اخبار - بررسی آنتن های خطوط انتقال بر اساس فرامواد (قسمت دوم)

2. کاربرد MTM-TL در سیستم های آنتن
این بخش بر روی TL های فراماده مصنوعی و برخی از رایج ترین و مرتبط ترین کاربردهای آنها برای تحقق ساختارهای مختلف آنتن با هزینه کم، ساخت آسان، کوچک سازی، پهنای باند وسیع، بهره و کارایی بالا، قابلیت اسکن با دامنه وسیع و مشخصات کم تمرکز خواهد داشت. در زیر به آنها پرداخته می شود.

1. آنتن های پهن باند و چند فرکانس
در یک TL معمولی با طول l، هنگامی که فرکانس زاویه ای ω0 داده می شود، طول (یا فاز) الکتریکی خط انتقال را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:

جایی که vp نشان دهنده سرعت فاز خط انتقال است. همانطور که از موارد بالا مشاهده می شود، پهنای باند با تاخیر گروهی مطابقت دارد، که مشتق φ نسبت به فرکانس است. بنابراین، با کوتاه شدن طول خط انتقال، پهنای باند نیز گسترده تر می شود. به عبارت دیگر، یک رابطه معکوس بین پهنای باند و فاز اساسی خط انتقال که مختص طراحی است وجود دارد. این نشان می دهد که در مدارهای توزیع شده سنتی، کنترل پهنای باند عملیاتی آسان نیست. این را می توان به محدودیت های خطوط انتقال سنتی از نظر درجه آزادی نسبت داد. با این حال، عناصر بارگذاری اجازه می دهد تا پارامترهای اضافی در TL های فراماده استفاده شود، و پاسخ فاز را می توان تا حد معینی کنترل کرد. به منظور افزایش پهنای باند، لازم است شیب مشابهی در نزدیکی فرکانس کاری مشخصه های پراکندگی داشته باشیم. TL متامتریال مصنوعی می تواند به این هدف دست یابد. بر اساس این رویکرد، روش های زیادی برای افزایش پهنای باند آنتن ها در مقاله ارائه شده است. محققان دو آنتن باند پهن را طراحی و ساخته اند که با تشدید کننده های حلقه تقسیم شده بارگذاری شده اند (شکل 7 را ببینید). نتایج نشان داده شده در شکل 7 نشان می دهد که پس از بارگذاری تشدید کننده حلقه تقسیم با آنتن تک قطبی معمولی، یک حالت فرکانس تشدید پایین برانگیخته می شود. اندازه تشدید کننده حلقه تقسیم برای دستیابی به رزونانس نزدیک به آنتن تک قطبی بهینه شده است. نتایج نشان می دهد که وقتی دو رزونانس بر هم منطبق باشند، پهنای باند و ویژگی های تشعشع آنتن افزایش می یابد. طول و عرض آنتن تک قطبی به ترتیب 0.25λ0×0.11λ0 و 0.25λ0×0.21λ0 (4 گیگاهرتز) و طول و عرض آنتن تک قطبی بارگذاری شده با تشدید کننده حلقه تقسیم 0.29λ0×0.21λHz (2.9 λ0) است. ) به ترتیب. برای آنتن معمولی F شکل و آنتن T شکل بدون تشدید کننده حلقه تقسیم، بالاترین بهره و راندمان تشعشع اندازه گیری شده در باند 5GHz به ترتیب 3.6dBi - 78.5٪ و 3.9dBi - 80.2٪ است. برای آنتن بارگذاری شده با یک تشدید کننده حلقه تقسیم، این پارامترها به ترتیب 4dBi - 81.2٪ و 4.4dBi - 83٪ در باند 6GHz هستند. با اجرای یک تشدید کننده حلقه تقسیم به عنوان بار منطبق بر روی آنتن تک قطبی، باندهای 2.9 گیگاهرتز ~ 6.41 گیگاهرتز و 2.6 گیگاهرتز ~ 6.6 گیگاهرتز را می توان پشتیبانی کرد که مربوط به پهنای باند کسری به ترتیب 75.4٪ و ~87٪ است. این نتایج نشان می دهد که پهنای باند اندازه گیری تقریباً 2.4 برابر و 2.11 برابر در مقایسه با آنتن های تک قطبی سنتی با اندازه تقریباً ثابت بهبود یافته است.

شکل 7. دو آنتن باند پهن با تشدید کننده های حلقه تقسیم شده بارگذاری شده اند.

همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است، نتایج تجربی آنتن تک قطبی فشرده چاپ شده نشان داده شده است. هنگامی که S11≤- 10 دسی بل، پهنای باند عملیاتی 185% (0.115-2.90 گیگاهرتز) و در 1.45 گیگاهرتز، پیک بهره و راندمان تابش به ترتیب 2.35 dBi و 78.8% است. طرح آنتن شبیه به ساختار ورق مثلثی پشت به پشت است که توسط یک تقسیم کننده قدرت منحنی تغذیه می شود. GND کوتاه شده حاوی یک خرد مرکزی است که در زیر فیدر قرار گرفته است و چهار حلقه رزونانس باز در اطراف آن توزیع شده است که پهنای باند آنتن را افزایش می دهد. تابش آنتن تقریباً همه جهته است و بیشتر باندهای VHF و S و همه باندهای UHF و L را پوشش می دهد. اندازه فیزیکی آنتن 48.32×43.72×0.8 میلی متر مکعب و اندازه الکتریکی 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0 است. این دارای مزایای اندازه کوچک و هزینه کم است و دارای چشم اندازهای کاربردی بالقوه در سیستم های ارتباطی بی سیم پهن باند است.

شکل 8: آنتن تک قطبی بارگذاری شده با رزوناتور حلقه تقسیم شده.

شکل 9 یک ساختار آنتن مسطح متشکل از دو جفت حلقه سیم پیچ‌پیچ به هم پیوسته را نشان می‌دهد که از طریق دو دریچه به یک صفحه زمین کوتاه T شکل متصل شده‌اند. اندازه آنتن 38.5×36.6 mm2 (0.070λ0×0.067λ0) است که λ0 طول موج فضای آزاد 0.55 گیگاهرتز است. آنتن به صورت همه جانبه در E-plane در باند فرکانس کاری 0.55 ~ 3.85 گیگاهرتز، با حداکثر بهره 5.5dBi در 2.35GHz و بازده 90.1% تابش می کند. این ویژگی ها آنتن پیشنهادی را برای کاربردهای مختلف از جمله UHF RFID، GSM 900، GPS، KPCS، DCS، IMT-2000، WiMAX، WiFi و بلوتوث مناسب می کند.

شکل 9 ساختار آنتن مسطح پیشنهادی.

2. آنتن موج نشتی (LWA)
آنتن موج نشتی جدید یکی از کاربردهای اصلی برای تحقق TL فراماده مصنوعی است. برای آنتن های موج نشتی، اثر ثابت فاز β بر زاویه تابش (θm) و حداکثر عرض پرتو (Δθ) به شرح زیر است:

L طول آنتن، k0 عدد موج در فضای آزاد و λ0 طول موج در فضای آزاد است. توجه داشته باشید که تشعشع تنها زمانی رخ می دهد که |β|

3. آنتن تشدید کننده درجه صفر
یک ویژگی منحصر به فرد فراماده CRLH این است که β می تواند 0 باشد زمانی که فرکانس برابر با صفر نباشد. بر اساس این ویژگی، یک تشدید کننده مرتبه صفر جدید (ZOR) می تواند تولید شود. وقتی β صفر باشد، هیچ تغییر فازی در کل تشدید کننده رخ نمی دهد. این به این دلیل است که ثابت تغییر فاز φ = - βd = 0. علاوه بر این، رزونانس فقط به بار راکتیو بستگی دارد و مستقل از طول سازه است. شکل 10 نشان می دهد که آنتن پیشنهادی با استفاده از دو و سه واحد با شکل E ساخته شده است، و اندازه کل به ترتیب 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 و 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0 است که در آن eng λ0، نشان دهنده wavel0 است. فضای آزاد در هنگام کار فرکانس های 500 مگاهرتز و 650 مگاهرتز به ترتیب. این آنتن در فرکانس های 0.5-1.35 گیگاهرتز (0.85 گیگاهرتز) و 0.65-1.85 گیگاهرتز (1.2 گیگاهرتز) با پهنای باند نسبی 91.9٪ و 96.0٪ کار می کند. علاوه بر ویژگی های اندازه کوچک و پهنای باند وسیع، بهره و بازده آنتن اول و دوم به ترتیب 5.3dBi و 85% (1GHz) و 5.7dBi و 90% (1.4GHz) می باشد.

شکل 10 ساختارهای آنتن دوگانه E و سه گانه E پیشنهاد شده است.

4. آنتن اسلات
روش ساده ای برای بزرگ کردن دیافراگم آنتن CRLH-MTM پیشنهاد شده است، اما اندازه آنتن آن تقریباً بدون تغییر است. همانطور که در شکل 11 نشان داده شده است، آنتن شامل واحدهای CRLH است که به صورت عمودی روی یکدیگر چیده شده اند، که حاوی تکه ها و خطوط پرپیچ و خم هستند و یک شکاف S شکل روی وصله وجود دارد. آنتن توسط یک خرد منطبق با CPW تغذیه می شود و اندازه آن 17.5 میلی متر × 32.15 میلی متر × 1.6 میلی متر است که مربوط به 0.204λ0×0.375λ0×0.018λ0 است، که در آن λ0 (3.5 گیگاهرتز) نشان دهنده طول موج فضای آزاد است. نتایج نشان می دهد که آنتن در باند فرکانسی 0.85-7.90 گیگاهرتز کار می کند و پهنای باند کاری آن 161.14 درصد است. بیشترین افزایش تابش و راندمان آنتن در 3.5 گیگاهرتز ظاهر می شود که به ترتیب 5.12dBi و ~80٪ است.