Balita - Isang pagsusuri ng mga transmission line antenna batay sa mga metamaterial (Bahagi 2)

2. Application ng MTM-TL sa Antenna Systems
Ang seksyong ito ay tumutuon sa mga artipisyal na metamaterial na TL at ilan sa kanilang pinakakaraniwan at nauugnay na mga aplikasyon para sa pagsasakatuparan ng iba't ibang istruktura ng antenna na may mababang gastos, madaling pagmamanupaktura, miniaturization, malawak na bandwidth, mataas na pakinabang at kahusayan, malawak na hanay ng kakayahan sa pag-scan at mababang profile. Ang mga ito ay tinalakay sa ibaba.

1. Broadband at multi-frequency antenna
Sa isang tipikal na TL na may haba na l, kapag ang angular frequency ω0 ay ibinigay, ang haba ng kuryente (o yugto) ng linya ng paghahatid ay maaaring kalkulahin tulad ng sumusunod:

Kung saan ang vp ay kumakatawan sa phase velocity ng transmission line. Tulad ng makikita mula sa itaas, ang bandwidth ay malapit na tumutugma sa pagkaantala ng grupo, na kung saan ay ang derivative ng φ na may paggalang sa dalas. Samakatuwid, habang ang haba ng linya ng paghahatid ay nagiging mas maikli, ang bandwidth ay nagiging mas malawak din. Sa madaling salita, mayroong isang kabaligtaran na relasyon sa pagitan ng bandwidth at ang pangunahing bahagi ng linya ng paghahatid, na partikular sa disenyo. Ipinapakita nito na sa tradisyonal na mga distributed circuit, ang operating bandwidth ay hindi madaling kontrolin. Ito ay maaaring maiugnay sa mga limitasyon ng tradisyonal na mga linya ng paghahatid sa mga tuntunin ng antas ng kalayaan. Gayunpaman, ang mga elemento ng paglo-load ay nagbibigay-daan sa mga karagdagang parameter na magamit sa mga metamaterial na TL, at ang phase response ay maaaring kontrolin sa isang tiyak na lawak. Upang mapataas ang bandwidth, kinakailangan na magkaroon ng katulad na slope malapit sa dalas ng pagpapatakbo ng mga katangian ng pagpapakalat. Maaaring makamit ng artipisyal na metamaterial TL ang layuning ito. Batay sa diskarteng ito, maraming mga pamamaraan para sa pagpapahusay ng bandwidth ng mga antenna ay iminungkahi sa papel. Ang mga iskolar ay nagdisenyo at gumawa ng dalawang broadband antenna na puno ng split ring resonator (tingnan ang Larawan 7). Ang mga resulta na ipinakita sa Figure 7 ay nagpapakita na pagkatapos i-load ang split ring resonator na may conventional monopole antenna, ang isang low resonant frequency mode ay nasasabik. Ang laki ng split ring resonator ay na-optimize para makamit ang resonance na malapit sa monopole antenna. Ang mga resulta ay nagpapakita na kapag ang dalawang resonance ay nag-tutugma, ang bandwidth at radiation na mga katangian ng antenna ay tumaas. 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 nilagyan ng split ring resonator ay 0.29λ0×0.21λ0 (29λ0×0.21λ0 (29λ0×0.21λ0) ), ayon sa pagkakabanggit. Para sa maginoo na F-shaped antenna at T-shaped na antenna na walang split ring resonator, ang pinakamataas na pakinabang at radiation efficiency na sinusukat sa 5GHz band ay 3.6dBi - 78.5% at 3.9dBi - 80.2%, ayon sa pagkakabanggit. Para sa antenna na puno ng 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, maaaring suportahan ang 2.9GHz ~ 6.41GHz at 2.6GHz ~ 6.6GHz band, na tumutugma sa fractional bandwidth na 75.4% at ~87%, ayon sa pagkakabanggit. Ipinapakita ng mga resultang ito na ang bandwidth ng pagsukat ay napabuti ng humigit-kumulang 2.4 beses at 2.11 beses kumpara sa mga tradisyonal na monopole antenna na humigit-kumulang nakapirming laki.

Figure 7. Dalawang broadband antenna na puno ng split-ring resonator.

