Nyheter - En recension av transmissionsledningsantenner baserade på metamaterial (del 2)

2. Tillämpning av MTM-TL i antennsystem
Det här avsnittet kommer att fokusera på artificiella metamaterial-TL:er och några av deras vanligaste och mest relevanta applikationer för att realisera olika antennstrukturer med låg kostnad, enkel tillverkning, miniatyrisering, bred bandbredd, hög förstärkning och effektivitet, brett avsökningsförmåga och låg profil. De diskuteras nedan.

1. Bredbands- och flerfrekvensantenner
I en typisk TL med längden l, när vinkelfrekvensen ω0 är given, kan den elektriska längden (eller fasen) för transmissionsledningen beräknas enligt följande:

Där vp representerar överföringsledningens fashastighet. Som framgår av ovanstående motsvarar bandbredden nära gruppfördröjningen, som är derivatan av φ med avseende på frekvens. Därför, när transmissionsledningens längd blir kortare, blir bandbredden också bredare. Med andra ord finns det ett omvänt förhållande mellan bandbredden och den grundläggande fasen av transmissionsledningen, som är designspecifik. Detta visar att i traditionella distribuerade kretsar är driftsbandbredden inte lätt att kontrollera. Detta kan tillskrivas de traditionella transmissionsledningarnas begränsningar när det gäller frihetsgrader. Laddningselement tillåter dock att ytterligare parametrar används i metamaterial-TL, och fassvaret kan kontrolleras i viss utsträckning. För att öka bandbredden är det nödvändigt att ha en liknande lutning nära driftfrekvensen för dispersionsegenskaperna. Artificiellt metamaterial TL kan uppnå detta mål. Baserat på detta tillvägagångssätt föreslås många metoder för att förbättra antennernas bandbredd i artikeln. Forskare har designat och tillverkat två bredbandsantenner laddade med delade ringresonatorer (se figur 7). Resultaten som visas i figur 7 visar att efter laddning av den delade ringresonatorn med den konventionella monopolantennen, exciteras en lågresonansfrekvensmod. Storleken på den delade ringresonatorn är optimerad för att uppnå en resonans nära den för monopolantennen. Resultaten visar att när de två resonanserna sammanfaller ökar antennens bandbredd och strålningsegenskaper. Längden och bredden på monopolantennen är 0,25λ0×0,11λ0 respektive 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), och längden och bredden på monopolantennen laddad med en delad ringresonator är 0,29λ0×0,21λz (21λ0×0,21GHz) ), respektive. För den konventionella F-formade antennen och T-formade antennen utan en delad ringresonator är den högsta förstärkningen och strålningseffektiviteten uppmätt i 5GHz-bandet 3,6 dBi - 78,5 % respektive 3,9 dBi - 80,2 %. För antennen laddad med en delad ringresonator är dessa parametrar 4dBi - 81,2% respektive 4,4dBi - 83% i 6GHz-bandet. Genom att implementera en delad ringresonator som en matchande belastning på monopolantennen, kan 2,9GHz ~ 6,41GHz och 2,6GHz ~ 6,6GHz banden stödjas, vilket motsvarar bråkdelar av bandbredder på 75,4% respektive ~87%. Dessa resultat visar att mätbandbredden förbättras med cirka 2,4 gånger och 2,11 gånger jämfört med traditionella monopolantenner med ungefär fast storlek.

Figur 7. Två bredbandsantenner laddade med delade ringresonatorer.

Såsom visas i figur 8 visas de experimentella resultaten av den kompakta tryckta monopolantennen. När S11≤- 10 dB är driftsbandbredden 185 % (0,115-2,90 GHz), och vid 1,45 GHz är toppförstärkningen och strålningseffektiviteten 2,35 dBi respektive 78,8 %. Antennens layout liknar en rygg mot rygg triangulär plåtstruktur, som matas av en krökt effektdelare. Den trunkerade GND innehåller en central stump placerad under mataren, och fyra öppna resonansringar är fördelade runt den, vilket vidgar antennens bandbredd. Antennen strålar nästan rundstrålande och täcker de flesta av VHF- och S-banden och alla UHF- och L-banden. Antennens fysiska storlek är 48,32×43,72×0,8 mm3, och den elektriska storleken är 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Det har fördelarna med liten storlek och låg kostnad, och har potentiella tillämpningsmöjligheter i trådlösa bredbandssystem.

Figur 8: Monopolantenn laddad med delad ringresonator.

Figur 9 visar en plan antennstruktur bestående av två par sammankopplade slingrande trådslingor jordade till ett stympat T-format jordplan genom två vior. Antennstorleken är 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), där λ0 är våglängden för fritt utrymme på 0,55 GHz. Antennen strålar rundstrålande i E-planet i arbetsfrekvensbandet 0,55 ~ 3,85 GHz, med en maximal förstärkning på 5,5dBi vid 2,35GHz och en verkningsgrad på 90,1%. Dessa funktioner gör den föreslagna antennen lämplig för olika applikationer, inklusive UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi och Bluetooth.

Fig. 9 Föreslagen plan antennstruktur.

2. Läckande vågantenn (LWA)
Den nya läckande vågantennen är en av huvudapplikationerna för att realisera artificiellt metamaterial TL. För läckande vågantenner är effekten av faskonstanten β på strålningsvinkeln (θm) och den maximala strålbredden (Δθ) som följer:

L är antennlängden, k0 är vågtalet i fritt utrymme och λ0 är våglängden i fritt utrymme. Observera att strålning endast inträffar när |β|

3. Nollordningens resonatorantenn
En unik egenskap hos CRLH-metamaterial är att β kan vara 0 när frekvensen inte är lika med noll. Baserat på denna egenskap kan en ny nollordningsresonator (ZOR) genereras. När β är noll sker ingen fasförskjutning i hela resonatorn. Detta beror på att fasförskjutningskonstanten φ = - βd = 0. Dessutom beror resonansen endast på den reaktiva belastningen och är oberoende av strukturens längd. Figur 10 visar att den föreslagna antennen är tillverkad genom att applicera två och tre enheter med E-form, och den totala storleken är 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 och 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, där λ0:en resp. ledigt utrymme vid drift frekvenser på 500 MHz respektive 650 MHz. Antennen arbetar vid frekvenser på 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) och 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), med relativa bandbredder på 91,9 % och 96,0 %. Förutom egenskaperna med liten storlek och bred bandbredd är förstärkningen och effektiviteten för den första och andra antennen 5,3 dBi och 85 % (1 GHz) respektive 5,7 dBi och 90 % (1,4 GHz).

Fig. 10 Föreslagna dubbel-E och trippel-E antennstrukturer.

4. Slotantenn
En enkel metod har föreslagits för att förstora öppningen för CRLH-MTM-antennen, men dess antennstorlek är nästan oförändrad. Såsom visas i figur 11 inkluderar antennen CRLH-enheter som är staplade vertikalt på varandra, vilka innehåller patchar och meanderlinjer, och det finns en S-formad slits på patchen. Antennen matas av en CPW-matchande stubb och dess storlek är 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, motsvarande 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, där λ0 (3,5GHz) representerar våglängden på det fria utrymmet. Resultaten visar att antennen arbetar i frekvensbandet 0,85-7,90 GHz, och dess driftsbandbredd är 161,14 %. Den högsta strålningsförstärkningen och effektiviteten hos antennen visas vid 3,5 GHz, vilket är 5,12 dBi respektive ~80 %.