Новости - Обзор антенн ЛЭП на основе метаматериалов (Часть 2)

2. Применение MTM-TL в антенных системах.
В этом разделе основное внимание будет уделено ЛЭ из искусственных метаматериалов и некоторым из их наиболее распространенных и актуальных применений для реализации различных антенных структур с низкой стоимостью, простотой изготовления, миниатюризацией, широкой полосой пропускания, высоким коэффициентом усиления и эффективностью, возможностью сканирования в широком диапазоне и низким профилем. Они обсуждаются ниже.

1. Широкополосные и многочастотные антенны.
В типичной ЛЭП длиной l при заданной угловой частоте ω0 электрическую длину (или фазу) линии передачи можно рассчитать следующим образом:

Где vp представляет фазовую скорость линии передачи. Как видно из вышеизложенного, полоса пропускания близко соответствует групповой задержке, которая является производной φ по частоте. Следовательно, по мере того как длина линии передачи становится короче, полоса пропускания также становится шире. Другими словами, существует обратная зависимость между полосой пропускания и основной фазой линии передачи, которая зависит от конструкции. Это показывает, что в традиционных распределенных схемах рабочую полосу пропускания контролировать нелегко. Это можно объяснить ограничениями традиционных линий электропередачи с точки зрения степеней свободы. Однако элементы нагрузки позволяют использовать дополнительные параметры в ТЛ метаматериала, а фазовую характеристику можно в определенной степени контролировать. Для увеличения полосы пропускания необходимо иметь аналогичный наклон вблизи рабочей частоты дисперсионной характеристики. Искусственный метаматериал TL может достичь этой цели. На основе этого подхода в статье предложено множество методов расширения полосы пропускания антенн. Ученые спроектировали и изготовили две широкополосные антенны с разъемными кольцевыми резонаторами (см. рисунок 7). Результаты, показанные на рисунке 7, показывают, что после загрузки разъемного кольцевого резонатора обычной несимметричной антенной возбуждается мода низкой резонансной частоты. Размер разрезного кольцевого резонатора оптимизирован для достижения резонанса, близкого к резонансу монопольной антенны. Результаты показывают, что при совпадении двух резонансов полоса пропускания и характеристики излучения антенны увеличиваются. Длина и ширина монопольной антенны составляют 0,25λ0×0,11λ0 и 0,25λ0×0,21λ0 (4 ГГц) соответственно, а длина и ширина монопольной антенны, нагруженной разъемным кольцевым резонатором, — 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 ГГц). ), соответственно. Для обычной F-образной антенны и Т-образной антенны без разъемного кольцевого резонатора максимальные коэффициент усиления и эффективность излучения, измеренные в диапазоне 5 ГГц, составляют 3,6 дБи — 78,5% и 3,9 дБи — 80,2% соответственно. Для антенны, нагруженной разъемным кольцевым резонатором, эти параметры составляют 4дБи - 81,2% и 4,4дБи - 83% соответственно в диапазоне 6ГГц. Путем применения разъемного кольцевого резонатора в качестве согласующей нагрузки на несимметричную антенну можно поддерживать диапазоны частот 2,9–6,41 ГГц и 2,6–6,6 ГГц, что соответствует дробной полосе пропускания 75,4% и ~87% соответственно. Эти результаты показывают, что полоса измерения улучшается примерно в 2,4 раза и 2,11 раза по сравнению с традиционными монопольными антеннами примерно фиксированного размера.

Рисунок 7. Две широкополосные антенны с разъемными кольцевыми резонаторами.

