2. Anvendelse af MTM-TL i antennesystemer
Dette afsnit vil fokusere på kunstige metamateriale-TL'er og nogle af deres mest almindelige og relevante anvendelser til at realisere forskellige antennestrukturer med lave omkostninger, nem fremstilling, miniaturisering, bred båndbredde, høj forstærkning og effektivitet, bred scanningskapacitet og lav profil. Disse diskuteres nedenfor.
1. Bredbånds- og multifrekvensantenner
I en typisk TL med en længde på l, når vinkelfrekvensen ω0 er givet, kan transmissionslinjens elektriske længde (eller fase) beregnes som følger:
Hvor vp repræsenterer fasehastigheden for transmissionslinjen. Som det fremgår af ovenstående, svarer båndbredden tæt til gruppeforsinkelsen, som er den afledte af φ i forhold til frekvens. Derfor, når transmissionslinjens længde bliver kortere, bliver båndbredden også bredere. Med andre ord er der et omvendt forhold mellem båndbredden og transmissionslinjens grundfase, hvilket er designspecifikt. Dette viser, at driftsbåndbredden i traditionelle distribuerede kredsløb ikke er let at kontrollere. Dette kan tilskrives begrænsningerne ved traditionelle transmissionslinjer med hensyn til frihedsgrader. Imidlertid tillader belastningselementer, at yderligere parametre anvendes i metamateriale-TL'er, og faseresponsen kan styres i et vist omfang. For at øge båndbredden er det nødvendigt at have en lignende hældning nær driftsfrekvensen for dispersionskarakteristikkerne. Kunstigt metamateriale-TL kan opnå dette mål. Baseret på denne tilgang foreslås mange metoder til at forbedre antenners båndbredde i artiklen. Forskere har designet og fremstillet to bredbåndsantenner belastet med splitringresonatorer (se figur 7). Resultaterne vist i figur 7 viser, at efter at splitringresonatoren er blevet belastet med den konventionelle monopolantenne, exciteres en lavresonantfrekvenstilstand. Størrelsen af splitringresonatoren er optimeret for at opnå en resonans tæt på monopolantennens. 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 (4 GHz), og længden og bredden af monopolantennen belastet med en splitringresonator er henholdsvis 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz). For den konventionelle F-formede antenne og T-formede antenne uden en splitringresonator er den højeste forstærkning og strålingseffektivitet målt i 5 GHz-båndet henholdsvis 3,6 dBi - 78,5 % og 3,9 dBi - 80,2 %. For antennen belastet med en splitringresonator er disse parametre henholdsvis 4dBi - 81,2% og 4,4dBi - 83% i 6GHz-båndet. Ved at implementere en splitringresonator som en matchende belastning på monopolantennen kan 2,9GHz ~ 6,41GHz- og 2,6GHz ~ 6,6GHz-båndene understøttes, hvilket svarer til fraktionelle 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 med omtrentlig fast størrelse.
Figur 7. To bredbåndsantenner belastet med split-ring resonatorer.
Som vist i figur 8 vises de eksperimentelle resultater af den kompakte, trykte monopolantenne. Når S11 ≤ - 10 dB, er driftsbåndbredden 185 % (0,115-2,90 GHz), og ved 1,45 GHz er peak gain og strålingseffektiviteten henholdsvis 2,35 dBi og 78,8 %. Antennens layout ligner en ryg-mod-ryg trekantet pladestruktur, der forsynes af en kurvelinjet effektdeler. Den afkortede GND indeholder en central stub placeret under feederen, og fire åbne resonansringe er fordelt omkring den, hvilket udvider antennens båndbredde. Antennen udstråler næsten omnidirektionelt og dækker det meste af VHF- og S-båndene samt alle UHF- og L-båndene. Antennens fysiske størrelse 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 belastet med splitringresonator.
Figur 9 viser en plan antennestruktur bestående af to par sammenkoblede meandertrådsløjfer, der er jordet til et afkortet T-formet jordplan gennem to vias. Antennestørrelsen er 38,5 × 36,6 mm2 (0,070λ0 × 0,067λ0), hvor λ0 er den frie rumbølgelængde på 0,55 GHz. Antennen udstråler omnidirektionelt i E-planet i driftsfrekvensbåndet på 0,55 ~ 3,85 GHz, med en maksimal forstærkning på 5,5 dBi ved 2,35 GHz og en effektivitet på 90,1%. Disse egenskaber gør den foreslåede antenne velegnet til forskellige anvendelser, 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 lækbølgeantenne er en af de vigtigste anvendelser til at realisere kunstigt metamateriale TL. For lækbølgeantenner 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. Nulteordens 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 nulteordensresonator (ZOR) genereres. Når β er nul, forekommer 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 strukturens 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 henholdsvis 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 og 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, hvor λ0 repræsenterer bølgelængden af det frie rum ved driftsfrekvenser på henholdsvis 500 MHz og 650 MHz. Antennen opererer 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 de små og brede båndbreddeegenskaber er forstærkningen og effektiviteten af den første og anden antenne henholdsvis 5,3 dBi og 85 % (1 GHz) og 5,7 dBi og 90 % (1,4 GHz).
Fig. 10 Foreslåede dobbelt-E og tredobbelt-E antennestrukturer.
4. Slotantenne
En simpel metode er blevet foreslået til at forstørre CRLH-MTM-antennens åbning, men dens antennestørrelse er næsten uændret. Som vist i figur 11 inkluderer antennen CRLH-enheder stablet lodret oven på hinanden, som indeholder patches og meanderlinjer, og der er en S-formet slids på patchen. Antennen forsynes af en CPW-matchningsstub, og dens størrelse er 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, svarende til 0,204λ0 × 0,375λ0 × 0,018λ0, hvor λ0 (3,5 GHz) repræsenterer bølgelængden af det frie rum. Resultaterne viser, at antennen opererer i frekvensbåndet 0,85-7,90 GHz, og dens driftsbåndbredde er 161,14 %. Den højeste strålingsforstærkning og effektivitet for antennen ses ved 3,5 GHz, som er henholdsvis 5,12 dBi og ~80 %.
Fig. 11 Den foreslåede CRLH MTM-slotantenne.
For at lære mere om antenner, besøg venligst:
Opslagstidspunkt: 30. august 2024
