ข่าวสาร - บทวิจารณ์เรื่องเสาอากาศสายส่งไฟฟ้าที่ทำจากวัสดุเมตาแมทีเรียล (ตอนที่ 2)

2. การประยุกต์ใช้ MTM-TL ในระบบเสาอากาศ
หัวข้อนี้จะเน้นที่ TL เมตาแมทีเรียลเทียมและการประยุกต์ใช้ทั่วไปและเกี่ยวข้องที่สุดบางส่วนสำหรับการสร้างโครงสร้างเสาอากาศต่างๆ ที่มีต้นทุนต่ำ ผลิตง่าย มีขนาดเล็ก แบนด์วิดท์กว้าง อัตราขยายและประสิทธิภาพสูง ความสามารถในการสแกนช่วงกว้าง และโปรไฟล์ต่ำ ซึ่งจะกล่าวถึงในหัวข้อต่อไปนี้

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

โดยที่ vp แทนความเร็วเฟสของสายส่ง ดังที่เห็นได้จากข้างต้น แบนด์วิดท์จะสอดคล้องอย่างใกล้ชิดกับความล่าช้าของกลุ่ม ซึ่งเป็นอนุพันธ์ของ φ เมื่อเทียบกับความถี่ ดังนั้น เมื่อความยาวสายส่งสั้นลง แบนด์วิดท์ก็จะกว้างขึ้นด้วย กล่าวอีกนัยหนึ่ง มีความสัมพันธ์ผกผันระหว่างแบนด์วิดท์และเฟสพื้นฐานของสายส่ง ซึ่งเป็นแบบจำเพาะของการออกแบบ สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าในวงจรแบบกระจายแบบดั้งเดิม แบนด์วิดท์การทำงานนั้นไม่ง่ายที่จะควบคุม ซึ่งอาจเกิดจากข้อจำกัดของสายส่งแบบดั้งเดิมในแง่ขององศาอิสระ อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบการโหลดช่วยให้สามารถใช้พารามิเตอร์เพิ่มเติมใน TL เมตาแมทีเรียลได้ และสามารถควบคุมการตอบสนองของเฟสได้ในระดับหนึ่ง เพื่อเพิ่มแบนด์วิดท์ จำเป็นต้องมีความลาดชันที่คล้ายคลึงกันใกล้กับความถี่การทำงานของลักษณะการกระจาย TL เมตาแมทีเรียลเทียมสามารถบรรลุเป้าหมายนี้ได้ โดยอิงจากแนวทางนี้ บทความนี้เสนอวิธีการต่างๆ มากมายสำหรับการเพิ่มแบนด์วิดท์ของเสาอากาศ นักวิชาการได้ออกแบบและประดิษฐ์เสาอากาศบรอดแบนด์สองเสาที่โหลดด้วยเรโซเนเตอร์วงแหวนแยก (ดูรูปที่ 7) ผลลัพธ์ที่แสดงในรูปที่ 7 แสดงให้เห็นว่าหลังจากโหลดเรโซเนเตอร์ริงแยกด้วยเสาอากาศโมโนโพลแบบธรรมดาแล้ว โหมดความถี่เรโซเนเตอร์ต่ำจะถูกกระตุ้น ขนาดของเรโซเนเตอร์ริงแยกได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อให้ได้เรโซเนเตอร์ที่ใกล้เคียงกับเสาอากาศโมโนโพล ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าเมื่อเรโซเนเตอร์ทั้งสองตรงกัน แบนด์วิดท์และลักษณะการแผ่รังสีของเสาอากาศจะเพิ่มขึ้น ความยาวและความกว้างของเสาอากาศโมโนโพลคือ 0.25λ0×0.11λ0 และ 0.25λ0×0.21λ0 (4GHz) ตามลำดับ และความยาวและความกว้างของเสาอากาศโมโนโพลที่โหลดด้วยเรโซเนเตอร์ริงแยกคือ 0.29λ0×0.21λ0 (2.9GHz) ตามลำดับ สำหรับเสาอากาศรูปตัว F แบบธรรมดาและเสาอากาศรูปตัว T ที่ไม่มีเรโซเนเตอร์ริงแยก อัตราขยายสูงสุดและประสิทธิภาพการแผ่รังสีที่วัดได้ในย่าน 5GHz คือ 3.6dBi - 78.5% และ 3.9dBi - 80.2% ตามลำดับ สำหรับเสาอากาศที่มีตัวสะท้อนแบบวงแหวนแยก พารามิเตอร์เหล่านี้คือ 4dBi - 81.2% และ 4.4dBi - 83% ตามลำดับ ในแบนด์ 6GHz โดยการใช้ตัวสะท้อนแบบวงแหวนแยกเป็นโหลดที่ตรงกันบนเสาอากาศโมโนโพล จึงสามารถรองรับแบนด์ 2.9GHz ~ 6.41GHz และ 2.6GHz ~ 6.6GHz ได้ ซึ่งสอดคล้องกับแบนด์วิดท์เศษส่วนที่ 75.4% และ ~87% ตามลำดับ ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นว่าแบนด์วิดท์การวัดได้รับการปรับปรุงประมาณ 2.4 เท่าและ 2.11 เท่าเมื่อเปรียบเทียบกับเสาอากาศโมโนโพลแบบดั้งเดิมที่มีขนาดคงที่โดยประมาณ

