Vijesti - Pregled dalekovodnih antena temeljenih na metamaterijalima (2. dio)

2. Primjena MTM-TL u antenskim sustavima
Ovaj odjeljak će se usredotočiti na umjetne metamaterijalne TL-ove i neke od njihovih najčešćih i relevantnih primjena za realizaciju različitih antenskih struktura s niskom cijenom, jednostavnom proizvodnjom, minijaturizacijom, širokom propusnošću, visokim pojačanjem i učinkovitošću, mogućnošću skeniranja širokog raspona i niskim profilom. O njima se govori u nastavku.

1. Širokopojasne i višefrekventne antene
U tipičnom TL-u duljine l, kada je dana kutna frekvencija ω0, električna duljina (ili faza) dalekovoda može se izračunati na sljedeći način:

Gdje vp predstavlja faznu brzinu dalekovoda. Kao što se može vidjeti iz gore navedenog, širina pojasa blisko odgovara grupnom kašnjenju, koje je derivacija φ u odnosu na frekvenciju. Stoga, kako duljina prijenosne linije postaje kraća, širina pojasa također postaje šira. Drugim riječima, postoji obrnuti odnos između propusnosti i osnovne faze dalekovoda, što je specifično za dizajn. Ovo pokazuje da u tradicionalnim distribuiranim krugovima radni pojas nije lako kontrolirati. To se može pripisati ograničenjima tradicionalnih dalekovoda u pogledu stupnjeva slobode. Međutim, elementi opterećenja dopuštaju korištenje dodatnih parametara u metamaterijalnim TL-ovima, a fazni odziv se može kontrolirati do određene mjere. Kako bi se povećala propusnost, potrebno je imati sličan nagib u blizini radne frekvencije disperzijskih karakteristika. Umjetni metamaterijal TL može postići ovaj cilj. Na temelju ovog pristupa, u radu su predložene mnoge metode za povećanje propusnosti antena. Znanstvenici su dizajnirali i proizveli dvije širokopojasne antene napunjene rezonatorima s podijeljenim prstenom (vidi sliku 7). Rezultati prikazani na slici 7 pokazuju da se nakon opterećenja rezonatora s podijeljenim prstenom konvencionalnom monopolnom antenom pobuđuje mod niske rezonantne frekvencije. Veličina rezonatora s podijeljenim prstenom optimizirana je za postizanje rezonancije bliske onoj monopolne antene. Rezultati pokazuju da kada se dvije rezonancije podudaraju, širina pojasa i karakteristike zračenja antene se povećavaju. Duljina i širina monopolne antene su 0,25λ0×0,11λ0 i 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), respektivno, a duljina i širina monopolne antene opterećene rezonatorom s podijeljenim prstenom su 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz ), odnosno. Za konvencionalnu antenu u obliku slova F i antenu u obliku slova T bez rezonatora s podijeljenim prstenom, najveći dobitak i učinkovitost zračenja izmjereni u pojasu od 5 GHz su 3,6 dBi - 78,5% odnosno 3,9 dBi - 80,2%. Za antenu opterećenu rezonatorom s podijeljenim prstenom, ovi parametri su 4dBi - 81,2% odnosno 4,4dBi - 83%, redom, u pojasu od 6GHz. Implementacijom razdvojenog prstenastog rezonatora kao odgovarajućeg opterećenja na monopolnoj anteni, mogu se podržati pojasevi od 2,9 GHz ~ 6,41 GHz i 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, što odgovara frakcijskim širinama pojasa od 75,4% odnosno ~87%. Ovi rezultati pokazuju da je širina pojasa mjerenja poboljšana za približno 2,4 puta i 2,11 puta u usporedbi s tradicionalnim monopolnim antenama približno fiksne veličine.

Slika 7. Dvije širokopojasne antene opterećene rezonatorima s razdvojenim prstenom.

