الأخبار - مراجعة لهوائيات خطوط النقل المعتمدة على المواد الخارقة (الجزء الثاني)

2. تطبيق MTM-TL في أنظمة الهوائي
سيركز هذا القسم على TLs للمواد الاصطناعية وبعض تطبيقاتها الأكثر شيوعًا وذات الصلة لتحقيق هياكل الهوائي المختلفة بتكلفة منخفضة، وسهولة التصنيع، والتصغير، وعرض النطاق الترددي الواسع، والكسب والكفاءة العالية، وقدرة المسح واسعة النطاق والمظهر المنخفض. وتناقش أدناه.

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

حيث تمثل vp سرعة الطور لخط النقل. وكما يتبين مما سبق، فإن عرض النطاق يتوافق بشكل وثيق مع تأخير المجموعة، وهو مشتق φ فيما يتعلق بالتردد. ولذلك، عندما يصبح طول خط النقل أقصر، يصبح عرض النطاق الترددي أوسع أيضًا. بمعنى آخر، هناك علاقة عكسية بين عرض النطاق الترددي والمرحلة الأساسية لخط النقل، والتي تكون خاصة بالتصميم. وهذا يدل على أنه في الدوائر الموزعة التقليدية، ليس من السهل التحكم في عرض النطاق الترددي للتشغيل. ويمكن أن يعزى ذلك إلى القيود المفروضة على خطوط النقل التقليدية من حيث درجات الحرية. ومع ذلك، تسمح عناصر التحميل باستخدام معلمات إضافية في TLs للمواد الفوقية، ويمكن التحكم في استجابة الطور إلى حد ما. ومن أجل زيادة عرض النطاق الترددي، من الضروري أن يكون هناك ميل مماثل بالقرب من تردد التشغيل لخصائص التشتت. يمكن للمواد الاصطناعية الاصطناعية تحقيق هذا الهدف. وبناء على هذا النهج، تم اقتراح العديد من الطرق لتعزيز عرض النطاق الترددي للهوائيات في هذه الورقة. قام الباحثون بتصميم وتصنيع هوائيين عريضي النطاق محملين برنانات حلقية منقسمة (انظر الشكل 7). تظهر النتائج الموضحة في الشكل 7 أنه بعد تحميل مرنان الحلقة المنقسمة بالهوائي التقليدي أحادي القطب، يتم إثارة وضع تردد الرنين المنخفض. تم تحسين حجم مرنان الحلقة المنقسمة لتحقيق رنين قريب من رنين الهوائي أحادي القطب. أظهرت النتائج أنه عندما يتزامن الرنينان، تزداد خصائص عرض النطاق والإشعاع للهوائي. يبلغ طول وعرض الهوائي أحادي القطب 0.25×0×0.11×0 و0.25×0×0.21×0 (4 جيجا هرتز)، على التوالي، وطول وعرض الهوائي أحادي القطب المحمل برنان حلقة منقسمة هو 0.29×0×0.21×0 (2.9 جيجا هرتز) )، على التوالى. بالنسبة للهوائي التقليدي على شكل F والهوائي على شكل T بدون مرنان حلقي منقسم، فإن أعلى كسب وكفاءة إشعاع تم قياسهما في نطاق 5 جيجا هرتز هما 3.6dBi - 78.5% و3.9dBi - 80.2%، على التوالي. بالنسبة للهوائي المحمّل برنان حلقة منقسمة، تكون هذه المعلمات 4dBi - 81.2% و4.4dBi - 83%، على التوالي، في نطاق 6 جيجا هرتز. من خلال تنفيذ مرنان حلقي مقسم كحمل مطابق على الهوائي أحادي القطب، يمكن دعم النطاقين 2.9 جيجا هرتز ~ 6.41 جيجا هرتز و2.6 جيجا هرتز ~ 6.6 جيجا هرتز، مما يتوافق مع عروض النطاق الكسرية البالغة 75.4% و~87%، على التوالي. تظهر هذه النتائج أن عرض نطاق القياس قد تحسن بنحو 2.4 مرة و2.11 مرة مقارنة بالهوائيات التقليدية أحادية القطب ذات الحجم الثابت تقريبًا.

الشكل 7. هوائيان عريضا النطاق محملان برنانات ذات حلقة مقسمة.

كما هو مبين في الشكل 8، يتم عرض النتائج التجريبية للهوائي أحادي القطب المطبوع المضغوط. عندما يكون S11-10 ديسيبل، يكون عرض نطاق التشغيل 185% (0.115-2.90 جيجا هرتز)، وعند 1.45 جيجا هرتز، يكون كسب الذروة وكفاءة الإشعاع 2.35 ديسيبل و78.8% على التوالي. يشبه تصميم الهوائي هيكل الصفيحة الثلاثية المتتالية، والتي يتم تغذيتها بواسطة مقسم طاقة منحني الأضلاع. يحتوي GND المقطوع على كعب مركزي يوضع أسفل وحدة التغذية، ويتم توزيع حوله أربع حلقات رنين مفتوحة، مما يؤدي إلى توسيع عرض النطاق الترددي للهوائي. يشع الهوائي في كل الاتجاهات تقريبًا، ويغطي معظم نطاقات VHF وS، وجميع نطاقات UHF وL. الحجم المادي للهوائي هو 48.32×43.72×0.8 مم3، والحجم الكهربائي 0.235×0×0.211×0×0.003×0. ويتميز بصغر الحجم والتكلفة المنخفضة، وله آفاق تطبيق محتملة في أنظمة الاتصالات اللاسلكية ذات النطاق العريض.

