Навіны - Агляд антэн ліній перадачы на аснове метаматэрыялаў (частка 2)

2. Прымяненне MTM-TL у антэнных сістэмах
У гэтым раздзеле будзе разгледжана пытанне штучных метаматэрыяльных антэнных ліній і некаторых з іх найбольш распаўсюджаных і актуальных ужыванняў для рэалізацыі розных антэнных структур з нізкім коштам, простым вырабам, мініяцюрызацыяй, шырокай паласой прапускання, высокім каэфіцыентам узмацнення і эфектыўнасцю, магчымасцю шырокага дыяпазону сканавання і нізкім профілем. Яны абмяркоўваюцца ніжэй.

1. Шырокапалосныя і шматчастотныя антэны
У тыповай лініі перадачы даўжынёй l, калі зададзена вуглавая частата ω0, электрычную даўжыню (або фазу) лініі перадачы можна разлічыць наступным чынам:

Дзе vp — фазавая хуткасць лініі перадачы. Як відаць з вышэйсказанага, прапускная здольнасць блізка адпавядае групавой затрымцы, якая з'яўляецца вытворнай φ па частаце. Такім чынам, па меры скарачэння даўжыні лініі перадачы прапускная здольнасць таксама пашыраецца. Іншымі словамі, існуе адваротная залежнасць паміж прапускной здольнасцю і асноўнай фазай лініі перадачы, якая залежыць ад канструкцыі. Гэта паказвае, што ў традыцыйных размеркаваных схемах рабочую прапускную здольнасць няпроста кантраляваць. Гэта можна растлумачыць абмежаваннямі традыцыйных ліній перадачы з пункту гледжання ступеней свабоды. Аднак элементы нагрузкі дазваляюць выкарыстоўваць дадатковыя параметры ў метаматэрыяльных лініях перадачы, і фазавую характарыстыку можна кантраляваць да пэўнай ступені. Для павелічэння прапускной здольнасці неабходна мець падобны нахіл паблізу рабочай частаты характарыстык дысперсіі. Штучная метаматэрыяльная лінія перадачы можа дасягнуць гэтай мэты. На аснове гэтага падыходу ў артыкуле прапанавана шмат метадаў пашырэння прапускной здольнасці антэн. Навукоўцы распрацавалі і вырабілі дзве шырокапалосныя антэны, загружаныя разрэзнымі кольцавымі рэзанатарамі (гл. малюнак 7). Вынікі, паказаныя на малюнку 7, паказваюць, што пасля загрузкі разрэзанага кальцавога рэзанатара звычайнай манапольнай антэнай узбуджаецца нізкарэзанансная мода. Памер разрэзанага кальцавога рэзанатара аптымізаваны для дасягнення рэзанансу, блізкага да рэзанансу манапольнай антэны. Вынікі паказваюць, што пры супадзенні двух рэзанансаў павялічваецца прапускная здольнасць і характарыстыкі выпраменьвання антэны. Даўжыня і шырыня манапольнай антэны складаюць 0,25λ0×0,11λ0 і 0,25λ0×0,21λ0 (4 ГГц) адпаведна, а даўжыня і шырыня манапольнай антэны, загружанай разрэзаным кальцавым рэзанатарам, складаюць 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 ГГц) адпаведна. Для звычайнай F-падобнай антэны і Т-падобнай антэны без разрэзанага кальцавога рэзанатара найвышэйшы каэфіцыент узмацнення і эфектыўнасць выпраменьвання, вымераныя ў дыяпазоне 5 ГГц, склалі 3,6 дБі - 78,5% і 3,9 дБі - 80,2% адпаведна. Для антэны, нагружанай раздзельным кальцавым рэзанатарам, гэтыя параметры складаюць 4 дБі - 81,2% і 4,4 дБі - 83% адпаведна ў дыяпазоне 6 ГГц. Дзякуючы рэалізацыі раздзельнага кальцавога рэзанатара ў якасці ўзгадняльнай нагрузкі на монапольнай антэне, можна падтрымліваць дыяпазоны 2,9 ГГц ~ 6,41 ГГц і 2,6 ГГц ~ 6,6 ГГц, што адпавядае долевай прапускной здольнасці 75,4% і ~87% адпаведна. Гэтыя вынікі паказваюць, што прапускная здольнасць вымярэнняў паляпшаецца прыблізна ў 2,4 разы і 2,11 разы ў параўнанні з традыцыйнымі монапольнымі антэнамі прыблізна фіксаванага памеру.

Малюнак 7. Дзве шырокапалосныя антэны, загружаныя разрэзанымі кольцавымі рэзанатарамі.

