Yangiliklar - Metamaterial uzatish liniyasi antennalariga sharh

I. Kirish
Metamateriallarni tabiiy ravishda mavjud bo'lmagan ma'lum elektromagnit xususiyatlarni ishlab chiqarish uchun sun'iy ravishda yaratilgan tuzilmalar sifatida eng yaxshi ta'riflash mumkin. Salbiy o'tkazuvchanlik va salbiy o'tkazuvchanlikka ega metamateriallar chap qo'lli metamateriallar (LHM) deb ataladi. LHMlar ilmiy va muhandislik hamjamiyatlarida keng o'rganilgan. 2003-yilda Science jurnali tomonidan LHMlar zamonaviy davrning eng yaxshi o'nta ilmiy yutuqlaridan biri deb topildi. LHMlarning noyob xususiyatlaridan foydalangan holda yangi ilovalar, kontseptsiyalar va qurilmalar ishlab chiqildi. Uzatish liniyasi (TL) yondashuvi LHMlarning tamoyillarini ham tahlil qila oladigan samarali dizayn usuli hisoblanadi. An'anaviy TLlar bilan taqqoslaganda, metamaterial TLlarning eng muhim xususiyati TL parametrlarining (tarqalish doimiysi) va xarakterli impedansning boshqarilishidir. Metamaterial TL parametrlarining boshqarilishi yanada ixcham o'lchamli, yuqori ishlashli va yangi funktsiyalarga ega antenna tuzilmalarini loyihalash uchun yangi g'oyalarni taqdim etadi. 1-rasm (a), (b) va (c) mos ravishda sof o'ng qo'lli uzatish liniyasi (PRH), sof chap qo'lli uzatish liniyasi (PLH) va kompozit chap-o'ng qo'lli uzatish liniyasi (CRLH) ning yo'qotishsiz sxema modellarini ko'rsatadi. 1(a)-rasmda ko'rsatilganidek, PRH TL ekvivalent sxemasi modeli odatda ketma-ket induktivlik va shunt sig'imining kombinatsiyasidir. 1(b)-rasmda ko'rsatilganidek, PLH TL sxemasi modeli shunt induktivligi va ketma-ket sig'imining kombinatsiyasidir. Amaliy qo'llanmalarda PLH sxemasini amalga oshirish mumkin emas. Bu muqarrar parazit ketma-ket induktivlik va shunt sig'imining ta'siri bilan bog'liq. Shuning uchun, hozirgi vaqtda amalga oshirilishi mumkin bo'lgan chap qo'lli uzatish liniyasining xususiyatlari 1(c)-rasmda ko'rsatilganidek, barchasi kompozit chap qo'l va o'ng qo'lli tuzilmalardir.

1-rasm Turli xil uzatish liniyasi sxemalari modellari

Uzatish liniyasining (TL) tarqalish konstantasi (γ) quyidagicha hisoblanadi: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), bu yerda Y va Z mos ravishda kirish va impedansni ifodalaydi. CRLH-TL ni hisobga olsak, Z va Y ni quyidagicha ifodalash mumkin:

Yagona CRLH TL quyidagi dispersiya munosabatiga ega bo'ladi:

Faza doimiysi β sof haqiqiy son yoki sof xayoliy son bo'lishi mumkin. Agar β chastota diapazonida to'liq haqiqiy bo'lsa, γ=jβ sharti tufayli chastota diapazonida o'tish diapazoni mavjud. Boshqa tomondan, agar β chastota diapazonida sof xayoliy son bo'lsa, γ=α sharti tufayli chastota diapazonida to'xtash diapazoni mavjud. Bu to'xtash diapazoni CRLH-TL ga xos bo'lib, PRH-TL yoki PLH-TL da mavjud emas. 2-rasm (a), (b) va (c) mos ravishda PRH-TL, PLH-TL va CRLH-TL ning dispersiya egri chiziqlarini (ya'ni ω - β munosabatini) ko'rsatadi. Dispersiya egri chiziqlariga asoslanib, uzatish liniyasining guruh tezligi (vg=∂ω/∂β) va faza tezligini (vp=ω/β) olish va baholash mumkin. PRH-TL uchun, shuningdek, vg va vp parallel ekanligi egri chiziqdan xulosa qilish mumkin (ya'ni, vpvg>0). PLH-TL uchun egri chiziq vg va vp parallel emasligini ko'rsatadi (ya'ni, vpvg<0). CRLH-TL ning dispersiya egri chizig'i shuningdek, LH mintaqasining (ya'ni, vpvg <0) va RH mintaqasining (ya'ni, vpvg >0) mavjudligini ham ko'rsatadi. 2(c)-rasmdan ko'rinib turibdiki, CRLH-TL uchun, agar γ sof haqiqiy son bo'lsa, to'xtash chizig'i mavjud.

