חדשות - סקירה של אנטנות קווי תמסורת המבוססות על מטא-חומרים (חלק 2)

2. יישום MTM-TL במערכות אנטנה
סעיף זה יתמקד ב-TLs עשויים מטא-חומרים מלאכותיים ובכמה מהיישומים הנפוצים והרלוונטיים ביותר שלהם למימוש מבני אנטנה שונים בעלי עלות נמוכה, ייצור קל, מזעור, רוחב פס רחב, הגבר ויעילות גבוהים, יכולת סריקה בטווח רחב ופרופיל נמוך. היבטים אלה יידונו להלן.

1. אנטנות פס רחב ורב-תדרים
בקו תמסורת טיפוסי באורך l, כאשר תדר הזווית ω0 נתון, ניתן לחשב את האורך החשמלי (או הפאזה) של קו תמסורת באופן הבא:

כאשר vp מייצג את מהירות הפאזה של קו ההולכה. כפי שניתן לראות מהאמור לעיל, רוחב הפס תואם בקירוב את עיכוב הקבוצה, שהוא הנגזרת של φ ביחס לתדר. לכן, ככל שאורך קו ההולכה מתקצר, גם רוחב הפס מתרחב. במילים אחרות, קיים יחס הפוך בין רוחב הפס לפאזה הבסיסית של קו ההולכה, שהוא ספציפי לתכנון. זה מראה שבמעגלים מבוזרים מסורתיים, רוחב הפס הפעיל אינו קל לשליטה. ניתן לייחס זאת למגבלות של קווי תמסורת מסורתיים מבחינת דרגות חופש. עם זאת, אלמנטים של טעינה מאפשרים שימוש בפרמטרים נוספים ב-TLs של מטא-חומר, וניתן לשלוט במידה מסוימת בתגובת הפאזה. על מנת להגדיל את רוחב הפס, יש צורך בשיפוע דומה ליד תדר הפעולה של מאפייני הפיזור. TL של מטא-חומר מלאכותי יכול להשיג מטרה זו. בהתבסס על גישה זו, מוצעות במאמר שיטות רבות לשיפור רוחב הפס של אנטנות. חוקרים תכננו וייצרו שתי אנטנות פס רחב טעונות בתהודה מפוצלת (ראה איור 7). התוצאות המוצגות באיור 7 מראות שלאחר טעינת מהוד הטבעת המפוצלת עם אנטנה מונופול קונבנציונלית, מתבצע עירור של מצב תדר תהודה נמוך. גודל מהוד הטבעת המפוצלת ממוטב כדי להשיג תהודה קרובה לזו של אנטנת המונופול. התוצאות מראות שכאשר שתי התהודות חופפות, מאפייני רוחב הפס ומאפייני הקרינה של האנטנה גדלים. אורך ורוחב אנטנת המונופול הם 0.25λ0×0.11λ0 ו-0.25λ0×0.21λ0 (4GHz), בהתאמה, ואורך ורוחב אנטנת המונופול טעונה עם מהוד טבעת מפוצל הם 0.29λ0×0.21λ0 (2.9GHz), בהתאמה. עבור אנטנה בצורת F קונבנציונלית ואנטנה בצורת T ללא מהוד טבעת מפוצל, ההגבר ויעילות הקרינה הגבוהים ביותר שנמדדו בתחום 5GHz הם 3.6dBi - 78.5% ו-3.9dBi - 80.2%, בהתאמה. עבור אנטנה טעונה עם מהוד טבעת מפוצל, פרמטרים אלה הם 4dBi - 81.2% ו-4.4dBi - 83%, בהתאמה, בתחום התדרים של 6GHz. על ידי יישום מהוד טבעת מפוצל כעומס תואם על אנטנת המונופול, ניתן לתמוך בפסי 2.9GHz ~ 6.41GHz ו-2.6GHz ~ 6.6GHz, התואמים לרוחבי פס חלקיים של 75.4% ו-~87%, בהתאמה. תוצאות אלה מראות שרוחב הפס של המדידה משופר פי 2.4 ופי 2.11 בקירוב בהשוואה לאנטנות מונופול מסורתיות בגודל קבוע בקירוב.

איור 7. שתי אנטנות פס רחב טעונות בתהודה בעלת טבעת מפוצלת.

כפי שמוצג באיור 8, מוצגות תוצאות הניסוי של אנטנת מונופול קומפקטית מודפסת. כאשר S11 ≤- 10 dB, רוחב הפס הפעיל הוא 185% (0.115-2.90 GHz), וב-1.45 GHz, הגבר השיא ויעילות הקרינה הם 2.35 dBi ו-78.8%, בהתאמה. סידור האנטנה דומה למבנה יריעת משולש גב אל גב, המוזן על ידי מחלק הספק עקמומי. ה-GND הקצר מכיל גבעול מרכזי הממוקם מתחת למזין, וארבע טבעות תהודה פתוחות מפוזרות סביבו, מה שמרחיב את רוחב הפס של האנטנה. האנטנה מקרינה כמעט בכל כיוונים, ומכסה את רוב תחומי ה-VHF וה-S, ואת כל תחומי ה-UHF וה-L. הגודל הפיזי של האנטנה הוא 48.32×43.72×0.8 mm3, והגודל החשמלי הוא 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0. יש לו את היתרונות של גודל קטן ועלות נמוכה, ויש לו פוטנציאל יישום במערכות תקשורת אלחוטית בפס רחב.