รูปที่ 7 เสาอากาศบรอดแบนด์ 2 เสาที่ติดตั้งเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยก

ดังแสดงในรูปที่ 8 ผลการทดลองของเสาอากาศโมโนโพลพิมพ์ขนาดกะทัดรัดจะแสดง เมื่อ S11≤- 10 dB แบนด์วิดท์การทำงานจะอยู่ที่ 185% (0.115-2.90 GHz) และที่ 1.45 GHz กำไรสูงสุดและประสิทธิภาพการแผ่รังสีจะอยู่ที่ 2.35 dBi และ 78.8% ตามลำดับ การจัดวางเสาอากาศนั้นคล้ายกับโครงสร้างแผ่นสามเหลี่ยมที่เรียงต่อกันซึ่งป้อนโดยตัวแบ่งกำลังแบบโค้ง GND ที่ถูกตัดทอนจะมีสตับตรงกลางที่อยู่ใต้ตัวป้อน และวงแหวนเรโซแนนซ์เปิดสี่วงกระจายอยู่รอบๆ ซึ่งทำให้แบนด์วิดท์ของเสาอากาศกว้างขึ้น เสาอากาศแผ่รังสีเกือบรอบทิศทาง ครอบคลุมย่านความถี่ VHF และ S ส่วนใหญ่ และย่านความถี่ UHF และ L ทั้งหมด ขนาดทางกายภาพของเสาอากาศคือ 48.32×43.72×0.8 mm3 และขนาดทางไฟฟ้าคือ 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0 เสาอากาศนี้มีข้อดีคือมีขนาดเล็กและต้นทุนต่ำ และมีแนวโน้มการใช้งานในระบบสื่อสารไร้สายบรอดแบนด์ได้

รูปที่ 8: เสาอากาศโมโนโพลที่มีเรโซเนเตอร์ริงแยก

รูปที่ 9 แสดงโครงสร้างเสาอากาศแบบระนาบซึ่งประกอบด้วยสายลวดแบบคดเคี้ยวสองคู่ที่เชื่อมต่อกันและต่อลงดินกับระนาบกราวด์รูปตัว T ที่ถูกตัดทอนผ่านรูทะลุสองรู ขนาดของเสาอากาศคือ 38.5×36.6 มม.2 (0.070λ0×0.067λ0) โดยที่ λ0 คือความยาวคลื่นของพื้นที่ว่าง 0.55 GHz เสาอากาศแผ่คลื่นรอบทิศทางในระนาบ E ในย่านความถี่การทำงาน 0.55 ~ 3.85 GHz โดยมีค่าขยายสูงสุดที่ 5.5dBi ที่ 2.35GHz และประสิทธิภาพ 90.1% คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เสาอากาศที่เสนอนี้เหมาะสำหรับการใช้งานต่างๆ รวมถึง UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi และ Bluetooth

