2. Primjena MTM-TL u antenskim sustavima
Ovaj odjeljak će se usredotočiti na umjetne metamaterijalne TL-ove i neke od njihovih najčešćih i najrelevantnijih primjena za realizaciju različitih antenskih struktura s niskom cijenom, jednostavnom proizvodnjom, miniaturizacijom, širokom propusnošću, visokim pojačanjem i učinkovitošću, mogućnošću skeniranja širokog raspona i niskim profilom. O njima se raspravlja u nastavku.
1. Širokopojasne i višefrekventne antene
U tipičnom TL-u duljine l, kada je zadana 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, propusnost signala blisko odgovara grupnom kašnjenju, koje je derivacija φ s obzirom na frekvenciju. Stoga, kako se duljina dalekovoda skraćuje, propusnost signala također postaje šira. Drugim riječima, postoji obrnuti odnos između propusnosti signala i osnovne faze dalekovoda, što je specifično za dizajn. To pokazuje da u tradicionalnim distribuiranim krugovima radnu propusnost signala nije lako kontrolirati. To se može pripisati ograničenjima tradicionalnih dalekovoda u smislu stupnjeva slobode. Međutim, elementi opterećenja omogućuju korištenje dodatnih parametara u metamaterijalnim TL-ovima, a fazni odziv može se kontrolirati do određene mjere. Kako bi se povećala propusnost signala, potrebno je imati sličan nagib u blizini radne frekvencije karakteristika disperzije. Umjetni metamaterijalni TL može postići taj cilj. Na temelju ovog pristupa, u radu su predložene mnoge metode za povećanje propusnosti antena. Znanstvenici su projektirali i izradili dvije širokopojasne antene opterećene rezonatorima s razdvojenim prstenom (vidi sliku 7). Rezultati prikazani na slici 7 pokazuju da se nakon opterećenja rezonatora s razdvojenim prstenom konvencionalnom monopolnom antenom pobuđuje mod niske rezonantne frekvencije. Veličina rezonatora s razdvojenim prstenom optimizirana je kako bi se postigla rezonancija bliska rezonanciji monopolne antene. Rezultati pokazuju da se, kada se dvije rezonancije podudaraju, povećava propusnost i karakteristike zračenja antene. Duljina i širina monopolne antene iznose 0,25λ0 × 0,11λ0 i 0,25λ0 × 0,21λ0 (4 GHz), a duljina i širina monopolne antene opterećene rezonatorom s razdvojenim prstenom iznose 0,29λ0 × 0,21λ0 (2,9 GHz). Za konvencionalnu antenu u obliku slova F i antenu u obliku slova T bez rezonatora s razdvojenim prstenom, najveće pojačanje i učinkovitost zračenja izmjereni u pojasu od 5 GHz iznose 3,6 dBi - 78,5% i 3,9 dBi - 80,2%. Za antenu opterećenu razdvojenim prstenastim rezonatorom, ovi parametri su 4dBi - 81,2% i 4,4dBi - 83% u pojasu od 6 GHz. Implementacijom razdvojenog prstenastog rezonatora kao odgovarajućeg opterećenja na monopolnoj anteni, mogu se podržati pojasevi od 2,9 GHz do 6,41 GHz i 2,6 GHz do 6,6 GHz, što odgovara frakcijskim propusnostima od 75,4% odnosno ~87%. Ovi rezultati pokazuju da je propusnost mjerenja poboljšana 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 propusnost 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 sličan je trokutastoj strukturi ploča spojenih leđa uz leđa, koja se napaja krivolinijskim razdjelnikom snage. Skraćeni GND sadrži središnji krak postavljen ispod napojnog kabela, a oko njega su raspoređena četiri otvorena rezonantna prstena, što proširuje propusnost antene. Antena zrači gotovo svesmjerno, pokrivajući većinu VHF i S pojaseva te sve UHF i L pojaseve. 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 potencijalne mogućnosti primjene u bežičnim širokopojasnim komunikacijskim sustavima.
Slika 8: Monopolna antena opterećena rezonatorom s razdvojenim prstenom.
Slika 9 prikazuje planarnu strukturu antene koja se sastoji od dva para međusobno povezanih petlji vijugave žice uzemljenih na skraćenu T-oblikovanu uzemljenu ravninu kroz dva prolaza. Veličina antene je 38,5 × 36,6 mm2 (0,070λ0 × 0,067λ0), gdje je λ0 valna duljina u slobodnom prostoru 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.
Sl. 9 Predložena struktura planarne antene.
2. Antena s propuštajućim valom (LWA)
Nova antena s propuštajućim valom jedna je od glavnih primjena za realizaciju umjetnog metamaterijalnog TL-a. Za antene s propuštajućim valom, utjecaj 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 zračenje nastaje samo kada je |β|
3. Antena rezonatora 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, ne dolazi do faznog pomaka u cijelom rezonatoru. To je zato što je konstanta faznog pomaka φ = - βd = 0. Osim toga, rezonancija ovisi samo o reaktivnom opterećenju i neovisna je o duljini strukture. Slika 10 pokazuje da je predložena antena izrađena primjenom dvije i tri jedinice E-oblikova, a ukupna veličina je 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 i 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, gdje λ0 predstavlja valnu duljinu slobodnog prostora na radnim frekvencijama od 500 MHz i 650 MHz. Antena radi na frekvencijama od 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) i 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), s relativnim propusnim širinama od 91,9% i 96,0%. Uz karakteristike male veličine i široke propusnosti, pojačanje i učinkovitost prve i druge antene iznose 5,3 dBi i 85% (1 GHz) odnosno 5,7 dBi i 90% (1,4 GHz).
Sl. 10 Predložene strukture antene s dvostrukim E i trostrukim E oblikom.
4. Utorna antena
Predložena je jednostavna metoda za povećanje otvora antene CRLH-MTM, ali veličina antene gotovo je nepromijenjena. Kao što je prikazano na slici 11, antena uključuje CRLH jedinice naslagane okomito jedna na drugu, koje sadrže zakrpe i vijugave linije, a na zakrpi se nalazi utor u obliku slova S. Antena se napaja CPW prilagođujućim 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 njezina radna propusnost je 161,14%. Najveće pojačanje zračenja i učinkovitost antene pojavljuju se na 3,5 GHz, što iznosi 5,12 dBi odnosno ~80%.
Sl. 11 Predložena CRLH MTM utorna antena.
Za više informacija o antenama posjetite:
Vrijeme objave: 30. kolovoza 2024.
