Новости - Обзор антенн линий передачи на основе метаматериалов (Часть 2)

2. Применение MTM-TL в антенных системах
В этом разделе будут рассмотрены искусственные метаматериалы-переходники (TL) и некоторые из наиболее распространённых и актуальных применений для создания различных антенных структур, отличающихся низкой стоимостью, простотой изготовления, миниатюризацией, широкой полосой пропускания, высоким коэффициентом усиления и эффективностью, широким диапазоном сканирования и малым профилем. Они рассматриваются ниже.

1. Широкополосные и многочастотные антенны
В типичной линии электропередачи длиной l, если задана угловая частота ω0, электрическую длину (или фазу) линии передачи можно рассчитать следующим образом:

Где vp представляет собой фазовую скорость линии передачи. Как видно из вышеизложенного, ширина полосы пропускания близко соответствует групповой задержке, которая является производной φ по частоте. Следовательно, с уменьшением длины линии передачи ширина полосы пропускания также увеличивается. Другими словами, существует обратная зависимость между шириной полосы пропускания и основной фазой линии передачи, которая зависит от конструкции. Это показывает, что в традиционных распределенных схемах рабочую полосу пропускания контролировать непросто. Это можно объяснить ограничениями традиционных линий передачи по числу степеней свободы. Однако нагрузочные элементы позволяют использовать дополнительные параметры в метаматериальных линиях передачи, и фазовую характеристику можно контролировать до определенной степени. Для увеличения ширины полосы пропускания необходимо обеспечить аналогичный наклон дисперсионной характеристики вблизи рабочей частоты. Искусственные метаматериальные линии передачи позволяют достичь этой цели. На основе этого подхода в статье предложено множество методов расширения полосы пропускания антенн. Ученые разработали и изготовили две широкополосные антенны, нагруженные на разрезные кольцевые резонаторы (см. рисунок 7). Результаты, представленные на рисунке 7, показывают, что после нагрузки кольцевого резонатора обычной монопольной антенной возбуждается низкорезонансная мода. Размер 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 кольцевым резонатором, составляют 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 ГГц) соответственно. Для обычной F-образной антенны и T-образной антенны без разрезного кольцевого резонатора самые высокие коэффициенты 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 разрезным кольцевым резонатором, эти параметры составляют 4 дБи - 81,2% и 4,4 дБи - 83% соответственно в диапазоне 6 ГГц. При использовании разрезного кольцевого резонатора в качестве согласующей нагрузки на несимметричной антенне могут поддерживаться диапазоны 2,9 ГГц ~ 6,41 ГГц и 2,6 ГГц ~ 6,6 ГГц, что соответствует дробным полосам пропускания 75,4% и ~ 87% соответственно. Эти результаты показывают, что полоса пропускания измерения улучшается примерно в 2,4 раза и 2,11 раза по сравнению с традиционными несимметричными антеннами приблизительно фиксированного размера.

Рисунок 7. Две широкополосные антенны, нагруженные разрезными кольцевыми резонаторами.

Как показано на рисунке 8, представлены экспериментальные результаты для компактной печатной несимметричной антенны. При S11 ≤ -10 дБ рабочая полоса пропускания составляет 185% (0,115–2,90 ГГц), а на частоте 1,45 ГГц пиковый коэффициент усиления и эффективность излучения составляют 2,35 дБи и 78,8% соответственно. Антенна по своей конструкции напоминает треугольную листовую структуру, соединенную «спина к спине», которая питается от криволинейного делителя мощности. Усеченный контур заземления содержит центральный шлейф, расположенный под фидером, и четыре открытых резонансных кольца, распределенных вокруг него, что расширяет полосу пропускания антенны. Антенна излучает практически всенаправленно, охватывая большую часть VHF и S диапазонов, а также все UHF и L диапазоны. Физические размеры антенны составляют 48,32×43,72×0,8 мм³, а электрические — 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Она обладает такими преимуществами, как компактность и низкая стоимость, и потенциально перспективна для применения в системах широкополосной беспроводной связи.

Рисунок 8: Монопольная антенна, нагруженная разрезным кольцевым резонатором.

На рисунке 9 показана планарная структура антенны, состоящая из двух пар соединенных между собой меандровых проволочных петель, заземленных на усеченную Т-образную заземляющую плоскость 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 коэффициентом усиления 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 структура планарной антенны.

2. Антенна с вытекающей волной (LWA)
Новая антенна с вытекающей волной является одним из основных применений для реализации искусственного метаматериала TL. Для антенн с вытекающей волной влияние фазовой константы β на угол излучения (θm) и максимальную ширину луча (Δθ) выглядит следующим образом:

L — длина антенны, k0 — волновое число в свободном пространстве, а λ0 — длина волны в свободном пространстве. Следует отметить, что излучение происходит только при |β|

3. Антенна с резонатором нулевого порядка
Уникальным свойством метаматериала CRLH является то, что β может быть равен 0, когда частота не равна нулю. На основе этого свойства может быть создан новый резонатор нулевого порядка (ZOR). Когда β равен нулю, во всем резонаторе не происходит сдвига фазы. Это происходит потому, что константа сдвига фазы φ = - βd = 0. Кроме того, резонанс зависит только от реактивной нагрузки и не зависит от длины структуры. На рисунке 10 показано, что предлагаемая антенна изготовлена путем применения двух и трех блоков с E-образной формой, 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 малых габаритов и широкой полосы пропускания, коэффициент усиления 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 двойной и тройной антенной.

4. Щелевая антенна
Предложен простой метод увеличения апертуры антенны CRLH-MTM, при этом её размер практически не изменился. Как показано на рисунке 11, антенна включает в себя вертикально установленные друг на друга блоки CRLH, содержащие патчи и меандровые линии, а на патче имеется S-образный паз. Антенна питается от согласующего шлейфа CPW, а её размер составляет 17,5 мм × 32,15 мм × 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 её рабочая полоса пропускания составляет 161,14%. Наибольший коэффициент усиления излучения и эффективность антенны достигаются на частоте 3,5 ГГц, которые составляют 5,12 дБи и ~ 80% соответственно.