સમાચાર - મેટામેટિરિયલ્સ પર આધારિત ટ્રાન્સમિશન લાઇન એન્ટેનાની સમીક્ષા (ભાગ 2)

2. એન્ટેના સિસ્ટમ્સમાં MTM-TL નો ઉપયોગ
આ વિભાગ કૃત્રિમ મેટામેટિરિયલ TL અને ઓછા ખર્ચે, સરળ ઉત્પાદન, લઘુચિત્રીકરણ, વિશાળ બેન્ડવિડ્થ, ઉચ્ચ લાભ અને કાર્યક્ષમતા, વિશાળ શ્રેણી સ્કેનિંગ ક્ષમતા અને ઓછી પ્રોફાઇલ સાથે વિવિધ એન્ટેના માળખાને સાકાર કરવા માટે તેમના કેટલાક સૌથી સામાન્ય અને સંબંધિત ઉપયોગો પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરશે. તેમની ચર્ચા નીચે કરવામાં આવી છે.

૧. બ્રોડબેન્ડ અને મલ્ટી-ફ્રિકવન્સી એન્ટેના
l લંબાઈવાળા લાક્ષણિક TL માં, જ્યારે કોણીય આવર્તન ω0 આપવામાં આવે છે, ત્યારે ટ્રાન્સમિશન લાઇનની વિદ્યુત લંબાઈ (અથવા તબક્કો) નીચે મુજબ ગણતરી કરી શકાય છે:

જ્યાં vp ટ્રાન્સમિશન લાઇનના ફેઝ વેગનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. ઉપરોક્ત પરથી જોઈ શકાય છે તેમ, બેન્ડવિડ્થ ગ્રુપ વિલંબ સાથે નજીકથી અનુરૂપ છે, જે ફ્રીક્વન્સીના સંદર્ભમાં φ નું વ્યુત્પન્ન છે. તેથી, જેમ જેમ ટ્રાન્સમિશન લાઇનની લંબાઈ ટૂંકી થતી જાય છે, તેમ તેમ બેન્ડવિડ્થ પણ પહોળી થતી જાય છે. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, બેન્ડવિડ્થ અને ટ્રાન્સમિશન લાઇનના મૂળભૂત તબક્કા વચ્ચે એક વિપરીત સંબંધ છે, જે ડિઝાઇન વિશિષ્ટ છે. આ દર્શાવે છે કે પરંપરાગત વિતરિત સર્કિટમાં, ઓપરેટિંગ બેન્ડવિડ્થને નિયંત્રિત કરવું સરળ નથી. આ સ્વતંત્રતાની ડિગ્રીના સંદર્ભમાં પરંપરાગત ટ્રાન્સમિશન લાઇનની મર્યાદાઓને આભારી હોઈ શકે છે. જો કે, લોડિંગ તત્વો મેટામેટિરિયલ TL માં વધારાના પરિમાણોનો ઉપયોગ કરવાની મંજૂરી આપે છે, અને ફેઝ રિસ્પોન્સને ચોક્કસ હદ સુધી નિયંત્રિત કરી શકાય છે. બેન્ડવિડ્થ વધારવા માટે, ડિસ્પરઝન લાક્ષણિકતાઓની ઓપરેટિંગ ફ્રીક્વન્સીની નજીક સમાન ઢાળ હોવો જરૂરી છે. કૃત્રિમ મેટામેટિરિયલ TL આ ધ્યેય પ્રાપ્ત કરી શકે છે. આ અભિગમના આધારે, પેપરમાં એન્ટેનાની બેન્ડવિડ્થ વધારવા માટેની ઘણી પદ્ધતિઓ પ્રસ્તાવિત છે. વિદ્વાનોએ સ્પ્લિટ રિંગ રેઝોનેટર્સથી લોડ થયેલા બે બ્રોડબેન્ડ એન્ટેના ડિઝાઇન અને બનાવટી કર્યા છે (આકૃતિ 7 જુઓ). આકૃતિ 7 માં દર્શાવેલ પરિણામો દર્શાવે છે કે પરંપરાગત મોનોપોલ એન્ટેના સાથે સ્પ્લિટ રિંગ રેઝોનેટરને લોડ કર્યા પછી, ઓછી રેઝોનન્ટ ફ્રીક્વન્સી મોડ ઉત્તેજિત થાય છે. સ્પ્લિટ રિંગ રેઝોનેટરનું કદ મોનોપોલ એન્ટેનાની નજીક રેઝોનન્સ પ્રાપ્ત કરવા માટે ઑપ્ટિમાઇઝ કરવામાં આવે છે. પરિણામો દર્શાવે છે કે જ્યારે બે રેઝોનન્સ એકરૂપ થાય છે, ત્યારે એન્ટેનાની બેન્ડવિડ્થ અને રેડિયેશન લાક્ષણિકતાઓમાં વધારો થાય છે. મોનોપોલ એન્ટેનાની લંબાઈ અને પહોળાઈ અનુક્રમે 0.25λ0×0.11λ0 અને 0.25λ0×0.21λ0 (4GHz) છે, અને સ્પ્લિટ રિંગ રેઝોનેટરથી લોડ થયેલ મોનોપોલ એન્ટેનાની લંબાઈ અને પહોળાઈ અનુક્રમે 0.29λ0×0.21λ0 (2.9GHz) છે. સ્પ્લિટ રિંગ રેઝોનેટર વિના પરંપરાગત F-આકારના એન્ટેના અને T-આકારના એન્ટેના માટે, 5GHz બેન્ડમાં માપવામાં આવેલ સૌથી વધુ ગેઇન અને રેડિયેશન કાર્યક્ષમતા અનુક્રમે 3.6dBi - 78.5% અને 3.9dBi - 80.2% છે. સ્પ્લિટ રિંગ રેઝોનેટરથી લોડ થયેલા એન્ટેના માટે, 6GHz બેન્ડમાં આ પરિમાણો અનુક્રમે 4dBi - 81.2% અને 4.4dBi - 83% છે. મોનોપોલ એન્ટેના પર મેચિંગ લોડ તરીકે સ્પ્લિટ રિંગ રેઝોનેટર લાગુ કરીને, 2.9GHz ~ 6.41GHz અને 2.6GHz ~ 6.6GHz બેન્ડને સપોર્ટ કરી શકાય છે, જે અનુક્રમે 75.4% અને ~87% ની અપૂર્ણાંક બેન્ડવિડ્થને અનુરૂપ છે. આ પરિણામો દર્શાવે છે કે માપન બેન્ડવિડ્થ લગભગ નિશ્ચિત કદના પરંપરાગત મોનોપોલ એન્ટેનાની તુલનામાં લગભગ 2.4 ગણો અને 2.11 ગણો સુધર્યો છે.

