Նորություններ - Մետամատերիալների վրա հիմնված փոխանցման գծերի անտենաների վերանայում (Մաս 2)

2. MTM-TL-ի կիրառումը անտենային համակարգերում
Այս բաժինը կկենտրոնանա արհեստական մետամատերիալ TL-ների և դրանց որոշ ամենատարածված և համապատասխան կիրառությունների վրա՝ տարբեր անտենային կառուցվածքներ իրականացնելու համար՝ ցածր գնով, հեշտ արտադրությամբ, մանրանկարչությամբ, լայն թողունակությամբ, բարձր ուժեղացմամբ և արդյունավետությամբ, լայնածավալ սկանավորման հնարավորությամբ և ցածր պրոֆիլով: Դրանք քննարկվում են ստորև:

1. Լայնաշերտ և բազմահաճախական անտենաներ
l երկարությամբ տիպիկ TL-ում, երբ տրված է ω0 անկյունային հաճախականությունը, փոխանցման գծի էլեկտրական երկարությունը (կամ փուլը) կարելի է հաշվարկել հետևյալ կերպ՝

Որտեղ vp-ն ներկայացնում է փոխանցման գծի փուլային արագությունը։ Ինչպես երևում է վերը նշվածից, թողունակությունը սերտորեն համապատասխանում է խմբային ուշացմանը, որը φ-ի ածանցյալն է հաճախականության նկատմամբ։ Հետևաբար, երբ փոխանցման գծի երկարությունը կարճանում է, թողունակությունը նույնպես լայնանում է։ Այլ կերպ ասած, թողունակության և փոխանցման գծի հիմնարար փուլի միջև կա հակադարձ կապ, որը կախված է նախագծումից։ Սա ցույց է տալիս, որ ավանդական բաշխված սխեմաներում աշխատանքային թողունակությունը հեշտ չէ կառավարել։ Սա կարելի է վերագրել ավանդական փոխանցման գծերի ազատության աստիճանների սահմանափակումներին։ Այնուամենայնիվ, բեռնման տարրերը թույլ են տալիս օգտագործել լրացուցիչ պարամետրեր մետամատերիալ TL-ներում, և փուլային արձագանքը կարող է որոշակի չափով կառավարվել։ Թողունակությունը մեծացնելու համար անհրաժեշտ է ունենալ նմանատիպ թեքություն դիսպերսիայի բնութագրերի աշխատանքային հաճախականության մոտ։ Արհեստական մետամատերիալ TL-ն կարող է հասնել այս նպատակին։ Այս մոտեցման հիման վրա հոդվածում առաջարկվում են անտենաների թողունակությունը մեծացնելու բազմաթիվ մեթոդներ։ Գիտնականները նախագծել և պատրաստել են երկու լայնաշերտ անտենաներ, որոնք բեռնված են բաժանված օղակաձև ռեզոնատորներով (տե՛ս նկար 7): Նկար 7-ում ներկայացված արդյունքները ցույց են տալիս, որ բաժանված օղակի ռեզոնատորը սովորական մոնոպոլ անտենայով բեռնելուց հետո գրգռվում է ցածր ռեզոնանսային հաճախականության ռեժիմ: Բաժանված օղակի ռեզոնատորի չափը օպտիմալացված է՝ մոնոպոլ անտենայի ռեզոնանսին մոտ ռեզոնանս ստանալու համար: Արդյունքները ցույց են տալիս, որ երբ երկու ռեզոնանսները համընկնում են, անտենայի թողունակությունը և ճառագայթման բնութագրերը մեծանում են: Մոնոպոլ անտենայի երկարությունը և լայնությունը համապատասխանաբար 0.25λ0×0.11λ0 և 0.25λ0×0.21λ0 (4 ԳՀց) են, իսկ բաժանված օղակի ռեզոնատորով բեռնված մոնոպոլ անտենայի երկարությունը և լայնությունը համապատասխանաբար 0.29λ0×0.21λ0 (2.9 ԳՀց) են: Ավանդական F-աձև անտենայի և բաժանված օղակի ռեզոնատոր չունեցող T-աձև անտենայի համար 5 ԳՀց հաճախականության տիրույթում չափված ամենաբարձր ուժեղացումը և ճառագայթման արդյունավետությունը համապատասխանաբար 3.6dBi - 78.5% և 3.9dBi - 80.2% են: Բաժանված օղակաձև ռեզոնատորով բեռնված անտենայի համար այս պարամետրերը համապատասխանաբար 4dBi - 81.2% և 4.4dBi - 83% են 6 ԳՀց հաճախականության տիրույթում: Մոնոպոլ անտենայի վրա բաժանված օղակաձև ռեզոնատորը որպես համապատասխան բեռ ներդնելով, կարելի է ապահովել 2.9 ԳՀց ~ 6.41 ԳՀց և 2.6 ԳՀց ~ 6.6 ԳՀց հաճախականության տիրույթները, որոնք համապատասխանում են համապատասխանաբար 75.4% և ~87% կոտորակային թողունակությունների: Այս արդյունքները ցույց են տալիս, որ չափման թողունակությունը բարելավվել է մոտավորապես 2.4 և 2.11 անգամ՝ համեմատած մոտավորապես ֆիքսված չափի ավանդական մոնոպոլ անտենաների հետ:

