समाचार - मेटासामग्री पर आधारित ट्रांसमिशन लाइन एंटेना की समीक्षा (भाग 2)

2. एंटीना प्रणालियों में एमटीएम-टीएल का अनुप्रयोग
इस खंड में कृत्रिम मेटासामग्री टीएल और कम लागत, आसान निर्माण, लघुकरण, व्यापक बैंडविड्थ, उच्च लाभ और दक्षता, व्यापक रेंज स्कैनिंग क्षमता और कम प्रोफ़ाइल वाली विभिन्न एंटीना संरचनाओं को साकार करने के लिए उनके कुछ सबसे सामान्य और प्रासंगिक अनुप्रयोगों पर ध्यान केंद्रित किया जाएगा। इनका विवरण नीचे दिया गया है।

1. ब्रॉडबैंड और बहु-आवृत्ति एंटेना
l लंबाई वाली एक सामान्य ट्रांसमिशन लाइन (TL) में, जब कोणीय आवृत्ति ω0 दी गई हो, तो ट्रांसमिशन लाइन की विद्युत लंबाई (या चरण) की गणना निम्नलिखित तरीके से की जा सकती है:

यहां vp संचरण रेखा के चरण वेग को दर्शाता है। जैसा कि ऊपर देखा जा सकता है, बैंडविड्थ समूह विलंब के लगभग समान है, जो आवृत्ति के सापेक्ष φ का अवकलन है। इसलिए, जैसे-जैसे संचरण रेखा की लंबाई कम होती जाती है, बैंडविड्थ भी बढ़ती जाती है। दूसरे शब्दों में, बैंडविड्थ और संचरण रेखा के मूल चरण के बीच एक व्युत्क्रमानुपाती संबंध होता है, जो डिज़ाइन पर निर्भर करता है। इससे पता चलता है कि पारंपरिक वितरित परिपथों में, परिचालन बैंडविड्थ को नियंत्रित करना आसान नहीं है। इसका कारण स्वतंत्रता की डिग्री के संदर्भ में पारंपरिक संचरण रेखाओं की सीमाएं हैं। हालांकि, लोडिंग तत्व मेटासामग्री टीएल में अतिरिक्त मापदंडों के उपयोग की अनुमति देते हैं, और चरण प्रतिक्रिया को एक निश्चित सीमा तक नियंत्रित किया जा सकता है। बैंडविड्थ बढ़ाने के लिए, प्रकीर्णन विशेषताओं की परिचालन आवृत्ति के निकट एक समान ढलान होना आवश्यक है। कृत्रिम मेटासामग्री टीएल इस लक्ष्य को प्राप्त कर सकता है। इस दृष्टिकोण के आधार पर, इस शोधपत्र में एंटेना की बैंडविड्थ बढ़ाने के लिए कई विधियां प्रस्तावित की गई हैं। विद्वानों ने स्प्लिट रिंग रेज़ोनेटर से लोड किए गए दो ब्रॉडबैंड एंटेना डिज़ाइन और निर्मित किए हैं (चित्र 7 देखें)। चित्र 7 में दर्शाए गए परिणाम बताते हैं कि स्प्लिट रिंग रेज़ोनेटर पर पारंपरिक मोनोपोल एंटीना लगाने के बाद, एक निम्न अनुनाद आवृत्ति मोड उत्तेजित होता है। स्प्लिट रिंग रेज़ोनेटर का आकार मोनोपोल एंटीना के अनुनाद के निकट अनुनाद प्राप्त करने के लिए अनुकूलित किया गया है। परिणाम दर्शाते हैं कि जब दोनों अनुनाद एक साथ मिलते हैं, तो एंटीना की बैंडविड्थ और विकिरण विशेषताएँ बढ़ जाती हैं। मोनोपोल एंटीना की लंबाई और चौड़ाई क्रमशः 0.25λ0×0.11λ0 और 0.25λ0×0.21λ0 (4GHz) हैं, और स्प्लिट रिंग रेज़ोनेटर से युक्त मोनोपोल एंटीना की लंबाई और चौड़ाई क्रमशः 0.29λ0×0.21λ0 (2.9GHz) हैं। स्प्लिट रिंग रेज़ोनेटर के बिना पारंपरिक F-आकार और T-आकार के एंटीना के लिए, 5GHz बैंड में मापा गया उच्चतम लाभ और विकिरण दक्षता क्रमशः 3.6dBi (78.5%) और 3.9dBi (80.2%) है। स्प्लिट रिंग रेज़ोनेटर से लैस एंटीना के लिए, 6GHz बैंड में ये पैरामीटर क्रमशः 4dBi (81.2%) और 4.4dBi (83%) हैं। मोनोपोल एंटीना पर स्प्लिट रिंग रेज़ोनेटर को मैचिंग लोड के रूप में लागू करने से, 2.9GHz ~ 6.41GHz और 2.6GHz ~ 6.6GHz बैंड समर्थित हो सकते हैं, जो क्रमशः 75.4% और ~87% की आंशिक बैंडविड्थ के अनुरूप हैं। ये परिणाम दर्शाते हैं कि लगभग निश्चित आकार के पारंपरिक मोनोपोल एंटीना की तुलना में मापन बैंडविड्थ में लगभग 2.4 गुना और 2.11 गुना सुधार हुआ है।

