Uudised - Metamaterjalidel põhinevate ülekandeliiniantennide ülevaade (2. osa)

2. MTM-TL rakendamine antennisüsteemides
See osa keskendub tehislikele metamaterjalidele ehk TL-idele ja nende mõnele kõige levinumale ja olulisemale rakendusele mitmesuguste antennistruktuuride realiseerimiseks, mis on odavad, hõlpsasti valmistatavad, miniaturiseeritavad, laia ribalaiusega, suure võimenduse ja efektiivsusega, laia skaneerimisvõimalusega ja madala profiiliga. Neid käsitletakse allpool.

1. Lairiba- ja mitmesageduslikud antennid
Tüüpilises ülekandeliinis pikkusega l, kui nurksagedus ω0 on antud, saab ülekandeliini elektrilise pikkuse (või faasi) arvutada järgmiselt:

Kus vp tähistab ülekandeliini faasikiirust. Nagu ülaltoodust näha, vastab ribalaius tihedalt grupi viivitusele, mis on φ tuletis sageduse suhtes. Seega, kui ülekandeliini pikkus lüheneb, muutub ka ribalaius laiemaks. Teisisõnu, ribalaiuse ja ülekandeliini põhifaasi vahel on pöördvõrdeline seos, mis on konstruktsioonispetsiifiline. See näitab, et traditsioonilistes hajutatud vooluringides ei ole tööribalaiust lihtne kontrollida. Seda võib seostada traditsiooniliste ülekandeliinide vabadusastmete piirangutega. Koormuselemendid võimaldavad aga metamaterjalist TL-ides kasutada täiendavaid parameetreid ja faasikarakteristikut saab teatud määral kontrollida. Ribalaiuse suurendamiseks on vaja sarnast kallet dispersioonikarakteristikute töösageduse lähedal. Kunstlik metamaterjalist TL suudab selle eesmärgi saavutada. Selle lähenemisviisi põhjal pakutakse artiklis välja palju meetodeid antennide ribalaiuse suurendamiseks. Teadlased on konstrueerinud ja valmistanud kaks lairibaantenni, mis on koormatud lõhestatud rõngasresonaatoritega (vt joonis 7). Joonisel 7 näidatud tulemused näitavad, et pärast tavalise monopoolantenni abil lõhestatud rõngasresonaatori laadimist ergastub madala resonantssagedusega režiim. Lõhestatud rõngasresonaatori suurus on optimeeritud, et saavutada monopoolantenni omale lähedane resonants. Tulemused näitavad, et kui kaks resonantsi langevad kokku, suurenevad antenni ribalaius ja kiirgusomadused. Monopoolantenni pikkus ja laius on vastavalt 0,25λ0×0,11λ0 ja 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz) ning lõhestatud rõngasresonaatoriga koormatud monopoolantenni pikkus ja laius on vastavalt 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz). Tavapärase F-kujulise antenni ja lõhestatud rõngasresonaatorita T-kujulise antenni puhul on 5 GHz sagedusalas mõõdetud suurim võimendus ja kiirgustõhusus vastavalt 3,6 dBi - 78,5% ja 3,9 dBi - 80,2%. Rõngasresonaatoriga koormatud antenni puhul on need parameetrid 6 GHz sagedusalas vastavalt 4dBi - 81,2% ja 4,4dBi - 83%. Rakendades monopoolantennile sobituskoormusena rõngasresonaatorit, saab toetada sagedusalasid 2,9 GHz ~ 6,41 GHz ja 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, mis vastab vastavalt 75,4% ja ~87% murdosa ribalaiusele. Need tulemused näitavad, et mõõteribalaius on võrreldes traditsiooniliste, ligikaudu fikseeritud suurusega monopoolantennidega paranenud ligikaudu 2,4 ja 2,11 korda.

Joonis 7. Kaks lairibaantenni, mis on koormatud lõhestatud rõngasresonaatoritega.

