Вести - Преглед антена далековода на основу метаматеријала (2. део)

2. Примена МТМ-ТЛ у антенским системима
Овај одељак ће се фокусирати на ТЛ-ове од вештачког метаматеријала и неке од њихових најчешћих и релевантних апликација 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. О њима се говори у наставку.

1. Широкопојасне и вишефреквентне антене
У типичном ТЛ дужине л, када је дата угаона фреквенција ω0, електрична дужина (или фаза) далековода се може израчунати на следећи начин:

Где вп представља фазну брзину далековода. Као што се може видети из горе наведеног, пропусни опсег блиско одговара групном кашњењу, које је дериват φ у односу на фреквенцију. Стога, како дужина далековода постаје краћа, ширина опсега 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, радни пропусни опсег није лако контролисати. Ово се може приписати ограничењима традиционалних далековода у погледу степена слободе. Међутим, елементи оптерећења омогућавају да се користе додатни параметри у ТЛ-овима метаматеријала, а фазни одзив се може контролисати до одређене мере. Да би се повећао пропусни опсег, потребно је имати сличан нагиб у близини радне фреквенције дисперзионих карактеристика. Вештачки метаматеријал ТЛ може постићи овај циљ. На основу овог приступа, у раду су предложене многе методе за повећање пропусног опсега антена. Научници су дизајнирали и произвели две широкопојасне антене напуњене резонаторима са подељеним прстеном (види слику 7). Резултати приказани на слици 7 показују да се након оптерећења резонатора са подељеним прстеном конвенционалном монополном антеном побуђује режим ниске резонантне фреквенције. Величина резонатора са подељеним прстеном је оптимизована да би се постигла резонанца блиска оној монополне антене. Резултати показују да када се две резонанције поклопе, ширина опсега и карактеристике зрачења антене се повећавају. Дужина и ширина монополне антене су 0,25λ0×0,11λ0 и 0,25λ0×0,21λ0 (4ГХз), респективно, а дужина и ширина монополне антене напуњене резонатором са подељеним прстеном су 0,29λ0×0,21λ0 (2,9ГХз). ), респективно. За конвенционалну антену у облику слова Ф и антену у облику слова Т без резонатора са подељеним прстеном, највеће појачање и ефикасност зрачења мерене у опсегу од 5 ГХз су 3,6 дБи - 78,5% и 3,9 дБи - 80,2%, респективно. За антену напуњену резонатором са подељеним прстеном, ови параметри су 4дБи - 81,2% и 4,4дБи - 83%, респективно, у опсегу од 6ГХз. Имплементацијом резонатора са подељеним прстеном као одговарајућег оптерећења на монополној антени, могу се подржати опсези од 2,9 ГХз ~ 6,41 ГХз и 2,6 ГХз ~ 6,6 ГХз, што одговара делимичним ширинама опсега од 75,4% и ~87%, респективно. Ови резултати показују да је мерни опсег побољшан за приближно 2,4 пута и 2,11 пута у поређењу са традиционалним монополним антенама приближно фиксне величине.

Слика 7. Две широкопојасне антене напуњене резонаторима са подељеним прстеном.

Као што је приказано на слици 8, приказани су експериментални резултати компактне штампане монополне антене. Када је С11≤- 10 дБ, радни пропусни опсег је 185% (0,115-2,90 ГХз), а на 1,45 ГХз, вршно појачање и ефикасност зрачења су 2,35 дБи и 78,8%, респективно. Распоред антене је сличан троугластој структури која се напаја од криволинијског разделника снаге. Скраћена ГНД садржи централни стуб постављен испод фидера, а око њега су распоређена четири отворена резонантна прстена, што проширује пропусни опсег антене. Антена зрачи скоро свесмерно, покривајући већину ВХФ и С опсега, и све УХФ и Л опсеге. Физичка величина антене је 48,32×43,72×0,8 мм3, а електрична 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 напуњена резонатором са подељеним прстеном.

Слика 9 приказује планарну антенску структуру која се састоји од два пара међусобно повезаних жичаних петљи меандра уземљених на скраћену уземљену раван у облику слова Т кроз два пролаза. Величина антене је 38,5×36,6 мм2 (0,070λ0×0,067λ0), где је λ0 таласна дужина слободног простора од 0,55 ГХз. Антена зрачи омнидирекционо у Е-равни у радном фреквенцијском опсегу од 0,55 ~ 3,85 ГХз, са максималним појачањем од 5,5 дБи на 2,35 ГХз и ефикасношћу од 90,1%. Ове карактеристике чине предложену антену погодном за различите примене, укључујући УХФ РФИД, ГСМ 900, ГПС, КПЦС, ДЦС, ИМТ-2000, ВиМАКС, ВиФи и Блуетоотх.

Слика 9 Предложена планарна структура антене.

2. Антена за цурење таласа (ЛВА)
Нова антена за цурење је једна од главних апликација за реализацију ТЛ вештачког метаматеријала. За антене са пропусним таласима, ефекат фазне константе β на угао зрачења (θм) и максималну ширину снопа (Δθ) је следећи:

Л је дужина антене, к0 је таласни број у слободном простору, а λ0 је таласна дужина у слободном простору. Имајте на уму да се зрачење јавља само када |β|

3. Резонаторска антена нултог реда
Јединствена особина ЦРЛХ метаматеријала је да β може бити 0 када фреквенција није једнака нули. На основу ове особине може се генерисати нови резонатор нултог реда (ЗОР). Када је β нула, не долази до померања фазе у целом резонатору. То је зато што је константа фазног померања φ = - βд = 0. Поред тога, резонанција зависи само од реактивног оптерећења и независна је од дужине структуре. Слика 10 показује да је предложена антена произведена 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 МХз и 650 МХз, респективно. Антена ради на фреквенцијама од 0,5-1,35 ГХз (0,85 ГХз) и 0,65-1,85 ГХз (1,2 ГХз), 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 5,3дБи и 85% (1ГХз) и 5,7дБи и 90% (1,4ГХз), респективно.

Слика 10 Предложене антенске структуре са двоструким Е и троструким Е.

4. Слот антена
Предложена је једноставна метода за повећање отвора ЦРЛХ-МТМ антене, али њена величина антене је скоро непромењена. Као што је приказано на слици 11, антена укључује ЦРЛХ јединице наслагане вертикално једна на другу, које садрже закрпе и меандарске линије, а на закрпи се налази утор у облику слова С. Антена се напаја помоћу ЦПВ одговарајућег стуба, а њена величина је 17,5 мм × 32,15 мм × 1,6 мм, што одговара 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, где λ0 (3,5ГХз) представља таласну дужину слободног простора. Резултати показују да антена ради у фреквенцијском опсегу од 0,85-7,90ГХз, а њен радни пропусни опсег износи 161,14%. Највећи добитак зрачења и ефикасност антене појављују се на 3,5 ГХз, што износи 5,12 дБи и ~80%, респективно.