Ειδήσεις - Ανασκόπηση κεραιών γραμμών μεταφοράς με βάση μεταϋλικά (Μέρος 2)

2. Εφαρμογή MTM-TL σε Συστήματα Κεραιών
Αυτή η ενότητα θα επικεντρωθεί σε TL τεχνητού μεταϋλικού και σε μερικές από τις πιο κοινές και σχετικές εφαρμογές τους για την υλοποίηση διαφόρων δομών κεραιών με χαμηλό κόστος, εύκολη κατασκευή, σμίκρυνση, μεγάλο εύρος ζώνης, υψηλό κέρδος και απόδοση, δυνατότητα σάρωσης μεγάλου εύρους και χαμηλό προφίλ. Αναλύονται παρακάτω.

1. Κεραίες ευρυζωνικότητας και πολλαπλών συχνοτήτων
Σε ένα τυπικό TL με μήκος l, όταν δίνεται η γωνιακή συχνότητα ω0, το ηλεκτρικό μήκος (ή φάση) της γραμμής μεταφοράς μπορεί να υπολογιστεί ως εξής:

Όπου το vp αντιπροσωπεύει την ταχύτητα φάσης της γραμμής μεταφοράς. Όπως φαίνεται από τα παραπάνω, το εύρος ζώνης αντιστοιχεί στενά στην καθυστέρηση της ομάδας, η οποία είναι η παράγωγος του φ ως προς τη συχνότητα. Επομένως, καθώς το μήκος της γραμμής μεταφοράς γίνεται μικρότερο, το εύρος ζώνης γίνεται επίσης ευρύτερο. Με άλλα λόγια, υπάρχει μια αντίστροφη σχέση μεταξύ του εύρους ζώνης και της θεμελιώδους φάσης της γραμμής μεταφοράς, η οποία είναι ειδικά σχεδιασμένη. Αυτό δείχνει ότι στα παραδοσιακά κατανεμημένα κυκλώματα, το εύρος ζώνης λειτουργίας δεν είναι εύκολο να ελεγχθεί. Αυτό μπορεί να αποδοθεί στους περιορισμούς των παραδοσιακών γραμμών μεταφοράς όσον αφορά τους βαθμούς ελευθερίας. Ωστόσο, τα στοιχεία φόρτωσης επιτρέπουν τη χρήση πρόσθετων παραμέτρων σε μεταϋλικά TL και η απόκριση φάσης μπορεί να ελεγχθεί σε κάποιο βαθμό. Για να αυξηθεί το εύρος ζώνης, είναι απαραίτητο να υπάρχει παρόμοια κλίση κοντά στη συχνότητα λειτουργίας των χαρακτηριστικών διασποράς. Το τεχνητό μεταϋλικό TL μπορεί να επιτύχει αυτόν τον στόχο. Με βάση αυτή την προσέγγιση, πολλές μέθοδοι για τη βελτίωση του εύρους ζώνης των κεραιών προτείνονται στην εργασία. Οι μελετητές έχουν σχεδιάσει και κατασκευάσει δύο ευρυζωνικές κεραίες φορτωμένες με αντηχεία διαχωρισμένου δακτυλίου (βλ. Εικόνα 7). Τα αποτελέσματα που φαίνονται στο Σχήμα 7 δείχνουν ότι μετά τη φόρτωση του αντηχείου διαχωρισμένου δακτυλίου με τη συμβατική μονοπολική κεραία, διεγείρεται μια λειτουργία χαμηλής συχνότητας συντονισμού. Το μέγεθος του αντηχείου διαχωρισμένου δακτυλίου είναι βελτιστοποιημένο για να επιτυγχάνεται συντονισμός κοντά σε αυτόν της μονοπολικής κεραίας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι όταν οι δύο συντονισμοί συμπίπτουν, το εύρος ζώνης και τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας της κεραίας αυξάνονται. Το μήκος και το πλάτος της μονοπολικής κεραίας είναι 0,25λ0×0,11λ0 και 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), αντίστοιχα, και το μήκος και το πλάτος της μονόπολης κεραίας που είναι φορτωμένη με αντηχείο διαχωρισμένου δακτυλίου είναι 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz ), αντίστοιχα. Για τη συμβατική κεραία σχήματος F και κεραία σχήματος Τ χωρίς αντηχείο διαχωρισμένου δακτυλίου, το υψηλότερο κέρδος και απόδοση ακτινοβολίας που μετράται στη ζώνη των 5 GHz είναι 3,6 dBi - 78,5% και 3,9 dBi - 80,2%, αντίστοιχα. Για την κεραία που είναι φορτωμένη με αντηχείο διαχωρισμένου δακτυλίου, αυτές οι παράμετροι είναι 4dBi - 81,2% και 4,4dBi - 83%, αντίστοιχα, στη ζώνη των 6 GHz. Με την εφαρμογή ενός αντηχείου διαχωρισμένου δακτυλίου ως αντίστοιχο φορτίο στη μονοπολική κεραία, μπορούν να υποστηριχθούν οι ζώνες 2,9GHz ~ 6,41GHz και 2,6GHz ~ 6,6GHz, που αντιστοιχούν σε κλασματικά εύρη ζώνης 75,4% και ~87%, αντίστοιχα. Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το εύρος ζώνης μέτρησης βελτιώνεται κατά περίπου 2,4 φορές και 2,11 φορές σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μονοπολικές κεραίες περίπου σταθερού μεγέθους.

