Навіны - Агляд ЛЭП-антэн на аснове метаматэрыялаў (частка 2)

2. Прымяненне MTM-TL у антэнных сістэмах
Гэты раздзел будзе прысвечаны штучным метаматэрыялам TL і некаторым з іх найбольш распаўсюджаных і актуальных прымянення для рэалізацыі розных антэнных канструкцый з нізкім коштам, простым вырабам, мініяцюрызацыі, шырокай прапускной здольнасцю, высокім каэфіцыентам узмацнення і эфектыўнасцю, магчымасцю сканавання ў шырокім дыяпазоне і нізкім профілем. Яны абмяркоўваюцца ніжэй.

1. Шырокапалосныя і шматчастотныя антэны
У тыповай ЛЭП даўжынёй l, калі зададзена вуглавая частата ω0, электрычная даўжыня (або фаза) лініі перадачы можа быць разлічана наступным чынам:

Дзе vp уяўляе сабой фазавую хуткасць лініі перадачы. Як відаць са сказанага вышэй, паласа прапускання блізка адпавядае групавой затрымцы, якая з'яўляецца вытворнай φ па частаце. Такім чынам, калі даўжыня лініі перадачы становіцца меншай, прапускная здольнасць таксама становіцца шырэй. Іншымі словамі, існуе зваротная залежнасць паміж прапускной здольнасцю і асноўнай фазай лініі перадачы, якая з'яўляецца асаблівай канструкцыяй. Гэта сведчыць аб тым, што ў традыцыйных размеркаваных схемах няпроста кантраляваць рабочую прапускную здольнасць. Гэта можна звязаць з абмежаваннямі традыцыйных ліній перадачы з пункту гледжання ступені свабоды. Аднак элементы загрузкі дазваляюць выкарыстоўваць дадатковыя параметры ў метаматэрыяльных TL, і фазавую характарыстыку можна кантраляваць да пэўнай ступені. Для таго, каб павялічыць прапускную здольнасць, неабходна мець аналагічны нахіл каля працоўнай частаты дысперсійных характарыстык. Штучны метаматэрыял TL можа дасягнуць гэтай мэты. На падставе гэтага падыходу ў артыкуле прапанавана шмат метадаў для павелічэння прапускной здольнасці антэн. Навукоўцы спраектавалі і вырабілі дзве шырокапалосныя антэны, загружаныя рэзанатарамі з раздзельным кольцам (гл. малюнак 7). Вынікі, паказаныя на малюнку 7, паказваюць, што пасля загрузкі рэзанатара з раздзельным кольцам звычайнай монапольнай антэнай узбуджаецца рэжым нізкай рэзананснай частаты. Памер рэзанатара з раздзельным кольцам аптымізаваны для дасягнення рэзанансу, блізкага да рэзанансу антэны-манаполя. Вынікі паказваюць, што калі два рэзанансы супадаюць, прапускная здольнасць і характарыстыкі выпраменьвання антэны павялічваюцца. 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 раздзельным кальцавым рэзанатарам, складаюць 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 ГГц). ), адпаведна. Для звычайнай F-вобразнай антэны і Т-вобразнай антэны без рэзанатара з раздзельным кольцам найбольшы каэфіцыент узмацнення і эфектыўнасць выпраменьвання, вымераныя ў дыяпазоне 5 ГГц, складаюць 3,6 дБі - 78,5% і 3,9 дБі - 80,2% адпаведна. Для антэны, нагружанай рэзанатарам з раздвоеным кольцам, гэтыя параметры складаюць 4 дБі - 81,2% і 4,4 дБі - 83% адпаведна ў дыяпазоне 6 ГГц. Дзякуючы ўкараненню рэзанатара з раздзельным кольцам у якасці адпаведнай нагрузкі на манапольную антэну можна падтрымліваць дыяпазоны 2,9 ГГц ~ 6,41 ГГц і 2,6 ГГц ~ 6,6 ГГц, што адпавядае дробнай паласе прапускання 75,4% і ~87% адпаведна. Гэтыя вынікі паказваюць, што паласа вымярэнняў палепшана прыкладна ў 2,4 раза і 2,11 раза ў параўнанні з традыцыйнымі монопольными антэнамі прыблізна фіксаванага памеру.

Малюнак 7. Дзве шырокапалосныя антэны, загружаныя рэзанатарамі з раздзельным кольцам.

