2. Aplicació de MTM-TL en sistemes d'antena
Aquesta secció se centrarà en els TL de metamaterials artificials i algunes de les seves aplicacions més comunes i rellevants per a la realització de diverses estructures d'antena amb baix cost, fabricació fàcil, miniaturització, ample de banda ampli, gran guany i eficiència, capacitat d'escaneig ampli rang i perfil baix. Es comenten a continuació.
1. Antenes de banda ampla i multifreqüència
En un TL típic amb una longitud de l, quan es dóna la freqüència angular ω0, la longitud elèctrica (o fase) de la línia de transmissió es pot calcular de la següent manera:
On vp representa la velocitat de fase de la línia de transmissió. Com es pot veure a l'anterior, l'amplada de banda correspon molt al retard del grup, que és la derivada de φ respecte a la freqüència. Per tant, a mesura que la longitud de la línia de transmissió es fa més curta, l'ample de banda també es fa més ample. En altres paraules, hi ha una relació inversa entre l'ample de banda i la fase fonamental de la línia de transmissió, que és específica del disseny. Això demostra que en els circuits distribuïts tradicionals, l'ample de banda operatiu no és fàcil de controlar. Això es pot atribuir a les limitacions de les línies de transmissió tradicionals en termes de graus de llibertat. Tanmateix, els elements de càrrega permeten utilitzar paràmetres addicionals en els TL de metamaterials i la resposta de fase es pot controlar fins a cert punt. Per augmentar l'amplada de banda, cal tenir un pendent similar prop de la freqüència de funcionament de les característiques de dispersió. El metamaterial artificial TL pot aconseguir aquest objectiu. A partir d'aquest enfocament, en el document es proposen molts mètodes per millorar l'ample de banda de les antenes. Els estudiosos han dissenyat i fabricat dues antenes de banda ampla carregades amb ressonadors d'anell dividit (vegeu la figura 7). Els resultats que es mostren a la figura 7 mostren que després de carregar el ressonador d'anell dividit amb l'antena monopolar convencional, s'excita un mode de baixa freqüència de ressonància. La mida del ressonador d'anell dividit s'optimitza per aconseguir una ressonància propera a la de l'antena monopoli. Els resultats mostren que quan les dues ressonàncies coincideixen, l'amplada de banda i les característiques de radiació de l'antena augmenten. La longitud i l'amplada de l'antena monopoli són 0,25λ0×0,11λ0 i 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), respectivament, i la longitud i l'amplada de l'antena monopola carregada amb un ressonador d'anell dividit són 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz). ), respectivament. Per a l'antena convencional en forma de F i l'antena en forma de T sense un ressonador d'anell dividit, el guany i l'eficiència de radiació més alts mesurats a la banda de 5 GHz són 3,6 dBi - 78,5% i 3,9 dBi - 80,2%, respectivament. Per a l'antena carregada amb un ressonador d'anell dividit, aquests paràmetres són 4 dBi - 81,2% i 4,4 dBi - 83%, respectivament, a la banda de 6 GHz. Mitjançant la implementació d'un ressonador d'anell dividit com a càrrega coincident a l'antena monopolista, es poden suportar les bandes de 2,9 GHz ~ 6,41 GHz i 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, corresponents a amplades de banda fraccionades del 75,4% i ~ 87%, respectivament. Aquests resultats mostren que l'amplada de banda de mesura es millora aproximadament 2,4 vegades i 2,11 vegades en comparació amb les antenes monopoles tradicionals de mida aproximadament fixa.
Figura 7. Dues antenes de banda ampla carregades amb ressonadors d'anell dividit.
