სიახლეები - მეტამასალებზე დაფუძნებული გადამცემი ხაზის ანტენების მიმოხილვა (ნაწილი 2)

2. MTM-TL-ის გამოყენება ანტენის სისტემებში
ეს განყოფილება ფოკუსირებული იქნება ხელოვნურ მეტამასალის TL-ებზე და მათ ზოგიერთ ყველაზე გავრცელებულ და შესაბამის გამოყენებაზე სხვადასხვა ანტენის სტრუქტურის რეალიზაციისთვის დაბალი ღირებულებით, მარტივი დამზადებით, მინიატურიზაციით, ფართო გამტარობით, მაღალი გაძლიერებითა და ეფექტურობით, ფართო დიაპაზონის სკანირების შესაძლებლობითა და დაბალი პროფილით. ისინი განხილულია ქვემოთ.

1. ფართოზოლოვანი და მრავალსიხშირიანი ანტენები
l სიგრძის ტიპურ გადამცემ ხაზში, როდესაც მოცემულია კუთხური სიხშირე ω0, გადამცემი ხაზის ელექტრული სიგრძე (ან ფაზა) შეიძლება გამოითვალოს შემდეგნაირად:

სადაც vp წარმოადგენს გადამცემი ხაზის ფაზურ სიჩქარეს. როგორც ზემოაღნიშნულიდან ჩანს, გამტარობა მჭიდროდ შეესაბამება ჯგუფურ დაყოვნებას, რომელიც φ-ს წარმოებულია სიხშირის მიმართ. ამიტომ, გადამცემი ხაზის სიგრძის შემცირებასთან ერთად, გამტარობაც ფართოვდება. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, გამტარობასა და გადამცემი ხაზის ფუნდამენტურ ფაზას შორის არსებობს უკუპროპორციული დამოკიდებულება, რაც დიზაინის სპეციფიკურია. ეს აჩვენებს, რომ ტრადიციულ განაწილებულ სქემებში ოპერაციული გამტარობის კონტროლი ადვილი არ არის. ეს შეიძლება მივაწეროთ ტრადიციული გადამცემი ხაზების შეზღუდვებს თავისუფლების ხარისხების თვალსაზრისით. თუმცა, დატვირთვის ელემენტები საშუალებას იძლევა გამოყენებულ იქნას დამატებითი პარამეტრები მეტამასალის TL-ებში და ფაზური რეაქციის კონტროლი გარკვეულწილად შესაძლებელია. გამტარობის გაზრდის მიზნით, აუცილებელია დისპერსიული მახასიათებლების ოპერაციული სიხშირის მახლობლად მსგავსი დახრილობა. ხელოვნური მეტამასალის TL-ს შეუძლია ამ მიზნის მიღწევა. ამ მიდგომის საფუძველზე, ნაშრომში შემოთავაზებულია ანტენების გამტარობის გაზრდის მრავალი მეთოდი. მეცნიერებმა დააპროექტეს და დაამზადეს ორი ფართოზოლოვანი ანტენა, რომლებიც დატვირთულია გაყოფილი რგოლის რეზონატორებით (იხ. სურათი 7). ნახაზ 7-ზე ნაჩვენები შედეგები აჩვენებს, რომ გაყოფილი რგოლის რეზონატორის ჩვეულებრივი მონოპოლური ანტენით დატვირთვის შემდეგ, აღიგზნება დაბალი რეზონანსული სიხშირის რეჟიმი. გაყოფილი რგოლის რეზონატორის ზომა ოპტიმიზირებულია მონოპოლური ანტენის რეზონანსთან მიახლოებული რეზონანსის მისაღწევად. შედეგები აჩვენებს, რომ როდესაც ორი რეზონანსი ემთხვევა, ანტენის გამტარობა და გამოსხივების მახასიათებლები იზრდება. მონოპოლური ანტენის სიგრძე და სიგანე შესაბამისად 0.25λ0×0.11λ0 და 0.25λ0×0.21λ0 (4 გჰც) არის, ხოლო გაყოფილი რგოლის რეზონატორით დატვირთული მონოპოლური ანტენის სიგრძე და სიგანე შესაბამისად 0.29λ0×0.21λ0 (2.9 გჰც) არის. ჩვეულებრივი F-ფორმის ანტენისა და გაყოფილი რგოლის რეზონატორის გარეშე T-ფორმის ანტენისთვის, 5 გჰც დიაპაზონში გაზომილი ყველაზე მაღალი მომატება და გამოსხივების ეფექტურობა შესაბამისად 3.6dBi - 78.5% და 3.9dBi - 80.2% არის. გაყოფილი რგოლის რეზონატორით დატვირთული ანტენისთვის, ეს პარამეტრები 6 გჰც დიაპაზონში შესაბამისად 4dBi - 81.2% და 4.4dBi - 83% შეადგენს. მონოპოლური ანტენის შესაბამის დატვირთვად გაყოფილი რგოლის რეზონატორის დანერგვით, შესაძლებელია 2.9 გჰც ~ 6.41 გჰც და 2.6 გჰც ~ 6.6 გჰც დიაპაზონების მხარდაჭერა, რაც შესაბამისად 75.4%-იან და ~87%-იან ფრაქციულ გამტარობას შეესაბამება. ეს შედეგები აჩვენებს, რომ გაზომვის გამტარობა დაახლოებით 2.4-ჯერ და 2.11-ჯერ არის გაუმჯობესებული დაახლოებით ფიქსირებული ზომის ტრადიციულ მონოპოლური ანტენებთან შედარებით.

