ข่าวสาร - บทวิจารณ์เสาอากาศสายส่งที่ทำจากวัสดุเมตา (ตอนที่ 2)

2. การประยุกต์ใช้ MTM-TL ในระบบเสาอากาศ
หัวข้อนี้จะมุ่งเน้นไปที่ TL เมตาแมทีเรียลเทียม และการประยุกต์ใช้งานที่พบบ่อยและเกี่ยวข้องที่สุดสำหรับการสร้างโครงสร้างเสาอากาศหลากหลายรูปแบบที่มีต้นทุนต่ำ ผลิตง่าย มีขนาดเล็ก แบนด์วิดท์กว้าง อัตราขยายและประสิทธิภาพสูง ความสามารถในการสแกนช่วงกว้าง และโปรไฟล์ต่ำ รายละเอียดจะกล่าวถึงในหัวข้อต่อไปนี้

1. เสาอากาศบรอดแบนด์และหลายความถี่
ใน TL ทั่วไปที่มีความยาว l เมื่อกำหนดความถี่เชิงมุม ω0 จะสามารถคำนวณความยาวไฟฟ้า (หรือเฟส) ของสายส่งได้ดังนี้:

โดยที่ vp แทนความเร็วเฟสของสายส่ง ดังที่เห็นได้จากข้างต้น แบนด์วิดท์จะสอดคล้องกับค่าหน่วงเวลาแบบกลุ่ม ซึ่งเป็นอนุพันธ์ของ φ เทียบกับความถี่ ดังนั้น เมื่อความยาวสายส่งสั้นลง แบนด์วิดท์ก็จะกว้างขึ้นด้วย กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ มีความสัมพันธ์แบบผกผันระหว่างแบนด์วิดท์และเฟสพื้นฐานของสายส่ง ซึ่งขึ้นอยู่กับการออกแบบ แสดงให้เห็นว่าในวงจรแบบกระจายแบบดั้งเดิม แบนด์วิดท์การทำงานนั้นควบคุมได้ยาก ซึ่งอาจเป็นผลมาจากข้อจำกัดของสายส่งแบบดั้งเดิมในแง่ขององศาอิสระ อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบการโหลดช่วยให้สามารถใช้พารามิเตอร์เพิ่มเติมใน TL แบบเมตาแมทีเรียล และสามารถควบคุมการตอบสนองของเฟสได้ในระดับหนึ่ง เพื่อเพิ่มแบนด์วิดท์ จำเป็นต้องมีความชันใกล้เคียงความถี่ในการทำงานของลักษณะการกระจายตัว TL แบบเมตาแมทีเรียลเทียมสามารถบรรลุเป้าหมายนี้ได้ จากวิธีการนี้ งานวิจัยนี้ได้เสนอวิธีการมากมายสำหรับการเพิ่มแบนด์วิดท์ของเสาอากาศ นักวิชาการได้ออกแบบและสร้างเสาอากาศบรอดแบนด์สองเสาที่ติดตั้งเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยก (ดูรูปที่ 7) ผลลัพธ์ที่แสดงในรูปที่ 7 แสดงให้เห็นว่าหลังจากโหลดเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยกด้วยเสาอากาศโมโนโพลทั่วไป โหมดความถี่เรโซเนเตอร์ต่ำจะถูกกระตุ้น ขนาดของเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยกได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อให้ได้เรโซเนเตอร์ที่ใกล้เคียงกับเสาอากาศโมโนโพล ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าเมื่อเรโซเนเตอร์ทั้งสองตรงกัน แบนด์วิดท์และลักษณะการแผ่รังสีของเสาอากาศจะเพิ่มขึ้น ความยาวและความกว้างของเสาอากาศโมโนโพลคือ 0.25λ0×0.11λ0 และ 0.25λ0×0.21λ0 (4GHz) ตามลำดับ และความยาวและความกว้างของเสาอากาศโมโนโพลที่โหลดเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยกคือ 0.29λ0×0.21λ0 (2.9GHz) ตามลำดับ สำหรับเสาอากาศรูปตัว F ทั่วไปและเสาอากาศรูปตัว T ที่ไม่มีเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยก อัตราขยายและประสิทธิภาพการแผ่รังสีสูงสุดที่วัดได้ในย่านความถี่ 5GHz คือ 3.6dBi - 78.5% และ 3.9dBi - 80.2% ตามลำดับ สำหรับเสาอากาศที่ติดตั้งเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยก พารามิเตอร์เหล่านี้คือ 4dBi - 81.2% และ 4.4dBi - 83% ตามลำดับในย่านความถี่ 6GHz การใช้เรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยกเป็นโหลดที่ตรงกันบนเสาอากาศโมโนโพล ทำให้สามารถรองรับย่านความถี่ 2.9GHz ~ 6.41GHz และ 2.6GHz ~ 6.6GHz ได้ ซึ่งสอดคล้องกับแบนด์วิดท์เศษส่วนที่ 75.4% และ ~87% ตามลำดับ ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นว่าแบนด์วิดท์ในการวัดได้รับการปรับปรุงขึ้นประมาณ 2.4 เท่า และ 2.11 เท่า เมื่อเทียบกับเสาอากาศโมโนโพลแบบดั้งเดิมที่มีขนาดคงที่โดยประมาณ

