Νέα - Μια ανασκόπηση των κεραιών γραμμής μεταφοράς που βασίζονται σε μεταϋλικά (Μέρος 2)

2. Εφαρμογή του MTM-TL σε συστήματα κεραιών
Αυτή η ενότητα θα επικεντρωθεί σε τεχνητά μεταϋλικά TL και σε ορισμένες από τις πιο συνηθισμένες και σχετικές εφαρμογές τους για την υλοποίηση διαφόρων δομών κεραίας με χαμηλό κόστος, εύκολη κατασκευή, σμίκρυνση, ευρύ εύρος ζώνης, υψηλό κέρδος και απόδοση, δυνατότητα σάρωσης σε μεγάλο εύρος και χαμηλό προφίλ. Αυτές συζητούνται παρακάτω.

1. Κεραίες ευρείας ζώνης 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 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 ειδική για το σχεδιασμό. 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. Προκειμένου να αυξηθεί το εύρος ζώνης, είναι απαραίτητο να υπάρχει παρόμοια κλίση κοντά στη συχνότητα λειτουργίας των χαρακτηριστικών διασποράς. Τα τεχνητά μεταϋλικά TL μπορούν να επιτύχουν αυτόν τον στόχο. Με βάση αυτήν την προσέγγιση, προτείνονται πολλές μέθοδοι για την ενίσχυση του εύρους ζώνης των κεραιών στην εργασία. Οι μελετητές έχουν σχεδιάσει και κατασκευάσει δύο κεραίες ευρείας ζώνης φορτωμένες με συντονιστές split ring (βλ. Σχήμα 7). Τα αποτελέσματα που φαίνονται στο Σχήμα 7 δείχνουν ότι μετά τη φόρτωση του συντονιστή διαιρούμενου δακτυλίου με τη συμβατική μονοπολική κεραία, διεγείρεται μια λειτουργία χαμηλής συχνότητας συντονισμού. Το μέγεθος του συντονιστή διαιρούμενου δακτυλίου βελτιστοποιείται για να επιτευχθεί συντονισμός κοντά σε αυτόν της μονοπολικής κεραίας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι όταν οι δύο συντονισμοί συμπίπτουν, τα χαρακτηριστικά εύρους ζώνης και 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 μονοπολικής κεραίας που φορτώνεται με συντονιστή διαιρούμενου δακτυλίου είναι 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz), αντίστοιχα. Για τη συμβατική κεραία σχήματος F και την κεραία σχήματος Τ χωρίς συντονιστή διαιρούμενου δακτυλίου, το υψηλότερο κέρδος και η απόδοση ακτινοβολίας που μετρήθηκαν στη ζώνη των 5GHz είναι 3,6dBi - 78,5% και 3,9dBi - 80,2%, αντίστοιχα. Για την κεραία που είναι φορτωμένη με συντονιστή διαιρούμενου δακτυλίου, αυτές οι παράμετροι είναι 4dBi - 81,2% και 4,4dBi - 83%, αντίστοιχα, στη ζώνη των 6 GHz. Με την εφαρμογή ενός συντονιστή διαιρούμενου δακτυλίου ως αντίστοιχο φορτίο στη μονοπολική κεραία, μπορούν να υποστηριχθούν οι ζώνες 2,9 GHz ~ 6,41 GHz και 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, 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.

Σχήμα 7. Δύο κεραίες ευρείας ζώνης φορτωμένες με συντονιστές διαιρεμένου δακτυλίου.

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 8, παρουσιάζονται 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 τριγωνική δομή φύλλου πλάτης-με-πλάτη, η οποία τροφοδοτείται από έναν καμπυλόγραμμο διαιρέτη ισχύος. Ο κολοβωμένος GND περιέχει ένα κεντρικό στέλεχος τοποθετημένο κάτω από τον τροφοδότη και τέσσερις ανοιχτοί δακτύλιοι συντονισμού κατανεμημένοι γύρω του, γεγονός που διευρύνει το εύρος ζώνης της κεραίας. Η κεραία ακτινοβολεί σχεδόν πανκατευθυντικά, καλύπτοντας το μεγαλύτερο μέρος των ζωνών 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 συστήματα ασύρματης επικοινωνίας ευρείας ζώνης.