სურათი 7. ორი ფართოზოლოვანი ანტენა, რომლებიც დატვირთულია გაყოფილი რგოლური რეზონატორებით.

როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 8-ზე, ნაჩვენებია კომპაქტური დაბეჭდილი მონოპოლური ანტენის ექსპერიმენტული შედეგები. როდესაც S11≤-10 dB, ოპერაციული გამტარობაა 185% (0.115-2.90 GHz), ხოლო 1.45 GHz-ზე, პიკური გაძლიერება და გამოსხივების ეფექტურობა შესაბამისად 2.35 dBi და 78.8%-ია. ანტენის განლაგება მსგავსია ზურგზე განლაგებული სამკუთხა ფურცლის სტრუქტურისა, რომელიც იკვებება მრუდხაზოვანი სიმძლავრის გამყოფით. დამოკლებული GND შეიცავს ცენტრალურ ღეროს, რომელიც მოთავსებულია მიმწოდებლის ქვეშ, ხოლო მის გარშემო განლაგებულია ოთხი ღია რეზონანსული რგოლი, რაც აფართოებს ანტენის გამტარობას. ანტენა ასხივებს თითქმის ყველგანმიმართულებით, მოიცავს VHF და S დიაპაზონების უმეტესობას და UHF და L დიაპაზონების ყველა ნაწილს. ანტენის ფიზიკური ზომაა 48.32×43.72×0.8 მმ3, ხოლო ელექტრული ზომაა 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0. მას აქვს მცირე ზომისა და დაბალი ღირებულების უპირატესობები და აქვს ფართოზოლოვანი უკაბელო საკომუნიკაციო სისტემებში გამოყენების პოტენციური პერსპექტივები.

სურათი 8: მონოპოლური ანტენა, რომელიც დატვირთულია გაყოფილი რგოლური რეზონატორით.

სურათი 9 გვიჩვენებს ბრტყელ ანტენის სტრუქტურას, რომელიც შედგება ორი წყვილი ურთიერთდაკავშირებული მეანდრისებრი მავთულის მარყუჟებისგან, რომლებიც დამიწებულია T-ფორმის დამიწების სიბრტყეზე ორი გამტარი საშუალებით. ანტენის ზომაა 38.5×36.6 მმ2 (0.070λ0×0.067λ0), სადაც λ0 არის თავისუფალი სივრცის ტალღის სიგრძე 0.55 გჰც. ანტენა ასხივებს ყველგანმიმართულებით E-სიბრტყეში 0.55 ~ 3.85 გჰც ოპერაციული სიხშირის დიაპაზონში, მაქსიმალური გაძლიერებით 5.5dBi 2.35 გჰც სიხშირეზე და ეფექტურობით 90.1%. ეს მახასიათებლები შემოთავაზებულ ანტენას შესაფერისს ხდის სხვადასხვა გამოყენებისთვის, მათ შორის UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi და Bluetooth.

