Nieuws - Een overzicht van transmissielijnantennes op basis van metamaterialen (deel 2)

2. Toepassing van MTM-TL in antennesystemen
Deze sectie zal zich richten op kunstmatige metamateriaal-TL's en enkele van hun meest voorkomende en relevante toepassingen voor het realiseren van verschillende antennestructuren met lage kosten, eenvoudige productie, miniaturisatie, grote bandbreedte, hoge versterking en efficiëntie, scanmogelijkheden met een groot bereik en een laag profiel. Ze worden hieronder besproken.

1. Breedband- en multifrequentie-antennes
In een typische TL met een lengte van l kan, wanneer de hoekfrequentie ω0 wordt gegeven, de elektrische lengte (of fase) van de transmissielijn als volgt worden berekend:

Waarbij vp de fasesnelheid van de transmissielijn vertegenwoordigt. Zoals uit het bovenstaande blijkt, komt de bandbreedte nauw overeen met de groepsvertraging, die de afgeleide is van φ met betrekking tot de frequentie. Naarmate de lengte van de transmissielijn korter wordt, wordt de bandbreedte dus ook groter. Met andere woorden, er is een omgekeerde relatie tussen de bandbreedte en de fundamentele fase van de transmissielijn, die ontwerpspecifiek is. Dit toont aan dat in traditionele gedistribueerde circuits de operationele bandbreedte niet eenvoudig te controleren is. Dit kan worden toegeschreven aan de beperkingen van traditionele transmissielijnen in termen van vrijheidsgraden. Door laadelementen kunnen echter aanvullende parameters worden gebruikt in metamateriaal-TL's, en de faserespons kan tot op zekere hoogte worden gecontroleerd. Om de bandbreedte te vergroten is het noodzakelijk om een soortgelijke helling te hebben nabij de werkfrequentie van de dispersiekarakteristieken. Kunstmatig metamateriaal TL kan dit doel bereiken. Op basis van deze aanpak worden in het artikel veel methoden voorgesteld om de bandbreedte van antennes te vergroten. Geleerden hebben twee breedbandantennes ontworpen en gefabriceerd die zijn geladen met splitringresonatoren (zie figuur 7). De resultaten getoond in Figuur 7 laten zien dat na het laden van de splitringresonator met de conventionele monopoolantenne, een modus met lage resonantiefrequentie wordt geëxciteerd. De grootte van de splitringresonator is geoptimaliseerd om een resonantie te bereiken die dicht bij die van de monopoolantenne ligt. De resultaten laten zien dat wanneer de twee resonanties samenvallen, de bandbreedte en stralingskarakteristieken van de antenne toenemen. De lengte en breedte van de monopoolantenne zijn respectievelijk 0,25λ0×0,11λ0 en 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), en de lengte en breedte van de monopoolantenne geladen met een splitringresonator zijn 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz). ), respectievelijk. Voor de conventionele F-vormige antenne en T-vormige antenne zonder splitringresonator bedragen de hoogste versterking en stralingsefficiëntie gemeten in de 5GHz-band respectievelijk 3,6 dBi - 78,5% en 3,9 dBi - 80,2%. Voor de antenne belast met een splitringresonator zijn deze parameters respectievelijk 4dBi - 81,2% en 4,4dBi - 83% in de 6GHz-band. Door een splitringresonator te implementeren als passende belasting op de monopoolantenne, kunnen de banden 2,9 GHz ~ 6,41 GHz en 2,6 GHz ~ 6,6 GHz worden ondersteund, wat overeenkomt met fractionele bandbreedtes van respectievelijk 75,4% en ~87%. Deze resultaten laten zien dat de meetbandbreedte ongeveer 2,4 keer en 2,11 keer is verbeterd in vergelijking met traditionele monopoolantennes met een ongeveer vaste grootte.

Figuur 7. Twee breedbandantennes geladen met splitringresonatoren.