รูปที่ 7 เสาอากาศบรอดแบนด์ 2 เสาที่ติดตั้งเรโซเนเตอร์แบบแยกวงแหวน

ดังแสดงในรูปที่ 8 ผลการทดลองของเสาอากาศโมโนโพลแบบพิมพ์ขนาดกะทัดรัด เมื่อ S11≤-10 dB แบนด์วิดท์การทำงานจะอยู่ที่ 185% (0.115-2.90 GHz) และที่ 1.45 GHz อัตราขยายสูงสุดและประสิทธิภาพการแผ่รังสีจะอยู่ที่ 2.35 dBi และ 78.8% ตามลำดับ โครงสร้างของเสาอากาศมีลักษณะคล้ายแผ่นสามเหลี่ยมที่เรียงต่อกัน ซึ่งป้อนสัญญาณโดยตัวแบ่งกำลังแบบเส้นโค้ง GND ที่ถูกตัดทอนประกอบด้วยสตับตรงกลางที่อยู่ใต้ตัวป้อนสัญญาณ และมีวงแหวนเรโซแนนซ์เปิดสี่วงกระจายอยู่รอบๆ ซึ่งช่วยเพิ่มแบนด์วิดท์ของเสาอากาศ เสาอากาศแผ่รังสีเกือบรอบทิศทาง ครอบคลุมย่านความถี่ VHF และ S ส่วนใหญ่ และย่านความถี่ UHF และ L ทั้งหมด ขนาดทางกายภาพของเสาอากาศคือ 48.32×43.72×0.8 มม.3 และขนาดทางไฟฟ้าคือ 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0 เสาอากาศนี้มีข้อดีคือมีขนาดเล็กและต้นทุนต่ำ และมีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้ในระบบสื่อสารไร้สายบรอดแบนด์

รูปที่ 8: เสาอากาศโมโนโพลที่โหลดด้วยเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยก

รูปที่ 9 แสดงโครงสร้างเสาอากาศแบบระนาบซึ่งประกอบด้วยสายวนสองคู่ที่เชื่อมต่อกันและต่อลงดินกับระนาบกราวด์รูปตัว T ที่ถูกตัดทอนผ่านช่องผ่านสองช่อง ขนาดของเสาอากาศคือ 38.5×36.6 ตร.มม. (0.070λ0×0.067λ0) โดยที่ λ0 คือความยาวคลื่นพื้นที่ว่าง 0.55 GHz เสาอากาศแผ่คลื่นรอบทิศทางในระนาบ E ในย่านความถี่ใช้งาน 0.55 ~ 3.85 GHz โดยมีอัตราขยายสูงสุด 5.5dBi ที่ 2.35 GHz และประสิทธิภาพ 90.1% คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เสาอากาศที่นำเสนอเหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึง UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi และ Bluetooth