આકૃતિ 7. સ્પ્લિટ-રિંગ રેઝોનેટર્સથી ભરેલા બે બ્રોડબેન્ડ એન્ટેના.

આકૃતિ 8 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, કોમ્પેક્ટ પ્રિન્ટેડ મોનોપોલ એન્ટેનાના પ્રાયોગિક પરિણામો બતાવવામાં આવ્યા છે. જ્યારે S11≤- 10 dB હોય છે, ત્યારે ઓપરેટિંગ બેન્ડવિડ્થ 185% (0.115-2.90 GHz) હોય છે, અને 1.45 GHz પર, પીક ગેઇન અને રેડિયેશન કાર્યક્ષમતા અનુક્રમે 2.35 dBi અને 78.8% હોય છે. એન્ટેનાનું લેઆઉટ બેક-ટુ-બેક ત્રિકોણાકાર શીટ સ્ટ્રક્ચર જેવું જ છે, જે વક્ર પાવર ડિવાઇડર દ્વારા ફીડ કરવામાં આવે છે. કાપેલા GND માં ફીડર હેઠળ મૂકવામાં આવેલ એક કેન્દ્રીય સ્ટબ હોય છે, અને તેની આસપાસ ચાર ખુલ્લા રેઝોનન્ટ રિંગ્સ વિતરિત કરવામાં આવે છે, જે એન્ટેનાની બેન્ડવિડ્થને પહોળી કરે છે. એન્ટેના લગભગ સર્વદિશાત્મક રીતે રેડિયેટ થાય છે, મોટાભાગના VHF અને S બેન્ડ અને બધા UHF અને L બેન્ડને આવરી લે છે. એન્ટેનાનું ભૌતિક કદ 48.32×43.72×0.8 mm3 છે, અને વિદ્યુત કદ 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0 છે. તેમાં નાના કદ અને ઓછી કિંમતના ફાયદા છે, અને બ્રોડબેન્ડ વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સમાં સંભવિત એપ્લિકેશન સંભાવનાઓ ધરાવે છે.

આકૃતિ 8: સ્પ્લિટ રિંગ રેઝોનેટરથી લોડ થયેલ મોનોપોલ એન્ટેના.

આકૃતિ 9 એક પ્લેનર એન્ટેના માળખું દર્શાવે છે જેમાં બે જોડી એકબીજા સાથે જોડાયેલા મીન્ડર વાયર લૂપ્સનો સમાવેશ થાય છે જે બે વાયા દ્વારા કાપેલા T-આકારના ગ્રાઉન્ડ પ્લેન પર ગ્રાઉન્ડ થાય છે. એન્ટેનાનું કદ 38.5×36.6 mm2 (0.070λ0×0.067λ0) છે, જ્યાં λ0 એ 0.55 GHz ની ફ્રી સ્પેસ તરંગલંબાઇ છે. એન્ટેના 0.55 ~ 3.85 GHz ના ઓપરેટિંગ ફ્રીક્વન્સી બેન્ડમાં E-પ્લેનમાં સર્વદિશાત્મક રીતે રેડિયેટ કરે છે, જેમાં 2.35GHz પર 5.5dBi નો મહત્તમ ગેઇન અને 90.1% ની કાર્યક્ષમતા છે. આ સુવિધાઓ પ્રસ્તાવિત એન્ટેનાને UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi અને Bluetooth સહિત વિવિધ એપ્લિકેશનો માટે યોગ્ય બનાવે છે.

