Nuus - 'n Oorsig van transmissielynantennas gebaseer op metamateriale (Deel 2)

2. Toepassing van MTM-TL in Antennastelsels
Hierdie afdeling sal fokus op kunsmatige metamateriaal-TL'e en sommige van hul mees algemene en relevante toepassings vir die realisering van verskeie antennastrukture met lae koste, maklike vervaardiging, miniaturisering, wye bandwydte, hoë wins en doeltreffendheid, wye reeks skanderingsvermoë en lae profiel. Hulle word hieronder bespreek.

1. Breëband- en multifrekwensie-antennas
In 'n tipiese TL met 'n lengte van l, wanneer die hoekfrekwensie ω0 gegee word, kan die elektriese lengte (of fase) van die transmissielyn soos volg bereken word:

Waar vp die fasesnelheid van die transmissielyn verteenwoordig. Soos uit bogenoemde gesien kan word, stem die bandwydte nou ooreen met die groepvertraging, wat die afgeleide van φ is met betrekking tot frekwensie. Daarom, soos die transmissielynlengte korter word, word die bandwydte ook wyer. Met ander woorde, daar is 'n omgekeerde verhouding tussen die bandwydte en die fundamentele fase van die transmissielyn, wat ontwerpspesifiek is. Dit toon dat die bedryfsbandwydte in tradisionele verspreide stroombane nie maklik is om te beheer nie. Dit kan toegeskryf word aan die beperkings van tradisionele transmissielyne in terme van vryheidsgrade. Laai-elemente laat egter toe dat bykomende parameters in metamateriaal-TL's gebruik word, en die faserespons kan tot 'n sekere mate beheer word. Om die bandwydte te verhoog, is dit nodig om 'n soortgelyke helling naby die bedryfsfrekwensie van die verspreidingseienskappe te hê. Kunsmatige metamateriaal-TL kan hierdie doel bereik. Gebaseer op hierdie benadering word baie metodes in die artikel voorgestel om die bandwydte van antennas te verbeter. Geleerdes het twee breëband-antennas ontwerp en vervaardig wat gelaai is met gesplete ringresonators (sien Figuur 7). Die resultate wat in Figuur 7 getoon word, toon dat na die laai van die gesplete ringresonator met die konvensionele monopoolantenna, 'n lae resonante frekwensiemodus opgewek word. Die grootte van die gesplete ringresonator word geoptimaliseer om 'n resonansie naby aan dié van die monopoolantenna te bereik. Die resultate toon dat wanneer die twee resonansies saamval, die bandwydte en stralingseienskappe van die antenna verhoog word. Die lengte en breedte van die monopoolantenna is onderskeidelik 0.25λ0×0.11λ0 en 0.25λ0×0.21λ0 (4GHz), en die lengte en breedte van die monopoolantenna gelaai met 'n gesplete ringresonator is onderskeidelik 0.29λ0×0.21λ0 (2.9GHz). Vir die konvensionele F-vormige antenna en T-vormige antenna sonder 'n gesplete ringresonator, is die hoogste wins en stralingsdoeltreffendheid gemeet in die 5GHz-band onderskeidelik 3.6dBi - 78.5% en 3.9dBi - 80.2%. Vir die antenna gelaai met 'n gesplete ringresonator, is hierdie parameters onderskeidelik 4dBi - 81.2% en 4.4dBi - 83% in die 6GHz-band. Deur 'n gesplete ringresonator as 'n ooreenstemmende las op die monopool-antenna te implementeer, kan die 2.9GHz ~ 6.41GHz en 2.6GHz ~ 6.6GHz bande ondersteun word, wat ooreenstem met fraksionele bandwydtes van onderskeidelik 75.4% en ~87%. Hierdie resultate toon dat die meetbandwydte met ongeveer 2.4 keer en 2.11 keer verbeter word in vergelyking met tradisionele monopool-antennas van ongeveer vaste grootte.

Figuur 7. Twee breëband-antennas gelaai met splitringresonators.

