Жаңалықтар - метаматериалдарға негізделген электр беру желісінің антенналарына шолу (2-бөлім)

2. MTM-TL антенналық жүйелерде қолданылуы
Бұл бөлімде жасанды метаматериалды TLs және олардың кейбір ең кең тараған және сәйкес қолданбалы бағдарламалары төмен құны, оңай өндірісі, миниатюризациясы, кең өткізу қабілеті, жоғары кірісі мен тиімділігі, кең ауқымды сканерлеу мүмкіндігі және төмен профилі бар әртүрлі антенна құрылымдарын жүзеге асыруға арналған. Олар төменде талқыланады.

1. Кең жолақты және көп жиілікті антенналар
Ұзындығы l типтік ТЖ-да бұрыштық жиілік ω0 берілген кезде электр беру желісінің электрлік ұзындығын (немесе фазасын) келесідей есептеуге болады:

Мұндағы vp электр беру желісінің фазалық жылдамдығын білдіреді. Жоғарыда айтылғандардан көрініп тұрғандай, өткізу қабілеттілігі жиілікке қатысты φ туындысы болып табылатын топтық кешігуге сәйкес келеді. Сондықтан электр беру желісінің ұзындығы қысқарған сайын өткізу қабілеті де кеңейеді. Басқаша айтқанда, өткізу қабілеттілігі мен тарату желісінің негізгі фазасы арасында кері байланыс бар, ол жобаға тән. Бұл дәстүрлі таратылған схемаларда жұмыс өткізу қабілеттілігін басқару оңай емес екенін көрсетеді. Мұны еркіндік дәрежесі бойынша дәстүрлі электр беру желілерінің шектеулеріне жатқызуға болады. Дегенмен, жүктеу элементтері метаматериалдық TL-де қосымша параметрлерді қолдануға мүмкіндік береді және фазалық реакцияны белгілі бір дәрежеде басқаруға болады. Өткізу қабілетін ұлғайту үшін дисперсиялық сипаттамалардың жұмыс жиілігіне жақын ұқсас көлбеу болуы қажет. Жасанды метаматериал TL бұл мақсатқа қол жеткізе алады. Осы тәсілдің негізінде жұмыста антенналардың өткізу қабілеттілігін арттырудың көптеген әдістері ұсынылған. Ғалымдар бөлінген сақиналы резонаторлармен жүктелген екі кең жолақты антеннаны жобалады және жасады (7-суретті қараңыз). 7-суретте көрсетілген нәтижелер бөлінетін сақиналы резонаторды кәдімгі монополды антеннамен жүктегеннен кейін төмен резонанстық жиілік режимі қозғалатынын көрсетеді. Бөлінген сақина резонаторының өлшемі монополды антеннаға жақын резонансқа жету үшін оңтайландырылған. Нәтижелер көрсеткендей, екі резонанс сәйкес келген кезде антеннаның өткізу қабілеті мен радиациялық сипаттамалары артады. Монополды антеннаның ұзындығы мен ені сәйкесінше 0,25λ0×0,11λ0 және 0,25λ0×0,21λ0 (4 ГГц), ал бөлінген сақиналы резонатор жүктелген монополды антеннаның ұзындығы мен ені 0,29λ0×0,21 ГГц (0,29λ0×0,21 ГГц) құрайды. ), тиісінше. Кәдімгі F-пішінді антенна және бөлінген сақиналы резонаторы жоқ T-тәрізді антенна үшін 5 ГГц диапазонында өлшенген ең жоғары күшейту және сәулелену тиімділігі сәйкесінше 3,6dBi - 78,5% және 3,9dBi - 80,2% құрайды. Бөлінген сақиналы резонатормен жүктелген антенна үшін бұл параметрлер 6 ГГц диапазонында сәйкесінше 4dBi - 81,2% және 4,4дБi - 83% құрайды. Монополды антеннаға сәйкес жүктеме ретінде бөлінген сақиналы резонаторды енгізу арқылы 2,9 ГГц ~ 6,41 ГГц және 2,6 ГГц ~ 6,6 ГГц жолақтарын қолдауға болады, бұл сәйкесінше 75,4% және ~87% фракциялық өткізу қабілетіне сәйкес келеді. Бұл нәтижелер өлшеу өткізу қабілетінің шамамен бекітілген өлшемдегі дәстүрлі монополды антенналармен салыстырғанда шамамен 2,4 есе және 2,11 есе жақсарғанын көрсетеді.

Сурет 7. Бөлінетін сақиналы резонаторлармен жүктелген екі кең жолақты антенна.

