Nyheter - En gjennomgang av transmisjonslinjeantenner basert på metamaterialer (del 2)

2. Anvendelse av MTM-TL i antennesystemer
Denne delen vil fokusere på TL-er av kunstige metamaterialer og noen av deres vanligste og mest relevante bruksområder for å realisere ulike antennestrukturer med lave kostnader, enkel produksjon, miniatyrisering, bred båndbredde, høy forsterkning og effektivitet, bred skannekapasitet og lav profil. Disse diskuteres nedenfor.

1. Bredbånds- og multifrekvensantenner
I en typisk TL med en lengde på l, når vinkelfrekvensen ω0 er gitt, kan den elektriske lengden (eller fasen) til transmisjonslinjen beregnes som følger:

Hvor vp representerer fasehastigheten til transmisjonslinjen. Som det fremgår av det ovenstående, samsvarer båndbredden tett med gruppeforsinkelsen, som er den deriverte av φ med hensyn til frekvens. Derfor, når transmisjonslinjens lengde blir kortere, blir også båndbredden bredere. Med andre ord er det et inverst forhold mellom båndbredden og den grunnleggende fasen til transmisjonslinjen, som er designspesifikk. Dette viser at i tradisjonelle distribuerte kretser er driftsbåndbredden ikke lett å kontrollere. Dette kan tilskrives begrensningene til tradisjonelle transmisjonslinjer når det gjelder frihetsgrader. Lastelementer tillater imidlertid bruk av ytterligere parametere i metamateriale-TL-er, og faseresponsen kan kontrolleres til en viss grad. For å øke båndbredden er det nødvendig å ha en lignende helning nær driftsfrekvensen til dispersjonsegenskapene. Kunstig metamateriale-TL kan oppnå dette målet. Basert på denne tilnærmingen foreslås mange metoder for å forbedre båndbredden til antenner i artikkelen. Forskere har designet og produsert to bredbåndsantenner lastet med delte ringresonatorer (se figur 7). Resultatene vist i figur 7 viser at etter at den delte ringresonatoren er lastet med den konvensjonelle monopolantennen, eksiteres en lavresonansfrekvensmodus. Størrelsen på den delte ringresonatoren er optimalisert for å oppnå en resonans nær monopolantennens. Resultatene viser at når de to resonansene sammenfaller, økes antennens båndbredde og strålingsegenskaper. Lengden og bredden på monopolantennen er henholdsvis 0,25λ0 × 0,11λ0 og 0,25λ0 × 0,21λ0 (4 GHz), og lengden og bredden på monopolantennen lastet med en delt ringresonator er henholdsvis 0,29λ0 × 0,21λ0 (2,9 GHz). For den konvensjonelle F-formede antennen og T-formede antennen uten en delt ringresonator er den høyeste forsterkningen og strålingseffektiviteten målt i 5 GHz-båndet henholdsvis 3,6 dBi - 78,5 % og 3,9 dBi - 80,2 %. For antennen lastet med en delt ringresonator er disse parametrene henholdsvis 4 dBi - 81,2 % og 4,4 dBi - 83 % i 6 GHz-båndet. Ved å implementere en delt ringresonator som en matchende belastning på monopolantennen, kan båndene 2,9 GHz ~ 6,41 GHz og 2,6 GHz ~ 6,6 GHz støttes, tilsvarende brøkbåndbredder på henholdsvis 75,4 % og ~87 %. Disse resultatene viser at målebåndbredden er forbedret med omtrent 2,4 ganger og 2,11 ganger sammenlignet med tradisjonelle monopolantenner med omtrent fast størrelse.

Figur 7. To bredbåndsantenner lastet med split-ring resonatorer.

