ข่าว - บทวิจารณ์เสาอากาศสายส่งที่ใช้เมตาวัสดุ (ตอนที่ 2)

2. การประยุกต์ใช้ MTM-TL ในระบบเสาอากาศ
ส่วนนี้จะเน้นไปที่เส้นนำไฟฟ้าเมตามาเทเรียลเทียม (Artificial Metamaterial TLs) และการใช้งานที่พบได้บ่อยและมีความสำคัญที่สุดบางส่วนสำหรับการสร้างโครงสร้างเสาอากาศต่างๆ ที่มีต้นทุนต่ำ ผลิตง่าย ขนาดเล็ก แบนด์วิดท์กว้าง อัตราขยายและประสิทธิภาพสูง ความสามารถในการสแกนช่วงกว้าง และรูปทรงเพรียวบาง ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไปนี้

1. เสาอากาศบรอดแบนด์และหลายความถี่
ในสายส่งไฟฟ้าทั่วไปที่มีความยาว l เมื่อกำหนดความถี่เชิงมุม ω0 แล้ว ความยาวทางไฟฟ้า (หรือเฟส) ของสายส่งสามารถคำนวณได้ดังนี้:

โดยที่ vp แทนความเร็วเฟสของสายส่ง ดังที่เห็นได้จากข้างต้น แบนด์วิดท์มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความล่าช้าของกลุ่ม ซึ่งเป็นอนุพันธ์ของ φ เทียบกับความถี่ ดังนั้น เมื่อความยาวของสายส่งสั้นลง แบนด์วิดท์ก็จะกว้างขึ้นด้วย กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ มีความสัมพันธ์แบบผกผันระหว่างแบนด์วิดท์และเฟสพื้นฐานของสายส่ง ซึ่งขึ้นอยู่กับการออกแบบเฉพาะ สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าในวงจรแบบกระจายแบบดั้งเดิม แบนด์วิดท์ในการทำงานนั้นควบคุมได้ยาก ซึ่งอาจเป็นเพราะข้อจำกัดของสายส่งแบบดั้งเดิมในแง่ของระดับความเป็นอิสระ อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบการโหลดช่วยให้สามารถใช้พารามิเตอร์เพิ่มเติมในสายส่งเมตามาเทเรียลได้ และการตอบสนองเฟสสามารถควบคุมได้ในระดับหนึ่ง เพื่อเพิ่มแบนด์วิดท์ จำเป็นต้องมีค่าความชันที่คล้ายกันใกล้กับความถี่ในการทำงานของลักษณะการกระจาย สายส่งเมตามาเทเรียลเทียมสามารถบรรลุเป้าหมายนี้ได้ จากแนวทางนี้ บทความนี้ได้เสนอวิธีการมากมายในการเพิ่มแบนด์วิดท์ของเสาอากาศ นักวิจัยได้ออกแบบและสร้างเสาอากาศบรอดแบนด์สองตัวที่โหลดด้วยตัวเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยก (ดูรูปที่ 7) ผลลัพธ์ที่แสดงในรูปที่ 7 แสดงให้เห็นว่าหลังจากโหลดตัวเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยกส่วนด้วยเสาอากาศโมโนโพลแบบดั้งเดิมแล้ว จะเกิดการกระตุ้นโหมดความถี่เรโซแนนซ์ต่ำ ขนาดของตัวเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยกส่วนได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อให้ได้เรโซแนนซ์ที่ใกล้เคียงกับเสาอากาศโมโนโพล ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าเมื่อเรโซแนนซ์ทั้งสองตรงกัน แบนด์วิดท์และคุณลักษณะการแผ่รังสีของเสาอากาศจะเพิ่มขึ้น ความยาวและความกว้างของเสาอากาศโมโนโพลคือ 0.25λ0×0.11λ0 และ 0.25λ0×0.21λ0 (4GHz) ตามลำดับ และความยาวและความกว้างของเสาอากาศโมโนโพลที่โหลดด้วยตัวเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยกส่วนคือ 0.29λ0×0.21λ0 (2.9GHz) ตามลำดับ สำหรับเสาอากาศรูปตัว F แบบดั้งเดิมและเสาอากาศรูปตัว T ที่ไม่มีตัวเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยกส่วน อัตราขยายสูงสุดและประสิทธิภาพการแผ่รังสีที่วัดได้ในย่านความถี่ 5GHz คือ 3.6dBi - 78.5% และ 3.9dBi - 80.2% ตามลำดับ สำหรับเสาอากาศที่ติดตั้งตัวเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยก พารามิเตอร์เหล่านี้คือ 4dBi - 81.2% และ 4.4dBi - 83% ตามลำดับ ในย่านความถี่ 6GHz โดยการใช้ตัวเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยกเป็นโหลดจับคู่บนเสาอากาศแบบโมโนโพล สามารถรองรับย่านความถี่ 2.9GHz ~ 6.41GHz และ 2.6GHz ~ 6.6GHz ได้ ซึ่งสอดคล้องกับแบนด์วิดท์แบบเศษส่วน 75.4% และ ~87% ตามลำดับ ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นว่าแบนด์วิดท์ในการวัดดีขึ้นประมาณ 2.4 เท่าและ 2.11 เท่า เมื่อเทียบกับเสาอากาศแบบโมโนโพลแบบดั้งเดิมที่มีขนาดคงที่โดยประมาณ