รูปที่ 9 โครงสร้างเสาอากาศแบบระนาบที่เสนอ

2. เสาอากาศคลื่นรั่วไหล (LWA)
เสาอากาศคลื่นรั่วแบบใหม่เป็นหนึ่งในการใช้งานหลักในการสร้าง TL เมตาแมทีเรียลเทียม สำหรับเสาอากาศคลื่นรั่ว ผลของค่าคงที่เฟส β ต่อมุมการแผ่รังสี (θm) และความกว้างของลำแสงสูงสุด (Δθ) มีดังต่อไปนี้:

L คือความยาวของเสาอากาศ k0 คือจำนวนคลื่นในอวกาศว่าง และ λ0 คือความยาวคลื่นในอวกาศว่าง โปรดทราบว่าการแผ่รังสีจะเกิดขึ้นเมื่อ |β|

3. เสาอากาศเรโซเนเตอร์แบบซีโร่ออร์เดอร์
คุณสมบัติเฉพาะตัวของเมตาแมทีเรียล CRLH คือ β สามารถเป็น 0 ได้เมื่อความถี่ไม่เท่ากับศูนย์ จากคุณสมบัตินี้ จึงสามารถสร้างเรโซเนเตอร์ลำดับศูนย์ (ZOR) ใหม่ได้ เมื่อ β เป็นศูนย์ เฟสชิฟต์จะไม่เกิดขึ้นในเรโซเนเตอร์ทั้งหมด เนื่องจากค่าคงที่ของเฟสชิฟต์ φ = - βd = 0 นอกจากนี้ เรโซแนนซ์ยังขึ้นอยู่กับโหลดปฏิกิริยาเท่านั้น และไม่ขึ้นอยู่กับความยาวของโครงสร้าง รูปที่ 10 แสดงให้เห็นว่าเสาอากาศที่เสนอนี้ผลิตขึ้นโดยใช้หน่วยรูปตัว E จำนวนสองและสามหน่วย และขนาดทั้งหมดคือ 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 และ 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0 ตามลำดับ โดยที่ λ0 แสดงถึงความยาวคลื่นของพื้นที่ว่างที่ความถี่การทำงาน 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% นอกเหนือจากลักษณะขนาดเล็กและแบนด์วิดท์กว้างแล้ว อัตราขยายและประสิทธิภาพของเสาอากาศแรกและที่สองคือ 5.3dBi และ 85% (1GHz) และ 5.7dBi และ 90% (1.4GHz) ตามลำดับ

รูปที่ 10 โครงสร้างเสาอากาศแบบ Double-E และ Triple-E ที่เสนอ

4. เสาอากาศแบบช่อง
มีการเสนอวิธีง่ายๆ เพื่อขยายช่องรับแสงของเสาอากาศ CRLH-MTM แต่ขนาดของเสาอากาศแทบจะไม่เปลี่ยนแปลงเลย ดังที่แสดงในรูปที่ 11 เสาอากาศประกอบด้วยหน่วย CRLH ที่เรียงซ้อนกันในแนวตั้ง ซึ่งประกอบด้วยแพตช์และเส้นคดเคี้ยว และมีช่องรูปตัว S บนแพตช์ เสาอากาศถูกป้อนโดยสตับที่จับคู่ CPW และขนาดของเสาอากาศคือ 17.5 มม. × 32.15 มม. × 1.6 มม. ซึ่งสอดคล้องกับ 0.204λ0×0.375λ0×0.018λ0 โดยที่ λ0 (3.5GHz) แสดงถึงความยาวคลื่นของพื้นที่ว่าง ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าเสาอากาศทำงานในย่านความถี่ 0.85-7.90GHz และแบนด์วิดท์การทำงานคือ 161.14% อัตราขยายรังสีและประสิทธิภาพสูงสุดของเสาอากาศปรากฏที่ 3.5GHz ซึ่งอยู่ที่ 5.12dBi และ ~80% ตามลำดับ