รูปที่ 9 โครงสร้างเสาอากาศแบบระนาบที่เสนอ

2. เสาอากาศคลื่นรั่ว (LWA)
เสาอากาศคลื่นรั่วแบบใหม่นี้เป็นหนึ่งในการประยุกต์ใช้งานหลักในการสร้าง TL เชิงเมตาแมทีเรียลเทียม สำหรับเสาอากาศคลื่นรั่ว ผลของค่าคงที่เฟส β ต่อมุมการแผ่รังสี (θm) และความกว้างของลำแสงสูงสุด (Δθ) มีดังนี้

L คือความยาวเสาอากาศ k0 คือเลขคลื่นในอวกาศว่าง และ λ0 คือความยาวคลื่นในอวกาศว่าง โปรดทราบว่าการแผ่รังสีจะเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อ |β|

3. เสาอากาศเรโซเนเตอร์แบบซีโร่ออร์เดอร์
คุณสมบัติเฉพาะตัวของเมตาแมทีเรียล CRLH คือ β สามารถเป็น 0 ได้เมื่อความถี่ไม่เท่ากับศูนย์ จากคุณสมบัตินี้ จึงสามารถสร้างเรโซเนเตอร์ลำดับศูนย์ (ZOR) ใหม่ได้ เมื่อ β เป็นศูนย์ เฟสชิฟต์จะไม่เกิดขึ้นภายในเรโซเนเตอร์ทั้งหมด เนื่องจากค่าคงที่เฟสชิฟต์ φ = - βd = 0 นอกจากนี้ การเรโซแนนซ์ยังขึ้นอยู่กับโหลดรีแอกทีฟเท่านั้น และไม่ขึ้นอยู่กับความยาวของโครงสร้าง รูปที่ 10 แสดงให้เห็นว่าเสาอากาศที่นำเสนอนี้สร้างขึ้นโดยใช้เสาอากาศรูปตัว E จำนวนสองและสามชุด และมีขนาดรวม 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 และ 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0 ตามลำดับ โดยที่ λ0 แทนความยาวคลื่นของพื้นที่ว่างที่ความถี่ใช้งาน 500 MHz และ 650 MHz ตามลำดับ เสาอากาศทำงานที่ความถี่ 0.5-1.35 GHz (0.85 GHz) และ 0.65-1.85 GHz (1.2 GHz) โดยมีแบนด์วิดท์สัมพัทธ์ 91.9% และ 96.0% นอกจากคุณสมบัติขนาดเล็กและแบนด์วิดท์กว้างแล้ว เสาอากาศตัวแรกและตัวที่สองยังมีค่าเกนและประสิทธิภาพอยู่ที่ 5.3dBi และ 85% (1 GHz) และ 5.7dBi และ 90% (1.4 GHz) ตามลำดับ

รูปที่ 10 โครงสร้างเสาอากาศแบบ Double-E และ Triple-E ที่เสนอ

4. เสาอากาศแบบช่อง
มีการเสนอวิธีง่ายๆ ในการขยายขนาดช่องรับแสงของเสาอากาศ CRLH-MTM แต่ขนาดของเสาอากาศแทบจะไม่เปลี่ยนแปลง ดังแสดงในรูปที่ 11 เสาอากาศประกอบด้วยชุด CRLH ที่วางซ้อนกันในแนวตั้ง ซึ่งประกอบด้วยแพตช์และเส้นคดเคี้ยว และมีช่องรูปตัว S บนแพตช์ เสาอากาศได้รับพลังงานจากสตับที่จับคู่ CPW และมีขนาด 17.5 มม. × 32.15 มม. × 1.6 มม. ซึ่งสอดคล้องกับ 0.204λ0×0.375λ0×0.018λ0 โดยที่ λ0 (3.5GHz) แทนความยาวคลื่นของพื้นที่ว่าง ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าเสาอากาศทำงานในย่านความถี่ 0.85-7.90GHz และแบนด์วิดท์การทำงานอยู่ที่ 161.14% อัตราขยายการแผ่รังสีและประสิทธิภาพสูงสุดของเสาอากาศอยู่ที่ 3.5GHz ซึ่งอยู่ที่ 5.12dBi และ ~80% ตามลำดับ