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

2. Anvendelse av MTM-TL i antennesystemer
Denne delen vil fokusere på kunstige metamateriale TL-er og noen av deres mest vanlige og relevante applikasjoner for å realisere ulike antennestrukturer med lav pris, enkel produksjon, miniatyrisering, bred båndbredde, høy forsterkning og effektivitet, bred skanningsevne og lav profil. De er omtalt nedenfor.

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

Hvor vp representerer fasehastigheten til overføringslinjen. Som det fremgår av det ovenstående, tilsvarer båndbredden tett til gruppeforsinkelsen, som er den deriverte av φ med hensyn til frekvens. Derfor, ettersom overføringslinjelengden blir kortere, blir båndbredden også bredere. Med andre ord er det et omvendt forhold mellom båndbredden og den grunnleggende fasen av overføringslinjen, som er designspesifikk. Dette viser at i tradisjonelle distribuerte kretser er driftsbåndbredden ikke lett å kontrollere. Dette kan tilskrives begrensningene til tradisjonelle overføringslinjer når det gjelder frihetsgrader. Lasteelementer 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 spredningskarakteristikkene. Kunstig metamateriale TL kan oppnå dette målet. Basert på denne tilnærmingen er mange metoder for å forbedre båndbredden til antenner foreslått i artikkelen. Forskere har designet og produsert to bredbåndsantenner lastet med delte ringresonatorer (se figur 7). Resultatene vist i figur 7 viser at etter å ha lastet den delte ringresonatoren med den konvensjonelle monopolantennen, eksiteres en lavresonansfrekvensmodus. Størrelsen på den delte ringresonatoren er optimalisert for å oppnå en resonans nær den til monopolantennen. Resultatene viser at når de to resonansene faller sammen, økes båndbredden og strålingsegenskapene til antennen. Lengden og bredden på monopolantennen er henholdsvis 0,25λ0×0,11λ0 og 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), og lengden og bredden på monopolantennen lastet med en delt ringresonator er 0,29λ0×0,21. ), henholdsvis. For den konvensjonelle F-formede antennen og T-formede antennen uten delt ringresonator, er den høyeste forsterkningen og strålingseffektiviteten målt i 5GHz-båndet henholdsvis 3,6 dBi - 78,5 % og 3,9 dBi - 80,2 %. For antennen lastet med en delt ringresonator er disse parametrene henholdsvis 4dBi - 81,2 % og 4,4dBi - 83 % i 6GHz-båndet. Ved å implementere en delt ringresonator som en matchende belastning på monopolantennen, kan 2.9GHz ~ 6.41GHz og 2.6GHz ~ 6.6GHz båndene 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, er de eksperimentelle resultatene av den kompakte trykte monopolantennen vist. 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 %. Utformingen av antennen ligner på en rygg-til-rygg trekantet arkstruktur, som mates av en krumlinjet kraftdeler. Den avkortede GND inneholder en sentral stump plassert under materen, og fire åpne resonansringer er fordelt rundt den, som utvider båndbredden til antennen. Antennen stråler nesten rundstrålende, og dekker de fleste av VHF- og S-båndene, og alle UHF- og L-båndene. Den fysiske størrelsen på antennen 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 pris, og har potensielle bruksmuligheter 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 vias. Antennestørrelsen er 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), der λ0 er bølgelengden på ledig plass på 0,55 GHz. Antennen stråler rundstrålende i E-planet i driftsfrekvensbåndet på 0,55 ~ 3,85 GHz, med en maksimal forsterkning på 5,5dBi ved 2,35GHz og en effektivitet på 90,1%. Disse funksjonene gjør den foreslåtte antennen egnet for ulike bruksområder, inkludert UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi og Bluetooth.

Fig. 9 Foreslått plan antennestruktur.

2. Leaky Wave Antenna (LWA)
Den nye lekkende bølgeantennen er en av hovedapplikasjonene for å realisere kunstig metamateriale TL. For utette bølgeantenner er effekten av fasekonstanten β på strålingsvinkelen (θm) og den maksimale strålebredden (Δθ) som følger:

L er antennelengden, k0 er bølgetallet i ledig plass, og λ0 er bølgelengden i ledig plass. 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 nullordensresonator (ZOR) genereres. Når β er null, skjer 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 konstruksjonens lengde. Figur 10 viser at den foreslåtte antennen er fremstilt ved å bruke to og tre enheter med E-form, og den totale størrelsen er 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 og 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, hvor λ0-ene representerer hhv. ledig plass ved drift frekvenser på henholdsvis 500 MHz og 650 MHz. Antennen opererer ved 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 til liten størrelse og bred båndbredde, er forsterkningen og effektiviteten til den første og andre antennen henholdsvis 5,3dBi og 85% (1GHz) og 5,7dBi og 90% (1,4GHz).

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

4. Sporantenne
En enkel metode er foreslått for å forstørre blenderåpningen til CRLH-MTM-antennen, men dens antennestørrelse er nesten uendret. Som vist i figur 11 inkluderer antennen CRLH-enheter stablet vertikalt på hverandre, som inneholder lapper og meanderlinjer, og det er en S-formet sliss på lappen. Antennen mates av en CPW-matchende stubbe, og størrelsen er 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, tilsvarende 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, hvor λ0 (3,5GHz) representerer bølgelengden til ledig plass. Resultatene viser at antennen opererer i frekvensbåndet 0,85-7,90GHz, 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 %.