Նկար 7. Երկու լայնաշերտ անտենաներ՝ լցված բաժանվող օղակաձև ռեզոնատորներով:

Ինչպես ցույց է տրված նկար 8-ում, ներկայացված են կոմպակտ տպագիր մոնոպոլ անտենայի փորձարարական արդյունքները: Երբ S11≤- 10 դԲ հաճախականությամբ գործառնական թողունակությունը կազմում է 185% (0.115-2.90 ԳՀց), իսկ 1.45 ԳՀց հաճախականությամբ գագաթնակետային ուժգնացումը և ճառագայթման արդյունավետությունը համապատասխանաբար կազմում են 2.35 դԲի և 78.8%: Անտենայի դասավորությունը նման է մեջք-մեջքի եռանկյունաձև թերթիկ կառուցվածքի, որը սնուցվում է կոր գծային հզորության բաժանիչով: Կտրված GND-ն պարունակում է սնուցիչի տակ տեղադրված կենտրոնական ցողուն, և դրա շուրջը տարածված են չորս բաց ռեզոնանսային օղակներ, որոնք լայնացնում են անտենայի թողունակությունը: Անտենան ճառագայթում է գրեթե բոլոր ուղղություններով՝ ծածկելով VHF և S գոտիների մեծ մասը, ինչպես նաև UHF և L բոլոր գոտիները: Անտենայի ֆիզիկական չափը 48.32×43.72×0.8 մմ3 է, իսկ էլեկտրական չափը՝ 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0: Այն ունի փոքր չափի և ցածր գնի առավելություններ, և ունի կիրառման պոտենցիալ հեռանկարներ լայնաշերտ անլար կապի համակարգերում։

Նկար 8. Մոնոպոլային անտենա՝ լցված բաժանված օղակաձև ռեզոնատորով:

Նկար 9-ը ցույց է տալիս հարթ անտենայի կառուցվածք, որը բաղկացած է երկու զույգ փոխկապակցված մանանդրալային մետաղալարերից, որոնք երկու անցուղիների միջոցով միացված են կտրված T-աձև հողանցման հարթությանը: Անտենայի չափը 38.5×36.6 մմ2 է (0.070λ0×0.067λ0), որտեղ λ0-ն 0.55 ԳՀց ազատ տարածության ալիքի երկարությունն է: Անտենան ճառագայթում է բազմակողմանիորեն E-հարթությունում 0.55 ~ 3.85 ԳՀց աշխատանքային հաճախականության տիրույթում, 2.35 ԳՀց հաճախականության դեպքում առավելագույն 5.5dBi ուժեղացմամբ և 90.1% արդյունավետությամբ: Այս առանձնահատկությունները առաջարկվող անտենան դարձնում են հարմար տարբեր կիրառությունների համար, ներառյալ UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi և Bluetooth:

Նկ. 9 Առաջարկվող հարթ անտենայի կառուցվածքը։

2. Արտահոսող ալիքային անտենա (LWA)
Նոր արտահոսող ալիքային անտենան արհեստական մետամատերիալ TL իրականացման հիմնական կիրառություններից մեկն է: Արտահոսող ալիքային անտենաների համար փուլային հաստատուն β-ի ազդեցությունը ճառագայթման անկյան (θm) և առավելագույն փնջի լայնության (Δθ) վրա հետևյալն է.