Kao što je prikazano na slici 8, prikazani su eksperimentalni rezultati kompaktne tiskane monopolne antene. Kada je S11≤- 10 dB, radna širina pojasa je 185% (0,115-2,90 GHz), a na 1,45 GHz, vršno pojačanje i učinkovitost zračenja su 2,35 dBi odnosno 78,8%. Raspored antene je sličan strukturi trokutastog lima koja se nadovezuje na leđa, koja se napaja pomoću zakrivljenog razdjelnika snage. Skraćeni GND sadrži središnji stub postavljen ispod fidera, a oko njega su raspoređena četiri otvorena rezonantna prstena, što proširuje propusnost antene. Antena zrači gotovo svesmjerno, pokrivajući većinu VHF i S pojaseva, te sva UHF i L pojasa. Fizička veličina antene je 48,32×43,72×0,8 mm3, a električna veličina je 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Ima prednosti male veličine i niske cijene te ima potencijalne izglede za primjenu u širokopojasnim bežičnim komunikacijskim sustavima.

Slika 8: Monopolna antena opterećena rezonatorom s podijeljenim prstenom.

Slika 9 prikazuje planarnu strukturu antene koja se sastoji od dva para međusobno povezanih petlji meandarske žice uzemljene na krnju ravninu uzemljenja u obliku slova T kroz dva otvora. Veličina antene je 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), gdje je λ0 valna duljina slobodnog prostora od 0,55 GHz. Antena zrači višesmjerno u E-ravnini u radnom frekvencijskom pojasu od 0,55 ~ 3,85 GHz, s maksimalnim pojačanjem od 5,5 dBi na 2,35 GHz i učinkovitošću od 90,1%. Ove značajke čine predloženu antenu prikladnom za različite primjene, uključujući UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi i Bluetooth.

Slika 9 Predložena struktura planarne antene.

2. Leaky Wave Antena (LWA)
Nova antena s propusnim valom jedna je od glavnih primjena za realizaciju umjetnog metamaterijala TL. Za antene s propusnim valom, učinak fazne konstante β na kut zračenja (θm) i maksimalnu širinu snopa (Δθ) je sljedeći:

L je duljina antene, k0 je valni broj u slobodnom prostoru, a λ0 je valna duljina u slobodnom prostoru. Imajte na umu da do zračenja dolazi samo kada |β|

3. Rezonatorska antena nultog reda
Jedinstveno svojstvo CRLH metamaterijala je da β može biti 0 kada frekvencija nije jednaka nuli. Na temelju ovog svojstva može se generirati novi rezonator nultog reda (ZOR). Kada je β nula, nema faznog pomaka u cijelom rezonatoru. To je zato što je konstanta faznog pomaka φ = - βd = 0. Osim toga, rezonancija ovisi samo o jalovom opterećenju i neovisna je o duljini strukture. Slika 10 pokazuje da je predložena antena proizvedena primjenom dvije i tri jedinice s E-oblikom, a ukupna veličina je 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 odnosno 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, gdje λ0 predstavlja valnu duljinu slobodnog prostora na radnim frekvencijama od 500 MHz i 650 MHz, odnosno. Antena radi na frekvencijama od 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) i 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), s relativnom propusnošću od 91,9% i 96,0%. Uz karakteristike male veličine i široke propusnosti, pojačanje i učinkovitost prve i druge antene su 5,3dBi i 85% (1GHz) odnosno 5,7dBi i 90% (1,4GHz).

Slika 10 Predložene strukture dvostruko-E i trostruko-E antene.

4. Utorna antena
Predložena je jednostavna metoda za povećanje otvora CRLH-MTM antene, ali njezina veličina antene je gotovo nepromijenjena. Kao što je prikazano na slici 11, antena uključuje CRLH jedinice naslagane okomito jednu na drugu, koje sadrže zakrpe i vijugave linije, a na zakrpi se nalazi utor u obliku slova S. Antena se napaja CPW odgovarajućim priključkom, a njezina veličina je 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, što odgovara 0,204λ0 × 0,375λ0 × 0,018λ0, gdje λ0 (3,5 GHz) predstavlja valnu duljinu slobodnog prostora. Rezultati pokazuju da antena radi u frekvencijskom pojasu od 0,85-7,90 GHz, a njezin radni pojas je 161,14%. Najveći dobitak zračenja i učinkovitost antene pojavljuju se na 3,5 GHz, što je 5,12 dBi odnosno ~80%.