Tin tức - Tổng quan về anten đường truyền dựa trên siêu vật liệu (Phần 2)

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

1. Ăng-ten băng thông rộng và đa tần số
Trong TL điển hình có chiều dài l, khi tần số góc ω0 được đưa ra, chiều dài điện (hoặc pha) của đường truyền có thể được tính như sau:

Trong đó vp biểu thị vận tốc pha của đường truyền. Như có thể thấy từ hình trên, băng thông tương ứng chặt chẽ với độ trễ nhóm, là đạo hàm của φ theo tần số. Do đó, khi chiều dài đường truyền ngắn lại, băng thông cũng rộng hơn. Nói cách khác, có một mối quan hệ nghịch đảo giữa băng thông và pha cơ bản của đường truyền, điều này phụ thuộc vào thiết kế. 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 mặt bậc tự do. Tuy nhiên, các phần tử tải cho phép sử dụng các tham số bổ sung trong bộ khuếch đại tần số (TL) siêu vật liệu, và đáp ứng pha có thể được kiểm soát ở một mức độ nhất định. Để tăng băng thông, cần phải có độ dốc tương tự gần tần số hoạt động của các đặc tính tán sắc. TL siêu vật liệu nhân tạo có thể đạt được mục tiêu này. Dựa trên phương pháp này, nhiều phương pháp để tăng cường băng thông của ăng-ten đã được đề xuất trong bài báo. Các học giả đã thiết kế và chế tạo hai ăng-ten băng thông rộng được nạp các bộ cộng hưởng vòng chia (xem Hình 7). Kết quả thể hiện trong Hình 7 cho thấy sau khi tải bộ cộng hưởng vòng chia 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 cộng hưởng gần với cộng hưởng của ăng-ten đơn cực. Kết quả cho thấy khi hai cộng hưởng trùng khớp, băng thông và đặc tính bức xạ của ăng-ten 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), và chiều dài và chiều rộng của ăng-ten đơn cực được tải bộ cộng hưởng vòng chia lần lượt là 0,29λ0×0,21λ0 (2,9GHz). Đối với ăng-ten hình chữ F thông thường và ăng-ten hình chữ T không có bộ cộng hưởng vòng chia, độ lợi và hiệu suất bức xạ cao nhất đo được trong băng tần 5GHz lần lượt là 3,6dBi - 78,5% và 3,9dBi - 80,2%. Đối với ăng-ten được tải bằng bộ cộng hưởng vòng chia, các thông số này lần lượt là 4dBi - 81,2% và 4,4dBi - 83% trong băng tần 6GHz. Bằng cách triển khai bộ cộng hưởng vòng chia làm tải tương ứng 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%. Kết quả này cho thấy băng thông đo lường được cải thiện khoảng 2,4 lần và 2,11 lần so với ăng-ten đơn cực truyền thống có kích thước gần như cố định.

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

Như thể hiện trong Hình 8, kết quả thực nghiệm của anten đơn cực 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, độ lợi cực đại và hiệu suất bức xạ lần lượt là 2,35 dBi và 78,8%. Bố cục của anten tương tự như cấu trúc tấm tam giác lưng-lưng, được cấp nguồn bởi một bộ chia công suất cong. GND cụt chứa một nhánh trung tâm đặt bên dưới bộ cấp nguồn, và bốn vòng cộng hưởng hở được phân bố xung quanh nó, giúp mở rộng băng thông của anten. Anten bức xạ gần như đa hướng, phủ sóng hầu hết các băng tần VHF và S, và toàn bộ các băng tần UHF và L. Kích thước vật lý của ăng-ten là 48,32 × 43,72 × 0,8 mm3, kích thước điện là 0,235 λ0 × 0,211 λ0 × 0,003 λ0. Ăng-ten này có ưu điểm là kích thước nhỏ và chi phí thấp, 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 trang bị bộ cộng hưởng vòng chia.

Hình 9 cho thấy cấu trúc ăng-ten phẳng bao gồm hai cặp vòng dây uốn lượn được nối đất với nhau trên một mặt phẳng tiếp địa hình chữ T cụt thông qua hai lỗ xuyên. Kích thước ăng-ten là 38,5 x 36,6 mm² (0,070λ0 x 0,067λ0), trong đó λ0 là bước sóng không gian tự do 0,55 GHz. Ăng-ten phát xạ đa hướng trong mặt phẳng E ở dải tần hoạt động 0,55 ~ 3,85 GHz, với độ lợi tối đa 5,5dBi ở tần số 2,35 GHz và hiệu suất 90,1%. Những đặc điểm 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 ăng-ten phẳng đề xuất.

2. Ăng-ten sóng rò (LWA)
Ăng-ten sóng rò mới là một trong những ứng dụng chính để hiện thực hóa TL siêu vật liệu nhân tạo. Đối với ăng-ten 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 chiều dài ăng-ten, k0 là số sóng trong không gian tự do và λ0 là bước sóng trong không gian tự do. Lưu ý rằng bức xạ chỉ xảy ra khi |β|

3. Ăng-ten cộng hưởng bậc không
Một tính chất độc đáo của siêu vật liệu CRLH là β có thể bằng 0 khi tần số không bằng không. Dựa trên tính chất này, một bộ cộng hưởng bậc không (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, cộng hưởng chỉ phụ thuộc vào tải phản kháng và không phụ thuộc vào chiều dài của cấu trúc. 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 biểu thị bước sóng của không gian tự do ở tần số hoạt động lần lượt là 500 MHz và 650 MHz. 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 là kích thước nhỏ và băng thông rộng, độ lợi 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 đôi E và ba E được đề xuất.

4. Ăng-ten khe
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 thể hiện trong Hình 11, ăng-ten bao gồm các đơn vị CRLH xếp chồng lên nhau theo chiều dọc, chứa các bản vá và đường uốn khúc, và có một khe hình chữ S trên bản vá. Ăng-ten được cấp nguồn bằng một đoạn nối 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 (3,5GHz) biểu thị bước sóng của không gian trống. Kết quả cho thấy ăng-ten hoạt động trong dải tần số 0,85-7,90GHz và băng thông hoạt động của nó là 161,14%. Độ lợi bức xạ và hiệu suất cao nhất của ăng-ten xuất hiện ở 3,5GHz, lần lượt là 5,12dBi và ~80%.