2-rasm. Turli uzatish liniyalarining dispersiya egri chiziqlari

Odatda, CRLH-TL ning ketma-ket va parallel rezonanslari har xil bo'ladi, bu muvozanatsiz holat deb ataladi. Biroq, ketma-ket va parallel rezonans chastotalari bir xil bo'lganda, u muvozanatli holat deb ataladi va natijada olingan soddalashtirilgan ekvivalent sxema modeli 3(a)-rasmda ko'rsatilgan.

3-rasm. Kompozit chap qo'l uzatish liniyasining sxema modeli va dispersiya egri chizig'i.

Chastota oshgani sayin, CRLH-TL ning dispersiya xususiyatlari asta-sekin oshib boradi. Buning sababi, faza tezligi (ya'ni, vp=ω/β) chastotaga tobora ko'proq bog'liq bo'lib boradi. Past chastotalarda CRLH-TL LH tomonidan, yuqori chastotalarda esa CRLH-TL RH tomonidan boshqariladi. Bu CRLH-TL ning ikki tomonlama tabiatini tasvirlaydi. Muvozanat CRLH-TL dispersiya diagrammasi 3(b)-rasmda ko'rsatilgan. 3(b)-rasmda ko'rsatilganidek, LH dan RH ga o'tish quyidagi hollarda sodir bo'ladi:

Bu yerda ω0 o'tish chastotasi. Shuning uchun, muvozanatli holatda, LH dan RH ga silliq o'tish sodir bo'ladi, chunki γ sof xayoliy sondir. Shuning uchun, muvozanatli CRLH-TL dispersiyasi uchun to'xtash diapazoni yo'q. ω0 da β nolga teng bo'lsa-da (yo'naltirilgan to'lqin uzunligiga nisbatan cheksiz, ya'ni λg=2π/|β|), to'lqin baribir tarqaladi, chunki ω0 da vg nolga teng emas. Xuddi shunday, ω0 da, d uzunlikdagi TL uchun faza siljishi nolga teng (ya'ni, φ= - βd=0). Faza oldinga siljishi (ya'ni, φ>0) LH chastota diapazonida sodir bo'ladi (ya'ni, ω<ω0) va faza kechikishi (ya'ni, φ<0) RH chastota diapazonida sodir bo'ladi (ya'ni, ω>ω0). CRLH TL uchun xarakterli impedans quyidagicha tavsiflanadi:

Bu yerda ZL va ZR mos ravishda PLH va PRH impedanslari hisoblanadi. Muvozanatsiz holat uchun xarakterli impedans chastotaga bog'liq. Yuqoridagi tenglama shuni ko'rsatadiki, muvozanatli holat chastotaga bog'liq emas, shuning uchun u keng o'tkazish qobiliyatiga ega bo'lishi mumkin. Yuqorida olingan TL tenglamasi CRLH materialini belgilaydigan konstitutiv parametrlarga o'xshaydi. TL ning tarqalish konstantasi γ=jβ=Sqrt(ZY) ga teng. Materialning tarqalish konstantasi (β=ω x Sqrt(εμ)) berilgan holda, quyidagi tenglamani olish mumkin:

Xuddi shunday, TL ning xarakterli impedansi, ya'ni Z0=Sqrt(ZY), materialning xarakterli impedansiga o'xshaydi, ya'ni η=Sqrt(μ/ε), bu quyidagicha ifodalanadi:

Muvozanatli va muvozanatsiz CRLH-TL ning sinish ko'rsatkichi (ya'ni, n = cβ/ω) 4-rasmda ko'rsatilgan. 4-rasmda CRLH-TL ning LH diapazonidagi sinish ko'rsatkichi manfiy va RH diapazonidagi sinish ko'rsatkichi musbat.

4-rasm. Muvozanatli va muvozanatsiz CRLH TLlarining odatiy sinish ko'rsatkichlari.