სურ. 9 შემოთავაზებული ბრტყელი ანტენის სტრუქტურა.

2. გაჟონვის ტალღის ანტენა (LWA)
ახალი გაჟონვის ტალღის ანტენა ხელოვნური მეტამასალის TL რეალიზაციის ერთ-ერთი მთავარი გამოყენებაა. გაჟონვის ტალღის ანტენებისთვის, ფაზის მუდმივას β გავლენა გამოსხივების კუთხეზე (θm) და სხივის მაქსიმალურ სიგანეზე (Δθ) შემდეგია:

L არის ანტენის სიგრძე, k0 არის ტალღის რიცხვი თავისუფალ სივრცეში და λ0 არის ტალღის სიგრძე თავისუფალ სივრცეში. გაითვალისწინეთ, რომ გამოსხივება ხდება მხოლოდ მაშინ, როდესაც |β|

3. ნულოვანი რიგის რეზონატორული ანტენა
CRLH მეტამასალის უნიკალური თვისება ის არის, რომ β შეიძლება იყოს 0, როდესაც სიხშირე ნულის ტოლი არ არის. ამ თვისების საფუძველზე შესაძლებელია ახალი ნულოვანი რიგის რეზონატორის (ZOR) გენერირება. როდესაც β ნულის ტოლია, მთელ რეზონატორში ფაზური ცვლა არ ხდება. ეს იმიტომ ხდება, რომ ფაზური ცვლის მუდმივა φ = - βd = 0. გარდა ამისა, რეზონანსი დამოკიდებულია მხოლოდ რეაქტიულ დატვირთვაზე და დამოუკიდებელია სტრუქტურის სიგრძისგან. სურათი 10 გვიჩვენებს, რომ შემოთავაზებული ანტენა დამზადებულია E-ფორმის ორი და სამი ერთეულის გამოყენებით და მისი საერთო ზომაა შესაბამისად 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 და 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0, სადაც λ0 წარმოადგენს თავისუფალი სივრცის ტალღის სიგრძეს შესაბამისად 500 MHz და 650 MHz სამუშაო სიხშირეებზე. ანტენა მუშაობს 0.5-1.35 გჰც (0.85 გჰც) და 0.65-1.85 გჰც (1.2 გჰც) სიხშირეებზე, 91.9% და 96.0% ფარდობითი გამტარუნარიანობით. მცირე ზომისა და ფართო გამტარუნარიანობის მახასიათებლების გარდა, პირველი და მეორე ანტენების გაძლიერება და ეფექტურობა შესაბამისად 5.3dBi და 85% (1 გჰც) და 5.7dBi და 90% (1.4 გჰც) შეადგენს.

სურ. 10 შემოთავაზებული ორმაგი E და სამმაგი E ანტენის სტრუქტურები.

4. სლოტიანი ანტენა
CRLH-MTM ანტენის აპერტურის გასადიდებლად შემოთავაზებულია მარტივი მეთოდი, თუმცა მისი ზომა თითქმის უცვლელია. როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 11-ზე, ანტენა მოიცავს CRLH ერთეულებს, რომლებიც ვერტიკალურად არის ერთმანეთზე განლაგებული, რომლებიც შეიცავს ლაქებსა და მეანდრულ ხაზებს, ხოლო ლაქზე არის S-ის ფორმის ჭრილი. ანტენა იკვებება CPW შესაბამისი ღეროთი და მისი ზომაა 17.5 მმ × 32.15 მმ × 1.6 მმ, რაც შეესაბამება 0.204λ0×0.375λ0×0.018λ0-ს, სადაც λ0 (3.5 GHz) წარმოადგენს თავისუფალი სივრცის ტალღის სიგრძეს. შედეგები აჩვენებს, რომ ანტენა მუშაობს 0.85-7.90 GHz სიხშირის დიაპაზონში და მისი სამუშაო გამტარობაა 161.14%. ანტენის ყველაზე მაღალი გამოსხივების მომატება და ეფექტურობა ვლინდება 3.5 GHz სიხშირეზე, რაც შესაბამისად 5.12dBi და ~80%-ია.