Noticias - Unha revisión das antenas de liñas de transmisión baseadas en metamateriais (Parte 2)

2. Aplicación de MTM-TL en Sistemas de Antenas
Esta sección centrarase nos TL de metamateriais artificiais e algunhas das súas aplicacións máis comúns e relevantes para a realización de varias estruturas de antenas con baixo custo, fácil fabricación, miniaturización, ancho de banda amplo, alta ganancia e eficiencia, capacidade de dixitalización de ampla gama e perfil baixo. Son discutidos a continuación.

1. Antenas de banda ancha e multifrecuencia
Nun TL típico cunha lonxitude de l, cando se dá a frecuencia angular ω0, a lonxitude eléctrica (ou fase) da liña de transmisión pódese calcular do seguinte xeito:

Onde vp representa a velocidade de fase da liña de transmisión. Como se pode ver polo anterior, o ancho de banda correspóndese en gran medida co retardo do grupo, que é a derivada de φ con respecto á frecuencia. Polo tanto, a medida que a lonxitude da liña de transmisión se fai máis curta, o ancho de banda tamén se fai máis amplo. Noutras palabras, existe unha relación inversa entre o ancho de banda e a fase fundamental da liña de transmisión, que é específica do deseño. Isto mostra que nos circuítos distribuídos tradicionais, o ancho de banda operativo non é fácil de controlar. Isto pódese atribuír ás limitacións das liñas de transmisión tradicionais en termos de graos de liberdade. Non obstante, os elementos de carga permiten que se utilicen parámetros adicionais nos TL de metamateriais, e a resposta de fase pódese controlar ata certo punto. Para aumentar o ancho de banda, é necesario ter unha pendente similar preto da frecuencia de operación das características de dispersión. O metamaterial artificial TL pode acadar este obxectivo. Con base neste enfoque, no documento propóñense moitos métodos para mellorar o ancho de banda das antenas. Os estudosos deseñaron e fabricaron dúas antenas de banda ancha cargadas con resonadores de anel dividido (ver Figura 7). Os resultados mostrados na Figura 7 mostran que despois de cargar o resonador de anel dividido coa antena monopolo convencional, excita un modo de baixa frecuencia de resonancia. O tamaño do resonador de anel dividido está optimizado para conseguir unha resonancia próxima á da antena monopolo. Os resultados mostran que cando as dúas resonancias coinciden, o ancho de banda e as características de radiación da antena increméntanse. A lonxitude e anchura da antena monopolo son 0,25λ0×0,11λ0 e 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), respectivamente, e a lonxitude e ancho da antena monopolo cargada cun resonador de anel dividido son 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz). ), respectivamente. Para a antena convencional en forma de F e a antena en forma de T sen un resonador de anel dividido, a maior ganancia e eficiencia de radiación medida na banda de 5 GHz son 3,6 dBi - 78,5 % e 3,9 dBi - 80,2 %, respectivamente. Para a antena cargada cun resonador de anel dividido, estes parámetros son 4dBi - 81.2% e 4.4dBi - 83%, respectivamente, na banda de 6GHz. Ao implementar un resonador de anel dividido como carga coincidente na antena monopolista, pódense admitir as bandas de 2,9 GHz ~ 6,41 GHz e 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, correspondentes a anchos de banda fraccionarios do 75,4% e ~ 87%, respectivamente. Estes resultados mostran que o ancho de banda de medición mellora aproximadamente 2,4 veces e 2,11 veces en comparación coas antenas monopolo tradicionais de tamaño aproximadamente fixo.

Figura 7. Dúas antenas de banda ancha cargadas con resonadores de anel dividido.