चित्र 7. स्प्लिट-रिंग रेज़ोनेटर से युक्त दो ब्रॉडबैंड एंटेना।

चित्र 8 में दिखाए गए अनुसार, कॉम्पैक्ट प्रिंटेड मोनोपोल एंटीना के प्रायोगिक परिणाम प्रदर्शित किए गए हैं। जब S11≤- 10 dB होता है, तो ऑपरेटिंग बैंडविड्थ 185% (0.115-2.90 GHz) होती है, और 1.45 GHz पर, पीक गेन और विकिरण दक्षता क्रमशः 2.35 dBi और 78.8% होती है। एंटीना की संरचना बैक-टू-बैक त्रिकोणीय शीट संरचना के समान है, जिसे एक वक्ररेखीय पावर डिवाइडर द्वारा फीड किया जाता है। कटे हुए GND में फीडर के नीचे स्थित एक केंद्रीय स्टब होता है, और इसके चारों ओर चार खुले अनुनादी वलय वितरित होते हैं, जो एंटीना की बैंडविड्थ को बढ़ाते हैं। एंटीना लगभग सर्वदिशात्मक रूप से विकिरण करता है, जो अधिकांश VHF और S बैंड और सभी UHF और L बैंड को कवर करता है। इस एंटीना का भौतिक आकार 48.32×43.72×0.8 मिमी³ है, और इसका विद्युत आकार 0.235λ₀×0.211λ₀×0.003λ₀ है। यह आकार में छोटा और लागत में सस्ता है, और ब्रॉडबैंड वायरलेस संचार प्रणालियों में इसके अनुप्रयोग की अपार संभावनाएं हैं।

चित्र 8: स्प्लिट रिंग रेज़ोनेटर से युक्त मोनोपोल एंटीना।

चित्र 9 में एक समतलीय एंटीना संरचना दिखाई गई है जिसमें परस्पर जुड़े हुए घुमावदार तार के दो जोड़े हैं, जो दो वाया के माध्यम से एक कटे हुए टी-आकार के ग्राउंड प्लेन से जुड़े हुए हैं। एंटीना का आकार 38.5×36.6 मिमी² (0.070λ₀×0.067λ₀) है, जहाँ λ₀ मुक्त स्थान तरंगदैर्ध्य 0.55 GHz है। यह एंटीना 0.55 ~ 3.85 GHz की परिचालन आवृत्ति बैंड में E-प्लेन में सर्वदिशात्मक रूप से विकिरण करता है, जिसमें 2.35 GHz पर अधिकतम लाभ 5.5 dBi और दक्षता 90.1% है। ये विशेषताएँ प्रस्तावित एंटीना को UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi और ब्लूटूथ सहित विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाती हैं।

