Tin tức - Đánh giá anten đường truyền dựa trên siêu vật liệu (Phần 2)

2. Ứng dụng MTM-TL trong Hệ thống Anten
Phần này sẽ tập trung vào TL siêu vật liệu nhân tạo và một số ứng dụng phổ biến và phù hợp nhất của chúng để hiện thực hóa các cấu trúc ăng-ten khác nhau với chi phí thấp, dễ sản xuất, thu nhỏ, băng thông rộng, mức tăng và hiệu suất cao, khả năng quét phạm vi rộng và cấu hình thấp. Chúng sẽ được thảo luận dưới đây.

1. Anten băng thông rộng và đa tần
Trong một TL điển hình có chiều dài l, khi cho tần số góc ω0, chiều dài điện (hoặc pha) của đường dây truyền tải có thể được tính như sau:

Trong đó vp biểu thị vận tốc pha của đường truyền. Như có thể thấy ở trên, băng thông tương ứng chặt chẽ với độ trễ nhóm, là đạo hàm của φ đối với tần số. Do đó, khi chiều dài đường truyền trở nên ngắn hơn thì băng thông cũng trở nên rộng hơn. Nói cách khác, có mối quan hệ nghịch đảo giữa băng thông và pha cơ bản của đường truyền, tùy theo thiết kế cụ thể. Điều này cho thấy trong các mạch phân tán truyền thống, băng thông hoạt động không dễ kiểm soát. Điều này có thể là do những hạn chế của đường truyền truyền thống về mức độ tự do. Tuy nhiên, các phần tử tải cho phép sử dụng các tham số bổ sung trong TL siêu vật liệu và phản ứng pha có thể được kiểm soát ở một mức độ nhất định. Để tăng băng thông cần có độ dốc tương tự gần tần số hoạt động của đặc tính phân tán. Siêu vật liệu nhân tạo TL có thể đạt được mục tiêu này. Dựa trên cách tiếp cận này, nhiều phương pháp tăng cường băng thông của anten được đề xuất trong bài báo. Các học giả đã thiết kế và chế tạo hai ăng-ten băng thông rộng được trang bị bộ cộng hưởng vòng chia (xem Hình 7). Kết quả trong Hình 7 cho thấy sau khi nạp bộ cộng hưởng vòng tách bằng ăng ten đơn cực thông thường, chế độ tần số cộng hưởng thấp được kích thích. Kích thước của bộ cộng hưởng vòng chia được tối ưu hóa để đạt được mức cộng hưởng gần bằng mức cộng hưởng của ăng ten đơn cực. Kết quả cho thấy khi hai vùng cộng hưởng trùng nhau thì đặc tính băng thông và bức xạ của anten được tăng lên. Chiều dài và chiều rộng của ăng-ten đơn cực lần lượt là 0,25λ0×0,11λ0 và 0,25λ0×0,21λ0 (4GHz), còn chiều dài và chiều rộng của ăng-ten đơn cực được tải với bộ cộng hưởng vòng phân chia là 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz). ), tương ứng. Đối với ăng-ten hình chữ F thông thường và ăng-ten hình chữ T không có bộ cộng hưởng vòng phân chia, mức tăng ích và hiệu suất bức xạ cao nhất đo được ở băng tần 5GHz lần lượt là 3,6dBi - 78,5% và 3,9dBi - 80,2%. Đối với ăng-ten được trang bị bộ cộng hưởng vòng phân chia, các thông số này lần lượt là 4dBi - 81,2% và 4,4dBi - 83% ở băng tần 6GHz. Bằng cách triển khai bộ cộng hưởng vòng phân tách làm tải phù hợp trên ăng-ten đơn cực, các băng tần 2,9GHz ~ 6,41GHz và 2,6GHz ~ 6,6GHz có thể được hỗ trợ, tương ứng với băng thông phân đoạn lần lượt là 75,4% và ~ 87%. Các kết quả này cho thấy băng thông đo được cải thiện khoảng 2,4 lần và 2,11 lần so với anten đơn cực truyền thống có kích thước xấp xỉ cố định.

Hình 7. Hai ăng-ten băng thông rộng được trang bị bộ cộng hưởng vòng chia.