Gaya ng ipinapakita sa Figure 8, ipinapakita ang mga eksperimentong resulta ng compact printed monopole antenna. Kapag 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 back-to-back triangular sheet structure, na pinapakain ng curvilinear power divider. Ang pinutol na GND ay naglalaman ng isang gitnang stub na inilagay sa ilalim ng feeder, at apat na bukas na resonant ring ang ipinamamahagi sa paligid nito, na nagpapalawak ng bandwidth ng antenna. Ang antenna ay kumikinang sa halos lahat ng direksyon, na sumasaklaw sa karamihan ng VHF at S band, at lahat ng UHF at L na banda. Ang pisikal na sukat ng antenna ay 48.32×43.72×0.8 mm3, at ang de-koryenteng laki ay 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0. Ito ay may mga pakinabang ng maliit na sukat at mababang gastos, at may potensyal na mga prospect ng aplikasyon sa broadband wireless na mga sistema ng komunikasyon.

Figure 8: Monopole antenna na puno ng split ring resonator.

Ipinapakita ng Figure 9 ang isang planar antenna structure na binubuo ng dalawang pares ng interconnected meander wire loops na naka-ground sa isang pinutol na T-shaped na 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 libreng space wavelength na 0.55 GHz. Ang antenna ay kumikinang sa lahat ng direksyon sa E-plane sa operating frequency band na 0.55 ~ 3.85 GHz, na may pinakamataas na pakinabang na 5.5dBi sa 2.35GHz at isang kahusayan na 90.1%. Ginagawa ng mga feature na ito na angkop ang iminungkahing antenna para sa iba't ibang mga application, kabilang ang UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi at Bluetooth.

Fig. 9 Iminungkahing istraktura ng planar antenna.

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

Ang L ay ang haba ng antena, ang k0 ay ang wave number sa libreng espasyo, at ang λ0 ay ang wavelength sa libreng espasyo. Tandaan na ang radiation ay nangyayari lamang kapag |β|

3. Zero-order resonator antenna
Ang isang natatanging katangian ng CRLH metamaterial ay ang β ay maaaring maging 0 kapag ang frequency ay hindi katumbas ng zero. Batay sa property na ito, maaaring makabuo ng 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 φ = - βd = 0. Bilang karagdagan, ang resonance ay nakasalalay lamang sa reaktibong pagkarga at hindi nakasalalay sa haba ng istraktura. Ipinapakita ng Figure 10 na ang iminungkahing antenna ay gawa-gawa sa pamamagitan ng paglalapat ng dalawa at tatlong unit na may E-shape, at ang kabuuang sukat ay 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 at 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0, ayon sa pagkakabanggit, kung saan ang wavelength ay kumakatawan sa 0.001λ0, ayon sa pagkakabanggit. ng libreng espasyo sa pagpapatakbo mga frequency na 500 MHz at 650 MHz, ayon sa pagkakabanggit. Gumagana ang antenna sa mga frequency na 0.5-1.35 GHz (0.85 GHz) at 0.65-1.85 GHz (1.2 GHz), na may mga relatibong bandwidth na 91.9% at 96.0%. Bilang karagdagan sa mga katangian ng maliit na sukat at malawak na bandwidth, ang nakuha at kahusayan ng una at pangalawang antenna ay 5.3dBi at 85% (1GHz) at 5.7dBi at 90% (1.4GHz), ayon sa pagkakabanggit.

Fig. 10 Iminungkahing double-E at triple-E na istruktura ng antena.

4. Slot Antenna
Ang isang simpleng paraan ay iminungkahi upang palakihin ang aperture ng CRLH-MTM antenna, ngunit ang laki ng antena nito ay halos hindi nagbabago. Tulad ng ipinapakita sa Figure 11, ang antenna ay may kasamang mga CRLH unit na nakasalansan nang patayo sa isa't isa, na naglalaman ng mga patch at meander lines, at mayroong isang S-shaped na slot sa patch. Ang antenna ay pinapakain ng isang CPW na tumutugmang stub, at ang laki nito ay 17.5 mm × 32.15 mm × 1.6 mm, na tumutugma sa 0.204λ0×0.375λ0×0.018λ0, kung saan ang λ0 (3.5GHz) ay kumakatawan sa wavelength ng libreng espasyo. 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 nakuha ng radiation at kahusayan ng antenna ay lumilitaw sa 3.5GHz, na 5.12dBi at ~80%, ayon sa pagkakabanggit.