Як паказана на малюнку 8, паказаны эксперыментальныя вынікі кампактнай друкаванай монопольнай антэны. Калі S11≤- 10 дБ, рабочая паласа частот 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 канструкцыю спіна да спіны, якая сілкуецца ад крывалінейнага дзельніка магутнасці. Усечаная GND змяшчае цэнтральны шлейф, размешчаны пад фідэрам, і чатыры адкрытыя рэзанансныя кольцы, размеркаваныя вакол яго, што пашырае прапускную здольнасць антэны. Антэна выпраменьвае амаль ва ўсіх напрамках, ахопліваючы большасць дыяпазонаў VHF і S, а таксама ўсе дыяпазоны UHF і L. Фізічны памер антэны складае 48,32 × 43,72 × 0,8 мм3, а электрычны - 0,235λ0 × 0,211λ0 × 0,003λ0. Ён мае такія перавагі, як малыя памеры і нізкі кошт, і мае патэнцыйныя перспектывы прымянення ў сістэмах шырокапалоснай бесправадной сувязі.

Малюнак 8: Манапольная антэна з рэзанатарам з раздзельным кольцам.

На малюнку 9 паказана структура плоскай антэны, якая складаецца з дзвюх пар злучаных паміж сабой пяцель звілістых правадоў, заземленых на ўсечаную Т-вобразную плоскасць зазямлення праз два адтуліны. Памер антэны 38,5×36,6 мм2 (0,070λ0×0,067λ0), дзе λ0 - даўжыня хвалі вольнай прасторы 0,55 Ггц. Антэна выпраменьвае ва ўсіх напрамках у плоскасці E ў працоўным дыяпазоне частот 0,55 ~ 3,85 ГГц з максімальным узмацненнем 5,5 дБі на 2,35 ГГц і эфектыўнасцю 90,1%. Гэтыя функцыі робяць прапанаваную антэну прыдатнай для розных прыкладанняў, уключаючы UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi і Bluetooth.

Мал. 9 Прапанаваная плоская структура антэны.

2. Дыравая хвалевая антэна (LWA)
Новая антэна з уцечкай - адно з асноўных прыкладанняў для рэалізацыі штучнага метаматэрыялу TL. Для антэн з уцечкай хвалі ўплыў фазавай канстанты β на вугал выпраменьвання (θm) і максімальную шырыню прамяня (Δθ) выглядае наступным чынам:

L — даўжыня антэны, k0 — хвалевы лік у вольнай прасторы, λ0 — даўжыня хвалі ў вольнай прасторы. Звярніце ўвагу, што выпраменьванне ўзнікае толькі пры |β|

3. Рэзанатарная антэна нулявога парадку
Унікальная ўласцівасць метаматэрыялу CRLH заключаецца ў тым, што β можа быць роўным 0, калі частата не роўная нулю. На аснове гэтай уласцівасці можа быць створаны новы рэзанатар нулявога парадку (ZOR). Калі β роўна нулю, фазавы зрух ва ўсім рэзанатары не адбываецца. Гэта таму, што канстанта фазавага зруху φ = - βd = 0. Акрамя таго, рэзананс залежыць толькі ад рэактыўнай нагрузкі і не залежыць ад даўжыні структуры. На малюнку 10 паказана, што прапанаваная антэна выраблена шляхам прымянення двух і трох блокаў з Е-вобразнай формай, а агульны памер складае 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 і 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0 адпаведна, дзе λ0 уяўляе сабой даўжыню хвалі. вольнай 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%. У дадатак да характарыстык малога памеру і шырокай прапускной здольнасці, узмацненне 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 канструкцыі антэн з падвойным і патройным E.

4. Слот-антэна
Быў прапанаваны просты метад павелічэння апертуры антэны CRLH-MTM, але памер яе антэны практычна не змяніўся. Як паказана на малюнку 11, антэна ўключае блокі CRLH, размешчаныя вертыкальна адзін на адным, якія ўтрымліваюць патчы і звілістыя лініі, а на патчы ёсць S-вобразны прарэз. Антэна сілкуецца ад CPW адпаведнай заглушкі, і 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) уяўляе сабой даўжыню хвалі вольнай прасторы. Вынікі паказваюць, што антэна працуе ў дыяпазоне частот 0,85-7,90 Ггц, а яе рабочая паласа прапускання складае 161,14%. Найбольшы ўзмацненне выпраменьвання і эфектыўнасць антэны з'яўляюцца на 3,5 ГГц, якія складаюць 5,12 дБі і ~80% адпаведна.