Aħbarijiet - Reviżjoni tal-Antenni tal-Linja ta' Trażmissjoni Metamaterjali

I. Introduzzjoni
Il-metamaterjali jistgħu jiġu deskritti l-aħjar bħala strutturi ddisinjati artifiċjalment biex jipproduċu ċerti proprjetajiet elettromanjetiċi li ma jeżistux b'mod naturali. Metamaterjali b'permittività negattiva u permeabilità negattiva jissejħu metamaterjali tax-xellug (LHMs). L-LHMs ġew studjati b'mod estensiv fil-komunitajiet xjentifiċi u tal-inġinerija. Fl-2003, l-LHMs ġew imsemmija bħala waħda mill-aqwa għaxar avvanzi xjentifiċi tal-era kontemporanja mir-rivista Science. Applikazzjonijiet, kunċetti u apparati ġodda ġew żviluppati billi ġew sfruttati l-proprjetajiet uniċi tal-LHMs. L-approċċ tal-linja ta' trasmissjoni (TL) huwa metodu ta' disinn effettiv li jista' wkoll janalizza l-prinċipji tal-LHMs. Meta mqabbla mat-TLs tradizzjonali, l-aktar karatteristika sinifikanti tat-TLs metamaterjali hija l-kontrollabbiltà tal-parametri TL (kostanti ta' propagazzjoni) u l-impedenza karatteristika. Il-kontrollabbiltà tal-parametri TL metamaterjali tipprovdi ideat ġodda għad-disinn ta' strutturi tal-antenna b'daqs aktar kompatt, prestazzjoni ogħla u funzjonijiet ġodda. Il-Figura 1 (a), (b), u (c) juru l-mudelli ta' ċirkwit mingħajr telf ta' linja ta' trasmissjoni pura lejn il-lemin (PRH), linja ta' trasmissjoni pura lejn ix-xellug (PLH), u linja ta' trasmissjoni komposta lejn ix-xellug-lemin (CRLH), rispettivament. Kif muri fil-Figura 1(a), il-mudell taċ-ċirkwit ekwivalenti PRH TL ġeneralment huwa taħlita ta' induttanza f'serje u kapaċitanza shunt. Kif muri fil-Figura 1(b), il-mudell taċ-ċirkwit PLH TL huwa taħlita ta' induttanza shunt u kapaċitanza f'serje. F'applikazzjonijiet prattiċi, mhux fattibbli li jiġi implimentat ċirkwit PLH. Dan minħabba l-effetti parassitiċi inevitabbli tal-induttanza f'serje u l-kapaċitanza shunt. Għalhekk, il-karatteristiċi tal-linja ta' trasmissjoni lejn ix-xellug li jistgħu jiġu realizzati fil-preżent huma kollha strutturi komposti lejn ix-xellug u lejn il-lemin, kif muri fil-Figura 1(c).

Figura 1 Mudelli differenti ta' ċirkwit tal-linja tat-trażmissjoni

Il-kostanti tal-propagazzjoni (γ) tal-linja ta' trasmissjoni (TL) hija kkalkulata bħala: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), fejn Y u Z jirrappreżentaw l-ammittenza u l-impedenza rispettivament. Meta wieħed iqis CRLH-TL, Z u Y jistgħu jiġu espressi bħala:

CRLH TL uniformi se jkollu r-relazzjoni ta' dispersjoni li ġejja:

Il-kostanti tal-fażi β tista' tkun numru purament reali jew numru purament immaġinarju. Jekk β hija kompletament reali f'medda ta' frekwenza, ikun hemm passband fil-medda ta' frekwenza minħabba l-kundizzjoni γ=jβ. Min-naħa l-oħra, jekk β huwa numru purament immaġinarju f'medda ta' frekwenza, ikun hemm stopband fil-medda ta' frekwenza minħabba l-kundizzjoni γ=α. Din il-stopband hija unika għal CRLH-TL u ma teżistix f'PRH-TL jew PLH-TL. Il-Figuri 2 (a), (b), u (c) juru l-kurvi tad-dispersjoni (jiġifieri, ir-relazzjoni ω - β) ta' PRH-TL, PLH-TL, u CRLH-TL, rispettivament. Abbażi tal-kurvi tad-dispersjoni, il-veloċità tal-grupp (vg=∂ω/∂β) u l-veloċità tal-fażi (vp=ω/β) tal-linja ta' trasmissjoni jistgħu jiġu derivati u stmati. Għal PRH-TL, jista' wkoll jiġi inferit mill-kurva li vg u vp huma paralleli (jiġifieri, vpvg>0). Għal PLH-TL, il-kurva turi li vg u vp mhumiex paralleli (jiġifieri, vpvg<0). Il-kurva tad-dispersjoni ta' CRLH-TL turi wkoll l-eżistenza tar-reġjun LH (jiġifieri, vpvg < 0) u r-reġjun RH (jiġifieri, vpvg > 0). Kif jidher mill-Figura 2(c), għal CRLH-TL, jekk γ huwa numru reali pur, hemm faxxa ta' waqfien.

