2. Применение MTM-TL в антенных системах
В этом разделе основное внимание будет уделено искусственным метаматериальным линиям передачи и некоторым из наиболее распространенных и актуальных областей их применения для создания 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 рассматриваются ниже.
1. Широкополосные и многочастотные антенны
В типичной линии передачи 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 тесно связана с групповой задержкой, которая является производной φ по частоте. Следовательно, по мере уменьшения 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 ширину полосы пропускания сложно контролировать. Это можно объяснить ограничениями традиционных линий передачи с точки зрения степеней свободы. Однако нагрузочные элементы позволяют использовать дополнительные параметры в метаматериальных линиях передачи, и фазовую характеристику можно в определенной степени контролировать. Для увеличения ширины полосы пропускания необходимо иметь аналогичный наклон вблизи рабочей частоты дисперсионных характеристик. Искусственные метаматериальные линии передачи могут достичь этой цели. На основе этого подхода в статье предложено множество методов расширения полосы пропускания антенн. Ученые разработали и изготовили две широкополосные антенны, нагруженные щелевыми кольцевыми резонаторами (см. рисунок 7). Результаты, представленные на рисунке 7, показывают, что после нагружения щелевого кольцевого резонатора обычной монопольной антенной возбуждается низкочастотный резонансный режим. Размер щелевого кольцевого резонатора оптимизирован для достижения резонанса, близкого к резонансу монопольной антенны. Результаты показывают, что при совпадении двух резонансов ширина полосы 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 щелевым кольцевым резонатором, составляют 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 ГГц) соответственно. Для обычной F-образной и T-образной антенн без щелевого кольцевого резонатора максимальное усиление и эффективность излучения, измеренные в диапазоне 5 ГГц, составляют 3,6 дБи - 78,5% и 3,9 дБи - 80,2% соответственно. Для антенны с щелевым кольцевым резонатором эти параметры составляют 4 дБи - 81,2% и 4,4 дБи - 83% соответственно в диапазоне 6 ГГц. Использование щелевого кольцевого резонатора в качестве согласующей нагрузки на монопольной антенне позволяет поддерживать диапазоны 2,9 ГГц ~ 6,41 ГГц и 2,6 ГГц ~ 6,6 ГГц, что соответствует относительной полосе пропускания 75,4% и ~87% соответственно. Эти результаты показывают, что полоса пропускания увеличивается примерно в 2,4 и 2,11 раза по сравнению с традиционными монопольными антеннами приблизительно фиксированного размера.
Рисунок 7. Две широкополосные антенны, нагруженные разрезными кольцевыми резонаторами.
Как показано на рисунке 8, представлены экспериментальные результаты работы компактной печатной монопольной антенны. При S11≤- 10 дБ рабочая полоса пропускания составляет 185% (0,115–2,90 ГГц), а на частоте 1,45 ГГц пиковое усиление и эффективность излучения составляют 2,35 дБи и 78,8% соответственно. Конструкция антенны аналогична треугольной листовой структуре, расположенной встык, и питается от криволинейного делителя мощности. Усеченный GND 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 диапазонов ОВЧ и S, а также все диапазоны УВЧ и L. Физические размеры антенны составляют 48,32×43,72×0,8 мм³, а электрические — 0,235λ₀×0,211λ₀×0,003λ₀. Она обладает преимуществами малых размеров и низкой стоимости, а также имеет потенциальные перспективы применения в широкополосных беспроводных системах связи.
Рисунок 8: Монопольная антенна, нагруженная разрезным кольцевым резонатором.
На рисунке 9 показана планарная антенная структура, состоящая из двух пар соединенных между собой петель из меандровой проволоки, 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 плоскости E в рабочем диапазоне частот 0,55 ~ 3,85 ГГц, с максимальным коэффициентом усиления 5,5 дБи на частоте 2,35 ГГц и КПД 90,1%. Эти характеристики делают предлагаемую антенну подходящей для различных применений, включая UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi и Bluetooth.
Рис. 9. Предлагаемая планарная структура антенны.
2. Антенна с утечкой волн (LWA)
Новая антенна с утечкой волн является одним из основных применений для создания искусственных метаматериальных линий передачи. Для антенн с утечкой волн влияние фазовой постоянной β на угол излучения (θm) и максимальную ширину луча (Δθ) описывается следующим образом:
L — длина антенны, k0 — волновое число в свободном пространстве, а λ0 — длина волны в свободном пространстве. Обратите внимание, что излучение происходит только тогда, когда |β|
3. Антенна с резонатором нулевого порядка
Уникальным свойством метаматериала CRLH является то, что β может быть равно 0, когда частота не равна нулю. На основе этого свойства можно создать новый резонатор нулевого порядка (ZOR). Когда β равно нулю, фазовый сдвиг во всем резонаторе отсутствует. Это происходит потому, что постоянная фазового сдвига 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 с использованием двух и трех элементов E-образной формы, а ее общие размеры составляют 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 и 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0 соответственно, где λ0 представляет собой длину волны в свободном пространстве 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 малых размеров 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. Предложенные конструкции антенн с двойной и тройной E-образной конфигурацией.
4. Щелевая антенна
Предложен простой метод увеличения апертуры антенны CRLH-MTM, однако ее размеры практически не изменились. Как показано на рисунке 11, антенна включает в себя вертикально расположенные друг над другом блоки CRLH, содержащие патчи и меандровые линии, а на патче имеется S-образный щелевой элемент. Антенна питается от согласующего шлейфа CPW, ее размеры составляют 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 в свободном пространстве. Результаты показывают, что антенна работает в частотном диапазоне 0,85–7,90 ГГц, а ее рабочая полоса пропускания составляет 161,14%. Наибольшее усиление излучения и эффективность антенны достигаются на частоте 3,5 ГГц и составляют 5,12 дБи и ~80% соответственно.
Рис. 11. Предлагаемая щелевая антенна CRLH MTM.
Чтобы узнать больше об антеннах, посетите:
Дата публикации: 30 августа 2024 г.
