2. Aplicació de MTM-TL en sistemes d'antenes
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'antenes amb baix cost, fàcil fabricació, miniaturització, amplada de banda, alt guany i eficiència, capacitat d'escaneig d'ampli abast i perfil baix. Es discuteixen a continuació.
1. Antenes de banda ampla i multifreqüència
En una línia de transmissió típica amb una longitud l, quan es dóna la freqüència angular ω0, la longitud elèctrica (o fase) de la línia de transmissió es pot calcular de la manera següent:
On vp representa la velocitat de fase de la línia de transmissió. Com es pot veure a partir de l'anterior, l'amplada de banda correspon estretament al retard de 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'amplada de banda també es fa més ampla. En altres paraules, hi ha una relació inversa entre l'amplada 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'amplada de banda operativa no és fàcil de controlar. Això es pot atribuir a les limitacions de les línies de transmissió tradicionals pel que fa als 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 a prop de la freqüència operativa de les característiques de dispersió. El TL de metamaterial artificial pot aconseguir aquest objectiu. Basant-se en aquest enfocament, es proposen molts mètodes per millorar l'amplada de banda de les antenes a l'article. Els acadèmics 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 ressonant. La mida del ressonador d'anell dividit s'optimitza per aconseguir una ressonància propera a la de l'antena monopolar. 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 monopolar són 0,25λ0×0,11λ0 i 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz), respectivament, i la longitud i l'amplada de l'antena monopolar carregada amb un ressonador d'anell dividit són 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz), respectivament. Per a l'antena convencional en forma de F i l'antena en forma de T sense 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 4dBi - 81,2% i 4,4dBi - 83%, respectivament, a la banda de 6 GHz. Implementant un ressonador d'anell dividit com a càrrega d'adaptació a l'antena monopolar, es poden suportar les bandes de 2,9 GHz ~ 6,41 GHz i de 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, que corresponen a amplades de banda fraccionàries del 75,4% i ~87%, respectivament. Aquests resultats mostren que l'amplada de banda de mesura millora aproximadament 2,4 vegades i 2,11 vegades en comparació amb les antenes monopolars tradicionals de mida aproximadament fixa.
Figura 7. Dues antenes de banda ampla carregades amb ressonadors d'anell dividit.
Com es mostra a la Figura 8, es mostren els resultats experimentals de l'antena monopolar 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 làmines triangulars esquena contra esquena, que s'alimenta mitjançant un divisor de potència curvilini. El GND truncat conté un tall central col·locat sota l'alimentador, i quatre anells ressonants oberts es distribueixen al seu voltant, cosa que amplia l'amplada de banda de l'antena. L'antena irradia gairebé omnidireccionalment, cobrint la major part 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 de la seva petita mida i baix cost, i té possibles perspectives d'aplicació en sistemes de comunicació sense fil de banda ampla.
Figura 8: Antena monopolar carregada amb un ressonador d'anell dividit.
La figura 9 mostra una estructura d'antena planar que consisteix en dos parells de bucles de filferro meandre interconnectats connectats a terra a un pla de terra en forma de T truncada 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 a la banda de freqüència de funcionament 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 planar proposada.
2. Antena d'ona fugaç (LWA)
La nova antena d'ona de fuita és una de les principals aplicacions per a la realització de metamaterials artificials TL. Per a les antenes d'ona de fuita, 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. Cal tenir 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. Basant-se en 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 canvi 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 λ0 representa la longitud d'ona de l'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 el 96,0%. A més de les característiques de mida petita i amplada de banda àmplia, el guany i l'eficiència de la primera i 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 de ranura
S'ha proposat un mètode senzill per ampliar l'obertura de l'antena CRLH-MTM, però la mida de l'antena gairebé no ha canviat. Com es mostra a la Figura 11, l'antena inclou unitats CRLH apilades verticalment les unes sobre les altres, que contenen pegats i línies de meandre, i hi ha una ranura en forma de S al pegat. L'antena s'alimenta mitjançant un stub d'adaptació CPW, i la seva mida és de 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, corresponent a 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, on λ0 (3,5 GHz) 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 a més informació sobre les antenes, visiteu:
Data de publicació: 30 d'agost de 2024