Zoals weergegeven in figuur 8 worden de experimentele resultaten van de compact gedrukte monopoolantenne getoond. Wanneer S11≤-10 dB is de operationele bandbreedte 185% (0,115-2,90 GHz), en bij 1,45 GHz zijn de piekversterking en de stralingsefficiëntie respectievelijk 2,35 dBi en 78,8%. De lay-out van de antenne is vergelijkbaar met een rug-aan-rug driehoekige plaatstructuur, die wordt gevoed door een kromlijnige stroomverdeler. De afgeknotte GND bevat een centrale stomp die onder de feeder is geplaatst en eromheen zijn vier open resonante ringen verdeeld, waardoor de bandbreedte van de antenne wordt vergroot. De antenne straalt bijna omnidirectioneel uit en bestrijkt de meeste VHF- en S-banden, en alle UHF- en L-banden. De fysieke afmeting van de antenne is 48,32×43,72×0,8 mm3 en de elektrische afmeting is 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Het heeft de voordelen van kleine afmetingen en lage kosten, en biedt potentiële toepassingsmogelijkheden in draadloze breedbandcommunicatiesystemen.

Figuur 8: Monopoolantenne geladen met splitringresonator.

Figuur 9 toont een vlakke antennestructuur bestaande uit twee paren onderling verbonden meanderdraadlussen die via twee via's zijn geaard op een afgeknot T-vormig aardvlak. De antennegrootte is 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), waarbij λ0 de golflengte in de vrije ruimte is van 0,55 GHz. De antenne straalt omnidirectioneel in het E-vlak in de werkfrequentieband van 0,55 ~ 3,85 GHz, met een maximale versterking van 5,5 dBi bij 2,35 GHz en een efficiëntie van 90,1%. Deze eigenschappen maken de voorgestelde antenne geschikt voor diverse toepassingen, waaronder UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi en Bluetooth.

Fig. 9 Voorgestelde vlakke antennestructuur.

2. Lekkende golfantenne (LWA)
De nieuwe lekkende golfantenne is een van de belangrijkste toepassingen voor het realiseren van kunstmatig metamateriaal TL. Voor lekkende golfantennes is het effect van de faseconstante β op de stralingshoek (θm) en de maximale bundelbreedte (Δθ) als volgt:

L is de antennelengte, k0 is het golfgetal in de vrije ruimte en λ0 is de golflengte in de vrije ruimte. Merk op dat straling alleen optreedt als |β|

3. Resonatorantenne van de nulde orde
Een unieke eigenschap van CRLH-metamateriaal is dat β 0 kan zijn als de frequentie niet gelijk is aan nul. Op basis van deze eigenschap kan een nieuwe nulde-orde resonator (ZOR) worden gegenereerd. Wanneer β nul is, vindt er geen faseverschuiving plaats in de gehele resonator. Dit komt omdat de faseverschuivingsconstante φ = - βd = 0. Bovendien hangt de resonantie alleen af van de reactieve belasting en is deze onafhankelijk van de lengte van de constructie. Figuur 10 laat zien dat de voorgestelde antenne is vervaardigd door twee en drie eenheden met E-vorm toe te passen, en de totale grootte is respectievelijk 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 en 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, waarbij λ0 de golflengte vertegenwoordigt. vrije ruimte bij werkfrequenties van 500 MHz en 650 MHz, respectievelijk. De antenne werkt op frequenties van 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) en 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), met relatieve bandbreedtes van 91,9% en 96,0%. Naast de kenmerken van klein formaat en grote bandbreedte, zijn de versterking en efficiëntie van de eerste en tweede antennes respectievelijk 5,3 dBi en 85% (1GHz) en 5,7 dBi en 90% (1,4GHz).

Fig. 10 Voorgestelde dubbel-E- en triple-E-antennestructuren.

4. Sleufantenne
Er is een eenvoudige methode voorgesteld om de opening van de CRLH-MTM-antenne te vergroten, maar de antennegrootte is vrijwel onveranderd. Zoals weergegeven in figuur 11 omvat de antenne CRLH-eenheden die verticaal op elkaar zijn gestapeld en die vlakken en meanderlijnen bevatten, en bevindt zich een S-vormige sleuf op de pleister. De antenne wordt gevoed door een bijpassende CPW-stomp en de afmeting is 17,5 mm x 32,15 mm x 1,6 mm, wat overeenkomt met 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, waarbij λ0 (3,5GHz) de golflengte van de vrije ruimte vertegenwoordigt. De resultaten laten zien dat de antenne werkt in de frequentieband van 0,85-7,90GHz en dat de bandbreedte 161,14% bedraagt. De hoogste stralingsversterking en efficiëntie van de antenne verschijnen bij 3,5 GHz, respectievelijk 5,12 dBi en ~80%.