รูปที่ 7. เสาอากาศบรอดแบนด์สองตัวที่ติดตั้งตัวเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยก

ดังแสดงในรูปที่ 8 ผลการทดลองของเสาอากาศโมโนโพลแบบพิมพ์ขนาดกะทัดรัดแสดงให้เห็นว่า เมื่อ S11≤- 10 dB แบนด์วิดท์การทำงานคือ 185% (0.115-2.90 GHz) และที่ 1.45 GHz อัตราขยายสูงสุดและประสิทธิภาพการแผ่รังสีคือ 2.35 dBi และ 78.8% ตามลำดับ โครงสร้างของเสาอากาศคล้ายกับโครงสร้างแผ่นสามเหลี่ยมแบบกลับด้าน ซึ่งป้อนพลังงานด้วยตัวแบ่งกำลังแบบโค้ง GND ที่ถูกตัดทอนมีส่วนต่อขยายตรงกลางวางอยู่ใต้ตัวป้อน และมีวงแหวนเรโซแนนซ์แบบเปิดสี่วงกระจายอยู่รอบๆ ซึ่งช่วยขยายแบนด์วิดท์ของเสาอากาศ เสาอากาศแผ่รังสีได้เกือบทุกทิศทาง ครอบคลุมย่านความถี่ VHF และ S ส่วนใหญ่ และย่านความถี่ UHF และ L ทั้งหมด เสาอากาศนี้มีขนาดทางกายภาพ 48.32×43.72×0.8 มม.³ และขนาดทางไฟฟ้า 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0 มีข้อดีคือขนาดเล็กและต้นทุนต่ำ และมีศักยภาพในการประยุกต์ใช้ในระบบสื่อสารไร้สายบรอดแบนด์

รูปที่ 8: เสาอากาศโมโนโพลที่ติดตั้งตัวเรโซเนเตอร์แบบวงแหวนแยก

รูปที่ 9 แสดงโครงสร้างเสาอากาศแบบระนาบ ประกอบด้วยขดลวดคดเคี้ยวสองคู่ที่เชื่อมต่อกันและต่อลงดินกับระนาบกราวด์รูปตัว T ที่ถูกตัดผ่านรูเจาะสองรู ขนาดของเสาอากาศคือ 38.5×36.6 มม.² (0.070λ0×0.067λ0) โดยที่ λ0 คือความยาวคลื่นในพื้นที่ว่าง 0.55 GHz เสาอากาศแผ่รังสีแบบรอบทิศทางในระนาบ E ในย่านความถี่ใช้งาน 0.55 ~ 3.85 GHz โดยมีอัตราขยายสูงสุด 5.5 dBi ที่ 2.35 GHz และประสิทธิภาพ 90.1% คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เสาอากาศที่เสนอเหมาะสมสำหรับการใช้งานต่างๆ รวมถึง UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi และ Bluetooth