Como se mostra na figura 8, móstranse os resultados experimentais da antena monopolo impresa compacta. Cando S11 ≤- 10 dB, o ancho de banda operativo é do 185 % (0,115-2,90 GHz) e a 1,45 GHz, a ganancia máxima e a eficiencia da radiación son 2,35 dBi e 78,8 %, respectivamente. A disposición da antena é semellante a unha estrutura de folla triangular adosada, que é alimentada por un divisor de potencia curvilíneo. O GND truncado contén un talón central situado debaixo do alimentador e catro aneis resonantes abertos distribúense ao seu redor, o que amplía o ancho de banda da antena. A antena irradia case omnidireccionalmente, cubrindo a maioría das bandas VHF e S, e todas as bandas UHF e L. O tamaño físico da antena é de 48,32×43,72×0,8 mm3 e o tamaño eléctrico é de 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Ten as vantaxes de tamaño reducido e baixo custo, e ten posibilidades de aplicación potenciais en sistemas de comunicación sen fíos de banda ancha.

Figura 8: Antena monopolo cargada con resonador de anel dividido.

A figura 9 mostra unha estrutura de antena plana que consiste en dous pares de bucles de fíos de meandro interconectados conectados a terra a un plano de terra truncado en forma de T a través de dúas vías. O tamaño da antena é de 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), onde λ0 é a lonxitude de onda do espazo libre de 0,55 GHz. A antena irradia omnidireccionalmente no plano E na banda de frecuencias de funcionamento de 0,55 ~ 3,85 GHz, cunha ganancia máxima de 5,5 dBi a 2,35 GHz e unha eficiencia do 90,1%. Estas características fan que a antena proposta sexa adecuada para varias aplicacións, incluíndo UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi e Bluetooth.

Fig. 9 Estrutura da antena plana proposta.

2. Antena de ondas con fugas (LWA)
A nova antena de ondas con fugas é unha das principais aplicacións para a realización de metamaterial artificial TL. Para as antenas de onda con fugas, o efecto da constante de fase β sobre o ángulo de radiación (θm) e a anchura máxima do feixe (Δθ) é o seguinte:

L é a lonxitude da antena, k0 é o número de onda no espazo libre e λ0 é a lonxitude de onda no espazo libre. Teña en conta que a radiación ocorre só cando |β|

3. Antena resonadora de orde cero
Unha propiedade única do metamaterial CRLH é que β pode ser 0 cando a frecuencia non é igual a cero. En base a esta propiedade, pódese xerar un novo resonador de orde cero (ZOR). Cando β é cero, non se produce ningún cambio de fase en todo o resonador. Isto débese a que a constante de desprazamento de fase φ = - βd = 0. Ademais, a resonancia depende só da carga reactiva e é independente da lonxitude da estrutura. A figura 10 mostra que a antena proposta se fabrica aplicando dúas e tres unidades con forma E, e o tamaño total é 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 e 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, respectivamente, onde λng0 representa a onda λ0. de espazo libre a frecuencias operativas de 500 MHz e 650 MHz, respectivamente. A antena funciona en frecuencias de 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) e 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), con anchos de banda relativos de 91,9% e 96,0%. Ademais das características de pequeno tamaño e ancho de banda amplo, a ganancia e a eficiencia da primeira e segunda antenas son de 5,3 dBi e 85 % (1 GHz) e 5,7 dBi e 90 % (1,4 GHz), respectivamente.

Fig. 10 Estruturas propostas de antenas de dobre E e triple E.

4. Antena de ranura
Propúxose un método sinxelo para ampliar a apertura da antena CRLH-MTM, pero o seu tamaño de antena non se modifica case. Como se mostra na Figura 11, a antena inclúe unidades CRLH apiladas verticalmente unhas sobre outras, que conteñen parches e liñas de meandro, e hai unha ranura en forma de S no parche. A antena é alimentada por un talón CPW correspondente, e o seu tamaño é de 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, correspondente a 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, onde λ0 (3,5GHz) representa a lonxitude de onda do espazo libre. Os resultados mostran que a antena funciona na banda de frecuencia de 0,85-7,90 GHz e o seu ancho de banda operativo é do 161,14%. A maior ganancia de radiación e eficiencia da antena aparecen en 3,5 GHz, que son 5,12 dBi e ~ 80 %, respectivamente.