2. Tillämpning av MTM-TL i antennsystem
Detta avsnitt fokuserar på TL:er i artificiella metamaterial och några av deras vanligaste och mest relevanta tillämpningar för att realisera olika antennstrukturer med låg kostnad, enkel tillverkning, miniatyrisering, bred bandbredd, hög förstärkning och effektivitet, brett avsökningsområde och låg profil. Dessa diskuteras nedan.
1. Bredbands- och multifrekvensantenner
I en typisk TL med längden l, när vinkelfrekvensen ω0 är given, kan transmissionsledningens elektriska längd (eller fas) beräknas enligt följande:
Där vp representerar fashastigheten för transmissionsledningen. 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 transmissionsledningens grundfas, vilket är designspecifikt. Detta visar att i traditionella distribuerade kretsar är driftsbandbredden inte lätt att kontrollera. Detta kan tillskrivas begränsningarna hos traditionella transmissionsledningar i termer av frihetsgrader. Belastningselement tillåter dock att ytterligare parametrar används i metamaterial-TL:er, och fasresponsen kan kontrolleras till en viss grad. För att öka bandbredden är det nödvändigt att ha en liknande lutning nära driftsfrekvensen för dispersionsegenskaperna. Artificiellt metamaterial-TL kan uppnå detta mål. Baserat på denna metod föreslås många metoder för att förbättra antenners bandbredd i artikeln. Forskare har designat och tillverkat två bredbandsantenner laddade med splitringresonatorer (se figur 7). Resultaten som visas i figur 7 visar att efter att den delade ringresonatorn har belastats med den konventionella monopolantennen exciteras ett lågresonantfrekvensläge. Storleken på den delade ringresonatorn är optimerad för att uppnå en resonans nära monopolantennens. Resultaten visar att när de två resonanserna sammanfaller ökar antennens bandbredd och strålningsegenskaper. Monopolantennens längd och bredd är 0,25λ₂×0,11λ₂ respektive 0,25λ₂×0,21λ₂ (4 GHz), och längden och bredden på monopolantennen belastad med en delad ringresonator är 0,29λ₂×0,21λ₂ (2,9 GHz). För den konventionella F-formade antennen och T-formade antennen utan en delad ringresonator är den högsta förstärkningen och strålningseffektiviteten som uppmätts i 5 GHz-bandet 3,6 dBi - 78,5 % respektive 3,9 dBi - 80,2 %. För antennen belastad med en delad ringresonator är dessa parametrar 4dBi - 81,2% respektive 4,4dBi - 83% i 6 GHz-bandet. Genom att implementera en delad ringresonator som en matchande belastning på monopolantennen kan banden 2,9 GHz ~ 6,41 GHz och 2,6 GHz ~ 6,6 GHz stödjas, vilket motsvarar fraktionella bandbredder på 75,4% respektive ~87%. Dessa resultat visar att mätbandbredden förbättras med cirka 2,4 gånger respektive 2,11 gånger jämfört med traditionella monopolantenner med ungefär fast storlek.
Figur 7. Två bredbandsantenner laddade med split-ring resonatorer.
Som 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 arkstruktur, som matas av en kurvlinjär effektdelare. Den avkortade jordkabeln innehåller en central stubb placerad under mataren, och fyra öppna resonansringar är fördelade runt den, vilket breddar antennens bandbredd. Antennen strålar nästan i alla riktningar och täcker större delen av VHF- och S-banden, samt 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. Den har fördelarna med liten storlek och låg kostnad, och har potentiella tillämpningsmöjligheter i trådlösa bredbandskommunikationssystem.
Figur 8: Monopolantenn laddad med delad ringresonator.
Figur 9 visar en plan antennstruktur bestående av två par sammankopplade meandertrådsöglor jordade till ett avkortat T-format jordplan genom två vias. Antennstorleken är 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), där λ0 är den fria våglängden på 0,55 GHz. Antennen strålar i alla riktningar i E-planet i driftsfrekvensbandet 0,55 ~ 3,85 GHz, med en maximal förstärkning på 5,5 dBi vid 2,35 GHz och en verkningsgrad på 90,1 %. Dessa egenskaper gör den föreslagna antennen lämplig för olika tillämpningar, inklusive UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi och Bluetooth.
Fig. 9 Föreslagen planar antennstruktur.
2. Läckande vågantenn (LWA)
Den nya läckvågsantennen är en av de viktigaste tillämpningarna för att realisera artificiellt metamaterial TL. För läckvågsantenner är effekten av faskonstanten β på strålningsvinkeln (θm) och den maximala strålbredden (Δθ) följande:
L är antennens längd, k0 är vågtalet i det fria rummet och λ0 är våglängden i det fria rummet. Observera att strålning endast uppstår när |β|
3. Nollordningens resonatorantenn
En unik egenskap hos CRLH-metamaterialet är att β kan vara 0 när frekvensen inte är lika med noll. Baserat på denna egenskap kan en ny nollteordningens resonator (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 respektive 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, där λ0 representerar våglängden för det fria utrymmet vid driftsfrekvenser 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 % respektive 96,0 %. Förutom egenskaperna 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. Spårantenn
En enkel metod har föreslagits för att förstora aperturen på CRLH-MTM-antennen, men dess antennstorlek är nästan oförändrad. Som visas i figur 11 inkluderar antennen CRLH-enheter staplade vertikalt på varandra, vilka innehåller patchar och meanderlinjer, och det finns en S-formad springa på patchen. Antennen matas av en CPW-matchningsstub, och dess storlek är 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, vilket motsvarar 0,204λ0 × 0,375λ0 × 0,018λ0, där λ0 (3,5 GHz) representerar våglängden för det fria utrymmet. Resultaten visar att antennen arbetar i frekvensbandet 0,85–7,90 GHz, och dess driftsbandbredd är 161,14 %. Antennens högsta strålningsförstärkning och effektivitet ses vid 3,5 GHz, vilket är 5,12 dBi respektive ~80 %.
Fig. 11 Den föreslagna CRLH MTM-slitsantennen.
För att lära dig mer om antenner, besök:
Publiceringstid: 30 augusti 2024
