2. Aplicación de MTM-TL en Sistemas de Antenas
Esta sección se centrará en los TL de metamateriales artificiales y algunas de sus aplicaciones más comunes y relevantes para realizar diversas estructuras de antenas con bajo costo, fácil fabricación, miniaturización, amplio ancho de banda, alta ganancia y eficiencia, capacidad de escaneo de amplio rango y perfil bajo. Se analizan a continuación.
1. Antenas de banda ancha y multifrecuencia
En un TL típico con una longitud de l, cuando se da la frecuencia angular ω0, la longitud eléctrica (o fase) de la línea de transmisión se puede calcular de la siguiente manera:
Donde vp representa la velocidad de fase de la línea de transmisión. Como puede verse en lo anterior, el ancho de banda corresponde estrechamente al retardo de grupo, que es la derivada de φ con respecto a la frecuencia. Por lo tanto, a medida que la longitud de la línea de transmisión se acorta, el ancho de banda también se hace más amplio. En otras palabras, existe una relación inversa entre el ancho de banda y la fase fundamental de la línea de transmisión, que es específica del diseño. Esto muestra que en los circuitos distribuidos tradicionales, el ancho de banda operativo no es fácil de controlar. Esto puede atribuirse a las limitaciones de las líneas de transmisión tradicionales en términos de grados de libertad. Sin embargo, los elementos de carga permiten el uso de parámetros adicionales en los TL de metamaterial y la respuesta de fase se puede controlar hasta cierto punto. Para aumentar el ancho de banda, es necesario tener una pendiente similar cerca de la frecuencia operativa de las características de dispersión. El metamaterial artificial TL puede lograr este objetivo. Con base en este enfoque, en el artículo se proponen muchos métodos para mejorar el ancho de banda de las antenas. Los académicos han diseñado y fabricado dos antenas de banda ancha cargadas con resonadores de anillo dividido (ver Figura 7). Los resultados mostrados en la Figura 7 muestran que después de cargar el resonador de anillo dividido con la antena monopolo convencional, se excita un modo de baja frecuencia de resonancia. El tamaño del resonador de anillo dividido está optimizado para lograr una resonancia cercana a la de la antena monopolo. Los resultados muestran que cuando las dos resonancias coinciden, el ancho de banda y las características de radiación de la antena aumentan. La longitud y el ancho de la antena monopolo son 0,25λ0×0,11λ0 y 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), respectivamente, y la longitud y el ancho de la antena monopolo cargada con un resonador de anillo dividido son 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz). ), respectivamente. Para la antena convencional en forma de F y la antena en forma de T sin resonador de anillo dividido, la mayor ganancia y eficiencia de radiación medidas en la banda de 5GHz son 3,6dBi (78,5%) y 3,9dBi (80,2%), respectivamente. Para la antena cargada con un resonador de anillo dividido, estos parámetros son 4dBi - 81,2% y 4,4dBi - 83%, respectivamente, en la banda de 6GHz. Al implementar un resonador de anillo dividido como carga coincidente en la antena monopolo, se pueden admitir las bandas de 2,9 GHz ~ 6,41 GHz y 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, lo que corresponde a anchos de banda fraccionarios de 75,4 % y ~87 %, respectivamente. Estos resultados muestran que el ancho de banda de medición mejora aproximadamente 2,4 veces y 2,11 veces en comparación con las antenas monopolo tradicionales de tamaño aproximadamente fijo.
Figura 7. Dos antenas de banda ancha cargadas con resonadores de anillo partido.
