Berita - Kajian antena talian penghantaran berdasarkan metamaterial (Bahagian 2)

2. Aplikasi MTM-TL dalam Sistem Antena
Bahagian ini akan memberi tumpuan kepada TL metabahan buatan dan beberapa aplikasi yang paling biasa dan relevan untuk merealisasikan pelbagai struktur antena dengan kos rendah, pembuatan mudah, pengecilan saiz, lebar jalur yang luas, gandaan dan kecekapan yang tinggi, keupayaan pengimbasan julat luas dan profil rendah. Ia dibincangkan di bawah.

1. Antena jalur lebar dan berbilang frekuensi
Dalam TL biasa dengan panjang l, apabila frekuensi sudut ω0 diberikan, panjang elektrik (atau fasa) talian penghantaran boleh dikira seperti berikut:

Di mana vp mewakili halaju fasa talian penghantaran. Seperti yang dapat dilihat dari atas, lebar jalur sepadan dengan kelewatan kumpulan, yang merupakan terbitan φ berkenaan dengan frekuensi. Oleh itu, apabila panjang talian penghantaran menjadi lebih pendek, lebar jalur juga menjadi lebih lebar. Dalam erti kata lain, terdapat hubungan songsang antara lebar jalur dan fasa asas talian penghantaran, yang khusus reka bentuk. Ini menunjukkan bahawa dalam litar teragih tradisional, lebar jalur operasi tidak mudah dikawal. Ini boleh dikaitkan dengan batasan talian penghantaran tradisional dari segi darjah kebebasan. Walau bagaimanapun, elemen pemuatan membolehkan parameter tambahan digunakan dalam TL metamaterial, dan tindak balas fasa boleh dikawal sehingga tahap tertentu. Untuk meningkatkan lebar jalur, adalah perlu untuk mempunyai cerun yang serupa berhampiran frekuensi operasi ciri penyebaran. TL metamaterial buatan boleh mencapai matlamat ini. Berdasarkan pendekatan ini, banyak kaedah untuk meningkatkan lebar jalur antena dicadangkan dalam kertas kerja ini. Para sarjana telah mereka bentuk dan membuat dua antena jalur lebar yang dimuatkan dengan resonator cincin berpecah (lihat Rajah 7). Keputusan yang ditunjukkan dalam Rajah 7 menunjukkan bahawa selepas memuatkan resonator cincin pisah dengan antena monopole konvensional, mod frekuensi resonan rendah teruja. Saiz resonator cincin pisah dioptimumkan untuk mencapai resonans yang hampir dengan antena monopole. Keputusan menunjukkan bahawa apabila kedua-dua resonans serentak, lebar jalur dan ciri sinaran antena meningkat. Panjang dan lebar antena monopole masing-masing ialah 0.25λ0×0.11λ0 dan 0.25λ0×0.21λ0 (4GHz), dan panjang dan lebar antena monopole yang dimuatkan dengan resonator cincin pisah masing-masing ialah 0.29λ0×0.21λ0 (2.9GHz). Bagi antena berbentuk F konvensional dan antena berbentuk T tanpa resonator cincin pisah, gandaan dan kecekapan sinaran tertinggi yang diukur dalam jalur 5GHz masing-masing ialah 3.6dBi - 78.5% dan 3.9dBi - 80.2%. Bagi antena yang dimuatkan dengan resonator cincin pisah, parameter ini masing-masing ialah 4dBi - 81.2% dan 4.4dBi - 83%, dalam jalur 6GHz. Dengan melaksanakan resonator cincin pisah sebagai beban yang sepadan pada antena monopole, jalur 2.9GHz ~ 6.41GHz dan 2.6GHz ~ 6.6GHz boleh disokong, sepadan dengan lebar jalur pecahan masing-masing sebanyak 75.4% dan ~87%. Keputusan ini menunjukkan bahawa lebar jalur pengukuran dipertingkatkan kira-kira 2.4 kali ganda dan 2.11 kali ganda berbanding antena monopole tradisional yang bersaiz hampir tetap.

Rajah 7. Dua antena jalur lebar yang dimuatkan dengan resonator cincin pisah.

Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8, keputusan eksperimen antena monopole bercetak padat ditunjukkan. Apabila S11≤- 10 dB, lebar jalur operasi ialah 185% (0.115-2.90 GHz), dan pada 1.45 GHz, gandaan puncak dan kecekapan sinaran masing-masing ialah 2.35 dBi dan 78.8%. Susun atur antena adalah serupa dengan struktur kepingan segi tiga belakang-ke-belakang, yang disuap oleh pembahagi kuasa lengkung. GND terpotong mengandungi stub pusat yang diletakkan di bawah pengumpan, dan empat cincin resonan terbuka diagihkan di sekelilingnya, yang meluaskan lebar jalur antena. Antena memancarkan hampir omnidirectional, meliputi kebanyakan jalur VHF dan S, dan semua jalur UHF dan L. Saiz fizikal antena ialah 48.32×43.72×0.8 mm3, dan saiz elektrik ialah 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0. Ia mempunyai kelebihan saiz yang kecil dan kos yang rendah, serta mempunyai prospek aplikasi yang berpotensi dalam sistem komunikasi tanpa wayar jalur lebar.

Rajah 8: Antena monopole yang dimuatkan dengan resonator cincin pisah.

Rajah 9 menunjukkan struktur antena satah yang terdiri daripada dua pasang gelung dawai meander yang saling berkaitan yang dibumikan pada satah tanah berbentuk T terpotong melalui dua vias. Saiz antena ialah 38.5×36.6 mm2 (0.070λ0×0.067λ0), dengan λ0 ialah panjang gelombang ruang bebas 0.55 GHz. Antena memancarkan omnidirectional dalam satah-E dalam jalur frekuensi operasi 0.55 ~ 3.85 GHz, dengan gandaan maksimum 5.5dBi pada 2.35GHz dan kecekapan 90.1%. Ciri-ciri ini menjadikan antena yang dicadangkan sesuai untuk pelbagai aplikasi, termasuk UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi dan Bluetooth.

Rajah 9 Struktur antena satah yang dicadangkan.

2. Antena Gelombang Bocor (LWA)
Antena gelombang bocor baharu merupakan salah satu aplikasi utama untuk merealisasikan TL metabahan buatan. Bagi antena gelombang bocor, kesan pemalar fasa β pada sudut sinaran (θm) dan lebar pancaran maksimum (Δθ) adalah seperti berikut:

L ialah panjang antena, k0 ialah nombor gelombang dalam ruang bebas, dan λ0 ialah panjang gelombang dalam ruang bebas. Perhatikan bahawa sinaran hanya berlaku apabila |β|

3. Antena resonator tertib sifar
Satu sifat unik metamaterial CRLH ialah β boleh menjadi 0 apabila frekuensi tidak sama dengan sifar. Berdasarkan sifat ini, resonator tertib sifar (ZOR) baharu boleh dijana. Apabila β ialah sifar, tiada anjakan fasa berlaku dalam keseluruhan resonator. Ini kerana pemalar anjakan fasa φ = - βd = 0. Di samping itu, resonans hanya bergantung pada beban reaktif dan tidak bergantung pada panjang struktur. Rajah 10 menunjukkan bahawa antena yang dicadangkan dibuat dengan menggunakan dua dan tiga unit dengan bentuk-E, dan jumlah saiz masing-masing ialah 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 dan 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0, di mana λ0 mewakili panjang gelombang ruang bebas pada frekuensi operasi masing-masing 500 MHz dan 650 MHz. Antena beroperasi pada frekuensi 0.5-1.35 GHz (0.85 GHz) dan 0.65-1.85 GHz (1.2 GHz), dengan lebar jalur relatif 91.9% dan 96.0%. Selain ciri-ciri saiz kecil dan lebar jalur yang luas, gandaan dan kecekapan antena pertama dan kedua masing-masing ialah 5.3dBi dan 85% (1GHz) dan 5.7dBi dan 90% (1.4GHz).

Rajah 10 Cadangan struktur antena E-dua dan E-tiga yang dicadangkan.

4. Antena Slot
Satu kaedah mudah telah dicadangkan untuk membesarkan apertur antena CRLH-MTM, tetapi saiz antenanya hampir tidak berubah. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 11, antena tersebut merangkumi unit CRLH yang disusun secara menegak antara satu sama lain, yang mengandungi tampalan dan garisan berliku-liku, dan terdapat slot berbentuk S pada tampalan tersebut. Antena tersebut diberi makan oleh stub padanan CPW, dan saiznya ialah 17.5 mm × 32.15 mm × 1.6 mm, bersamaan dengan 0.204λ0×0.375λ0×0.018λ0, di mana λ0 (3.5GHz) mewakili panjang gelombang ruang bebas. Keputusan menunjukkan bahawa antena beroperasi dalam jalur frekuensi 0.85-7.90GHz, dan lebar jalur operasinya ialah 161.14%. Keuntungan dan kecekapan sinaran tertinggi antena muncul pada 3.5GHz, iaitu masing-masing 5.12dBi dan ~80%.