Som vist i figur 8 vises de eksperimentelle resultatene av den kompakte, trykte monopolantennen. Når S11 ≤- 10 dB, er driftsbåndbredden 185 % (0,115–2,90 GHz), og ved 1,45 GHz er toppforsterkningen og strålingseffektiviteten henholdsvis 2,35 dBi og 78,8 %. Antennens utforming ligner på en rygg-mot-rygg trekantet arkstruktur, som mates av en kurvelinjet effektdeler. Den avkortede GND-en inneholder en sentral stubb plassert under materen, og fire åpne resonansringer er fordelt rundt den, noe som utvider antennens båndbredde. Antennen stråler nesten omnidireksjonelt og dekker mesteparten av VHF- og S-båndene, og alle UHF- og L-båndene. Antennens fysiske størrelse er 48,32 × 43,72 × 0,8 mm3, og den elektriske størrelsen er 0,235λ0 × 0,211λ0 × 0,003λ0. Den har fordelene med liten størrelse og lav kostnad, og har potensielle anvendelsesmuligheter i trådløse bredbåndskommunikasjonssystemer.

Figur 8: Monopolantenne lastet med delt ringresonator.

Figur 9 viser en plan antennestruktur bestående av to par sammenkoblede meandertrådsløyfer jordet til et avkortet T-formet jordplan gjennom to viaer. Antennestørrelsen er 38,5 × 36,6 mm2 (0,070λ0 × 0,067λ0), hvor λ0 er fritt rom-bølgelengden på 0,55 GHz. Antennen stråler omnidireksjonelt i E-planet i driftsfrekvensbåndet på 0,55 ~ 3,85 GHz, med en maksimal forsterkning på 5,5 dBi ved 2,35 GHz og en effektivitet på 90,1 %. Disse egenskapene gjør den foreslåtte antennen egnet for ulike applikasjoner, inkludert UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi og Bluetooth.

Fig. 9 Foreslått plan antennestruktur.

2. Lekkbølgeantenne (LWA)
Den nye lekkbølgeantennen er en av hovedapplikasjonene for å realisere kunstig metamateriale TL. For lekkbølgeantenner er effekten av fasekonstanten β på strålingsvinkelen (θm) og den maksimale strålebredden (Δθ) som følger:

L er antennelengden, k0 er bølgetallet i fritt rom, og λ0 er bølgelengden i fritt rom. Merk at stråling bare oppstår når |β|

3. Nullordens resonatorantenne
En unik egenskap ved CRLH-metamateriale er at β kan være 0 når frekvensen ikke er lik null. Basert på denne egenskapen kan en ny nullteordensresonator (ZOR) genereres. Når β er null, oppstår det ingen faseforskyvning i hele resonatoren. Dette er fordi faseforskyvningskonstanten φ = - βd = 0. I tillegg avhenger resonansen kun av den reaktive lasten og er uavhengig av strukturens lengde. Figur 10 viser at den foreslåtte antennen er produsert ved å bruke to og tre enheter med E-form, og den totale størrelsen er henholdsvis 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 og 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, hvor λ0 representerer bølgelengden til fritt rom ved driftsfrekvenser på henholdsvis 500 MHz og 650 MHz. Antennen opererer på frekvenser på 0,5–1,35 GHz (0,85 GHz) og 0,65–1,85 GHz (1,2 GHz), med relative båndbredder på 91,9 % og 96,0 %. I tillegg til egenskapene liten størrelse og bred båndbredde, er forsterkningen og effektiviteten til den første og andre antennen henholdsvis 5,3 dBi og 85 % (1 GHz) og 5,7 dBi og 90 % (1,4 GHz).

Fig. 10 Foreslåtte dobbel-E- og trippel-E-antennestrukturer.

4. Sporantenne
En enkel metode har blitt foreslått for å forstørre blenderåpningen til CRLH-MTM-antennen, men antennestørrelsen er nesten uendret. Som vist i figur 11, inkluderer antennen CRLH-enheter stablet vertikalt oppå hverandre, som inneholder patcher og meanderlinjer, og det er et S-formet spor på patchen. Antennen mates av en CPW-tilpasningsstub, og størrelsen er 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, tilsvarende 0,204λ0 × 0,375λ0 × 0,018λ0, hvor λ0 (3,5 GHz) representerer bølgelengden til fritt rom. Resultatene viser at antennen opererer i frekvensbåndet 0,85–7,90 GHz, og dens driftsbåndbredde er 161,14 %. Den høyeste strålingsforsterkningen og effektiviteten til antennen vises ved 3,5 GHz, som er henholdsvis 5,12 dBi og ~80 %.