2. Ứng dụng của MTM-TL trong hệ thống anten
Phần này sẽ tập trung vào các đường truyền siêu vật liệu nhân tạo (TMT) và một số ứng dụng phổ biến và quan trọng nhất của chúng để hiện thực hóa các cấu trúc anten khác nhau với chi phí thấp, dễ chế tạo, thu nhỏ, băng thông rộng, độ lợi và hiệu suất cao, khả năng quét phạm vi rộng và kích thước nhỏ gọn. Chúng được thảo luận chi tiết bên dưới.
1. Ăng-ten băng thông rộng và đa tần số
Trong một đường truyền điển hình có chiều dài l, khi tần số góc ω0 được cho trước, chiều dài điện (hay pha) của đường truyền có thể được tính như sau:
Trong đó vp biểu thị vận tốc pha của đường truyền. Như đã thấy ở 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 hơn, băng thông cũng rộng hơn. Nói cách khác, có 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 bố truyền thống, băng thông hoạt động không dễ điều khiển. Điều này có thể là do những hạn chế của đường truyền truyền thống về bậc tự do. Tuy nhiên, các phần tử tải cho phép sử dụng thêm các tham số trong đường truyền 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 đặc tính phân tán. Đường truyền 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 anten được đề xuất trong bài báo. Các học giả đã thiết kế và chế tạo hai anten băng rộng được tải bằng bộ cộng hưởng vòng chia (xem Hình 7). Kết quả thể hiện trong Hình 7 cho thấy rằng sau khi tích hợp ăng-ten đơn cực thông thường vào bộ cộng hưởng vòng chia, một 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 tần số cộng hưởng gần với tần số của ăng-ten đơn cực. Kết quả cho thấy khi hai tần số cộng hưởng trùng nhau, 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 tích hợp 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 anten được tích hợp 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 sử dụng bộ cộng hưởng vòng chia làm tải phù hợp cho anten đơn cực, các băng tần 2,9GHz ~ 6,41GHz và 2,6GHz ~ 6,6GHz có thể được hỗ trợ, tương ứng với băng thông tương đối là 75,4% và ~87%. Những kết quả này cho thấy băng thông đo được cải thiện khoảng 2,4 lần và 2,11 lần so với các anten đơn cực truyền thống có kích thước gần như cố định.
Hình 7. Hai ăng-ten băng thông rộng được tích hợp bộ cộng hưởng vòng chia.
Như thể hiện trong Hình 8, kết quả thực nghiệm của ăng-ten đơn cực in nhỏ gọn được trình bày. 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 ăng-ten tương tự như cấu trúc tấm tam giác ghép nối tiếp, được cấp nguồn bằng bộ chia công suất cong. Mặt đất bị cắt cụt chứa một đoạn mạch ngắn ở giữa được đặt bên dưới đường cấp nguồn, và bốn vòng cộng hưởng hở được phân bố xung quanh nó, giúp mở rộng băng thông của ăng-ten. Ăng-ten bức xạ gần như đa hướng, bao phủ hầu hết các băng tần VHF và S, và toàn bộ các băng tần UHF và L. Kích thước vật lý của anten 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 và chi phí thấp, và có tiềm năng ứng dụng trong các hệ thống truyền thông không dây băng rộng.
Hình 8: Ăng-ten đơn cực được tích hợp bộ cộng hưởng vòng chia.
Hình 9 thể hiện cấu trúc anten phẳng bao gồm hai cặp vòng dây uốn khúc được nối với nhau và được nối đất với mặt phẳng đất hình chữ T bị cắt cụt thông qua hai lỗ xuyên. Kích thước anten là 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), trong đó λ0 là bước sóng trong không gian tự do là 0,55 GHz. Anten bức xạ đa hướng trong mặt phẳng E ở dải tần hoạt động từ 0,55 ~ 3,85 GHz, với độ lợi cực đại là 5,5dBi ở 2,35GHz và hiệu suất 90,1%. Những đặc điểm này làm cho anten 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 được đề xuất.
2. Ăng-ten sóng rò rỉ (LWA)
Ăng-ten sóng rò rỉ mới là một trong những ứng dụng chính để hiện thực hóa TL siêu vật liệu nhân tạo. Đối với ăng-ten sóng rò rỉ, 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 anten, 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 đặc tính độc đáo 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 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, sự 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 được đề xuất được chế tạo bằng cách sử dụng hai và ba đơn vị có hình dạng chữ E, và kích thước tổng thể 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 các 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 các đặc điểm về 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 anten chữ E kép và chữ E ba được đề xuất.
4. Ăng-ten khe
Một phương pháp đơn giản đã được đề xuất để mở rộng khẩu độ của anten CRLH-MTM, nhưng kích thước anten hầu như không thay đổi. Như thể hiện trong Hình 11, anten bao gồm các đơn vị CRLH được xếp chồng lên nhau theo chiều dọc, chứa các mảng và đường uốn khúc, và có một khe hình chữ S trên mảng. Anten được cấp nguồn bằng một đoạn mạch phối 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 (3,5GHz) biểu thị bước sóng trong không gian tự do. Kết quả cho thấy anten hoạt động trong dải tần 0,85-7,90GHz, và băng thông hoạt động của nó là 161,14%. Độ lợi bức xạ và hiệu suất cao nhất của anten xuất hiện ở tần số 3,5GHz, lần lượt là 5,12dBi và ~80%.
Hình 11. Ăng-ten khe CRLH MTM được đề xuất.
Để tìm hiểu thêm về ăng-ten, vui lòng truy cập:
Thời gian đăng bài: 30 tháng 8 năm 2024