Как показано на рисунке 8, показаны результаты экспериментов с компактной печатной монопольной антенной. При S11≤- 10 дБ рабочая полоса составляет 185% (0,115-2,90 ГГц), а при 1,45 ГГц пиковое усиление и эффективность излучения составляют 2,35 дБи и 78,8% соответственно. Компоновка антенны аналогична треугольной листовой конструкции, которая питается от криволинейного делителя мощности. Усеченный GND содержит центральный шлейф, размещенный под фидером, а вокруг него распределены четыре открытых резонансных кольца, что расширяет полосу пропускания антенны. Антенна излучает почти всенаправленно, охватывая большую часть диапазонов VHF и S, а также все диапазоны UHF и L. Физический размер антенны 48,32×43,72×0,8 мм3, электрический размер 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Он обладает преимуществами небольшого размера и низкой стоимости и имеет потенциальные перспективы применения в широкополосных системах беспроводной связи.

Рисунок 8: Несимметричная антенна с разъемным кольцевым резонатором.

На рис. 9 показана плоская антенная конструкция, состоящая из двух пар соединенных между собой меандровых проволочных петель, заземленных на усеченную Т-образную заземляющую пластину через два переходных отверстия. Размер антенны составляет 38,5×36,6 мм2 (0,070λ0×0,067λ0), где λ0 – длина волны в свободном пространстве 0,55 ГГц. Антенна излучает всенаправленно в E-плоскости в рабочем диапазоне частот 0,55~3,85 ГГц, с максимальным усилением 5,5 дБи на частоте 2,35 ГГц и эффективностью 90,1%. Эти особенности делают предлагаемую антенну подходящей для различных приложений, включая UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi и Bluetooth.

Рис. 9. Предлагаемая планарная конструкция антенны.

2. Антенна вытекающей волны (LWA).
Новая антенна вытекающей волны является одним из основных приложений для реализации искусственного метаматериала ТЛ. Для антенн вытекающей волны влияние фазовой постоянной β на угол излучения (θm) и максимальную ширину луча (Δθ) выглядит следующим образом:

L — длина антенны, k0 — волновое число в свободном пространстве, λ0 — длина волны в свободном пространстве. Заметим, что излучение происходит только тогда, когда |β|

3. Антенна резонатора нулевого порядка.
Уникальное свойство метаматериала CRLH состоит в том, что β может быть равно 0, когда частота не равна нулю. На основе этого свойства можно создать новый резонатор нулевого порядка (ЗОР). Когда β равно нулю, фазовый сдвиг во всем резонаторе не происходит. Это связано с тем, что константа фазового сдвига φ = - βd = 0. Кроме того, резонанс зависит только от реактивной нагрузки и не зависит от длины конструкции. На рисунке 10 показано, что предлагаемая антенна изготовлена путем применения двух и трех блоков Е-образной формы, а общий размер составляет 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 и 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0 соответственно, где λ0 представляет собой длину волны. свободного пространства на рабочих частотах 500 МГц и 650 МГц соответственно. Антенна работает на частотах 0,5–1,35 ГГц (0,85 ГГц) и 0,65–1,85 ГГц (1,2 ГГц) с относительной полосой пропускания 91,9% и 96,0%. Помимо характеристик небольшого размера и широкой полосы пропускания, усиление и эффективность первой и второй антенн составляют 5,3 дБи и 85% (1 ГГц) и 5,7 дБи и 90% (1,4 ГГц) соответственно.

Рис. 10. Предлагаемые конструкции антенн с двойным и тройным E.

4. Щелевая антенна
Был предложен простой метод увеличения апертуры антенны CRLH-MTM, однако размер ее антенны практически не изменился. Как показано на рисунке 11, антенна включает в себя блоки CRLH, уложенные вертикально друг на друга, которые содержат патчи и извилистые линии, а на патче имеется S-образная прорезь. Антенна питается от согласующего шлейфа CPW, ее размеры составляют 17,5 × 32,15 × 1,6 мм, что соответствует 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, где λ0 (3,5 ГГц) представляет собой длину волны свободного пространства. Результаты показывают, что антенна работает в диапазоне частот 0,85-7,90 ГГц, а ее рабочая полоса пропускания составляет 161,14%. Наибольший коэффициент усиления излучения и эффективность антенны проявляются на частоте 3,5 ГГц, которые составляют 5,12 дБи и ~80% соответственно.