8-суретте көрсетілгендей ықшам басып шығарылған монополды антеннаның тәжірибелік нәтижелері көрсетілген. S11≤- 10 дБ болғанда, жұмыс өткізу қабілеттілігі 185% (0,115-2,90 ГГц), ал 1,45 ГГц кезінде максималды күшейту және сәулелену тиімділігі тиісінше 2,35 дБi және 78,8% құрайды. Антеннаның орналасуы қисық қуат бөлгішімен қоректенетін артқы үшбұрышты парақ құрылымына ұқсас. Кесілген GND фидердің астына орналастырылған орталық түтіктен тұрады және оның айналасында төрт ашық резонанстық сақиналар таратылады, бұл антеннаның өткізу қабілетін кеңейтеді. Антенна VHF және S диапазондарының көпшілігін және UHF және L диапазондарының барлығын қамтитын дерлік жан-жақты сәулелендіреді. Антеннаның физикалық өлшемі 48,32×43,72×0,8 мм3, ал электрлік өлшемі 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Оның шағын өлшемді және төмен құнының артықшылықтары бар және кең жолақты сымсыз байланыс жүйелерінде әлеуетті қолдану перспективалары бар.

8-сурет: Бөлінген сақина резонаторы бар монополды антенна.

9-суретте екі жол арқылы кесілген Т-тәрізді жер жазықтығына жерге тұйықталған екі жұп өзара байланысты меандр сымдарының ілмектерінен тұратын жазық антенна құрылымы көрсетілген. Антенна өлшемі 38,5×36,6 мм2 (0,070λ0×0,067λ0), мұнда λ0 – 0,55 ГГц бос кеңістік толқын ұзындығы. Антенна 0,55 ~ 3,85 ГГц жұмыс жиілігі диапазонында E-жазықтығында жан-жақты сәулелендіреді, 2,35 ГГц кезінде максималды күшейту 5,5 дБ және тиімділік 90,1% құрайды. Бұл мүмкіндіктер ұсынылған антеннаны әртүрлі қолданбаларға, соның ішінде UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi және Bluetooth үшін жарамды етеді.

9-сурет Ұсынылған жазық антенна құрылымы.

2. Ағып тұрған толқын антеннасы (LWA)
Жаңа ағып кететін толқын антеннасы жасанды метаматериалды TL жүзеге асыруға арналған негізгі қосымшалардың бірі болып табылады. Ағып тұрған толқынды антенналар үшін фазалық тұрақты β сәулелену бұрышына (θm) және сәуленің максималды еніне (Δθ) әсері келесідей:

L – антеннаның ұзындығы, k0 – бос кеңістіктегі толқын ұзындығы, λ0 – бос кеңістіктегі толқын ұзындығы. Сәулелену тек |β| кезде болатынын ескеріңіз

3. Нөлдік ретті резонаторлық антенна
CRLH метаматериалының бірегей қасиеті жиілік нөлге тең болмаған кезде β 0 болуы мүмкін. Осы қасиет негізінде жаңа нөлдік ретті резонаторды (ZOR) жасауға болады. β нөлге тең болғанда, бүкіл резонаторда фазалық ығысу болмайды. Өйткені фазалық ығысу тұрақтысы φ = - βd = 0. Сонымен қатар, резонанс тек реактивті жүктемеге тәуелді және құрылымның ұзындығына тәуелсіз. 10-суретте ұсынылған антеннаның E-пішіні бар екі және үш бірлік қолдану арқылы жасалғаны көрсетілген және жалпы өлшемі 0,017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 және 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0, мұндағы толқын сәйкесінше жұмыс кезінде бос орын тиісінше 500 МГц және 650 МГц жиіліктері. Антенна 91,9% және 96,0% салыстырмалы өткізу қабілеттілігімен 0,5-1,35 ГГц (0,85 ГГц) және 0,65-1,85 ГГц (1,2 ГГц) жиіліктерінде жұмыс істейді. Кішігірім өлшемді және кең өткізу қабілеттілігінің сипаттамаларына қоса, бірінші және екінші антенналардың күшейту және тиімділігі сәйкесінше 5,3dBi және 85% (1ГГц) және 5,7dBi және 90% (1,4ГГц) құрайды.

10-сурет Ұсынылған қос-Е және үштік-Е антенна құрылымдары.

4. Слот антеннасы
CRLH-MTM антеннасының апертурасын үлкейтудің қарапайым әдісі ұсынылды, бірақ оның антенна өлшемі дерлік өзгермейді. 11-суретте көрсетілгендей, антенна бір-біріне тігінен жиналған CRLH қондырғыларын қамтиды, оларда патчтар мен меандр сызықтары бар және патчта S-тәрізді ұяшық бар. Антенна CPW сәйкес түтік арқылы қоректенеді және оның өлшемі 17,5 мм × 32,15 мм × 1,6 мм, 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0 сәйкес келеді, мұнда λ0 (3,5 ГГц) бос кеңістіктің толқын ұзындығын білдіреді. Нәтижелер антеннаның 0,85-7,90 ГГц жиілік диапазонында жұмыс істейтінін және оның жұмыс өткізу қабілеттілігі 161,14% екенін көрсетеді. Антеннаның ең жоғары сәулеленуі мен тиімділігі 3,5 ГГц жиілігінде пайда болады, олар сәйкесінше 5,12 дБи және ~80% құрайды.