Haberler - Metamalzemelere dayalı iletim hattı antenlerinin incelenmesi (Bölüm 2)

2. Anten Sistemlerinde MTM-TL Uygulaması
Bu bölüm, yapay metamalzeme TL'lerine ve düşük maliyet, kolay üretim, minyatürleştirme, geniş bant genişliği, yüksek kazanç ve verimlilik, geniş aralıklı tarama yeteneği ve düşük profil ile çeşitli anten yapılarını gerçekleştirmek için en yaygın ve ilgili uygulamalarından bazılarına odaklanacaktır. Bunlar aşağıda tartışılmaktadır.

1. Geniş bant ve çok frekanslı antenler
Uzunluğu l olan tipik bir TL'de, açısal frekans ω0 verildiğinde, iletim hattının elektriksel uzunluğu (veya fazı) aşağıdaki şekilde hesaplanabilir:

Burada vp iletim hattının faz hızını temsil eder. Yukarıdan görülebileceği gibi, bant genişliği, φ'nin frekansa göre türevi olan grup gecikmesine yakından karşılık gelir. Bu nedenle, iletim hattı uzunluğu kısaldıkça, bant genişliği de genişler. Başka bir deyişle, bant genişliği ile iletim hattının temel fazı arasında tasarıma özgü ters bir ilişki vardır. Bu, geleneksel dağıtılmış devrelerde, çalışma bant genişliğinin kontrol edilmesinin kolay olmadığını gösterir. Bu, serbestlik derecesi açısından geleneksel iletim hatlarının sınırlamalarına atfedilebilir. Ancak, yükleme elemanları metamalzeme TL'lerinde ek parametrelerin kullanılmasına izin verir ve faz tepkisi belirli bir ölçüde kontrol edilebilir. Bant genişliğini artırmak için, dispersiyon özelliklerinin çalışma frekansına yakın benzer bir eğime sahip olmak gerekir. Yapay metamalzeme TL bu hedefe ulaşabilir. Bu yaklaşıma dayanarak, makalede antenlerin bant genişliğini artırmak için birçok yöntem önerilmiştir. Bilim insanları, bölünmüş halka rezonatörleri ile yüklenen iki geniş bant anteni tasarlamış ve üretmiştir (bkz. Şekil 7). Şekil 7'de gösterilen sonuçlar, bölünmüş halka rezonatörünün geleneksel monopol antenle yüklenmesinden sonra, düşük rezonans frekansı modunun uyarıldığını göstermektedir. Bölünmüş halka rezonatörünün boyutu, monopol anteninkine yakın bir rezonans elde etmek için optimize edilmiştir. Sonuçlar, iki rezonans çakıştığında, antenin bant genişliği ve radyasyon özelliklerinin arttığını göstermektedir. Monopol antenin uzunluğu ve genişliği sırasıyla 0,25λ0×0,11λ0 ve 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz)'dir ve bölünmüş halka rezonatörüyle yüklenen monopol antenin uzunluğu ve genişliği sırasıyla 0,29λ0×0,21λ0'dır (2,9GHz). Bölünmüş halka rezonatörü olmayan geleneksel F-şekilli anten ve T-şekilli anten için, 5GHz bandında ölçülen en yüksek kazanç ve radyasyon verimliliği sırasıyla 3,6dBi - %78,5 ve 3,9dBi - %80,2'dir. Bölünmüş halka rezonatörü ile yüklenen anten için, bu parametreler 6GHz bandında sırasıyla 4dBi - %81,2 ve 4,4dBi - %83'tür. Monopol antene eşleştirme yükü olarak bölünmüş halka rezonatörü uygulayarak, sırasıyla %75,4 ve ~%87'lik kesirli bant genişliklerine karşılık gelen 2,9GHz ~ 6,41GHz ve 2,6GHz ~ 6,6GHz bantları desteklenebilir. Bu sonuçlar, ölçüm bant genişliğinin yaklaşık olarak sabit boyutlu geleneksel monopol antenlere kıyasla yaklaşık 2,4 kat ve 2,11 kat iyileştirildiğini göstermektedir.

Şekil 7. Bölünmüş halka rezonatörleriyle yüklenmiş iki geniş bant anteni.

