Uutiset – Katsaus metamateriaaleihin perustuvista voimajohtoantenneista (Osa 2)

2. MTM-TL:n käyttö antennijärjestelmissä
Tämä osio keskittyy keinotekoisiin metamateriaalien TL:iin ja joihinkin niiden yleisimmistä ja merkityksellisimmistä sovelluksista erilaisten antennirakenteiden toteuttamiseen edullisilla, helpolla valmistuksella, miniatyrisoinnilla, laajalla kaistanleveydellä, suurella vahvistuksella ja tehokkuudella, laajalla skannauskyvyllä ja matalalla profiililla. Niitä käsitellään alla.

1. Laajakaista- ja monitaajuiset antennit
Tyypillisessä TL:ssä, 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 läheisesti ryhmäviivettä, joka on φ:n derivaatta taajuuden suhteen. Siksi kun siirtolinjan pituus lyhenee, myös kaistanleveys levenee. Toisin sanoen kaistanleveyden ja siirtolinjan perusvaiheen välillä on käänteinen suhde, joka on suunnittelukohtainen. Tämä osoittaa, että perinteisissä hajautetuissa piireissä toimintakaistanleveyttä ei ole helppo hallita. Tämä johtuu perinteisten voimajohtojen rajoituksista vapausasteiden suhteen. Latauselementit mahdollistavat kuitenkin lisäparametrien käytön metamateriaalin TL:issä ja vaihevastetta voidaan ohjata jossain määrin. Kaistanleveyden lisäämiseksi tarvitaan samanlainen kaltevuus lähellä dispersioominaisuuksien toimintataajuutta. Keinotekoinen metamateriaali TL voi saavuttaa tämän tavoitteen. Tämän lähestymistavan perusteella julkaisussa ehdotetaan monia menetelmiä antennien kaistanleveyden lisäämiseksi. Tutkijat ovat suunnitelleet ja valmistaneet kaksi jaetuilla rengasresonaattoreilla ladattua laajakaistaantennia (katso kuva 7). Kuvassa 7 esitetyt tulokset osoittavat, että kun jaettu rengasresonaattori on kuormitettu tavanomaisella monopoliantennilla, viritetään matalaresonanssitaajuus. Jaetun rengasresonaattorin koko on optimoitu saavuttamaan resonanssi, joka on lähellä monopoliantennin resonanssia. Tulokset osoittavat, että kun nämä kaksi resonanssia kohtaavat, antennin kaistanleveys ja säteilyominaisuudet kasvavat. Monopoliantennin pituus ja leveys ovat 0,25 λ0 × 0,11 λ0 ja 0,25 λ0 × 0,21 λ0 (4 GHz), ja jaetun rengasresonaattorin kanssa ladatun monopoliantennin pituus ja leveys ovat 0,29 λ0 × 0,21 λ0 (2. ), vastaavasti. Perinteiselle F-muotoiselle antennille ja T-muotoiselle antennille ilman jaetun rengasresonaattoria suurin vahvistus ja säteilytehokkuus mitattuna 5 GHz:n kaistalla ovat 3,6 dBi - 78,5 % ja 3,9 dBi - 80,2 %. Antennille, joka on ladattu jaetun rengasresonaattorin kanssa, nämä parametrit ovat 4dBi - 81,2 % ja 4,4 dBi - 83 % 6 GHz:n kaistalla. Toteuttamalla jaettu rengasresonaattori monopoliantennin vastaavana kuormituksena voidaan tukea 2,9 GHz ~ 6,41 GHz ja 2,6 GHz ~ 6,6 GHz kaistaa, mikä vastaa 75,4 %:n ja ~87 %:n kaistanleveyksiä. Nämä tulokset osoittavat, että mittauskaistanleveys paranee noin 2,4 kertaa ja 2,11 kertaa verrattuna perinteisiin, suunnilleen kiinteän kokoisiin monopoliantenneihin.