Σχήμα 8: Μονοπολική κεραία φορτωμένη με συντονιστή διαιρεμένου δακτυλίου.

Το Σχήμα 9 δείχνει μια επίπεδη δομή κεραίας που αποτελείται από δύο ζεύγη διασυνδεδεμένων βρόχων μαιάνδρου σύρματος γειωμένων σε ένα κολοβωμένο επίπεδο γείωσης σε σχήμα Τ μέσω δύο οπών. Το μέγεθος της κεραίας είναι 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), όπου λ0 είναι το μήκος κύματος ελεύθερου χώρου 0,55 GHz. Η κεραία ακτινοβολεί πανκατευθυντικά στο επίπεδο Ε στη ζώνη συχνοτήτων λειτουργίας 0,55 ~ 3,85 GHz, με μέγιστο κέρδος 5,5dBi 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.

Σχήμα 9 Προτεινόμενη επίπεδη δομή κεραίας.

2. Κεραία διαρροής κύματος (LWA)
Η νέα κεραία διαρροής κύματος είναι μία από τις κύριες εφαρμογές για την υλοποίηση τεχνητής μεταϋλικής TL. Για κεραίες διαρροής κύματος, η επίδραση της σταθεράς φάσης β στη γωνία ακτινοβολίας (θm) και το μέγιστο πλάτος δέσμης (Δθ) έχει ως εξής:

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

3. Κεραία συντονιστή 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 αυτήν την ιδιότητα, μπορεί να δημιουργηθεί ένας νέος συντονιστής μηδενικής τάξης (ZOR). Όταν το β είναι μηδέν, δεν εμφανίζεται μετατόπιση φάσης σε ολόκληρο τον συντονιστή. Αυτό συμβαίνει επειδή η σταθερά μετατόπισης φάσης φ = - βd = 0. Επιπλέον, ο συντονισμός εξαρτάται μόνο από το άεργο φορτίο και είναι ανεξάρτητος από το μήκος της δομής. Το Σχήμα 10 δείχνει ότι η προτεινόμενη κεραία κατασκευάζεται εφαρμόζοντας δύο και τρεις μονάδες με σχήμα Ε, και το συνολικό μέγεθος είναι 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 και 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, αντίστοιχα, όπου το λ0 αντιπροσωπεύει το μήκος κύματος του ελεύθερου χώρου σε συχνότητες λειτουργίας 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 μεγάλου 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.

Σχήμα 10 Προτεινόμενες δομές κεραίας διπλού-E και τριπλού-E.

4. Κεραία υποδοχής
Έχει προταθεί μια απλή μέθοδος για τη διεύρυνση του διαφράγματος της κεραίας CRLH-MTM, αλλά το μέγεθός της παραμένει σχεδόν αμετάβλητο. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 11, η κεραία περιλαμβάνει μονάδες CRLH στοιβαγμένες κάθετα η μία πάνω στην άλλη, οι οποίες περιέχουν κηλίδες και μαιανδρικές γραμμές, και υπάρχει μια σχισμή σχήματος S στην κηλίδα. 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 (3,5GHz) αντιπροσωπεύει το μήκος κύματος του ελεύθερου χώρου. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η κεραία λειτουργεί στη ζώνη συχνοτήτων 0,85-7,90GHz και το εύρος ζώνης λειτουργίας της είναι 161,14%. Το υψηλότερο κέρδος ακτινοβολίας και η απόδοση της κεραίας εμφανίζονται στα 3,5GHz, τα οποία είναι 5,12dBi και ~80%, αντίστοιχα.