Như được hiển thị trong Hình 8, kết quả thử nghiệm của ăng-ten đơn cực được in nhỏ gọn được hiển thị. Khi S11<-10 dB, băng thông hoạt động là 185% (0,115-2,90 GHz), và ở 1,45 GHz, mức tăng cực đại và hiệu suất bức xạ lần lượt là 2,35 dBi và 78,8%. Cách bố trí của ăng-ten tương tự như cấu trúc tấm hình tam giác tựa lưng, được cung cấp bởi một bộ chia công suất có đường cong. GND bị cắt cụt chứa một cuống trung tâm được đặt bên dưới bộ cấp nguồn và bốn vòng cộng hưởng mở được phân bổ xung quanh nó, giúp mở rộng băng thông của ăng-ten. Ăng-ten phát ra gần như đa hướng, bao phủ hầu hết các băng tần VHF và S cũng như tất cả các băng tần UHF và L. Kích thước vật lý của ăng-ten là 48,32×43,72×0,8 mm3 và kích thước điện là 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Nó có ưu điểm là kích thước nhỏ, chi phí thấp và có triển vọng ứng dụng tiềm năng trong các hệ thống truyền thông không dây băng thông rộng.

Hình 8: Ăng-ten đơn cực được nạp với bộ cộng hưởng vòng chia.

Hình 9 cho thấy cấu trúc ăng-ten phẳng bao gồm hai cặp vòng dây uốn khúc được kết nối với nhau được nối đất với mặt phẳng đất hình chữ T cụt qua hai vias. Kích thước ăng-ten là 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), trong đó λ0 là bước sóng không gian tự do 0,55 GHz. Ăng-ten bức xạ đa hướng trong mặt phẳng E ở dải tần hoạt động 0,55 ~ 3,85 GHz, với mức tăng tối đa 5,5dBi ở 2,35GHz và hiệu suất 90,1%. Những tính năng này làm cho ăng-ten được đề xuất phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi và Bluetooth.

Hình 9 Cấu trúc anten phẳng đề xuất.

2. Anten sóng rò rỉ (LWA)
Ăng-ten sóng rò mới là một trong những ứng dụng chính để hiện thực hóa siêu vật liệu nhân tạo TL. Đối với anten sóng rò, ảnh hưởng của hằng số pha β đến góc bức xạ (θm) và độ rộng chùm tia cực đại (Δθ) như sau:

L là độ dài ăng ten, k0 là số sóng trong không gian trống và λ0 là bước sóng trong không gian trống. Lưu ý rằng bức xạ chỉ xảy ra khi |β|

3. Ăng-ten cộng hưởng bậc không
Một đặc tính duy nhất của siêu vật liệu CRLH là β có thể bằng 0 khi tần số khác 0. Dựa trên đặc tính này, một bộ cộng hưởng bậc 0 (ZOR) mới có thể được tạo ra. Khi β bằng 0, không có sự dịch pha nào xảy ra trong toàn bộ bộ cộng hưởng. Điều này là do hằng số dịch pha φ = - βd = 0. Ngoài ra, sự cộng hưởng chỉ phụ thuộc vào tải phản kháng và không phụ thuộc vào chiều dài của kết cấu. Hình 10 cho thấy ăng-ten đề xuất được chế tạo bằng cách áp dụng hai và ba đơn vị có hình chữ E và tổng kích thước lần lượt là 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 và 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, trong đó λ0 đại diện cho bước sóng không gian trống ở tần số hoạt động 500 MHz và 650 MHz, tương ứng. Ăng-ten hoạt động ở tần số 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) và 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), với băng thông tương đối là 91,9% và 96,0%. Ngoài đặc điểm kích thước nhỏ và băng thông rộng, mức tăng và hiệu suất của ăng-ten thứ nhất và thứ hai lần lượt là 5,3dBi và 85% (1GHz) và 5,7dBi và 90% (1,4GHz).

Hình 10 Cấu trúc ăng-ten double-E và triple-E được đề xuất.

4. Khe Ăng Ten
Một phương pháp đơn giản đã được đề xuất để mở rộng khẩu độ của ăng-ten CRLH-MTM, nhưng kích thước ăng-ten của nó hầu như không thay đổi. Như được hiển thị trong Hình 11, ăng-ten bao gồm các đơn vị CRLH xếp chồng lên nhau theo chiều dọc, chứa các miếng vá và đường uốn khúc, đồng thời có một khe hình chữ S trên miếng vá. Ăng-ten được cấp nguồn bằng một cuống phù hợp CPW và kích thước của nó là 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, tương ứng với 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, trong đó λ0 (3,5 GHz) biểu thị bước sóng của không gian trống. Kết quả cho thấy ăng-ten hoạt động ở dải tần 0,85-7,90GHz, băng thông hoạt động là 161,14%. Mức tăng và hiệu suất bức xạ cao nhất của ăng-ten xuất hiện ở tần số 3,5 GHz, lần lượt là 5,12dBi và ~ 80%.