Como se muestra en la Figura 8, se muestran los resultados experimentales de la antena monopolo impresa compacta. Cuando S11≤-10 dB, el ancho de banda operativo es del 185% (0,115-2,90 GHz), y a 1,45 GHz, la ganancia máxima y la eficiencia de radiación son 2,35 dBi y 78,8%, respectivamente. El diseño de la antena es similar a una estructura de lámina triangular espalda con espalda, que es alimentada por un divisor de potencia curvilíneo. El GND truncado contiene un trozo central colocado debajo del alimentador, y a su alrededor se distribuyen cuatro anillos resonantes abiertos, lo que amplía el ancho de banda de la antena. La antena irradia casi omnidireccionalmente, cubriendo la mayoría de las bandas VHF y S, y todas las bandas UHF y L. El tamaño físico de la antena es 48,32×43,72×0,8 mm3 y el tamaño eléctrico es 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Tiene las ventajas de su tamaño pequeño y bajo costo, y tiene perspectivas potenciales de aplicación en sistemas de comunicación inalámbrica de banda ancha.
Figura 8: Antena monopolo cargada con resonador de anillo dividido.
La Figura 9 muestra una estructura de antena plana que consta de dos pares de bucles de cables serpenteantes interconectados conectados a tierra a un plano de tierra en forma de T truncado a través de dos vías. El tamaño de la antena es 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), donde λ0 es la longitud de onda en el espacio libre de 0,55 GHz. La antena irradia omnidireccionalmente en el plano E en la banda de frecuencia operativa de 0,55 ~ 3,85 GHz, con una ganancia máxima de 5,5 dBi a 2,35 GHz y una eficiencia del 90,1 %. Estas características hacen que la antena propuesta sea adecuada para diversas aplicaciones, incluidas UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi y Bluetooth.
Fig. 9 Estructura de antena plana propuesta.
2. Antena de onda con fugas (LWA)
La nueva antena de onda con fugas es una de las principales aplicaciones para realizar TL de metamaterial artificial. Para antenas de onda con fugas, el efecto de la constante de fase β sobre el ángulo de radiación (θm) y el ancho máximo del haz (Δθ) es el siguiente:
L es la longitud de la antena, k0 es el número de onda en el espacio libre y λ0 es la longitud de onda en el espacio libre. Tenga en cuenta que la radiación ocurre sólo cuando |β|
3. Antena resonadora de orden cero
Una propiedad única del metamaterial CRLH es que β puede ser 0 cuando la frecuencia no es igual a cero. Basándose en esta propiedad, se puede generar un nuevo resonador de orden cero (ZOR). Cuando β es cero, no se produce ningún cambio de fase en todo el resonador. Esto se debe a que la constante de cambio de fase φ = - βd = 0. Además, la resonancia depende únicamente de la carga reactiva y es independiente de la longitud de la estructura. La Figura 10 muestra que la antena propuesta se fabrica aplicando dos y tres unidades con forma de E, y el tamaño total es 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 y 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0, respectivamente, donde λ0 representa la longitud de onda. de espacio libre en frecuencias operativas de 500 MHz y 650 MHz, respectivamente. La antena funciona en frecuencias de 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) y 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), con anchos de banda relativos de 91,9% y 96,0%. Además de las características de tamaño pequeño y ancho de banda amplio, la ganancia y eficiencia de la primera y segunda antena son 5,3dBi y 85% (1GHz) y 5,7dBi y 90% (1,4GHz), respectivamente.
Fig. 10 Estructuras de antena doble E y triple E propuestas.
4. Antena de ranura
Se ha propuesto un método simple para ampliar la apertura de la antena CRLH-MTM, pero su tamaño de antena casi no cambia. Como se muestra en la Figura 11, la antena incluye unidades CRLH apiladas verticalmente una sobre otra, que contienen parches y líneas serpenteantes, y hay una ranura en forma de S en el parche. La antena está alimentada por un trozo de adaptación CPW y su tamaño es 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, correspondiente a 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, donde λ0 (3,5GHz) representa la longitud de onda del espacio libre. Los resultados muestran que la antena opera en la banda de frecuencia de 0,85-7,90 GHz y su ancho de banda operativo es del 161,14%. La mayor ganancia de radiación y eficiencia de la antena aparecen a 3,5 GHz, que son 5,12 dBi y ~80 %, respectivamente.
Fig. 11 La antena de ranura CRLH MTM propuesta.
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Hora de publicación: 30 de agosto de 2024