चित्र 9 प्रस्तावित समतलीय एंटीना संरचना।

2. लीकी वेव एंटीना (एलडब्ल्यूए)
कृत्रिम मेटासामग्री टीएल को साकार करने के लिए नए लीकी वेव एंटीना का उपयोग मुख्य अनुप्रयोगों में से एक है। लीकी वेव एंटीना के लिए, विकिरण कोण (θm) और अधिकतम बीम चौड़ाई (Δθ) पर चरण स्थिरांक β का प्रभाव इस प्रकार है:

L एंटेना की लंबाई है, k0 मुक्त स्थान में तरंग संख्या है, और λ0 मुक्त स्थान में तरंगदैर्घ्य है। ध्यान दें कि विकिरण केवल तभी होता है जब |β|

3. शून्य-क्रम अनुनादक एंटीना
सीआरएलएच मेटासामग्री का एक अनूठा गुण यह है कि जब आवृत्ति शून्य के बराबर नहीं होती है, तो β का मान शून्य हो सकता है। इस गुण के आधार पर, एक नया शून्य-क्रम अनुनादक (ZOR) उत्पन्न किया जा सकता है। जब β शून्य होता है, तो पूरे अनुनादक में कोई चरण विस्थापन नहीं होता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि चरण विस्थापन स्थिरांक φ = - βd = 0 होता है। इसके अतिरिक्त, अनुनाद केवल प्रतिक्रियाशील भार पर निर्भर करता है और संरचना की लंबाई से स्वतंत्र होता है। चित्र 10 दर्शाता है कि प्रस्तावित एंटीना को E-आकार की दो और तीन इकाइयों का उपयोग करके निर्मित किया गया है, और कुल आकार क्रमशः 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 और 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0 है, जहाँ λ0 क्रमशः 500 मेगाहर्ट्ज़ और 650 मेगाहर्ट्ज़ की परिचालन आवृत्तियों पर मुक्त स्थान की तरंगदैर्ध्य को दर्शाता है। यह एंटीना 0.5-1.35 GHz (0.85 GHz) और 0.65-1.85 GHz (1.2 GHz) आवृत्तियों पर काम करता है, जिसकी सापेक्ष बैंडविड्थ क्रमशः 91.9% और 96.0% है। छोटे आकार और विस्तृत बैंडविड्थ की विशेषताओं के अलावा, पहले और दूसरे एंटीना का गेन और दक्षता क्रमशः 5.3dBi और 85% (1GHz) और 5.7dBi और 90% (1.4GHz) है।

चित्र 10 प्रस्तावित डबल-ई और ट्रिपल-ई एंटीना संरचनाएं।

4. स्लॉट एंटीना
CRLH-MTM एंटेना के एपर्चर को बढ़ाने के लिए एक सरल विधि प्रस्तावित की गई है, लेकिन एंटेना का आकार लगभग अपरिवर्तित रहता है। चित्र 11 में दर्शाए अनुसार, एंटेना में CRLH इकाइयाँ एक दूसरे के ऊपर लंबवत रूप से रखी गई हैं, जिनमें पैच और मेन्डर लाइनें हैं, और पैच पर एक S-आकार का स्लॉट है। एंटेना को CPW मैचिंग स्टब द्वारा फीड किया जाता है, जिसका आकार 17.5 mm × 32.15 mm × 1.6 mm है, जो 0.204λ0 × 0.375λ0 × 0.018λ0 के अनुरूप है, जहाँ λ0 (3.5GHz) मुक्त स्थान की तरंगदैर्ध्य को दर्शाता है। परिणामों से पता चलता है कि एंटेना 0.85-7.90GHz आवृत्ति बैंड में कार्य करता है, और इसकी परिचालन बैंडविड्थ 161.14% है। एंटेना का उच्चतम विकिरण लाभ और दक्षता 3.5GHz पर प्राप्त होती है, जो क्रमशः 5.12dBi और लगभग 80% है।