Balita - Isang pagsusuri ng mga antena ng linya ng transmisyon batay sa mga metamaterial (Bahagi 2)

2. Aplikasyon ng MTM-TL sa mga Sistema ng Antenna
Ang seksyong ito ay tututok sa mga artipisyal na metamaterial TL at ilan sa kanilang mga pinakakaraniwan at may-katuturang aplikasyon para sa pagsasakatuparan ng iba't ibang istruktura ng antenna na may mababang gastos, madaling paggawa, miniaturization, malawak na bandwidth, mataas na gain at kahusayan, malawak na saklaw ng kakayahan sa pag-scan at mababang profile. Tatalakayin ang mga ito sa ibaba.

1. Mga antena ng broadband at multi-frequency
Sa isang tipikal na TL na may haba na l, kapag ibinigay ang angular frequency na ω0, ang haba ng kuryente (o phase) ng linya ng transmisyon ay maaaring kalkulahin tulad ng sumusunod:

Kung saan ang vp ay kumakatawan sa phase velocity ng transmission line. Gaya ng makikita sa itaas, ang bandwidth ay halos tumutugma sa group delay, na siyang derivative ng φ kaugnay ng frequency. Samakatuwid, habang umiikli ang haba ng transmission line, lumalawak din ang bandwidth. Sa madaling salita, mayroong kabaligtaran na relasyon sa pagitan ng bandwidth at ng fundamental phase ng transmission line, na partikular sa disenyo. Ipinapakita nito na sa mga tradisyonal na distributed circuit, ang operating bandwidth ay hindi madaling kontrolin. Ito ay maaaring maiugnay sa mga limitasyon ng mga tradisyonal na transmission lines sa mga tuntunin ng degrees of freedom. Gayunpaman, ang mga loading elements ay nagbibigay-daan sa paggamit ng mga karagdagang parameter sa metamaterial TLs, at ang phase response ay maaaring kontrolin sa isang tiyak na lawak. Upang mapataas ang bandwidth, kinakailangang magkaroon ng katulad na slope malapit sa operating frequency ng mga dispersion characteristics. Makakamit ng artipisyal na metamaterial TL ang layuning ito. Batay sa pamamaraang ito, maraming mga pamamaraan para sa pagpapahusay ng bandwidth ng mga antenna ang iminungkahi sa papel. Ang mga iskolar ay nagdisenyo at gumawa ng dalawang broadband antenna na may kargang split ring resonators (tingnan ang Figure 7). Ang mga resultang ipinapakita sa Figure 7 ay nagpapakita na pagkatapos i-load ang split ring resonator gamit ang conventional monopole antenna, isang low resonant frequency mode ang na-excite. Ang laki ng split ring resonator ay in-optimize upang makamit ang isang resonance na malapit sa monopole antenna. Ipinapakita ng mga resulta na kapag nagtugma ang dalawang resonance, tumataas ang bandwidth at radiation characteristics ng antenna. Ang haba at lapad ng monopole antenna ay 0.25λ0×0.11λ0 at 0.25λ0×0.21λ0 (4GHz), ayon sa pagkakabanggit, at ang haba at lapad ng monopole antenna na may karga na split ring resonator ay 0.29λ0×0.21λ0 (2.9GHz), ayon sa pagkakabanggit. Para sa conventional F-shaped antenna at T-shaped antenna na walang split ring resonator, ang pinakamataas na gain at radiation efficiency na nasukat sa 5GHz band ay 3.6dBi - 78.5% at 3.9dBi - 80.2%, ayon sa pagkakabanggit. Para sa antenna na may kargang split ring resonator, ang mga parameter na ito ay 4dBi - 81.2% at 4.4dBi - 83%, ayon sa pagkakabanggit, sa 6GHz band. Sa pamamagitan ng pagpapatupad ng split ring resonator bilang katugmang load sa monopole antenna, ang 2.9GHz ~ 6.41GHz at 2.6GHz ~ 6.6GHz bands ay maaaring suportahan, na katumbas ng fractional bandwidths na 75.4% at ~87%, ayon sa pagkakabanggit. Ipinapakita ng mga resultang ito na ang bandwidth ng pagsukat ay pinabuti ng humigit-kumulang 2.4 beses at 2.11 beses kumpara sa tradisyonal na monopole antenna na may humigit-kumulang nakapirming laki.

Pigura 7. Dalawang broadband antenna na may mga split-ring resonator.