Εικόνα 7. Δύο κεραίες ευρείας ζώνης φορτωμένες με αντηχεία διαχωρισμένου δακτυλίου.

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 8, φαίνονται τα πειραματικά αποτελέσματα της συμπαγούς τυπωμένης μονοπολικής κεραίας. Όταν S11≤- 10 dB, το λειτουργικό εύρος ζώνης είναι 185% (0,115-2,90 GHz) και στα 1,45 GHz, το μέγιστο κέρδος και η απόδοση ακτινοβολίας είναι 2,35 dBi και 78,8%, αντίστοιχα. Η διάταξη της κεραίας είναι παρόμοια με μια πλάτη με πλάτη τριγωνική δομή φύλλου, η οποία τροφοδοτείται από έναν καμπυλόγραμμο διαιρέτη ισχύος. Το κολοβωμένο GND περιέχει ένα κεντρικό στέλεχος τοποθετημένο κάτω από τον τροφοδότη και τέσσερις ανοιχτοί δακτύλιοι συντονισμού είναι κατανεμημένοι γύρω του, γεγονός που διευρύνει το εύρος ζώνης της κεραίας. Η κεραία ακτινοβολεί σχεδόν πανκατευθυντικά, καλύπτοντας τις περισσότερες από τις ζώνες VHF και S και όλες τις ζώνες UHF και L. Το φυσικό μέγεθος της κεραίας είναι 48,32×43,72×0,8 mm3 και το ηλεκτρικό μέγεθος είναι 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Έχει τα πλεονεκτήματα του μικρού μεγέθους και του χαμηλού κόστους και έχει πιθανές προοπτικές εφαρμογής σε ευρυζωνικά συστήματα ασύρματης επικοινωνίας.

Εικόνα 8: Μονοπολική κεραία φορτωμένη με αντηχείο διαχωρισμένου δακτυλίου.

Το Σχήμα 9 δείχνει μια επίπεδη δομή κεραίας που αποτελείται από δύο ζεύγη διασυνδεδεμένων βρόχων συρμάτινου μαιάνδρου γειωμένους σε ένα κολοβωμένο επίπεδο γείωσης σχήματος Τ μέσω δύο αγωγών. Το μέγεθος της κεραίας είναι 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), όπου λ0 είναι το μήκος κύματος ελεύθερου χώρου των 0,55 GHz. Η κεραία ακτινοβολεί πανκατευθυντικά στο E-plane στη ζώνη συχνοτήτων λειτουργίας 0,55 ~ 3,85 GHz, με μέγιστο κέρδος 5,5 dBi στα 2,35 GHz και απόδοση 90,1%. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν την προτεινόμενη κεραία κατάλληλη για διάφορες εφαρμογές, όπως UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi και Bluetooth.