Nagu on näidatud joonisel 8, on näidatud kompaktse trükitud monopoolantenni eksperimentaalsed tulemused. Kui S11 ≤ -10 dB, on tööribalaius 185% (0,115–2,90 GHz) ja sagedusel 1,45 GHz on tippvõimendus ja kiirgustõhusus vastavalt 2,35 dBi ja 78,8%. Antenni paigutus sarnaneb selg-seljaga kolmnurkse lehtstruktuuriga, mida toidab kõverjooneline võimsusjagur. Kärbitud GND sisaldab toiteliini all asuvat keskset ühendust ja selle ümber on jaotatud neli avatud resonantsrõngast, mis laiendavad antenni ribalaiust. Antenn kiirgab peaaegu igas suunas, kattes suurema osa VHF- ja S-sagedusalast ning kõik UHF- ja L-sagedusalad. Antenni füüsiline suurus on 48,32 × 43,72 × 0,8 mm3 ja elektriline suurus on 0,235λ0 × 0,211λ0 × 0,003λ0. Selle eelised on väike suurus ja madal hind ning sellel on potentsiaalsed rakendusvõimalused lairiba traadita side süsteemides.

Joonis 8: Lõhisrõnga resonaatoriga koormatud monopoolantenn.

Joonisel 9 on kujutatud tasapinnalist antennistruktuuri, mis koosneb kahest omavahel ühendatud meander-traatsilmuste paarist, mis on maandatud kärbitud T-kujulise maandustasandiga kahe ava kaudu. Antenni suurus on 38,5 × 36,6 mm2 (0,070λ0 × 0,067λ0), kus λ0 on vaba ruumi lainepikkus 0,55 GHz. Antenn kiirgab E-tasandis igast suunast töösagedusalas 0,55 ~ 3,85 GHz, maksimaalse võimendusega 5,5 dBi sagedusel 2,35 GHz ja efektiivsusega 90,1%. Need omadused muudavad kavandatud antenni sobivaks mitmesuguste rakenduste jaoks, sealhulgas UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi ja Bluetooth.

Joonis 9. Kavandatud tasapinnalise antenni struktuur.

2. Lekke laine antenn (LWA)
Uus lekkelaineantenn on üks peamisi rakendusi tehisliku metamaterjali TL realiseerimiseks. Lekkelaineantennide puhul on faasikonstandi β mõju kiirgusnurgale (θm) ja maksimaalsele kiire laiusele (Δθ) järgmine:

L on antenni pikkus, k0 on lainearv vabas ruumis ja λ0 on lainepikkus vabas ruumis. Pane tähele, et kiirgus tekib ainult siis, kui |β|

3. Nulljärgu resonaatorantenn
CRLH metamaterjali ainulaadne omadus on see, et β võib olla 0, kui sagedus ei ole võrdne nulliga. Selle omaduse põhjal saab genereerida uue nulljärku resonaatori (ZOR). Kui β on null, siis kogu resonaatoris faasinihet ei toimu. See on tingitud faasinihkekonstandi φ = - βd = 0 tõttu. Lisaks sõltub resonants ainult reaktiivkoormusest ja on struktuuri pikkusest sõltumatu. Joonis 10 näitab, et pakutud antenn on valmistatud kahe ja kolme E-kujulise üksuse abil ning nende kogusuurus on vastavalt 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 ja 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, kus λ0 tähistab vaba ruumi lainepikkust vastavalt töösagedustel 500 MHz ja 650 MHz. Antenn töötab sagedustel 0,5–1,35 GHz (0,85 GHz) ja 0,65–1,85 GHz (1,2 GHz), suhtelise ribalaiusega 91,9% ja 96,0%. Lisaks väikesele suurusele ja laiale ribalaiusele on esimese ja teise antenni võimendus ja efektiivsus vastavalt 5,3 dBi ja 85% (1 GHz) ning 5,7 dBi ja 90% (1,4 GHz).

Joonis 10. Pakutud topelt-E ja kolmik-E antennistruktuurid.

4. Pesaantenn
CRLH-MTM antenni ava suurendamiseks on välja pakutud lihtne meetod, mille puhul antenni suurus jääb peaaegu samaks. Nagu joonisel 11 näidatud, koosneb antenn vertikaalselt üksteise peale laotud CRLH üksustest, mis sisaldavad laike ja meanderjooni ning laigul on S-kujuline pilu. Antenni toidab CPW sobitusvarras ja selle suurus on 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, mis vastab 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, kus λ0 (3,5 GHz) tähistab vaba ruumi lainepikkust. Tulemused näitavad, et antenn töötab sagedusalas 0,85–7,90 GHz ja selle tööribalaius on 161,14%. Antenni suurim kiirgusvõimendus ja efektiivsus ilmnevad sagedusel 3,5 GHz, mis on vastavalt 5,12 dBi ja ~80%.