Як паказана на малюнку 8, паказаны эксперыментальныя вынікі кампактнай друкаванай монапольнай антэны. Пры S11 ≤ 10 дБ працоўная паласа прапускання складае 185% (0,115–2,90 ГГц), а пры 1,45 ГГц пікавы каэфіцыент узмацнення і эфектыўнасць выпраменьвання складаюць 2,35 дБі і 78,8% адпаведна. Кампаноўка антэны падобная на трохкутную ліставую структуру, злучаную спіной да спіны, якая сілкуецца крывалінейным дзельнікам магутнасці. Усечаная зазямляльная антэна мае цэнтральны шлейф, размешчаны пад фідэрам, і чатыры адкрытыя рэзанансныя кольцы, размеркаваныя вакол яго, што пашырае паласу прапускання антэны. Антэна выпраменьвае практычна ўсенакіравана, ахопліваючы большую частку дыяпазонаў VHF і S, а таксама ўсе дыяпазоны UHF і L. Фізічныя памеры антэны складаюць 48,32 × 43,72 × 0,8 мм3, а электрычныя памеры — 0,235λ0 × 0,211λ0 × 0,003λ0. Ён мае перавагі невялікіх памераў і нізкай кошту, а таксама мае патэнцыйныя перспектывы прымянення ў сістэмах шырокапалоснай бесправадной сувязі.

Малюнак 8: Манапольная антэна з разрэзным кальцавым рэзанатарам.

На малюнку 9 паказана планарная структура антэны, якая складаецца з дзвюх пар узаемазлучаных контураў меандравых правадоў, зазямленых на ўсечанай Т-вобразнай плоскасці зазямлення праз два пераходныя адтуліны. Памер антэны складае 38,5 × 36,6 мм2 (0,070λ0 × 0,067λ0), дзе λ0 — даўжыня хвалі ў вольнай прасторы 0,55 ГГц. Антэна выпраменьвае ўсенакіравана ў плоскасці E ў рабочым дыяпазоне частот 0,55 ~ 3,85 ГГц, з максімальным каэфіцыентам узмацнення 5,5 дБі на частаце 2,35 ГГц і эфектыўнасцю 90,1%. Гэтыя асаблівасці робяць прапанаваную антэну прыдатнай для розных ужыванняў, у тым ліку UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi і Bluetooth.

Мал. 9. Прапанаваная планарная структура антэны.

2. Антэна з выцякаючай хваляй (LWA)
Новая антэна з уцечкай хвалі з'яўляецца адным з асноўных прымяненняў для рэалізацыі штучнай метаматэрыяльнай TL. Для антэн з уцечкай хвалі ўплыў фазавай пастаяннай β на вугал выпраменьвання (θm) і максімальную шырыню прамяня (Δθ) наступны:

L — даўжыня антэны, k0 — хвалевы лік у вольнай прасторы, а λ0 — даўжыня хвалі ў вольнай прасторы. Звярніце ўвагу, што выпраменьванне адбываецца толькі тады, калі |β|

3. Антэна рэзанатара нулявога парадку
Унікальнай уласцівасцю метаматэрыялу CRLH з'яўляецца тое, што β можа быць роўны нулю, калі частата не роўная нулю. Зыходзячы з гэтай уласцівасці, можна стварыць новы рэзанатар нулявога парадку (ZOR). Калі β роўны нулю, зрух фазы ва ўсім рэзанатары не адбываецца. Гэта звязана з тым, што канстанта зруху фазы φ = -βd = 0. Акрамя таго, рэзананс залежыць толькі ад рэактыўнай нагрузкі і не залежыць ад даўжыні канструкцыі. На малюнку 10 паказана, што прапанаваная антэна выраблена з двух і трох блокаў E-вобразнай формы, а агульны памер складае 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 і 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0 адпаведна, дзе λ0 прадстаўляе даўжыню хвалі свабоднай прасторы на працоўных частотах 500 МГц і 650 МГц адпаведна. Антэна працуе на частотах 0,5–1,35 ГГц (0,85 ГГц) і 0,65–1,85 ГГц (1,2 ГГц), з адноснай прапускной здольнасцю 91,9% і 96,0%. Акрамя характарыстык малога памеру і шырокай прапускной здольнасці, каэфіцыент узмацнення і эфектыўнасць першай і другой антэн складаюць 5,3 дБі і 85% (1 ГГц) і 5,7 дБі і 90% (1,4 ГГц) адпаведна.

Мал. 10. Прапанаваныя структуры антэн падвойнай і патройнай формы E.

4. Шчылінная антэна
Быў прапанаваны просты метад павелічэння апертуры антэны CRLH-MTM, але памер яе антэны практычна не змяніўся. Як паказана на малюнку 11, антэна ўключае ў сябе блокі CRLH, размешчаныя вертыкальна адзін на адным, якія ўтрымліваюць патчы і меандравыя лініі, і на патчы ёсць S-вобразная шчыліна. Антэна сілкуецца ад узгадняльнага шлейфа CPW, а яе памер складае 17,5 мм × 32,15 мм × 1,6 мм, што адпавядае 0,204λ0 × 0,375λ0 × 0,018λ0, дзе λ0 (3,5 ГГц) прадстаўляе даўжыню хвалі свабоднай прасторы. Вынікі паказваюць, што антэна працуе ў дыяпазоне частот 0,85-7,90 ГГц, а яе працоўная прапускная здольнасць складае 161,14%. Найвышэйшы каэфіцыент узмацнення выпраменьвання і эфектыўнасць антэны назіраюцца на частаце 3,5 ГГц, якія складаюць 5,12 дБі і ~80% адпаведна.