Gaya ng ipinapakita sa Figure 8, ipinapakita ang mga resulta ng eksperimento ng compact printed monopole antenna. Kapag ang S11≤- 10 dB, ang operating bandwidth ay 185% (0.115-2.90 GHz), at sa 1.45 GHz, ang peak gain at radiation efficiency ay 2.35 dBi at 78.8%, ayon sa pagkakabanggit. Ang layout ng antenna ay katulad ng isang back-to-back triangular sheet structure, na pinapakain ng isang curvilinear power divider. Ang truncated GND ay naglalaman ng isang central stub na nakalagay sa ilalim ng feeder, at apat na open resonant rings ang nakakalat sa paligid nito, na nagpapalawak sa bandwidth ng antenna. Ang antenna ay halos omnidirectionally radiate, na sumasaklaw sa karamihan ng VHF at S bands, at lahat ng UHF at L bands. Ang pisikal na laki ng antenna ay 48.32×43.72×0.8 mm3, at ang electrical size ay 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0. Ito ay may mga bentahe ng maliit na sukat at mababang gastos, at may mga potensyal na posibilidad ng aplikasyon sa mga sistema ng komunikasyon na wireless broadband.

Pigura 8: Monopole antenna na may karga na split ring resonator.

Ipinapakita ng Figure 9 ang isang planar antenna structure na binubuo ng dalawang pares ng magkakaugnay na meander wire loops na naka-ground sa isang truncated T-shaped ground plane sa pamamagitan ng dalawang vias. Ang laki ng antenna ay 38.5×36.6 mm2 (0.070λ0×0.067λ0), kung saan ang λ0 ay ang free space wavelength na 0.55 GHz. Ang antenna ay nagra-radiate nang omnidirectionally sa E-plane sa operating frequency band na 0.55 ~ 3.85 GHz, na may maximum gain na 5.5dBi sa 2.35GHz at efficiency na 90.1%. Dahil sa mga feature na ito, angkop ang iminungkahing antenna para sa iba't ibang aplikasyon, kabilang ang UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi at Bluetooth.

Larawan 9 Iminumungkahing istruktura ng planar na antena.

2. Antenna ng Tumutulo na Alon (LWA)
Ang bagong leaky wave antenna ay isa sa mga pangunahing aplikasyon para sa pagsasakatuparan ng artipisyal na metamaterial TL. Para sa mga leaky wave antenna, ang epekto ng phase constant β sa radiation angle (θm) at sa maximum beam width (Δθ) ay ang mga sumusunod:

Ang L ay ang haba ng antenna, ang k0 ay ang wave number sa free space, at ang λ0 ay ang wavelength sa free space. Tandaan na ang radiation ay nangyayari lamang kapag |β|

3. Antena ng resonator na zero-order
Isang natatanging katangian ng CRLH metamaterial ay ang β ay maaaring maging 0 kapag ang frequency ay hindi katumbas ng zero. Batay sa katangiang ito, maaaring mabuo ang isang bagong zero-order resonator (ZOR). Kapag ang β ay zero, walang phase shift na nagaganap sa buong resonator. Ito ay dahil ang phase shift constant na φ = - βd = 0. Bukod pa rito, ang resonance ay nakasalalay lamang sa reactive load at hindi nakadepende sa haba ng istruktura. Ipinapakita ng Figure 10 na ang iminungkahing antenna ay ginawa sa pamamagitan ng paglalapat ng dalawa at tatlong unit na may E-shape, at ang kabuuang laki ay 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 at 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0, ayon sa pagkakabanggit, kung saan ang λ0 ay kumakatawan sa wavelength ng free space sa mga operating frequency na 500 MHz at 650 MHz, ayon sa pagkakabanggit. Ang antena ay gumagana sa mga frequency na 0.5-1.35 GHz (0.85 GHz) at 0.65-1.85 GHz (1.2 GHz), na may relatibong bandwidth na 91.9% at 96.0%. Bukod sa mga katangian ng maliit na sukat at malawak na bandwidth, ang gain at efficiency ng una at pangalawang antena ay 5.3dBi at 85% (1GHz) at 5.7dBi at 90% (1.4GHz), ayon sa pagkakabanggit.

Larawan 10 Mga iminungkahing istruktura ng double-E at triple-E na antena.

4. Antena ng Puwang
Isang simpleng paraan ang iminungkahi upang palakihin ang siwang ng CRLH-MTM antenna, ngunit ang laki ng antenna nito ay halos hindi nagbabago. Gaya ng ipinapakita sa Figure 11, ang antenna ay kinabibilangan ng mga CRLH unit na patayong nakapatong sa isa't isa, na naglalaman ng mga patch at meander lines, at mayroong S-shaped slot sa patch. Ang antenna ay pinapakain ng isang CPW matching stub, at ang laki nito ay 17.5 mm × 32.15 mm × 1.6 mm, na katumbas ng 0.204λ0×0.375λ0×0.018λ0, kung saan ang λ0 (3.5GHz) ay kumakatawan sa wavelength ng free space. Ipinapakita ng mga resulta na ang antenna ay gumagana sa frequency band na 0.85-7.90GHz, at ang operating bandwidth nito ay 161.14%. Ang pinakamataas na radiation gain at efficiency ng antenna ay lumilitaw sa 3.5GHz, na 5.12dBi at ~80%, ayon sa pagkakabanggit.