أخبار - مراجعة لهوائيات خطوط النقل القائمة على المواد الفائقة (الجزء 2)

2. تطبيق تقنية MTM-TL في أنظمة الهوائيات
سيركز هذا القسم على خطوط النقل المصنوعة من المواد الفائقة الاصطناعية وبعض تطبيقاتها الأكثر شيوعًا وأهمية لتحقيق هياكل هوائيات متنوعة بتكلفة منخفضة، وسهولة التصنيع، والتصغير، وعرض نطاق ترددي واسع، وكسب وكفاءة عاليتين، وقدرة مسح واسعة النطاق، وتصميم منخفض الارتفاع. وسيتم تناولها بالتفصيل أدناه.

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

حيث يُمثل vp سرعة الطور لخط النقل. وكما هو واضح مما سبق، يتناسب عرض النطاق الترددي تناسبًا وثيقًا مع تأخير المجموعة، وهو مشتق φ بالنسبة للتردد. لذا، كلما قصر طول خط النقل، اتسع عرض النطاق الترددي. بعبارة أخرى، توجد علاقة عكسية بين عرض النطاق الترددي والطور الأساسي لخط النقل، وهي علاقة خاصة بالتصميم. يُبين هذا أنه في الدوائر الموزعة التقليدية، يصعب التحكم في عرض النطاق الترددي التشغيلي. يُعزى ذلك إلى محدودية خطوط النقل التقليدية من حيث درجات الحرية. مع ذلك، تسمح عناصر التحميل باستخدام معلمات إضافية في خطوط النقل المصنوعة من المواد الفائقة، ويمكن التحكم في استجابة الطور إلى حد ما. ولزيادة عرض النطاق الترددي، من الضروري وجود ميل مماثل لخصائص التشتت بالقرب من تردد التشغيل. ويمكن لخطوط النقل المصنوعة من المواد الفائقة الاصطناعية تحقيق هذا الهدف. وبناءً على هذا النهج، تُقترح في هذه الورقة البحثية العديد من الطرق لتعزيز عرض النطاق الترددي للهوائيات. قام الباحثون بتصميم وتصنيع هوائيين عريضي النطاق مزودين برنانات حلقية مشقوقة (انظر الشكل 7). تُظهر النتائج الموضحة في الشكل 7 أنه بعد تحميل الرنان الحلقي المشقوق بهوائي أحادي القطب تقليدي، يتم تحفيز نمط رنين منخفض التردد. تم تحسين حجم الرنان الحلقي المشقوق لتحقيق رنين قريب من رنين هوائي أحادي القطب. تُظهر النتائج أنه عند تطابق 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 المحمل برنان حلقي مشقوق 0.29λ0×0.21λ0 (2.9 جيجاهرتز) على التوالي. بالنسبة للهوائي التقليدي ذي الشكل F والهوائي ذي الشكل T بدون رنان حلقي مشقوق، بلغ أعلى كسب وكفاءة إشعاع تم قياسهما في نطاق 5 جيجاهرتز 3.6 ديسيبل - 78.5% و3.9 ديسيبل - 80.2% على التوالي. أما بالنسبة للهوائي المُحمّل برنان حلقي مشقوق، فقد بلغت هذه القيم 4 ديسيبل - 81.2% و4.4 ديسيبل - 83% على التوالي في نطاق 6 جيجاهرتز. وباستخدام رنان حلقي مشقوق كحمل مُطابق على الهوائي أحادي القطب، يُمكن دعم نطاقي التردد 2.9 جيجاهرتز ~ 6.41 جيجاهرتز و2.6 جيجاهرتز ~ 6.6 جيجاهرتز، ما يُقابل عرض نطاق كسري يبلغ 75.4% و87% تقريبًا على التوالي. تُظهر هذه النتائج تحسنًا في عرض نطاق القياس بمقدار 2.4 و2.11 مرة تقريبًا مقارنةً بالهوائيات أحادية القطب التقليدية ذات الحجم الثابت تقريبًا.

الشكل 7. هوائيان عريضان النطاق محملان برنانات حلقية مقسمة.

كما هو موضح في الشكل 8، تُعرض النتائج التجريبية لهوائي أحادي القطب مطبوع صغير الحجم. عندما تكون قيمة S11 ≤ -10 ديسيبل، يبلغ عرض نطاق التشغيل 185% (0.115-2.90 جيجاهرتز)، وعند 1.45 جيجاهرتز، يبلغ كسب الذروة وكفاءة الإشعاع 2.35 ديسيبل و78.8% على التوالي. يشبه تصميم الهوائي بنية صفائح مثلثة متقابلة، يتم تغذيتها بواسطة مقسم طاقة منحني. يحتوي الأرضي المقطوع على وصلة مركزية موضوعة أسفل المغذي، وتنتشر حولها أربع حلقات رنانة مفتوحة، مما يوسع نطاق تردد الهوائي. يشع الهوائي بشكل شبه شامل، ويغطي معظم نطاقي VHF وS، وجميع نطاقي UHF وL. يبلغ الحجم الفيزيائي للهوائي 48.32×43.72×0.8 مم³، بينما يبلغ حجمه الكهربائي 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0. يتميز هذا الهوائي بصغر حجمه وانخفاض تكلفته، وله آفاق تطبيقية واعدة في أنظمة الاتصالات اللاسلكية ذات النطاق العريض.