Tal com es mostra a la figura 8, es mostren els resultats experimentals de l'antena monopola impresa compacta. Quan S11≤- 10 dB, l'amplada de banda operativa és del 185% (0,115-2,90 GHz) i a 1,45 GHz, el guany màxim i l'eficiència de radiació són de 2,35 dBi i 78,8%, respectivament. La disposició de l'antena és similar a una estructura de làmina triangular adossada, que s'alimenta per un divisor de potència curvilini. El GND truncat conté un taló central col·locat sota l'alimentador i quatre anells de ressonància oberts es distribueixen al seu voltant, cosa que amplia l'amplada de banda de l'antena. L'antena irradia gairebé omnidireccionalment, cobrint la majoria de les bandes VHF i S, i totes les bandes UHF i L. La mida física de l'antena és de 48,32×43,72×0,8 mm3 i la mida elèctrica és de 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Té els avantatges d'una mida petita i un baix cost, i té possibilitats d'aplicació potencials en sistemes de comunicació sense fil de banda ampla.
Figura 8: Antena monopol carregada amb ressonador d'anell dividit.
La figura 9 mostra una estructura d'antena plana que consta de dos parells de bucles de filferro de meandre interconnectats connectats a terra a un pla de terra truncat en forma de T a través de dues vies. La mida de l'antena és de 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), on λ0 és la longitud d'ona de l'espai lliure de 0,55 GHz. L'antena irradia omnidireccionalment al pla E en la banda de freqüència operativa de 0,55 ~ 3,85 GHz, amb un guany màxim de 5,5 dBi a 2,35 GHz i una eficiència del 90,1%. Aquestes característiques fan que l'antena proposada sigui adequada per a diverses aplicacions, com ara RFID UHF, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi i Bluetooth.
Fig. 9 Estructura d'antena plana proposta.
2. Antena d'ona amb fuites (LWA)
La nova antena d'ona amb fuites és una de les principals aplicacions per a la realització de metamaterial artificial TL. Per a les antenes d'ona amb fuites, l'efecte de la constant de fase β sobre l'angle de radiació (θm) i l'amplada màxima del feix (Δθ) és el següent:
L és la longitud de l'antena, k0 és el nombre d'ona a l'espai lliure i λ0 és la longitud d'ona a l'espai lliure. Tingueu en compte que la radiació només es produeix quan |β|
3. Antena ressonadora d'ordre zero
Una propietat única del metamaterial CRLH és que β pot ser 0 quan la freqüència no és igual a zero. A partir d'aquesta propietat, es pot generar un nou ressonador d'ordre zero (ZOR). Quan β és zero, no es produeix cap canvi de fase a tot el ressonador. Això es deu al fet que la constant de desplaçament de fase φ = - βd = 0. A més, la ressonància depèn només de la càrrega reactiva i és independent de la longitud de l'estructura. La figura 10 mostra que l'antena proposada es fabrica aplicant dues i tres unitats amb forma d'E, i la mida total és de 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 i 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, respectivament, on λngth representa l'ona λ0. d'espai lliure a freqüències de funcionament de 500 MHz i 650 MHz, respectivament. L'antena funciona a freqüències de 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) i 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), amb amplades de banda relatives del 91,9% i del 96,0%. A més de les característiques de mida petita i amplada de banda ample, el guany i l'eficiència de la primera i la segona antena són de 5,3 dBi i 85% (1 GHz) i 5,7 dBi i 90% (1,4 GHz), respectivament.
Fig. 10 Estructures d'antena de doble E i triple E proposades.
4. Antena ranura
S'ha proposat un mètode senzill per augmentar l'obertura de l'antena CRLH-MTM, però la seva mida d'antena gairebé no canvia. Com es mostra a la figura 11, l'antena inclou unitats CRLH apilades verticalment les unes sobre les altres, que contenen pedaços i línies de meandre, i hi ha una ranura en forma de S al pegat. L'antena s'alimenta amb un taló de concordança CPW i la seva mida és de 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, que correspon a 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, on λ0 (3,5GHz) representa la longitud d'ona de l'espai lliure. Els resultats mostren que l'antena funciona a la banda de freqüència de 0,85-7,90 GHz i el seu ample de banda operatiu és del 161,14%. El guany de radiació i l'eficiència més alts de l'antena apareixen a 3,5 GHz, que són 5,12 dBi i ~ 80%, respectivament.
Fig. 11 L'antena de ranura CRLH MTM proposada.
Per obtenir més informació sobre les antenes, visiteu:
Hora de publicació: 30-agost-2024