รูปที่ 9 โครงสร้างเสาอากาศระนาบที่เสนอ

2. เสาอากาศแบบคลื่นรั่ว (Leaky Wave Antenna - LWA)
เสาอากาศคลื่นรั่วแบบใหม่เป็นหนึ่งในแอปพลิเคชันหลักสำหรับการสร้าง TL เมตามาเทเรียลเทียม สำหรับเสาอากาศคลื่นรั่ว ผลกระทบของค่าคงที่เฟส β ต่อมุมการแผ่รังสี (θm) และความกว้างลำแสงสูงสุด (Δθ) มีดังนี้:

L คือความยาวของเสาอากาศ, k0 คือเลขคลื่นในพื้นที่ว่าง และ λ0 คือความยาวคลื่นในพื้นที่ว่าง โปรดทราบว่าการแผ่รังสีเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อ |β|

3. เสาอากาศเรโซเนเตอร์ลำดับศูนย์
คุณสมบัติเฉพาะอย่างหนึ่งของเมตามาเทเรียล CRLH คือ β สามารถเป็น 0 ได้เมื่อความถี่ไม่เท่ากับศูนย์ จากคุณสมบัตินี้ จึงสามารถสร้างตัวเรโซเนเตอร์ลำดับศูนย์ (ZOR) แบบใหม่ได้ เมื่อ β เป็นศูนย์ จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงเฟสเกิดขึ้นในตัวเรโซเนเตอร์ทั้งหมด เนื่องจากค่าคงที่การเปลี่ยนแปลงเฟส φ = - βd = 0 นอกจากนี้ การสั่นพ้องจะขึ้นอยู่กับโหลดปฏิกิริยาเท่านั้น และไม่ขึ้นอยู่กับความยาวของโครงสร้าง รูปที่ 10 แสดงให้เห็นว่าเสาอากาศที่เสนอถูกสร้างขึ้นโดยการใช้หน่วยรูปตัว E สองและสามหน่วย โดยมีขนาดโดยรวม 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% ตามลำดับ นอกจากคุณลักษณะด้านขนาดเล็กและแบนด์วิดท์กว้างแล้ว อัตราขยายและประสิทธิภาพของเสาอากาศตัวแรกและตัวที่สองคือ 5.3 dBi และ 85% (1 GHz) และ 5.7 dBi และ 90% (1.4 GHz) ตามลำดับ

รูปที่ 10 โครงสร้างเสาอากาศแบบดับเบิลอีและทริปเปิลอีที่เสนอ

4. เสาอากาศแบบสล็อต
ได้มีการเสนอวิธีการง่ายๆ เพื่อขยายขนาดช่องรับสัญญาณของเสาอากาศ CRLH-MTM แต่ขนาดของเสาอากาศแทบจะไม่เปลี่ยนแปลง ดังแสดงในรูปที่ 11 เสาอากาศประกอบด้วยหน่วย CRLH ที่วางซ้อนกันในแนวตั้ง ซึ่งประกอบด้วยแผ่นโลหะและเส้นโค้งงอ และมีช่องรูปตัว S บนแผ่นโลหะ เสาอากาศได้รับสัญญาณป้อนจากตัวต่อปรับความเข้ากันแบบ CPW และมีขนาด 17.5 มม. × 32.15 มม. × 1.6 มม. ซึ่งสอดคล้องกับ 0.204λ0×0.375λ0×0.018λ0 โดยที่ λ0 (3.5GHz) แทนความยาวคลื่นในพื้นที่ว่าง ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าเสาอากาศทำงานในช่วงความถี่ 0.85-7.90GHz และแบนด์วิดท์การทำงานคือ 161.14% อัตราขยายการแผ่รังสีและประสิทธิภาพสูงสุดของเสาอากาศปรากฏที่ 3.5GHz ซึ่งคือ 5.12dBi และประมาณ 80% ตามลำดับ