الأخبار - مراجعة هوائيات خطوط النقل القائمة على المواد الخارقة (الجزء الثاني)

2. تطبيق MTM-TL في أنظمة الهوائي
سيركز هذا القسم على مركبات النقل الفضائية المصنوعة من مواد ميتا الاصطناعية، وبعض تطبيقاتها الأكثر شيوعًا وأهميةً في إنشاء هياكل هوائيات متنوعة بتكلفة منخفضة، وسهولة تصنيع، وتصغير الحجم، ونطاق ترددي واسع، وكسب وكفاءة عاليين، وقدرة مسح واسعة النطاق، وصغر حجمها. وسيتم مناقشتها لاحقًا.

1. هوائيات النطاق العريض ومتعددة الترددات
في خط النقل النموذجي بطول l، عندما يتم إعطاء التردد الزاوي ω0، يمكن حساب الطول الكهربائي (أو الطور) لخط النقل على النحو التالي:

حيث يمثل vp سرعة طور خط النقل. وكما يتضح مما سبق، يتوافق عرض النطاق الترددي بشكل وثيق مع تأخير المجموعة، وهو مشتق φ بالنسبة للتردد. لذلك، كلما قصر طول خط النقل، أصبح عرض النطاق الترددي أوسع أيضًا. بمعنى آخر، توجد علاقة عكسية بين عرض النطاق الترددي والطور الأساسي لخط النقل، وهو أمر خاص بالتصميم. يوضح هذا أنه في الدوائر الموزعة التقليدية، يصعب التحكم في عرض النطاق الترددي التشغيلي. ويمكن أن يُعزى ذلك إلى قيود خطوط النقل التقليدية من حيث درجات الحرية. ومع ذلك، تسمح عناصر التحميل باستخدام معلمات إضافية في TLs المصنوعة من المواد الخارقة، ويمكن التحكم في استجابة الطور إلى حد ما. لزيادة عرض النطاق الترددي، من الضروري وجود ميل مماثل بالقرب من تردد التشغيل لخصائص التشتت. يمكن لـ TL المصنوعة من المواد الخارقة الاصطناعية تحقيق هذا الهدف. بناءً على هذا النهج، تم اقتراح العديد من الطرق لتحسين عرض النطاق الترددي للهوائيات في الورقة البحثية. قام الباحثون بتصميم وتصنيع هوائيين عريضي النطاق مُحمّلين بمرنانات حلقية مُقسّمة (انظر الشكل 7). تُظهر النتائج الموضحة في الشكل 7 أنه بعد تحميل مرنان الحلقة المُقسّمة بهوائي أحادي القطب التقليدي، يُثار نمط تردد رنين منخفض. يُحسّن حجم مرنان الحلقة المُقسّمة لتحقيق رنين قريب من رنين هوائي أحادي القطب. تُظهر النتائج أنه عند تزامن الرنينين، يزداد عرض النطاق الترددي وخصائص الإشعاع للهوائي. يبلغ طول وعرض هوائي أحادي القطب 0.25λ0×0.11λ0 و0.25λ0×0.21λ0 (4 جيجاهرتز)، على التوالي، بينما يبلغ طول وعرض هوائي أحادي القطب المُحمّل بمرنان حلقي مُقسّم 0.29λ0×0.21λ0 (2.9 جيجاهرتز)، على التوالي. بالنسبة للهوائي التقليدي على شكل حرف F والهوائي على شكل حرف T بدون مرنان حلقي منقسم، فإن أعلى كسب وكفاءة إشعاع مُقاسة في نطاق 5 جيجاهرتز هما 3.6 ديسيبل - 78.5% و3.9 ديسيبل - 80.2% على التوالي. أما بالنسبة للهوائي المُحمّل برنان حلقي منقسم، فإن هذه المعلمات هي 4 ديسيبل - 81.2% و4.4 ديسيبل - 83% على التوالي، في نطاق 6 جيجاهرتز. باستخدام مرنان حلقي منقسم كحمل مُطابق على هوائي أحادي القطب، يُمكن دعم نطاقي 2.9 جيجاهرتز ~ 6.41 جيجاهرتز و2.6 جيجاهرتز ~ 6.6 جيجاهرتز، بما يُعادل عرض نطاق جزئي 75.4% و~ 87% على التوالي. تُظهر هذه النتائج أن عرض نطاق القياس قد تحسّن بحوالي 2.4 مرة و2.11 مرة مقارنةً بهوائيات أحادية القطب التقليدية ذات الحجم الثابت تقريبًا.

الشكل 7. هوائيان عريضا النطاق محملان بأجهزة الرنان ذات الحلقات المنقسمة.

كما هو موضح في الشكل 8، تظهر النتائج التجريبية لهوائي أحادي القطب مطبوع مدمج. عند S11 ≤ - 10 ديسيبل، يكون عرض النطاق التشغيلي 185% (0.115-2.90 جيجاهرتز)، وعند 1.45 جيجاهرتز، يكون كسب الذروة وكفاءة الإشعاع 2.35 ديسيبل و78.8% على التوالي. يشبه تصميم الهوائي هيكلًا صفائحيًا مثلثيًا متجاورًا، يُغذّى بمقسم طاقة منحني. يحتوي الأرضي المقطوع على طرف مركزي صغير موضوع أسفل وحدة التغذية، وتنتشر حوله أربع حلقات رنينية مفتوحة، مما يزيد عرض النطاق الترددي للهوائي. يشع الهوائي بشكل شبه شامل الاتجاهات، ويغطي معظم نطاقي VHF وS، وجميع نطاقي UHF وL. الحجم الفيزيائي للهوائي هو 48.32×43.72×0.8 مم3، والحجم الكهربائي 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0. يتميز هذا الهوائي بصغر حجمه وانخفاض تكلفته، وله تطبيقات واعدة في أنظمة الاتصالات اللاسلكية عريضة النطاق.