الشكل 8: هوائي أحادي القطب مزود برنان حلقي منقسم.

يوضح الشكل 9 بنية هوائي مستو يتكون من زوجين من حلقات الأسلاك المتعرجة المترابطة المؤرضة على مستوى أرضي مقطوع على شكل حرف T من خلال منفذين. يبلغ حجم الهوائي 38.5×36.6 مم2 (0.070×0×0.067×0)، حيث ×0 هو الطول الموجي في الفضاء الحر البالغ 0.55 جيجاهرتز. يشع الهوائي في كل الاتجاهات في المستوى الإلكتروني في نطاق تردد التشغيل 0.55 ~ 3.85 جيجا هرتز، مع أقصى كسب 5.5 ديسيبل عند 2.35 جيجا هرتز وكفاءة 90.1%. هذه الميزات تجعل الهوائي المقترح مناسبًا لمختلف التطبيقات، بما في ذلك UHF RFID وGSM 900 وGPS وKPCS وDCS وIMT-2000 وWiMAX وWiFi وBluetooth.

الشكل 9: هيكل الهوائي المستوي المقترح.

2. هوائي الموجة المتسربة (LWA)
يعد هوائي الموجة المتسرب الجديد أحد التطبيقات الرئيسية لتحقيق المواد الاصطناعية الاصطناعية TL. بالنسبة للهوائيات ذات الموجات المتسربة، يكون تأثير ثابت الطور β على زاوية الإشعاع (θm) وعرض الحزمة الأقصى (Δθ) كما يلي:

L هو طول الهوائي، وk0 هو رقم الموجة في الفضاء الحر، و lect0 هو طول الموجة في الفضاء الحر. لاحظ أن الإشعاع يحدث فقط عند |β|

3. هوائي مرنان ذو ترتيب صفري
الخاصية الفريدة للمادة CRLH هي أن β يمكن أن تكون 0 عندما لا يكون التردد مساويًا للصفر. بناءً على هذه الخاصية، يمكن إنشاء مرنان جديد ذو ترتيب صفري (ZOR). عندما تكون β صفرًا، لا يحدث أي تحول في الطور في المرنان بأكمله. وذلك لأن ثابت تحول الطور φ = - βd = 0. بالإضافة إلى ذلك، يعتمد الرنين فقط على الحمل التفاعلي وهو مستقل عن طول الهيكل. يوضح الشكل 10 أن الهوائي المقترح تم تصنيعه من خلال تطبيق وحدتين وثلاث وحدات ذات شكل E، ويبلغ الحجم الإجمالي 0.017×0 × 0.006×0 × 0.001×0 و0.028×0 × 0.008×0 × 0.001×0، على التوالي، حيث يمثل ×0 الطول الموجي مساحة حرة عند ترددات التشغيل 500 ميجا هرتز و650 ميجا هرتز، على التوالى. يعمل الهوائي بترددات 0.5-1.35 جيجا هرتز (0.85 جيجا هرتز) و0.65-1.85 جيجا هرتز (1.2 جيجا هرتز)، مع عرض النطاق النسبي 91.9% و96.0%. بالإضافة إلى خصائص الحجم الصغير وعرض النطاق الترددي الواسع، فإن كسب وكفاءة الهوائيين الأول والثاني هما 5.3 ديسيبل و85% (1 جيجا هرتز) و5.7 ديسيبل و90% (1.4 جيجا هرتز)، على التوالي.

الشكل 10: الهياكل المقترحة للهوائي المزدوج E والثلاثي E.

4. فتحة الهوائي
تم اقتراح طريقة بسيطة لتوسيع فتحة هوائي CRLH-MTM، لكن حجم هوائيه لم يتغير تقريبًا. كما هو موضح في الشكل 11، يشتمل الهوائي على وحدات CRLH مكدسة عموديًا فوق بعضها البعض، والتي تحتوي على رقع وخطوط متعرجة، ويوجد فتحة على شكل حرف S على الرقع. يتم تغذية الهوائي بواسطة كعب مطابقة CPW، ويبلغ حجمه 17.5 مم × 32.15 مم × 1.6 مم، أي ما يعادل 0.204×0×0.375×0×0.018×0، حيث يمثل ×0 (3.5 جيجا هرتز) الطول الموجي للمساحة الحرة. أظهرت النتائج أن الهوائي يعمل في نطاق التردد 0.85-7.90 جيجا هرتز، ويبلغ عرض نطاق التشغيل 161.14%. يظهر أعلى كسب إشعاع وكفاءة للهوائي عند 3.5 جيجا هرتز، أي 5.12 ديسيبل و80% تقريبًا على التوالي.