Uutiset - Katsaus metamateriaaleihin perustuviin siirtojohtoantenneihin (osa 2)

2. MTM-TL:n käyttö antennijärjestelmissä
Tässä osiossa keskitytään keinotekoisiin metamateriaaleihin, kuten TL-lankoihin, ja joihinkin niiden yleisimpiin ja merkityksellisimpiin sovelluksiin erilaisten antennirakenteiden toteuttamiseksi edullisilla, helposti valmistettavilla, pienennettävillä, laajalla kaistanleveydellä, suurella vahvistuksella ja hyötysuhteella, laajalla skannausalueella ja matalalla profiililla. Niitä käsitellään alla.

1. Laajakaista- ja monitaajuusantennit
Tyypillisessä siirtojohdossa, jonka pituus on l, kun kulmataajuus ω0 on annettu, siirtojohdon sähköinen pituus (tai vaihe) voidaan laskea seuraavasti:

Missä vp edustaa siirtolinjan vaihenopeutta. Kuten yllä olevasta voidaan nähdä, kaistanleveys vastaa tarkasti ryhmäviivettä, joka on φ:n derivaatta taajuuden suhteen. Näin ollen, kun siirtolinjan pituus lyhenee, myös kaistanleveys levenee. Toisin sanoen kaistanleveyden ja siirtolinjan perusvaiheen välillä on käänteinen suhde, joka on suunnittelukohtaista. Tämä osoittaa, että perinteisissä hajautetuissa piireissä toimintakaistanleveyttä ei ole helppo hallita. Tämä voidaan katsoa johtuvan perinteisten siirtolinjojen rajoituksista vapausasteiden suhteen. Kuormituselementit mahdollistavat kuitenkin lisäparametrien käytön metamateriaali-TL-langoissa, ja vaihevastetta voidaan hallita tietyssä määrin. Kaistanleveyden lisäämiseksi on välttämätöntä, että dispersiokäyrillä on samanlainen kulmakerroin lähellä toimintataajuutta. Keinotekoinen metamateriaali-TL voi saavuttaa tämän tavoitteen. Tämän lähestymistavan perusteella artikkelissa ehdotetaan monia menetelmiä antennien kaistanleveyden parantamiseksi. Tutkijat ovat suunnitelleet ja valmistaneet kaksi laajakaista-antennia, jotka on ladattu halkiorengasresonaattoreilla (katso kuva 7). Kuvassa 7 esitetyt tulokset osoittavat, että kun halkiorengasresonaattoriin on ladattu perinteinen monopoliantenni, virittyy matalan resonanssitaajuuden moodi. Halkiorengasresonaattorin kokoa on optimoitu, jotta saavutetaan lähellä monopoliantennin resonanssia oleva resonanssi. Tulokset osoittavat, että kun kaksi resonanssia osuvat yhteen, antennin kaistanleveys ja säteilyominaisuudet kasvavat. Monopoliantennin pituus ja leveys ovat 0,25λ0×0,11λ0 ja 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz), ja halkiorengasresonaattorilla ladatun monopoliantennin pituus ja leveys ovat 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz). Perinteisellä F-muotoisella antennilla ja T-muotoisella antennilla ilman halkiorengasresonaattoria suurimmat vahvistukset ja säteilytehokkuudet 5 GHz:n taajuusalueella ovat 3,6 dBi - 78,5 % ja 3,9 dBi - 80,2 %. Jaetulla rengasresonaattorilla kuormitetulla antennilla nämä parametrit ovat vastaavasti 4 dBi - 81,2 % ja 4,4 dBi - 83 % 6 GHz:n kaistalla. Toteuttamalla jaetulla rengasresonaattorilla sovituskuorman monopoliantenniin voidaan tukea 2,9 GHz ~ 6,41 GHz ja 2,6 GHz ~ 6,6 GHz kaistaa, mikä vastaa vastaavasti 75,4 %:n ja ~87 %:n suhteellisia kaistanleveyksiä. Nämä tulokset osoittavat, että mittauskaistanleveys paranee noin 2,4- ja 2,11-kertaisesti perinteisiin, suunnilleen kiinteän kokoisiin monopoliantenneihin verrattuna.

Kuva 7. Kaksi laajakaista-antennia, joissa on halkiorengasresonaattorit.