Εικ. 9 Προτεινόμενη δομή επίπεδης κεραίας.

2. Κεραία με διαρροή κυμάτων (LWA)
Η νέα κεραία διαρροών κυμάτων είναι μία από τις κύριες εφαρμογές για την υλοποίηση τεχνητού μεταϋλικού TL. Για κεραίες κύματος διαρροής, η επίδραση της σταθεράς φάσης β στη γωνία ακτινοβολίας (θm) και στο μέγιστο πλάτος δέσμης (Δθ) είναι η εξής:

L είναι το μήκος της κεραίας, k0 είναι ο αριθμός κύματος στον ελεύθερο χώρο και λ0 είναι το μήκος κύματος στον ελεύθερο χώρο. Σημειώστε ότι η ακτινοβολία εμφανίζεται μόνο όταν |β|

3. Κεραία αντηχείου μηδενικής τάξης
Μια μοναδική ιδιότητα του μεταϋλικού CRLH είναι ότι το β μπορεί να είναι 0 όταν η συχνότητα δεν είναι ίση με μηδέν. Με βάση αυτή την ιδιότητα, μπορεί να δημιουργηθεί ένας νέος συντονιστής μηδενικής τάξης (ZOR). Όταν το β είναι μηδέν, δεν συμβαίνει μετατόπιση φάσης σε ολόκληρο τον συντονιστή. Αυτό συμβαίνει γιατί η σταθερά μετατόπισης φάσης φ = - βd = 0. Επιπλέον, ο συντονισμός εξαρτάται μόνο από το αντιδραστικό φορτίο και είναι ανεξάρτητος από το μήκος της κατασκευής. Το σχήμα 10 δείχνει ότι η προτεινόμενη κεραία κατασκευάζεται με την εφαρμογή δύο και τριών μονάδων με σχήμα Ε, και το συνολικό μέγεθος είναι 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 και 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, αντίστοιχα, όπου το κύμαλ0 ελεύθερου χώρου κατά τη λειτουργία συχνότητες 500 MHz και 650 MHz, αντίστοιχα. Η κεραία λειτουργεί σε συχνότητες 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) και 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), με σχετικά εύρη ζώνης 91,9% και 96,0%. Εκτός από τα χαρακτηριστικά του μικρού μεγέθους και του ευρέος εύρους ζώνης, το κέρδος και η απόδοση της πρώτης και της δεύτερης κεραίας είναι 5,3dBi και 85% (1GHz) και 5,7dBi και 90% (1,4GHz), αντίστοιχα.

Εικ. 10 Προτεινόμενες δομές κεραίας διπλού-Ε και τριπλού-Ε.

4. Κεραία υποδοχή
Μια απλή μέθοδος έχει προταθεί για τη μεγέθυνση του διαφράγματος της κεραίας CRLH-MTM, αλλά το μέγεθος της κεραίας της είναι σχεδόν αμετάβλητο. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 11, η κεραία περιλαμβάνει μονάδες CRLH στοιβαγμένες κάθετα η μία πάνω στην άλλη, οι οποίες περιέχουν μπαλώματα και γραμμές μαιάνδρου και υπάρχει μια σχισμή σε σχήμα S στο έμπλαστρο. Η κεραία τροφοδοτείται από ένα αντίστοιχο στέλεχος CPW και το μέγεθός της είναι 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, που αντιστοιχεί σε 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, όπου το λ0 (3,5 GHz) αντιπροσωπεύει το μήκος κύματος του ελεύθερου χώρου. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η κεραία λειτουργεί στη ζώνη συχνοτήτων 0,85-7,90 GHz και το εύρος ζώνης λειτουργίας της είναι 161,14%. Το υψηλότερο κέρδος ακτινοβολίας και απόδοση της κεραίας εμφανίζονται στα 3,5 GHz, που είναι 5,12 dBi και ~80%, αντίστοιχα.