اخبار - مروری بر آنتن‌های خط انتقال مبتنی بر فرامواد (بخش 2)

۲. کاربرد MTM-TL در سیستم‌های آنتن
این بخش بر روی آنتن‌های فراماده مصنوعی و برخی از رایج‌ترین و مرتبط‌ترین کاربردهای آنها برای تحقق ساختارهای مختلف آنتن با هزینه کم، تولید آسان، کوچک‌سازی، پهنای باند وسیع، بهره و راندمان بالا، قابلیت اسکن طیف گسترده و مشخصات کم تمرکز خواهد کرد. آنها در زیر مورد بحث قرار گرفته‌اند.

۱. آنتن‌های پهن‌باند و چندفرکانسی
در یک خط انتقال معمولی با طول l، وقتی فرکانس زاویه‌ای ω0 داده شده باشد، طول (یا فاز) الکتریکی خط انتقال را می‌توان به صورت زیر محاسبه کرد:

که در آن vp نشان دهنده سرعت فاز خط انتقال است. همانطور که از رابطه بالا مشخص است، پهنای باند با تأخیر گروهی که مشتق φ نسبت به فرکانس است، مطابقت نزدیکی دارد. بنابراین، با کوتاه‌تر شدن طول خط انتقال، پهنای باند نیز پهن‌تر می‌شود. به عبارت دیگر، یک رابطه معکوس بین پهنای باند و فاز اساسی خط انتقال وجود دارد که مختص طراحی است. این نشان می‌دهد که در مدارهای توزیع‌شده سنتی، کنترل پهنای باند عملیاتی آسان نیست. این را می‌توان به محدودیت‌های خطوط انتقال سنتی از نظر درجه آزادی نسبت داد. با این حال، عناصر بارگذاری اجازه می‌دهند پارامترهای اضافی در TLهای متامتریال استفاده شوند و پاسخ فاز را می‌توان تا حدی کنترل کرد. برای افزایش پهنای باند، لازم است شیب مشابهی در نزدیکی فرکانس عملیاتی ویژگی‌های پراکندگی وجود داشته باشد. TL متامتریال مصنوعی می‌تواند به این هدف دست یابد. بر اساس این رویکرد، روش‌های زیادی برای افزایش پهنای باند آنتن‌ها در این مقاله پیشنهاد شده است. محققان دو آنتن پهن باند بارگذاری شده با تشدیدگرهای حلقه‌ای شکاف‌دار را طراحی و ساخته‌اند (شکل 7 را ببینید). نتایج نشان داده شده در شکل 7 نشان می‌دهد که پس از بارگذاری تشدیدگر حلقه شکافدار با آنتن تک‌قطبی معمولی، یک حالت فرکانس رزونانس پایین تحریک می‌شود. اندازه تشدیدگر حلقه شکافدار بهینه شده است تا رزونانسی نزدیک به رزونانس آنتن تک‌قطبی حاصل شود. نتایج نشان می‌دهد که وقتی دو رزونانس بر هم منطبق می‌شوند، پهنای باند و مشخصات تابشی آنتن افزایش می‌یابد. طول و عرض آنتن تک‌قطبی به ترتیب 0.25λ0×0.11λ0 و 0.25λ0×0.21λ0 (4 گیگاهرتز) و طول و عرض آنتن تک‌قطبی بارگذاری شده با تشدیدگر حلقه شکافدار به ترتیب 0.29λ0×0.21λ0 (2.9 گیگاهرتز) است. برای آنتن F شکل معمولی و آنتن T شکل بدون تشدیدگر حلقه شکافدار، بالاترین بهره و راندمان تابشی اندازه‌گیری شده در باند 5 گیگاهرتز به ترتیب 3.6dBi - 78.5٪ و 3.9dBi - 80.2٪ است. برای آنتن بارگذاری شده با تشدیدگر حلقه‌ای شکاف‌دار، این پارامترها به ترتیب در باند 6 گیگاهرتز 4dBi - 81.2% و 4.4dBi - 83% هستند. با پیاده‌سازی یک تشدیدگر حلقه‌ای شکاف‌دار به عنوان بار تطبیقی روی آنتن تک‌قطبی، می‌توان از باندهای 2.9GHz ~ 6.41GHz و 2.6GHz ~ 6.6GHz پشتیبانی کرد که به ترتیب معادل پهنای باند کسری 75.4% و ~ 87% هستند. این نتایج نشان می‌دهد که پهنای باند اندازه‌گیری در مقایسه با آنتن‌های تک‌قطبی سنتی با اندازه تقریباً ثابت، تقریباً 2.4 برابر و 2.11 برابر بهبود یافته است.

شکل 7. دو آنتن پهن باند که با تشدیدگرهای حلقه شکافته بارگذاری شده‌اند.

همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است، نتایج تجربی آنتن تک قطبی چاپ شده فشرده نشان داده شده است. هنگامی که S11≤- 10 دسی بل باشد، پهنای باند عملیاتی 185٪ (0.115-2.90 گیگاهرتز) است و در 1.45 گیگاهرتز، حداکثر بهره و راندمان تابش به ترتیب 2.35 دسی بل و 78.8٪ است. طرح آنتن شبیه به یک ساختار ورق مثلثی پشت به پشت است که توسط یک تقسیم کننده توان منحنی تغذیه می‌شود. GND کوتاه شده شامل یک استاب مرکزی است که در زیر تغذیه کننده قرار گرفته است و چهار حلقه رزونانس باز در اطراف آن توزیع شده است که پهنای باند آنتن را گسترش می‌دهد. آنتن تقریباً به صورت همه جهته تابش می‌کند و بیشتر باندهای VHF و S و تمام باندهای UHF و L را پوشش می‌دهد. اندازه فیزیکی آنتن ۴۸.۳۲×۴۳.۷۲×۰.۸ میلی‌متر مکعب و اندازه الکتریکی آن ۰.۲۳۵λ۰×۰.۲۱۱λ۰×۰.۰۰۳λ۰ است. این آنتن از مزایای اندازه کوچک و هزینه پایین برخوردار است و چشم‌انداز کاربرد بالقوه‌ای در سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم پهن باند دارد.

شکل ۸: آنتن تک‌قطبی بارگذاری شده با تشدیدگر حلقه‌ای شکافته شده.

شکل 9 یک ساختار آنتن مسطح متشکل از دو جفت حلقه سیم مارپیچ به هم پیوسته را نشان می‌دهد که از طریق دو مسیر به یک صفحه زمین T شکل کوتاه متصل شده‌اند. اندازه آنتن 38.5×36.6 میلی‌متر مربع (0.070λ0×0.067λ0) است، که در آن λ0 طول موج فضای آزاد 0.55 گیگاهرتز است. آنتن به صورت همه‌جهته در صفحه E در باند فرکانسی عملیاتی 0.55 ~ 3.85 گیگاهرتز، با حداکثر بهره 5.5dBi در 2.35 گیگاهرتز و راندمان 90.1٪ تابش می‌کند. این ویژگی‌ها، آنتن پیشنهادی را برای کاربردهای مختلف، از جمله UHF RFID، GSM 900، GPS، KPCS، DCS، IMT-2000، WiMAX، WiFi و بلوتوث مناسب می‌سازد.

شکل 9. ساختار آنتن مسطح پیشنهادی.

۲. آنتن موج نشتی‌دار (LWA)
آنتن موج نشتی جدید یکی از کاربردهای اصلی برای تحقق انتقال توان فراماده مصنوعی است. برای آنتن‌های موج نشتی، تأثیر ثابت فاز β بر زاویه تابش (θm) و حداکثر پهنای 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 تابش فقط زمانی رخ می‌دهد که |β|

۳. آنتن رزوناتور مرتبه صفر
یک ویژگی منحصر به فرد متامتریال CRLH این است که β می‌تواند زمانی که فرکانس برابر با صفر نیست، 0 باشد. بر اساس این ویژگی، می‌توان یک رزوناتور مرتبه صفر جدید (ZOR) تولید کرد. وقتی β صفر است، هیچ تغییر فازی در کل رزوناتور رخ نمی‌دهد. دلیل این امر ثابت تغییر فاز φ = - βd = 0 است. علاوه بر این، رزونانس فقط به بار راکتیو بستگی دارد و مستقل از طول ساختار است. شکل 10 نشان می‌دهد که آنتن پیشنهادی با اعمال 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 × 0.001λ0 است که در آن λ0 به ترتیب نشان دهنده طول موج فضای آزاد در فرکانس‌های کاری 500 مگاهرتز و 650 مگاهرتز است. این آنتن در فرکانس‌های 0.5-1.35 گیگاهرتز (0.85 گیگاهرتز) و 0.65-1.85 گیگاهرتز (1.2 گیگاهرتز) کار می‌کند و پهنای باند نسبی آن 91.9٪ و 96.0٪ است. علاوه بر ویژگی‌های اندازه کوچک و پهنای باند وسیع، بهره و راندمان آنتن‌های اول و دوم به ترتیب 5.3dBi و 85٪ (1 گیگاهرتز) و 5.7dBi و 90٪ (1.4 گیگاهرتز) است.

شکل 10 ساختارهای پیشنهادی آنتن‌های دابل-ای و تریپل-ای.

۴. آنتن اسلات
یک روش ساده برای بزرگ کردن دیافراگم آنتن CRLH-MTM پیشنهاد شده است، اما اندازه آنتن آن تقریباً بدون تغییر باقی مانده است. همانطور که در شکل 11 نشان داده شده است، آنتن شامل واحدهای CRLH است که به صورت عمودی روی یکدیگر چیده شده‌اند و شامل پچ‌ها و خطوط مارپیچ هستند و یک شکاف S شکل روی پچ وجود دارد. آنتن توسط یک استاب تطبیق CPW تغذیه می‌شود و اندازه آن 17.5 میلی‌متر × 32.15 میلی‌متر × 1.6 میلی‌متر است که مربوط به 0.204λ0×0.375λ0×0.018λ0 است، که در آن λ0 (3.5GHz) نشان دهنده طول موج فضای آزاد است. نتایج نشان می‌دهد که آنتن در باند فرکانسی 0.85-7.90 گیگاهرتز کار می‌کند و پهنای باند عملیاتی آن 161.14٪ است. بالاترین بهره تابش و راندمان آنتن در 3.5 گیگاهرتز ظاهر می‌شود که به ترتیب 5.12dBi و ~80٪ هستند.