L-ը անտենայի երկարությունն է, k0-ը՝ ալիքի թիվը ազատ տարածությունում, իսկ λ0-ը՝ ալիքի երկարությունը ազատ տարածությունում։ Նշենք, որ ճառագայթումը տեղի է ունենում միայն այն դեպքում, երբ |β|

3. Զրոյական կարգի ռեզոնատորային անտենա
CRLH մետամատերիալի եզակի հատկությունն այն է, որ β-ն կարող է լինել 0, երբ հաճախականությունը հավասար չէ զրոյի: Այս հատկության հիման վրա կարելի է ստեղծել նոր զրոյական կարգի ռեզոնատոր (ZOR): Երբ β-ն զրո է, ամբողջ ռեզոնատորում փուլային տեղաշարժ տեղի չի ունենում: Դա պայմանավորված է փուլային տեղաշարժի հաստատուն φ = - βd = 0-ով: Բացի այդ, ռեզոնանսը կախված է միայն ռեակտիվ բեռից և անկախ է կառուցվածքի երկարությունից: Նկար 10-ը ցույց է տալիս, որ առաջարկվող անտենան պատրաստված է E-ձևով երկու և երեք միավորների կիրառմամբ, և ընդհանուր չափը համապատասխանաբար 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 և 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0 է, որտեղ λ0-ն ներկայացնում է ազատ տարածության ալիքի երկարությունը համապատասխանաբար 500 ՄՀց և 650 ՄՀց աշխատանքային հաճախականություններում: Անտենան աշխատում է 0.5-1.35 ԳՀց (0.85 ԳՀց) և 0.65-1.85 ԳՀց (1.2 ԳՀց) հաճախականություններում՝ 91.9% և 96.0% հարաբերական թողունակությամբ։ Փոքր չափի և լայն թողունակության բնութագրերից բացի, առաջին և երկրորդ անտենաների ուժեղացումը և արդյունավետությունը համապատասխանաբար կազմում են 5.3դԲի և 85% (1 ԳՀց) և 5.7դԲի և 90% (1.4 ԳՀց)։

Նկ. 10. Առաջարկվող կրկնակի E և եռակի E անտենայի կառուցվածքներ:

4. Անտենայի անցք
Առաջարկվել է CRLH-MTM անտենայի ապերտուրան մեծացնելու պարզ մեթոդ, սակայն դրա անտենայի չափը գրեթե անփոփոխ է։ Ինչպես ցույց է տրված նկար 11-ում, անտենան ներառում է CRLH միավորներ, որոնք ուղղահայաց դասավորված են միմյանց վրա, որոնք պարունակում են հատվածներ և ոլորապտույտ գծեր, և հատվածի վրա կա S-աձև ակոս։ Անտենան սնուցվում է CPW համապատասխան ամրակով, և դրա չափը 17.5 մմ × 32.15 մմ × 1.6 մմ է, որը համապատասխանում է 0.204λ0×0.375λ0×0.018λ0-ի, որտեղ λ0-ն (3.5GHz) ներկայացնում է ազատ տարածության ալիքի երկարությունը։ Արդյունքները ցույց են տալիս, որ անտենան աշխատում է 0.85-7.90GHz հաճախականության տիրույթում, իսկ դրա աշխատանքային թողունակությունը՝ 161.14%։ Անտենայի ամենաբարձր ճառագայթման աճը և արդյունավետությունը նկատվում են 3.5GHz հաճախականության վրա, որոնք համապատասխանաբար կազմում են 5.12dBi և ~80%։