Жаңалықтар - Метаматериалдарға негізделген тарату желісінің антенналарына шолу (2-бөлім)

2. Антенна жүйелерінде MTM-TL қолдану
Бұл бөлімде жасанды метаматериалды TL-лерге және олардың арзан, оңай өндірілетін, миниатюраланатын, кең өткізу қабілеттілігі бар, жоғары күшейту және тиімділікпен, кең ауқымды сканерлеу мүмкіндігімен және төмен профильмен әртүрлі антенна құрылымдарын жүзеге асыруға арналған ең көп таралған және өзекті қолданыстарына назар аударылады. Олар төменде талқыланады.

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

Мұндағы vp беру желісінің фазалық жылдамдығын білдіреді. Жоғарыда айтылғандардан көрініп тұрғандай, өткізу қабілеті топтық кідіріске жақын сәйкес келеді, ол жиілікке қатысты φ туындысы болып табылады. Сондықтан, беру желісінің ұзындығы қысқарған сайын өткізу қабілеті де кеңейеді. Басқаша айтқанда, өткізу қабілеті мен беру желісінің негізгі фазасы арасында дизайнға тән кері байланыс бар. Бұл дәстүрлі таратылған тізбектерде жұмыс өткізу қабілетін басқару оңай емес екенін көрсетеді. Мұны дәстүрлі беру желілерінің еркіндік дәрежелері тұрғысынан шектеулеріне жатқызуға болады. Дегенмен, жүктеу элементтері метаматериалды TL-де қосымша параметрлерді пайдалануға мүмкіндік береді және фазалық жауапты белгілі бір дәрежеде басқаруға болады. Өткізу қабілетін арттыру үшін дисперсиялық сипаттамалардың жұмыс жиілігіне жақын ұқсас көлбеу болуы керек. Жасанды метаматериалды TL бұл мақсатқа қол жеткізе алады. Осы тәсілге сүйене отырып, мақалада антенналардың өткізу қабілетін арттырудың көптеген әдістері ұсынылған. Ғалымдар бөлінген сақиналы резонаторлармен жүктелген екі кеңжолақты антеннаны жобалап, жасады (7-суретті қараңыз). 7-суретте көрсетілген нәтижелер бөлінген сақиналы резонаторды дәстүрлі монопольді антеннамен жүктегеннен кейін төмен резонанстық жиілік режимі қозатынын көрсетеді. Бөлінген сақиналы резонатордың өлшемі монопольді антеннаның өлшеміне жақын резонансқа жету үшін оңтайландырылған. Нәтижелер екі резонанс сәйкес келгенде, антеннаның өткізу қабілеті мен сәулелену сипаттамалары артатынын көрсетеді. Монопольді антеннаның ұзындығы мен ені сәйкесінше 0,25λ0×0,11λ0 және 0,25λ0×0,21λ0 (4 ГГц), ал бөлінген сақиналы резонатормен жүктелген монопольді антеннаның ұзындығы мен ені сәйкесінше 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 ГГц) құрайды. Бөлінген сақиналы резонаторсыз дәстүрлі F-тәрізді антенна және Т-тәрізді антенна үшін 5 ГГц диапазонында өлшенген ең жоғары күшейту және сәулелену тиімділігі сәйкесінше 3,6 дБи - 78,5% және 3,9 дБи - 80,2% құрайды. Бөлінген сақиналы резонатормен жүктелген антенна үшін бұл параметрлер 6 ГГц диапазонында сәйкесінше 4 дБи - 81,2% және 4,4 дБи - 83% құрайды. Бөлінген сақиналы резонаторды монопольді антеннаға сәйкес келетін жүктеме ретінде енгізу арқылы 2,9 ГГц ~ 6,41 ГГц және 2,6 ГГц ~ 6,6 ГГц диапазондарын қолдауға болады, бұл сәйкесінше 75,4% және ~87% бөлшек өткізу қабілеттілігіне сәйкес келеді. Бұл нәтижелер өлшеу өткізу қабілеттілігінің шамамен бекітілген өлшемдегі дәстүрлі монопольді антенналармен салыстырғанда шамамен 2,4 есе және 2,11 есе жақсарғанын көрсетеді.

7-сурет. Бөлінген сақиналы резонаторлармен жүктелген екі кеңжолақты антенна.