Figura 2 Kurvi ta' dispersjoni ta' linji ta' trasmissjoni differenti

Normalment, ir-reżonanzi tas-serje u paralleli ta' CRLH-TL huma differenti, u dan jissejjaħ stat żbilanċjat. Madankollu, meta l-frekwenzi tar-reżonanza tas-serje u paralleli jkunu l-istess, dan jissejjaħ stat bilanċjat, u l-mudell simplifikat taċ-ċirkwit ekwivalenti li jirriżulta huwa muri fil-Figura 3(a).

Figura 3 Mudell taċ-ċirkwit u kurva tad-dispersjoni ta' linja ta' trasmissjoni komposta lejn ix-xellug

Hekk kif tiżdied il-frekwenza, il-karatteristiċi tad-dispersjoni tas-CRLH-TL jiżdiedu gradwalment. Dan għaliex il-veloċità tal-fażi (jiġifieri, vp=ω/β) issir dejjem aktar dipendenti fuq il-frekwenza. Fi frekwenzi baxxi, is-CRLH-TL hija ddominata minn LH, filwaqt li fi frekwenzi għoljin, is-CRLH-TL hija ddominata minn RH. Dan juri n-natura doppja tas-CRLH-TL. Id-dijagramma tad-dispersjoni tas-CRLH-TL f'ekwilibriju hija murija fil-Figura 3(b). Kif muri fil-Figura 3(b), it-tranżizzjoni minn LH għal RH isseħħ f':

Fejn ω0 hija l-frekwenza tat-tranżizzjoni. Għalhekk, fil-każ bilanċjat, isseħħ tranżizzjoni bla xkiel minn LH għal RH għaliex γ huwa numru purament immaġinarju. Għalhekk, m'hemm l-ebda stopband għad-dispersjoni bilanċjata CRLH-TL. Għalkemm β hija żero f'ω0 (infinita relattiva għat-tul tal-mewġa ggwidat, jiġifieri, λg=2π/|β|), il-mewġa xorta tippropaga għaliex vg f'ω0 mhijiex żero. Bl-istess mod, f'ω0, l-ispostament tal-fażi huwa żero għal TL ta' tul d (jiġifieri, φ= - βd=0). L-avvanz tal-fażi (jiġifieri, φ>0) iseħħ fil-medda ta' frekwenza LH (jiġifieri, ω<ω0), u r-ritardazzjoni tal-fażi (jiġifieri, φ<0) iseħħ fil-medda ta' frekwenza RH (jiġifieri, ω>ω0). Għal CRLH TL, l-impedenza karatteristika hija deskritta kif ġej:

Fejn ZL u ZR huma l-impedenzi PLH u PRH, rispettivament. Għall-każ żbilanċjat, l-impedenza karatteristika tiddependi fuq il-frekwenza. L-ekwazzjoni ta' hawn fuq turi li l-każ bilanċjat huwa indipendenti mill-frekwenza, għalhekk jista' jkollu tqabbil ta' bandwidth wiesa'. L-ekwazzjoni TL derivata hawn fuq hija simili għall-parametri kostituttivi li jiddefinixxu l-materjal CRLH. Il-kostanti tal-propagazzjoni ta' TL hija γ=jβ=Sqrt(ZY). Minħabba l-kostanti tal-propagazzjoni tal-materjal (β=ω x Sqrt(εμ)), tista' tinkiseb l-ekwazzjoni li ġejja:

Bl-istess mod, l-impedenza karatteristika ta' TL, jiġifieri, Z0=Sqrt(ZY), hija simili għall-impedenza karatteristika tal-materjal, jiġifieri, η=Sqrt(μ/ε), li hija espressa bħala:

L-indiċi refrattiv ta' CRLH-TL bilanċjat u mhux bilanċjat (jiġifieri, n = cβ/ω) huwa muri fil-Figura 4. Fil-Figura 4, l-indiċi refrattiv tas-CRLH-TL fil-medda LH tiegħu huwa negattiv u l-indiċi refrattiv fil-medda RH tiegħu huwa pożittiv.

Fig. 4 Indiċi ta' rifrazzjoni tipiċi ta' CRLH TLs bilanċjati u mhux bilanċjati.