איור 8: אנטנה חד-קוטבית טעונה עם מהוד טבעת מפוצל.

איור 9 מציג מבנה אנטנה מישורי המורכב משני זוגות של לולאות חוטי פיתול מחוברים זה בזה, המחוברות למישור הארקה קטום בצורת T דרך שני פתחים. גודל האנטנה הוא 38.5×36.6 מ"מ² (0.070λ0×0.067λ0), כאשר λ0 הוא אורך הגל במרחב החופשי של 0.55 גיגה-הרץ. האנטנה מקרינה בצורה רב-כיוונית במישור E בתחום התדרים התפעוליים של 0.55 ~ 3.85 גיגה-הרץ, עם הגבר מקסימלי של 5.5dBi בתדר 2.35 גיגה-הרץ ויעילות של 90.1%. תכונות אלו הופכות את האנטנה המוצעת למתאימה ליישומים שונים, כולל UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi ו-Bluetooth.

איור 9 מבנה אנטנה מישורית מוצע.

2. אנטנת גל דולף (LWA)
אנטנת גל דליפה חדשה היא אחד היישומים העיקריים למימוש TL מטא-חומר מלאכותי. עבור אנטנות גל דליפה, ההשפעה של קבוע הפאזה β על זווית הקרינה (θm) ורוחב הקרן המרבי (Δθ) היא כדלקמן:

L הוא אורך האנטנה, k0 הוא מספר הגל במרחב הפנוי, ו-λ0 הוא אורך הגל במרחב הפנוי. שים לב שקרינה מתרחשת רק כאשר |β|

3. אנטנת מהוד מסדר אפס
תכונה ייחודית של מטא-חומר CRLH היא ש-β יכול להיות 0 כאשר התדר אינו שווה לאפס. בהתבסס על תכונה זו, ניתן ליצור מהוד מסדר אפס (ZOR) חדש. כאשר β הוא אפס, לא מתרחשת הזזת פאזה בכל המהוד. הסיבה לכך היא שקבוע הזזת הפאזה φ = - βd = 0. בנוסף, התהודה תלויה רק בעומס הריאקטיבי ואינה תלויה באורך המבנה. איור 10 מראה שהאנטנה המוצעת מיוצרה על ידי יישום שתיים ושלוש יחידות בעלות צורת E, והגודל הכולל הוא 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 ו-0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0, בהתאמה, כאשר λ0 מייצג את אורך הגל של המרחב הפנוי בתדרי פעולה של 500 מגה-הרץ ו-650 מגה-הרץ, בהתאמה. האנטנה פועלת בתדרים של 0.5-1.35 גיגה-הרץ (0.85 גיגה-הרץ) ו-0.65-1.85 גיגה-הרץ (1.2 גיגה-הרץ), עם רוחבי פס יחסיים של 91.9% ו-96.0%. בנוסף למאפייני הגודל הקטן ורוחב הפס הרחב, ההגבר והיעילות של האנטנה הראשונה והשנייה הם 5.3dBi ו-85% (1 גיגה-הרץ) ו-5.7dBi ו-90% (1.4 גיגה-הרץ), בהתאמה.

איור 10 מבני אנטנה מוצעים מסוג double-E ו-triple-E.

4. אנטנת חריץ
הוצעה שיטה פשוטה להגדלת הצמצם של אנטנת CRLH-MTM, אך גודל האנטנה שלה כמעט ולא השתנה. כפי שמוצג באיור 11, האנטנה כוללת יחידות CRLH המוערמות אנכית זו על גבי זו, המכילות פאצ'ים וקווי פיתול, ויש חריץ בצורת S על הפאצ'. האנטנה מוזנת על ידי שקע התאמה CPW, וגודלה הוא 17.5 מ"מ × 32.15 מ"מ × 1.6 מ"מ, התואם ל- 0.204λ0×0.375λ0×0.018λ0, כאשר λ0 (3.5GHz) מייצג את אורך הגל של המרחב הפנוי. התוצאות מראות שהאנטנה פועלת בטווח התדרים של 0.85-7.90GHz, ורוחב הפס הפעולה שלה הוא 161.14%. רווח הקרינה והיעילות הגבוהים ביותר של האנטנה מופיעים ב-3.5GHz, שהם 5.12dBi ו-~80%, בהתאמה.