Kuten kuvassa 8 on esitetty, kompaktin painetun monopoliantennin kokeelliset tulokset on esitetty. Kun S11 ≤ -10 dB, toimintakaistanleveys on 185 % (0,115–2,90 GHz), ja taajuudella 1,45 GHz huippuvahvistus ja säteilytehokkuus ovat 2,35 dBi ja 78,8 %. Antennin asettelu on samanlainen kuin seläkkäin oleva kolmionmuotoinen levyrakenne, jota syöttää kaareva tehonjakaja. Katkaistussa GND:ssä on syöttölaitteen alle sijoitettu keskeinen stuppi, ja sen ympärille on jaettu neljä avointa resonanssirengasta, mikä laajentaa antennin kaistanleveyttä. Antenni säteilee lähes kaikkiin suuntiin, kattaen suurimman osan VHF- ja S-kaistoista sekä kaikki UHF- ja L-kaistat. Antennin fyysinen koko on 48,32 × 43,72 × 0,8 mm3 ja sähköinen koko on 0,235λ0 × 0,211λ0 × 0,003λ0. Sen etuna on pieni koko ja edullinen hinta, ja sillä on potentiaalisia sovellusmahdollisuuksia laajakaistaisissa langattomissa viestintäjärjestelmissä.

Kuva 8: Monopoliantenni, johon on kytketty halkiorengasresonaattori.

Kuvassa 9 on esitetty tasomainen antennirakenne, joka koostuu kahdesta parista toisiinsa kytkettyjä meanderlankasilmukoita, jotka on maadoitettu katkaistun T-kirjaimen muotoiseen maatasoon kahden läpiviennin kautta. Antennin koko on 38,5 × 36,6 mm2 (0,070λ0 × 0,067λ0), jossa λ0 on vapaan tilan aallonpituus 0,55 GHz. Antenni säteilee kaikkiin suuntiin E-tasossa toimintataajuusalueella 0,55 ~ 3,85 GHz, maksimivahvistuksen ollessa 5,5 dBi taajuudella 2,35 GHz ja hyötysuhteen ollessa 90,1 %. Nämä ominaisuudet tekevät ehdotetusta antennista sopivan erilaisiin sovelluksiin, kuten UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi ja Bluetooth.

Kuva 9. Ehdotettu tasomainen antennirakenne.

2. Vuotava aaltoantenni (LWA)
Uusi vuotoaaltoantenni on yksi keinotekoisen metamateriaalin (TL) toteuttamisen pääsovelluksista. Vuotoaaltoantennien tapauksessa vaihevakion β vaikutus säteilykulmaan (θm) ja säteen maksimileveyteen (Δθ) on seuraava:

L on antennin pituus, k0 on aaltoluku vapaassa tilassa ja λ0 on aallonpituus vapaassa tilassa. Huomaa, että säteilyä tapahtuu vain, kun |β|

3. Nollakertaluvun resonaattoriantenni
CRLH-metamateriaalin ainutlaatuinen ominaisuus on, että β voi olla 0, kun taajuus ei ole nolla. Tämän ominaisuuden perusteella voidaan generoida uusi nollan kertaluvun resonaattori (ZOR). Kun β on nolla, koko resonaattorissa ei tapahdu vaihesiirtoa. Tämä johtuu siitä, että vaihesiirtovakio φ = - βd = 0. Lisäksi resonanssi riippuu vain reaktiivisesta kuormasta ja on riippumaton rakenteen pituudesta. Kuva 10 osoittaa, että ehdotettu antenni on valmistettu käyttämällä kahta ja kolmea E-muotoista yksikköä, ja kokonaiskoko on vastaavasti 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 ja 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, jossa λ0 edustaa vapaan tilan aallonpituutta toimintataajuuksilla 500 MHz ja 650 MHz. Antenni toimii taajuuksilla 0,5–1,35 GHz (0,85 GHz) ja 0,65–1,85 GHz (1,2 GHz), ja sen suhteelliset kaistanleveydet ovat 91,9 % ja 96,0 %. Pienen koon ja laajan kaistanleveyden lisäksi ensimmäisen ja toisen antennin vahvistus ja hyötysuhde ovat vastaavasti 5,3 dBi ja 85 % (1 GHz) sekä 5,7 dBi ja 90 % (1,4 GHz).

Kuva 10. Ehdotetut kaksois-E- ja kolmois-E-antennirakenteet.

4. Rakoantenni
CRLH-MTM-antennin aukon suurentamiseksi on ehdotettu yksinkertaista menetelmää, mutta sen antennin koko pysyy lähes muuttumattomana. Kuten kuvassa 11 on esitetty, antenni koostuu pystysuunnassa päällekkäin pinotuista CRLH-yksiköistä, jotka sisältävät patcheja ja meander-linjoja, ja patchissa on S-kirjaimen muotoinen rako. Antennia syöttää CPW-sovitusjatke, ja sen koko on 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, mikä vastaa 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, jossa λ0 (3,5 GHz) edustaa vapaan tilan aallonpituutta. Tulokset osoittavat, että antenni toimii taajuusalueella 0,85–7,90 GHz ja sen toimintakaistanleveys on 161,14 %. Antennin suurin säteilyvahvistus ja hyötysuhde ilmenevät 3,5 GHz:n taajuudella, jotka ovat 5,12 dBi ja ~80 %.