1. Netwerk LC
Billi jiġu kaskati ċ-ċelloli LC bandpass murija fil-Figura 5(a), CRLH-TL tipiku b'uniformità effettiva tat-tul d jista' jinbena perjodikament jew mhux perjodikament. B'mod ġenerali, sabiex tiġi żgurata l-konvenjenza tal-kalkolu u l-manifattura tas-CRLH-TL, iċ-ċirkwit jeħtieġ li jkun perjodiku. Meta mqabbel mal-mudell tal-Figura 1(c), iċ-ċellola taċ-ċirkwit tal-Figura 5(a) m'għandha l-ebda daqs u t-tul fiżiku huwa infinitament żgħir (jiġifieri, Δz f'metri). Meta wieħed iqis it-tul elettriku tagħha θ=Δφ (rad), il-fażi taċ-ċellola LC tista' tiġi espressa. Madankollu, sabiex fil-fatt jiġu realizzati l-induttanza u l-kapaċitanza applikati, jeħtieġ li jiġi stabbilit tul fiżiku p. L-għażla tat-teknoloġija tal-applikazzjoni (bħal microstrip, waveguide coplanar, komponenti tal-immuntar fuq il-wiċċ, eċċ.) se taffettwa d-daqs fiżiku taċ-ċellola LC. Iċ-ċellola LC tal-Figura 5(a) hija simili għall-mudell inkrementali tal-Figura 1(c), u l-limitu tagħha p=Δz→0. Skont il-kundizzjoni ta' uniformità p→0 fil-Figura 5(b), jista' jinbena TL (billi jsiru kaskati ta' ċelloli LC) li huwa ekwivalenti għal CRLH-TL uniformi ideali b'tul d, sabiex it-TL jidher uniformi għall-mewġ elettromanjetiku.

Figura 5 CRLH TL ibbażat fuq netwerk LC.

Għaċ-ċellula LC, meta wieħed jikkunsidra l-kundizzjonijiet perjodiċi tal-konfini (PBCs) simili għat-teorema ta' Bloch-Floquet, ir-relazzjoni ta' dispersjoni taċ-ċellula LC hija ppruvata u espressa kif ġej:

L-impedenza tas-serje (Z) u l-ammissjoni shunt (Y) taċ-ċellula LC huma determinati mill-ekwazzjonijiet li ġejjin:

Peress li t-tul elettriku taċ-ċirkwit LC tal-unità huwa żgħir ħafna, l-approssimazzjoni ta' Taylor tista' tintuża biex jinkiseb:

2. Implimentazzjoni Fiżika
Fit-taqsima preċedenti, ġie diskuss in-netwerk LC biex jiġġenera CRLH-TL. Netwerks LC bħal dawn jistgħu jiġu realizzati biss billi jiġu adottati komponenti fiżiċi li jistgħu jipproduċu l-kapaċitanza (CR u CL) u l-induttanza (LR u LL) meħtieġa. Fi snin reċenti, l-applikazzjoni ta' komponenti taċ-ċippa tat-teknoloġija tal-immuntar tal-wiċċ (SMT) jew komponenti distribwiti ġibdet interess kbir. Mikrostrip, stripline, waveguide coplanar jew teknoloġiji simili oħra jistgħu jintużaw biex jiġu realizzati komponenti distribwiti. Hemm ħafna fatturi li għandek tikkonsidra meta tagħżel ċipep SMT jew komponenti distribwiti. Strutturi CRLH ibbażati fuq SMT huma aktar komuni u aktar faċli biex jiġu implimentati f'termini ta' analiżi u disinn. Dan minħabba d-disponibbiltà ta' komponenti taċ-ċippa SMT off-the-shelf, li ma jeħtiġux rimodelljar u manifattura meta mqabbla ma' komponenti distribwiti. Madankollu, id-disponibbiltà ta' komponenti SMT hija mxerrda, u ġeneralment jaħdmu biss fi frekwenzi baxxi (jiġifieri, 3-6GHz). Għalhekk, strutturi CRLH ibbażati fuq SMT għandhom firxiet ta' frekwenza operattiva limitati u karatteristiċi ta' fażi speċifiċi. Pereżempju, f'applikazzjonijiet ta' radjazzjoni, komponenti taċ-ċippa SMT jistgħu ma jkunux fattibbli. Figura 6 turi struttura distribwita bbażata fuq CRLH-TL. L-istruttura hija realizzata permezz ta' kapaċitanza interdiġitali u linji ta' short-circuit, li jiffurmaw il-kapaċitanza tas-serje CL u l-induttanza parallela LL ta' LH rispettivament. Il-kapaċitanza bejn il-linja u GND hija preżunta li hija l-kapaċitanza RH CR, u l-induttanza ġġenerata mill-fluss manjetiku ffurmat mill-fluss tal-kurrent fl-istruttura interdiġitali hija preżunta li hija l-induttanza RH LR.