2. Anvendelse af MTM-TL i antennesystemer
Dette afsnit vil fokusere på kunstige metamateriale TL'er og nogle af deres mest almindelige og relevante applikationer til at realisere forskellige antennestrukturer med lav pris, nem fremstilling, miniaturisering, bred båndbredde, høj forstærkning og effektivitet, bred scanningskapacitet og lav profil. De diskuteres nedenfor.
1. Bredbånds- og multifrekvensantenner
I en typisk TL med en længde på l, når vinkelfrekvensen ω0 er givet, kan den elektriske længde (eller fase) af transmissionsledningen beregnes som følger:
Hvor vp repræsenterer transmissionsledningens fasehastighed. Som det kan ses af ovenstående, svarer båndbredden tæt til gruppeforsinkelsen, som er den afledede af φ med hensyn til frekvens. Derfor bliver båndbredden også bredere efterhånden som transmissionsledningens længde bliver kortere. Med andre ord er der et omvendt forhold mellem båndbredden og den grundlæggende fase af transmissionslinjen, som er designspecifik. Dette viser, at i traditionelle distribuerede kredsløb er driftsbåndbredden ikke let at kontrollere. Dette kan tilskrives traditionelle transmissionslinjers begrænsninger med hensyn til frihedsgrader. Ladningselementer tillader dog, at yderligere parametre bruges i metamateriale TL'er, og faseresponsen kan styres til en vis grad. For at øge båndbredden er det nødvendigt at have en lignende hældning nær driftsfrekvensen af spredningskarakteristika. Kunstigt metamateriale TL kan nå dette mål. Baseret på denne tilgang foreslås mange metoder til at forbedre båndbredden af antenner i papiret. Forskere har designet og fremstillet to bredbåndsantenner fyldt med splitring-resonatorer (se figur 7). Resultaterne vist i figur 7 viser, at efter indlæsning af splitringresonatoren med den konventionelle monopolantenne, exciteres en lavresonansfrekvenstilstand. Størrelsen af splitringresonatoren er optimeret til at opnå en resonans tæt på monopolantennen. Resultaterne viser, at når de to resonanser falder sammen, øges antennens båndbredde og strålingskarakteristika. Længden og bredden af monopolantennen er henholdsvis 0,25λ0×0,11λ0 og 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), og længden og bredden af monopolantennen, der er indlæst med en splitringresonator, er 0,29λ0×0,21λz (21λ0×0,21GHz) ), henholdsvis. For den konventionelle F-formede antenne og T-formede antenne uden splitring-resonator er den højeste forstærkning og strålingseffektivitet målt i 5GHz-båndet henholdsvis 3,6 dBi - 78,5 % og 3,9 dBi - 80,2 %. For antennen, der er fyldt med en splitring-resonator, er disse parametre henholdsvis 4dBi - 81,2% og 4,4dBi - 83% i 6GHz-båndet. Ved at implementere en splitring-resonator som en matchende belastning på monopol-antennen, kan 2.9GHz ~ 6.41GHz og 2.6GHz ~ 6.6GHz båndene understøttes, svarende til fraktioneret båndbredder på henholdsvis 75.4% og ~87%. Disse resultater viser, at målebåndbredden er forbedret med cirka 2,4 gange og 2,11 gange sammenlignet med traditionelle monopolantenner af cirka fast størrelse.
Figur 7. To bredbåndsantenner fyldt med splitring-resonatorer.