الشكل 8: هوائي أحادي القطب محمل برنان حلقي منقسم.

يوضح الشكل 9 بنية هوائي مستوٍ يتكون من زوجين من حلقات سلكية متعرجة متصلة ببعضها، ومؤرضة إلى سطح أرضي على شكل حرف T مقطوع عبر فتحتين. تبلغ أبعاد الهوائي 38.5 × 36.6 مم² (0.070λ₀ × 0.067λ₀)، حيث λ₀ هو الطول الموجي في الفضاء الحر عند 0.55 جيجاهرتز. يشع الهوائي بشكل شامل في المستوى E ضمن نطاق تردد التشغيل من 0.55 إلى 3.85 جيجاهرتز، مع كسب أقصى يبلغ 5.5 ديسيبل عند 2.35 جيجاهرتز وكفاءة 90.1%. هذه الخصائص تجعل الهوائي المقترح مناسبًا لتطبيقات متنوعة، بما في ذلك UHF RFID وGSM 900 وGPS وKPCS وDCS وIMT-2000 وWiMAX وWiFi وBluetooth.

الشكل 9: بنية الهوائي المستوي المقترح.

2. هوائي الموجة المتسربة (LWA)
يُعدّ هوائي الموجة المتسربة الجديد أحد التطبيقات الرئيسية لتحقيق نقل الطاقة باستخدام المواد الفائقة الاصطناعية. بالنسبة لهوائيات الموجة المتسربة، يكون تأثير ثابت الطور β على زاوية الإشعاع (θm) وعرض الحزمة الأقصى (Δθ) كما يلي:

L هو طول الهوائي، و k0 هو العدد الموجي في الفضاء الحر، و λ0 هو الطول الموجي في الفضاء الحر. لاحظ أن الإشعاع يحدث فقط عندما |β|

3. هوائي رنان من الرتبة الصفرية
من الخصائص الفريدة لمادة CRLH الفائقة أن قيمة β يمكن أن تساوي صفرًا عندما لا يساوي التردد صفرًا. وبناءً على هذه الخاصية، يمكن توليد رنان جديد من الرتبة الصفرية (ZOR). عندما تكون قيمة β صفرًا، لا يحدث أي انزياح في الطور في الرنان بأكمله، وذلك لأن ثابت انزياح الطور φ = -βd = 0. إضافةً إلى ذلك، يعتمد الرنين فقط على الحمل التفاعلي ولا يعتمد على طول الهيكل. يوضح الشكل 10 أن الهوائي المقترح مصنوع باستخدام وحدتين وثلاث وحدات على شكل حرف E، ويبلغ حجمه الإجمالي 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 و0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0 على التوالي، حيث يمثل λ0 الطول الموجي للفضاء الحر عند ترددات التشغيل 500 ميجاهرتز و650 ميجاهرتز على التوالي. يعمل الهوائي بترددات تتراوح بين 0.5 و1.35 جيجاهرتز (0.85 جيجاهرتز) وبين 0.65 و1.85 جيجاهرتز (1.2 جيجاهرتز)، بعرض نطاق نسبي يبلغ 91.9% و96.0% على التوالي. إضافةً إلى صغر حجمه وعرض نطاقه الواسع، يبلغ كسب وكفاءة الهوائي الأول 5.3 ديسيبل و85% (عند 1 جيجاهرتز)، بينما يبلغ كسب وكفاءة الهوائي الثاني 5.7 ديسيبل و90% (عند 1.4 جيجاهرتز).

الشكل 10: هياكل هوائيات مزدوجة E وثلاثية E المقترحة.

4. هوائي ذو فتحة
تم اقتراح طريقة بسيطة لتكبير فتحة هوائي CRLH-MTM، مع الحفاظ على حجمه دون تغيير يُذكر. كما هو موضح في الشكل 11، يتكون الهوائي من وحدات CRLH مكدسة عموديًا فوق بعضها، تحتوي على رقع وخطوط متعرجة، ويوجد شق على شكل حرف S على الرقعة. يُغذى الهوائي بواسطة وصلة مطابقة CPW، ويبلغ حجمها 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 في الفضاء الحر. تُظهر النتائج أن الهوائي يعمل في نطاق التردد 0.85-7.90 جيجاهرتز، ويبلغ عرض نطاق تشغيله 161.14%. ويُسجل أعلى كسب إشعاع وكفاءة للهوائي عند 3.5 جيجاهرتز، حيث يبلغ 5.12 ديسيبل و80% تقريبًا على التوالي.