне ТЛ и неке од њихових најчешћих и најрелевантнијих примена за реализацију различитих антенских структура са ниском ценом, једноставном производњом, минијатуризацијом, широким пропусним опсегом, високим појачањем и ефикасношћу, могућношћу скенирања широког опсега и ниским профилом. Оне су размотрене у наставку.
1. Широкопојасне и вишефреквентне антене
У типичној преносној линији дужине l, када је дата угаона фреквенција ω0, електрична дужина (или фаза) далековода може се израчунати на следећи начин:
Где vp представља фазну брзину далековода. Као што се може видети из горе наведеног, пропусни опсег блиско одговара групном кашњењу, које је извод φ у односу на фреквенцију. Стога, како се дужина далековода скраћује, пропусни опсег такође постаје шири. Другим речима, постоји инверзна веза између пропусног опсега и основне фазе далековода, што је специфично за дизајн. Ово показује да у традиционалним дистрибуираним колима, оперативни пропусни опсег није лако контролисати. То се може приписати ограничењима традиционалних далековода у погледу степена слободе. Међутим, елементи оптерећења омогућавају коришћење додатних параметара у метаматеријалним далеководима, а фазни одзив се може контролисати до одређене мере. Да би се повећао пропусни опсег, неопходно је имати сличан нагиб близу радне фреквенције карактеристика дисперзије. Вештачки метаматеријални далековод може постићи овај циљ. На основу овог приступа, у раду су предложене многе методе за побољшање пропусног опсега антена. Научници су пројектовали и направили две широкопојасне антене оптерећене резонаторима са подељеним прстеном (видети слику 7). Резултати приказани на слици 7 показују да се након оптерећења резонатора са раздвојеним прстенастим резонатором конвенционалном монополном антеном побуђује мод ниске резонантне фреквенције. Величина резонатора са раздвојеним прстенастим резонатором је оптимизована да би се постигла резонанција блиска оној код монополне антене. Резултати показују да када се две резонанције поклапају, пропусни опсег и карактеристике зрачења антене се повећавају. Дужина и ширина монополне антене су 0,25λ0×0,11λ0 и 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), респективно, а дужина и ширина монополне антене оптерећене резонатором са раздвојеним прстенастим резонатором су 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz), респективно. За конвенционалну антену у облику слова F и антену у облику слова T без резонатора са раздвојеним прстенастим резонатором, највеће појачање и ефикасност зрачења измерени у опсегу од 5GHz су 3,6dBi - 78,5% и 3,9dBi - 80,2%, респективно. За антену оптерећену резонатором са раздвојеним прстеном, ови параметри су 4dBi - 81,2% и 4,4dBi - 83%, респективно, у опсегу од 6 GHz. Имплементацијом резонатора са раздвојеним прстеном као одговарајућег оптерећења на монополној антени, могу се подржати опсези од 2,9 GHz ~ 6,41 GHz и 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, што одговара делимичним пропусним опсезима од 75,4% и ~87%, респективно. Ови резултати показују да је пропусни опсег мерења побољшан приближно 2,4 пута и 2,11 пута у поређењу са традиционалним монополним антенама приближно фиксне величине.
Слика 7. Две широкопојасне антене оптерећене резонаторима са раздвојеним прстеном.
Као што је приказано на слици 8, приказани су експериментални резултати компактне штампане монополне антене. Када је S11 ≤ 10 dB, радни пропусни опсег је 185% (0,115-2,90 GHz), а на 1,45 GHz, вршно појачање и ефикасност зрачења су 2,35 dBi и 78,8%, респективно. Распоред антене је сличан троугластој структури плоча постављеној леђа уз леђа, која се напаја криволинијским делиоцем снаге. Скраћени GND садржи централни крак постављен испод напајача, а око њега су распоређена четири отворена резонантна прстена, што проширује пропусни опсег антене. Антена зрачи готово свесмерно, покривајући већину VHF и S опсега, и све UHF и L опсеге. Физичка величина антене је 48,32 × 43,72 × 0,8 mm3, а електрична величина је 0,235λ0 × 0,211λ0 × 0,003λ0. Има предности мале величине и ниске цене, и има потенцијалне изгледе за примену у широкопојасним бежичним комуникационим системима.
Слика 8: Монополна антена оптерећена резонатором са раздвојеним прстеном.
Слика 9 приказује планарну структуру антене која се састоји од два пара међусобно повезаних меандр жичних петљи уземљених на скраћену Т-обликовану плочу уземљења кроз два пролаза. Величина антене је 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), где је λ0 таласна дужина у слободном простору од 0,55 GHz. Антена зрачи вишесмерно у E-равни у радном фреквентном опсегу од 0,55 ~ 3,85 GHz, са максималним појачањем од 5,5dBi на 2,35GHz и ефикасношћу од 90,1%. Ове карактеристике чине предложену антену погодном за различите примене, укључујући UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi и Bluetooth.
Сл. 9 Предложена структура планарне антене.
2. Антена са цурећим таласима (LWA)
Нова антена са цурећим таласима је једна од главних примена за реализацију вештачке метаматеријалне TL. За антене са цурећим таласима, ефекат фазне константе β на угао зрачења (θm) и максималну ширину снопа (Δθ) је следећи:
L је дужина антене, k0 је таласни број у слободном простору, а λ0 је таласна дужина у слободном простору. Треба напоменути да се зрачење јавља само када је |β|
3. Антена са резонатором нултог реда
Јединствено својство CRLH метаматеријала је да β може бити 0 када фреквенција није једнака нули. На основу овог својства, може се генерисати нови резонатор нултог реда (ZOR). Када је β нула, не долази до фазног померања у целом резонатору. То је зато што је константа фазног померања φ = - βd = 0. Поред тога, резонанција зависи само од реактивног оптерећења и независна је од дужине структуре. Слика 10 показује да је предложена антена направљена применом две и три јединице са Е-обликом, а укупна величина је 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 и 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, респективно, где λ0 представља таласну дужину слободног простора на радним фреквенцијама од 500 MHz и 650 MHz, респективно. Антена ради на фреквенцијама од 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) и 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), са релативним пропусним опсегом од 91,9% и 96,0%. Поред карактеристика мале величине и широког пропусног опсега, појачање и ефикасност прве и друге антене су 5,3dBi и 85% (1 GHz) и 5,7dBi и 90% (1,4 GHz), респективно.
Сл. 10 Предложене структуре антена са двоструким Е и троструким Е линијама.
4. Антена са прорезом
Предложена је једноставна метода за повећање отвора бленде CRLH-MTM антене, али величина њене антене је готово непромењена. Као што је приказано на слици 11, антена укључује CRLH јединице наслагане вертикално једна на другу, које садрже закрпе и меандр линије, а на закрпи се налази прорез у облику слова S. Антена се напаја CPW подударним краком, а њена величина је 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, што одговара 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, где λ0 (3,5 GHz) представља таласну дужину слободног простора. Резултати показују да антена ради у фреквентном опсегу од 0,85-7,90 GHz, а њен радни пропусни опсег је 161,14%. Највеће појачање зрачења и ефикасност антене јављају се на 3,5 GHz, што износи 5,12 dBi и ~80%, респективно.
Сл. 11 Предложена CRLH MTM прорезна антена.
Да бисте сазнали више о антенама, посетите:
Време објаве: 30. август 2024.