1. LC tarmog'i
5(a)-rasmda ko'rsatilgan o'tkazuvchan LC katakchalarini kaskadlash orqali, d uzunlikning samarali bir xilligiga ega bo'lgan odatiy CRLH-TL davriy yoki davriy bo'lmagan tarzda qurilishi mumkin. Umuman olganda, CRLH-TL ni hisoblash va ishlab chiqarish qulayligini ta'minlash uchun sxema davriy bo'lishi kerak. 1(c)-rasmdagi model bilan taqqoslaganda, 5(a)-rasmdagi sxema katakchasining o'lchami yo'q va fizik uzunligi cheksiz kichik (ya'ni, metrlarda Δz). Uning elektr uzunligi θ=Δφ (rad) ni hisobga olgan holda, LC katakchasining fazasini ifodalash mumkin. Biroq, qo'llaniladigan induktivlik va sig'imni amalda amalga oshirish uchun fizik uzunlik p ni o'rnatish kerak. Qo'llash texnologiyasini tanlash (masalan, mikrostrip, koplanar to'lqin o'tkazgich, sirtga o'rnatish komponentlari va boshqalar) LC katakchasining fizik hajmiga ta'sir qiladi. 5(a)-rasmdagi LC katakchasi 1(c)-rasmdagi incremental modelga o'xshaydi va uning chegarasi p=Δz→0. 5(b)-rasmdagi p→0 bir xillik shartiga ko'ra, d uzunligiga ega ideal bir xil CRLH-TL ga teng bo'lgan (LC katakchalarini kaskadlash orqali) TL ni yaratish mumkin, shunda TL elektromagnit to'lqinlarga bir xil ko'rinadi.

5-rasm. LC tarmog'iga asoslangan CRLH TL.

LC katakchasi uchun, Bloch-Floket teoremasiga o'xshash davriy chegara shartlarini (PBC) hisobga olgan holda, LC katakchasining dispersiya munosabati isbotlangan va quyidagicha ifodalangan:

LC katakchasining ketma-ket impedansi (Z) va shunt kirishi (Y) quyidagi tenglamalar bilan aniqlanadi:

Birlik LC zanjirining elektr uzunligi juda kichik bo'lgani uchun, Teylor yaqinlashuvidan quyidagilarni olish uchun foydalanish mumkin:

2. Jismoniy amalga oshirish
Oldingi bo'limda CRLH-TL ni ishlab chiqarish uchun LC tarmog'i muhokama qilingan edi. Bunday LC tarmoqlarini faqat kerakli sig'im (CR va CL) va induktivlikni (LR va LL) ishlab chiqaradigan jismoniy komponentlarni qabul qilish orqali amalga oshirish mumkin. So'nggi yillarda sirtga o'rnatish texnologiyasi (SMT) chip komponentlarini yoki taqsimlangan komponentlarni qo'llash katta qiziqish uyg'otdi. Tarqalgan komponentlarni amalga oshirish uchun mikrostrip, stripline, coplanar to'lqin yo'riqnomasi yoki boshqa shunga o'xshash texnologiyalardan foydalanish mumkin. SMT chiplarini yoki taqsimlangan komponentlarni tanlashda e'tiborga olish kerak bo'lgan ko'plab omillar mavjud. SMT asosidagi CRLH tuzilmalari tahlil va dizayn nuqtai nazaridan ko'proq keng tarqalgan va amalga oshirish osonroq. Buning sababi, taqsimlangan komponentlarga nisbatan qayta modellashtirish va ishlab chiqarishni talab qilmaydigan tayyor SMT chip komponentlarining mavjudligidir. Biroq, SMT komponentlarining mavjudligi tarqoq va ular odatda faqat past chastotalarda ishlaydi (ya'ni, 3-6 GGts). Shuning uchun, SMT asosidagi CRLH tuzilmalari cheklangan ish chastotasi diapazonlariga va o'ziga xos fazaviy xususiyatlarga ega. Masalan, nurlantiruvchi dasturlarda SMT chip komponentlari amaliy bo'lmasligi mumkin. 6-rasmda CRLH-TL ga asoslangan taqsimlangan struktura ko'rsatilgan. Struktura barmoqlararo sig'im va qisqa tutashuv liniyalari orqali amalga oshiriladi, bu mos ravishda LH ning ketma-ket sig'imi CL va parallel induktivlik LL ni hosil qiladi. Chiziq va GND orasidagi sig'im RH sig'imi CR deb qabul qilinadi va barmoqlararo strukturadagi tok oqimi tomonidan hosil qilingan magnit oqim tomonidan hosil qilingan induktivlik RH induktivlik LR deb qabul qilinadi.