الشكل 8: هوائي أحادي القطب محمل بحلقة رنين مقسمة.

يوضح الشكل 9 بنية هوائي مستوية تتكون من زوجين من حلقات الأسلاك المتعرجة المترابطة، ومؤرضة بمستوى أرضي مقطوع على شكل حرف T عبر فتحتين. حجم الهوائي 38.5 × 36.6 مم² (0.070λ0 × 0.067λ0)، حيث λ0 هو طول موجة الفضاء الحر البالغ 0.55 جيجاهرتز. يشع الهوائي في جميع الاتجاهات في المستوى E ضمن نطاق تردد التشغيل من 0.55 إلى 3.85 جيجاهرتز، مع أقصى كسب يبلغ 5.5 ديسيبل مكافئ عند 2.35 جيجاهرتز وكفاءة 90.1%. تجعل هذه الميزات الهوائي المقترح مناسبًا لتطبيقات متنوعة، بما في ذلك UHF RFID، وGSM 900، وGPS، وKPCS، وDCS، وIMT-2000، وWiMAX، وWiFi، وBluetooth.

الشكل 9 هيكل هوائي مستوٍ مقترح.

2. هوائي الموجة المتسربة (LWA)
يُعدّ هوائي الموجة المتسربة الجديد أحد التطبيقات الرئيسية لتحقيق TL من المواد الاصطناعية. بالنسبة لهوائيات الموجة المتسربة، يكون تأثير ثابت الطور β على زاوية الإشعاع (θm) وأقصى عرض للشعاع (Δθ) كما يلي:

L هو طول الهوائي، وk0 هو عدد الموجات في الفضاء الحر، وλ0 هو طول الموجة في الفضاء الحر. تجدر الإشارة إلى أن الإشعاع يحدث فقط عندما |β|

3. هوائي الرنان ذو الترتيب الصفري
من الخصائص الفريدة للمادة الخارقة CRLH أن قيمة β يمكن أن تساوي 0 عندما لا يكون التردد مساويًا للصفر. بناءً على هذه الخاصية، يمكن توليد مرنان جديد من الدرجة الصفرية (ZOR). عندما تساوي β صفرًا، لا يحدث أي انزياح طور في المرنان بأكمله. ويرجع ذلك إلى أن ثابت انزياح الطور φ = - βd = 0. بالإضافة إلى ذلك، يعتمد الرنين فقط على الحمل التفاعلي ولا يعتمد على طول الهيكل. يوضح الشكل 10 أن الهوائي المقترح مصنوع بتطبيق وحدتين وثلاث وحدات على شكل حرف E، وأن الحجم الإجمالي هو 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 و0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0 على التوالي، حيث يمثل λ0 الطول الموجي للمساحة الحرة عند ترددات تشغيل 500 ميجاهرتز و650 ميجاهرتز على التوالي. يعمل الهوائي بترددات تتراوح بين 0.5 و1.35 جيجاهرتز (0.85 جيجاهرتز) و0.65 و1.85 جيجاهرتز (1.2 جيجاهرتز)، مع عرض نطاق ترددي نسبي يبلغ 91.9% و96.0%. بالإضافة إلى خصائص الحجم الصغير وعرض النطاق الترددي الواسع، يبلغ كسب وكفاءة الهوائيين الأول والثاني 5.3 ديسيبل و85% (1 جيجاهرتز) و5.7 ديسيبل و90% (1.4 جيجاهرتز) على التوالي.

الشكل 10 الهياكل المقترحة للهوائيات ثنائية وثلاثية E.

4. هوائي الفتحة
تم اقتراح طريقة بسيطة لتوسيع فتحة هوائي CRLH-MTM، إلا أن حجمه ظلّ ثابتًا تقريبًا. كما هو موضح في الشكل 11، يتضمن الهوائي وحدات CRLH متراصة رأسيًا فوق بعضها البعض، وتحتوي على رقع وخطوط متعرجة، ويوجد شق على شكل حرف S على الرقع. يُغذّى الهوائي بواسطة طرف توصيل مطابق CPW، ويبلغ حجمه 17.5 مم × 32.15 مم × 1.6 مم، أي ما يعادل 0.204λ0 × 0.375λ0 × 0.018λ0، حيث يمثل λ0 (3.5 جيجاهرتز) الطول الموجي للمساحة الحرة. تُظهر النتائج أن الهوائي يعمل في نطاق التردد 0.85-7.90 جيجاهرتز، وأن عرض نطاقه التشغيلي يبلغ 161.14%. يظهر أعلى كسب إشعاع وكفاءة للهوائي عند 3.5 جيجاهرتز، وهما 5.12 ديسيبل و~80% على التوالي.