આકૃતિ 9 પ્રસ્તાવિત પ્લેનર એન્ટેના માળખું.

2. લીકી વેવ એન્ટેના (LWA)
નવો લીકી વેવ એન્ટેના કૃત્રિમ મેટામેટિરિયલ TL ને સાકાર કરવા માટેના મુખ્ય ઉપયોગોમાંનો એક છે. લીકી વેવ એન્ટેના માટે, રેડિયેશન એંગલ (θm) અને મહત્તમ બીમ પહોળાઈ (Δθ) પર ફેઝ કોન્સ્ટન્ટ β ની અસર નીચે મુજબ છે:

L એ એન્ટેનાની લંબાઈ છે, k0 એ મુક્ત જગ્યામાં તરંગ સંખ્યા છે, અને λ0 એ મુક્ત જગ્યામાં તરંગલંબાઇ છે. નોંધ કરો કે રેડિયેશન ફક્ત ત્યારે જ થાય છે જ્યારે |β|

૩. ઝીરો-ઓર્ડર રેઝોનેટર એન્ટેના
CRLH મેટામટીરિયલનો એક અનોખો ગુણધર્મ એ છે કે જ્યારે ફ્રીક્વન્સી શૂન્ય ન હોય ત્યારે β 0 હોઈ શકે છે. આ ગુણધર્મના આધારે, એક નવો ઝીરો-ઓર્ડર રેઝોનેટર (ZOR) જનરેટ કરી શકાય છે. જ્યારે β શૂન્ય હોય છે, ત્યારે સમગ્ર રેઝોનેટરમાં કોઈ ફેઝ શિફ્ટ થતી નથી. આનું કારણ એ છે કે ફેઝ શિફ્ટ કોન્સ્ટન્ટ φ = - βd = 0. વધુમાં, રેઝોનન્સ ફક્ત પ્રતિક્રિયાશીલ લોડ પર આધાર રાખે છે અને માળખાની લંબાઈથી સ્વતંત્ર છે. આકૃતિ 10 દર્શાવે છે કે પ્રસ્તાવિત એન્ટેના E-આકાર સાથે બે અને ત્રણ એકમો લાગુ કરીને બનાવવામાં આવે છે, અને કુલ કદ અનુક્રમે 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 અને 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0 છે, જ્યાં λ0 અનુક્રમે 500 MHz અને 650 MHz ની ઓપરેટિંગ ફ્રીક્વન્સીઝ પર ફ્રી સ્પેસની તરંગલંબાઇ દર્શાવે છે. આ એન્ટેના 0.5-1.35 GHz (0.85 GHz) અને 0.65-1.85 GHz (1.2 GHz) ની ફ્રીક્વન્સીઝ પર કાર્ય કરે છે, જેની સંબંધિત બેન્ડવિડ્થ 91.9% અને 96.0% છે. નાના કદ અને પહોળી બેન્ડવિડ્થની લાક્ષણિકતાઓ ઉપરાંત, પ્રથમ અને બીજા એન્ટેનાનો લાભ અને કાર્યક્ષમતા અનુક્રમે 5.3dBi અને 85% (1GHz) અને 5.7dBi અને 90% (1.4GHz) છે.

આકૃતિ 10 પ્રસ્તાવિત ડબલ-ઇ અને ટ્રિપલ-ઇ એન્ટેના સ્ટ્રક્ચર્સ.

4. સ્લોટ એન્ટેના
CRLH-MTM એન્ટેનાના છિદ્રને મોટું કરવા માટે એક સરળ પદ્ધતિનો પ્રસ્તાવ મૂકવામાં આવ્યો છે, પરંતુ તેના એન્ટેનાનું કદ લગભગ બદલાયું નથી. આકૃતિ 11 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, એન્ટેનામાં એકબીજા પર ઊભી રીતે સ્ટેક કરેલા CRLH એકમોનો સમાવેશ થાય છે, જેમાં પેચ અને મીન્ડર લાઇન્સ હોય છે, અને પેચ પર S-આકારનો સ્લોટ હોય છે. એન્ટેનાને CPW મેચિંગ સ્ટબ દ્વારા ફીડ કરવામાં આવે છે, અને તેનું કદ 17.5 mm × 32.15 mm × 1.6 mm છે, જે 0.204λ0×0.375λ0×0.018λ0 ને અનુરૂપ છે, જ્યાં λ0 (3.5GHz) મુક્ત જગ્યાની તરંગલંબાઇનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. પરિણામો દર્શાવે છે કે એન્ટેના 0.85-7.90GHz ના ફ્રીક્વન્સી બેન્ડમાં કાર્ય કરે છે, અને તેની ઓપરેટિંગ બેન્ડવિડ્થ 161.14% છે. એન્ટેનાનો સૌથી વધુ રેડિયેશન ગેઇન અને કાર્યક્ષમતા 3.5GHz પર દેખાય છે, જે અનુક્રમે 5.12dBi અને ~80% છે.