Soos getoon in Figuur 8, word die eksperimentele resultate van die kompakte gedrukte monopool-antenna getoon. Wanneer S11≤- 10 dB, is die bedryfsbandwydte 185% (0.115-2.90 GHz), en teen 1.45 GHz is die piekwins en stralingsdoeltreffendheid onderskeidelik 2.35 dBi en 78.8%. Die uitleg van die antenna is soortgelyk aan 'n rug-aan-rug driehoekige plaatstruktuur, wat gevoed word deur 'n kromlynige kragverdeler. Die afgeknotte GND bevat 'n sentrale stomp wat onder die voerder geplaas is, en vier oop resonante ringe is daarom versprei, wat die bandwydte van die antenna verbreed. Die antenna straal amper omnidireksioneel uit en dek die meeste van die VHF- en S-bande, en al die UHF- en L-bande. Die fisiese grootte van die antenna is 48.32×43.72×0.8 mm3, en die elektriese grootte is 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0. Dit het die voordele van klein grootte en lae koste, en het potensiële toepassingsvooruitsigte in breëband draadlose kommunikasiestelsels.

Figuur 8: Monopoolantenna gelaai met gesplete ringresonator.

Figuur 9 toon 'n planêre antennastruktuur wat bestaan uit twee pare onderling gekoppelde meanderdraadlusse wat deur twee vias aan 'n afgeknotte T-vormige grondvlak geaard is. Die antennagrootte is 38.5×36.6 mm2 (0.070λ0×0.067λ0), waar λ0 die vrye ruimtegolflengte van 0.55 GHz is. Die antenna straal omnidireksioneel uit in die E-vlak in die bedryfsfrekwensieband van 0.55 ~ 3.85 GHz, met 'n maksimum wins van 5.5dBi teen 2.35GHz en 'n doeltreffendheid van 90.1%. Hierdie kenmerke maak die voorgestelde antenna geskik vir verskeie toepassings, insluitend UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi en Bluetooth.

Fig. 9 Voorgestelde planêre antennastruktuur.

2. Lekkende Golfantenne (LWA)
Die nuwe lekgolfantenna is een van die hooftoepassings vir die realisering van kunsmatige metamateriaal TL. Vir lekgolfantennas is die effek van die fasekonstante β op die stralingshoek (θm) en die maksimum straalwydte (Δθ) soos volg:

L is die antenna-lengte, k0 is die golfgetal in die vrye ruimte, en λ0 is die golflengte in die vrye ruimte. Let daarop dat straling slegs voorkom wanneer |β|

3. Nul-orde resonator antenna
'n Unieke eienskap van CRLH-metamateriaal is dat β 0 kan wees wanneer die frekwensie nie gelyk is aan nul nie. Gebaseer op hierdie eienskap kan 'n nuwe nulde-orde resonator (ZOR) gegenereer word. Wanneer β nul is, vind geen faseverskuiwing in die hele resonator plaas nie. Dit is omdat die faseverskuiwingskonstante φ = - βd = 0. Daarbenewens hang die resonansie slegs af van die reaktiewe las en is onafhanklik van die lengte van die struktuur. Figuur 10 toon dat die voorgestelde antenna vervaardig word deur twee en drie eenhede met E-vorm toe te pas, en die totale grootte is onderskeidelik 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 en 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0, waar λ0 die golflengte van vrye ruimte verteenwoordig by bedryfsfrekwensies van onderskeidelik 500 MHz en 650 MHz. Die antenna werk teen frekwensies van 0.5-1.35 GHz (0.85 GHz) en 0.65-1.85 GHz (1.2 GHz), met relatiewe bandwydtes van 91.9% en 96.0%. Benewens die eienskappe van klein grootte en wye bandwydte, is die wins en doeltreffendheid van die eerste en tweede antennas onderskeidelik 5.3dBi en 85% (1GHz) en 5.7dBi en 90% (1.4GHz).

Fig. 10 Voorgestelde dubbel-E en driedubbele-E antennastrukture.

4. Gleufantenne
'n Eenvoudige metode is voorgestel om die opening van die CRLH-MTM-antenna te vergroot, maar die antennagrootte is amper onveranderd. Soos getoon in Figuur 11, bevat die antenna CRLH-eenhede wat vertikaal op mekaar gestapel is, wat kolle en meanderlyne bevat, en daar is 'n S-vormige gleuf op die kol. Die antenna word gevoed deur 'n CPW-ooreenstemmende stomp, en die grootte daarvan is 17.5 mm × 32.15 mm × 1.6 mm, wat ooreenstem met 0.204λ0 × 0.375λ0 × 0.018λ0, waar λ0 (3.5 GHz) die golflengte van vrye ruimte verteenwoordig. Die resultate toon dat die antenna in die frekwensieband van 0.85-7.90 GHz werk, en die bedryfsbandwydte daarvan is 161.14%. Die hoogste stralingswins en doeltreffendheid van die antenna verskyn by 3.5 GHz, wat onderskeidelik 5.12 dBi en ~80% is.