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

2. Применение MTM-TL в антенных системах
В этом разделе основное внимание будет уделено искусственным метаматериальным TL и некоторым из их наиболее распространенных и актуальных приложений 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 ЛП длиной l, когда задана угловая частота 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. Поэтому, когда 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 нелегко контролировать. Это можно объяснить ограничениями традиционных линий передачи с точки зрения степеней свободы. Однако нагрузочные элементы позволяют использовать дополнительные параметры в метаматериальных TL, и фазовый отклик можно контролировать в определенной степени. Для увеличения полосы пропускания необходимо иметь аналогичный наклон вблизи рабочей частоты дисперсионных характеристик. Искусственные метаматериальные TL могут достичь этой цели. На основе этого подхода в статье предложено много методов для увеличения полосы пропускания антенн. Ученые спроектировали и изготовили две широкополосные антенны, загруженные разрезными кольцевыми резонаторами (см. Рисунок 7). Результаты, представленные на рисунке 7, показывают, что после загрузки разрезного кольцевого резонатора обычной монопольной антенной возбуждается низкорезонансная мода частоты. Размер разрезного кольцевого резонатора оптимизирован для достижения резонанса, близкого к резонансу монопольной антенны. Результаты показывают, что при совпадении двух резонансов увеличиваются полоса пропускания и характеристики излучения антенны. Длина и ширина монопольной антенны составляют 0,25λ0×0,11λ0 и 0,25λ0×0,21λ0 (4 ГГц) соответственно, а длина и ширина монопольной антенны, загруженной разрезным кольцевым резонатором, составляют 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 ГГц) соответственно. Для обычной F-образной антенны и T-образной антенны без разрезного кольцевого резонатора наивысший 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 разрезным кольцевым резонатором, эти параметры составляют 4 дБи - 81,2% и 4,4 дБи - 83% соответственно в диапазоне 6 ГГц. Реализуя разрезной кольцевой резонатор в качестве согласующей нагрузки на монопольной антенне, можно поддерживать 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 монопольными антеннами приблизительно фиксированного размера.

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

Как показано на рисунке 8, показаны экспериментальные результаты 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. Компоновка антенны похожа на структуру из треугольных листов «спина к спине», которая питается от криволинейного делителя мощности. Усеченный GND содержит центральный штырь, размещенный под фидером, и четыре открытых резонансных кольца распределены вокруг него, 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 составляет 48,32×43,72×0,8 мм3, а электрический размер составляет 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Он имеет преимущества малого размера 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 структура антенны, состоящая из двух пар взаимосвязанных 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 свободного пространства 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 структура плоской антенны.

2. Антенна с вытекающей волной (LWA)
Новая антенна с вытекающей волной является одним из основных приложений 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. 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 может быть создан новый резонатор нулевого порядка (ZOR). Когда β равно 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 конструкции. 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 малого размера 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 двойным и тройным Э-направлением.

4. Щелевая антенна
Был предложен простой метод увеличения апертуры антенны CRLH-MTM, но размер ее антенны почти не изменился. Как показано на рисунке 11, антенна включает в себя блоки CRLH, установленные вертикально друг на друга, которые содержат патчи и меандровые линии, и на патче имеется S-образный слот. Антенна питается от согласующего шлейфа CPW, и ее 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 ее рабочая полоса пропускания составляет 161,14%. Наибольшее усиление излучения и эффективность антенны проявляются на частоте 3,5 ГГц, которые составляют 5,12 дБи и ~80% соответственно.