Kuva 7. Kaksi jaetuilla rengasresonaattoreilla ladattua laajakaistaantennia.

Kuten kuvassa 8 esitetään, on esitetty kompaktin painetun monopoliantennin kokeelliset tulokset. Kun S11≤-10 dB, toimintakaistanleveys on 185 % (0,115-2,90 GHz) ja 1,45 GHz:llä huippuvahvistus ja säteilytehokkuus ovat 2,35 dBi ja 78,8 %. Antenni on asettelultaan samanlainen kuin peräkkäin kolmiomainen levyrakenne, jota syöttää kaareva tehonjakaja. Katkaistu GND sisältää syöttölaitteen alle sijoitetun keskiosan, jonka ympärille on jaettu neljä avointa resonanssirengasta, mikä laajentaa antennin kaistanleveyttä. Antenni säteilee lähes kaikkiin suuntiin ja kattaa suurimman osan VHF- ja S-kaistat 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 alhaiset kustannukset, ja sillä on potentiaalisia sovellusmahdollisuuksia langattomissa laajakaistaisissa viestintäjärjestelmissä.

Kuva 8: Monopoliantenni ladattu jaetulla rengasresonaattorilla.

Kuva 9 esittää tasomaista antennirakennetta, joka koostuu kahdesta parista toisiinsa kytkettyjä meander-johtimia, jotka on maadoitettu katkaistuun T-muotoiseen maatasoon kahden läpiviennin kautta. Antennin koko on 38,5 × 36,6 mm2 (0,070 λ0 × 0,067 λ0), jossa λ0 on 0,55 GHz:n vapaan tilan aallonpituus. Antenni säteilee kaikkiin suuntiin E-tasossa toimintataajuusalueella 0,55 ~ 3,85 GHz, maksimivahvistuksen ollessa 5,5 dBi taajuudella 2,35 GHz ja hyötysuhteella 90,1 %. Nämä ominaisuudet tekevät ehdotetusta antennista sopivan erilaisiin sovelluksiin, mukaan lukien UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi ja Bluetooth.

Kuva 9 Ehdotettu tasoantennirakenne.

2. Leaky Wave Antenna (LWA)
Uusi vuotava aaltoantenni on yksi tärkeimmistä sovelluksista keinotekoisen metamateriaalin TL:n toteuttamiseen. Vuotavien aaltoantennien tapauksessa vaihevakion β vaikutus säteilykulmaan (θm) ja säteen maksimileveyteen (Δθ) on seuraava:

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

3. Nolla-asteen resonaattoriantenni
CRLH-metamateriaalin ainutlaatuinen ominaisuus on, että β voi olla 0, kun taajuus ei ole nolla. Tämän ominaisuuden perusteella voidaan generoida uusi nollakertaresonaattori (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 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 ja 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0 0,001λ0s, tässä järjestyksessä. vapaata tilaa 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) suhteellisilla kaistanleveyksillä 91,9 % ja 96,0 %. Pienen koon ja laajan kaistanleveyden ominaisuuksien lisäksi ensimmäisen ja toisen antennin vahvistus ja tehokkuus ovat 5,3 dBi ja 85 % (1 GHz) ja 5,7 dBi ja 90 % (1,4 GHz).

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

4. Paikkaantenni
CRLH-MTM-antennin aukon suurentamiseksi on ehdotettu yksinkertaista menetelmää, mutta sen antennin koko on lähes muuttumaton. Kuten kuvasta 11 näkyy, antennissa on pystysuoraan päällekkäin pinottuja CRLH-yksiköitä, jotka sisältävät täpliä ja meanderin viivoja, ja paikassa on S-muotoinen rako. Antenni on syötetty CPW-sovittimella, 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 taajuuskaistalla 0,85-7,90 GHz ja sen toimintakaistanleveys on 161,14 %. Suurin antennin säteilyvahvistus ja hyötysuhde näkyvät 3,5 GHz:llä, jotka ovat 5,12 dBi ja ~ 80 %.