8-суретте көрсетілгендей, ықшам басылған монопольді антеннаның тәжірибелік нәтижелері көрсетілген. S11≤-10 дБ болғанда, жұмыс өткізу қабілеттілігі 185% (0,115-2,90 ГГц) құрайды, ал 1,45 ГГц жиілікте шыңның күшейтуі мен сәулелену тиімділігі сәйкесінше 2,35 дБи және 78,8% құрайды. Антеннаның орналасуы қисық сызықты қуат бөлгішімен қоректенетін артқы-артқы үшбұрышты парақ құрылымына ұқсас. Кесілген GND қоректендіргіштің астына орналастырылған орталық шыбықты қамтиды және оның айналасында төрт ашық резонанстық сақина орналасқан, бұл антеннаның өткізу қабілеттілігін кеңейтеді. Антенна барлық бағытта сәулеленеді, VHF және S диапазондарының көпшілігін және барлық UHF және L диапазондарын қамтиды. Антеннаның физикалық өлшемі 48,32×43,72×0,8 мм3, ал электрлік өлшемі 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Оның шағын өлшемі мен арзан құны сияқты артықшылықтары бар, сондай-ақ кең жолақты сымсыз байланыс жүйелерінде қолданудың әлеуетті перспективалары бар.

8-сурет: Бөлінген сақиналы резонатормен жүктелген монопольді антенна.

9-суретте екі өткел арқылы қысқартылған Т-тәрізді жерге тұйықталған екі жұп өзара байланысты меандр сым ілмектерінен тұратын жазық антенна құрылымы көрсетілген. Антеннаның өлшемі 38,5×36,6 мм2 (0,070λ0×0,067λ0), мұндағы λ0 - 0,55 ГГц бос кеңістік толқын ұзындығы. Антенна 0,55 ~ 3,85 ГГц жұмыс жиілік диапазонында E-жазықтығында барлық бағытта сәулеленеді, 2,35 ГГц кезінде максималды күшейту 5,5 дБи және тиімділігі 90,1% құрайды. Бұл мүмкіндіктер ұсынылған антеннаны UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi және Bluetooth сияқты әртүрлі қолданбаларға жарамды етеді.

9-сурет. Ұсынылған жазық антенна құрылымы.

2. Ағып кететін толқын антеннасы (LWA)
Жаңа ағып кететін толқын антеннасы жасанды метаматериалды TL-ді жүзеге асырудың негізгі қолданылу салаларының бірі болып табылады. Ағып кететін толқын антенналары үшін фазалық тұрақты β-ның сәулелену бұрышына (θm) және максималды сәуле еніне (Δθ) әсері келесідей:

L – антенна ұзындығы, k0 – бос кеңістіктегі толқын саны, ал λ0 – бос кеңістіктегі толқын ұзындығы. Сәулелену тек |β| болған кезде ғана пайда болатынын ескеріңіз.

3. Нөлдік ретті резонатор антеннасы
CRLH метаматериалының бірегей қасиеті - жиілік нөлге тең болмаған кезде β 0 болуы мүмкін. Осы қасиетке сүйене отырып, жаңа нөлдік ретті резонатор (ZOR) жасалуы мүмкін. β нөлге тең болғанда, бүкіл резонаторда фазалық ығысу болмайды. Себебі фазалық ығысу тұрақтысы φ = - βd = 0. Сонымен қатар, резонанс тек реактивті жүктемеге байланысты және құрылымның ұзындығына тәуелсіз. 10-суретте ұсынылған антеннаның E-пішінді екі және үш бірлікті қолдану арқылы жасалғаны және жалпы өлшемі сәйкесінше 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 және 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0 екені көрсетілген, мұндағы λ0 сәйкесінше 500 МГц және 650 МГц жұмыс жиіліктеріндегі бос кеңістіктің толқын ұзындығын білдіреді. Антенна 0,5-1,35 ГГц (0,85 ГГц) және 0,65-1,85 ГГц (1,2 ГГц) жиіліктерінде жұмыс істейді, салыстырмалы өткізу қабілеттілігі 91,9% және 96,0% құрайды. Кішкентай өлшемді және кең өткізу қабілеттілігінің сипаттамаларынан басқа, бірінші және екінші антенналардың күшейту және тиімділігі сәйкесінше 5,3 дБи және 85% (1 ГГц) және 5,7 дБи және 90% (1,4 ГГц) құрайды.

10-сурет. Ұсынылған қос E және үш E антенна құрылымдары.

4. Ұяшық антеннасы
CRLH-MTM антеннасының диафрагмасын үлкейтудің қарапайым әдісі ұсынылды, бірақ оның антенна өлшемі іс жүзінде өзгеріссіз қалды. 11-суретте көрсетілгендей, антенна бір-біріне тігінен орналастырылған, дақтар мен меандр сызықтарын қамтитын CRLH блоктарын қамтиды және дақтарда S-тәрізді ұяшық бар. Антенна CPW сәйкес келетін штифті арқылы қоректенеді және оның өлшемі 17,5 мм × 32,15 мм × 1,6 мм, бұл 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0-ге сәйкес келеді, мұндағы 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 сәулелену күшейтуі мен тиімділігі 3,5 ГГц жиілікте байқалады, олар сәйкесінше 5,12 дБи және ~80% құрайды.