Som vist i figur 8 er de eksperimentelle resultater af den kompakte printede monopolantenne vist. Når S11≤- 10 dB er driftsbåndbredden 185 % (0,115-2,90 GHz), og ved 1,45 GHz er peak gain og strålingseffektivitet henholdsvis 2,35 dBi og 78,8 %. Layoutet af antennen ligner en ryg-til-ryg trekantet pladestruktur, som fødes af en krumlinjet effektdeler. Den trunkerede GND indeholder en central stub placeret under feederen, og fire åbne resonansringe er fordelt rundt om den, hvilket udvider antennens båndbredde. Antennen udstråler næsten rundstrålende og dækker de fleste af VHF- og S-båndene og alle UHF- og L-båndene. Den fysiske størrelse af antennen er 48,32×43,72×0,8 mm3, og den elektriske størrelse er 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Det har fordelene ved lille størrelse og lave omkostninger og har potentielle anvendelsesmuligheder i trådløse bredbåndskommunikationssystemer.
Figur 8: Monopolantenne fyldt med splitringresonator.
Figur 9 viser en plan antennestruktur bestående af to par indbyrdes forbundne meandertrådsløkker, der er jordet til et afkortet T-formet jordplan gennem to gennemgange. Antennestørrelsen er 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), hvor λ0 er bølgelængden af det frie rum på 0,55 GHz. Antennen stråler rundstrålende i E-planet i driftsfrekvensbåndet på 0,55 ~ 3,85 GHz, med en maksimal forstærkning på 5,5dBi ved 2,35GHz og en effektivitet på 90,1%. Disse funktioner gør den foreslåede antenne velegnet til forskellige applikationer, herunder UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi og Bluetooth.
Fig. 9 Foreslået plan antennestruktur.
2. Utæt bølgeantenne (LWA)
Den nye utætte bølgeantenne er en af hovedapplikationerne til at realisere kunstigt metamateriale TL. For utætte bølgeantenner er effekten af fasekonstanten β på strålingsvinklen (θm) og den maksimale strålebredde (Δθ) som følger:
L er antennelængden, k0 er bølgetallet i det frie rum, og λ0 er bølgelængden i det frie rum. Bemærk, at stråling kun forekommer, når |β|
3. Nulordens resonatorantenne
En unik egenskab ved CRLH-metamateriale er, at β kan være 0, når frekvensen ikke er lig med nul. Baseret på denne egenskab kan en ny nul-ordens resonator (ZOR) genereres. Når β er nul, sker der ingen faseforskydning i hele resonatoren. Dette skyldes, at faseforskydningskonstanten φ = - βd = 0. Derudover afhænger resonansen kun af den reaktive belastning og er uafhængig af konstruktionens længde. Figur 10 viser, at den foreslåede antenne er fremstillet ved at anvende to og tre enheder med E-form, og den samlede størrelse er 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 og 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, hvor λ0 repræsenterer hhv. ledig plads ved drift frekvenser på henholdsvis 500 MHz og 650 MHz. Antennen fungerer ved frekvenser på 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) og 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), med relative båndbredder på 91,9% og 96,0%. Ud over egenskaberne med lille størrelse og bred båndbredde er forstærkningen og effektiviteten af den første og anden antenne henholdsvis 5,3dBi og 85% (1GHz) og 5,7dBi og 90% (1,4GHz).
Fig. 10 Foreslåede dobbelt-E og triple-E antennestrukturer.
4. Slot Antenne
En simpel metode er blevet foreslået til at forstørre blænden på CRLH-MTM-antennen, men dens antennestørrelse er næsten uændret. Som vist i figur 11 inkluderer antennen CRLH-enheder stablet lodret på hinanden, som indeholder patches og meanderlinjer, og der er en S-formet spalte på patchen. Antennen forsynes af en CPW-matchende stub, og dens størrelse er 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, svarende til 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, hvor λ0 (3,5GHz) repræsenterer bølgelængden af fri plads. Resultaterne viser, at antennen opererer i frekvensbåndet 0,85-7,90GHz, og dens driftsbåndbredde er 161,14%. Den højeste strålingsforstærkning og effektivitet af antennen vises ved 3,5 GHz, som er henholdsvis 5,12 dBi og ~80 %.
Fig. 11 Den foreslåede CRLH MTM slot antenne.
For at lære mere om antenner, besøg venligst:
Indlægstid: 30. august 2024