Şekil 8'de gösterildiği gibi, kompakt baskılı monopol antenin deneysel sonuçları gösterilmiştir. S11≤- 10 dB olduğunda, çalışma bant genişliği %185'tir (0,115-2,90 GHz) ve 1,45 GHz'de, tepe kazancı ve radyasyon verimliliği sırasıyla 2,35 dBi ve %78,8'dir. Antenin düzeni, eğrisel bir güç bölücüsü tarafından beslenen sırt sırta üçgen bir levha yapısına benzer. Kesik GND, besleyicinin altına yerleştirilmiş merkezi bir çıkıntı içerir ve etrafına dört açık rezonans halkası dağıtılır, bu da antenin bant genişliğini genişletir. Anten neredeyse her yöne yayılarak VHF ve S bantlarının çoğunu ve UHF ve L bantlarının tamamını kapsar. Antenin fiziksel boyutu 48.32×43.72×0.8 mm3'tür ve elektriksel boyutu 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0'dır. Küçük boyut ve düşük maliyet avantajlarına sahiptir ve geniş bant kablosuz iletişim sistemlerinde potansiyel uygulama beklentileri vardır.

Şekil 8: Bölünmüş halka rezonatörü ile yüklenen monopol anten.

Şekil 9, iki geçiş yoluyla kesik T şeklinde bir toprak düzlemine topraklanmış, birbirine bağlı iki çift meandr tel halkasından oluşan düzlemsel bir anten yapısını göstermektedir. Anten boyutu 38,5×36,6 mm2'dir (0,070λ0×0,067λ0), burada λ0,55 GHz'lik serbest uzay dalga boyudur. Anten, 2,35 GHz'de 5,5 dBi'lik maksimum kazanç ve %90,1'lik bir verimlilikle, 0,55 ~ 3,85 GHz çalışma frekans bandında E düzleminde çok yönlü olarak radyasyon yayar. Bu özellikler, önerilen anteni UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi ve Bluetooth dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için uygun hale getirir.

Şekil 9 Önerilen düzlemsel anten yapısı.

2. Sızdıran Dalga Anteni (LWA)
Yeni sızdıran dalga anteni, yapay metamalzeme TL'yi gerçekleştirmek için ana uygulamalardan biridir. Sızdıran dalga antenleri için, faz sabiti β'nin radyasyon açısı (θm) ve maksimum ışın genişliği (Δθ) üzerindeki etkisi aşağıdaki gibidir:

L anten uzunluğudur, k0 serbest uzaydaki dalga sayısıdır ve λ0 serbest uzaydaki dalga boyudur. Radyasyonun yalnızca |β| olduğunda meydana geldiğini unutmayın.

3. Sıfırıncı mertebe rezonatör anteni
CRLH metamalzemesinin benzersiz bir özelliği, frekans sıfıra eşit olmadığında β'nin 0 olabilmesidir. Bu özelliğe dayanarak yeni bir sıfırıncı mertebeden rezonatör (ZOR) üretilebilir. β sıfır olduğunda, tüm rezonatörde faz kayması meydana gelmez. Bunun nedeni, faz kayması sabiti φ = - βd = 0 olmasıdır. Ayrıca, rezonans yalnızca reaktif yüke bağlıdır ve yapının uzunluğundan bağımsızdır. Şekil 10, önerilen antenin E-şekilli iki ve üç ünite uygulanarak üretildiğini ve toplam boyutun sırasıyla 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 ve 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0 olduğunu göstermektedir; burada λ0, sırasıyla 500 MHz ve 650 MHz çalışma frekanslarında serbest uzayın dalga boyunu temsil eder. Anten, %91,9 ve %96,0'lık bağıl bant genişlikleriyle 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) ve 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz) frekanslarında çalışır. Küçük boyut ve geniş bant genişliği özelliklerine ek olarak, birinci ve ikinci antenlerin kazancı ve verimliliği sırasıyla 5,3 dBi ve %85 (1 GHz) ve 5,7 dBi ve %90'dır (1,4 GHz).

Şekil 10. Önerilen çift-E ve üçlü-E anten yapıları.

4. Yuva Anteni
CRLH-MTM anteninin açıklığını büyütmek için basit bir yöntem önerildi, ancak anten boyutu neredeyse değişmedi. Şekil 11'de gösterildiği gibi, anten, yamalar ve meandr çizgileri içeren, birbirinin üzerine dikey olarak istiflenmiş CRLH üniteleri içerir ve yama üzerinde S şeklinde bir yuva vardır. Anten, bir CPW eşleştirme çıkıntısı tarafından beslenir ve boyutu 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm'dir ve 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0'a karşılık gelir; burada λ0 (3,5 GHz), serbest uzayın dalga boyunu temsil eder. Sonuçlar, antenin 0,85-7,90 GHz frekans bandında çalıştığını ve çalışma bant genişliğinin %161,14 olduğunu göstermektedir. Antenin en yüksek radyasyon kazancı ve verimliliği, sırasıyla 5,12 dBi ve ~%80 olan 3,5 GHz'de görülmektedir.