Aħbarijiet - Reviżjoni ta' Antenni tal-Linji 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'permeabilità negattiva u permeabilità negattiva jissejħu metamaterjali tax-xellug (LHMs). L-LHMs ġew studjati b'mod estensiv fil-komunitajiet xjentifiċi u tal-inġinerija. Fl-2003, LHMs ġew imsemmija bħala wieħed mill-aqwa għaxar skoperti xjentifiċi tal-era kontemporanja mir-rivista Science. Ġew żviluppati applikazzjonijiet, kunċetti u apparati ġodda bl-isfruttament tal-proprjetajiet uniċi tal-LHMs. L-approċċ tal-linja tat-trasmissjoni (TL) huwa metodu ta 'disinn effettiv li jista' janalizza wkoll il-prinċipji tal-LHMs. Meta mqabbel ma 'TLs tradizzjonali, l-iktar karatteristika sinifikanti ta' TLs metamaterjali hija l-kontrollabbiltà tal-parametri TL (kostanti tal-propagazzjoni) u l-impedenza karatteristika. Il-kontrollabbiltà tal-parametri TL tal-metamaterjali tipprovdi ideat ġodda għat-tfassil ta 'strutturi tal-antenna b'daqs aktar kompatt, prestazzjoni ogħla u funzjonijiet ġodda. Figura 1 (a), (b), u (c) juru l-mudelli ta 'ċirkwit mingħajr telf ta' linja ta 'trasmissjoni pura tal-lemin (PRH), linja ta' trasmissjoni pura tax-xellug (PLH), u linja ta 'trasmissjoni komposta tax-xellug ( CRLH), rispettivament. Kif muri fil-Figura 1(a), il-mudell ta 'ċirkwit ekwivalenti PRH TL huwa ġeneralment taħlita ta' induttanza ta 'serje u kapaċità ta' shunt. Kif muri fil-Figura 1(b), il-mudell taċ-ċirkwit PLH TL huwa kombinazzjoni ta 'inductance shunt u capacitance tas-serje. F'applikazzjonijiet prattiċi, mhuwiex fattibbli li jiġi implimentat ċirkwit PLH. Dan huwa dovut għall-effetti inevitabbli ta 'induttanza ta' serje parassitika u kapaċità ta 'shunt. Għalhekk, il-karatteristiċi tal-linja tat-trasmissjoni tax-xellug li jistgħu jiġu realizzati fil-preżent huma strutturi komposti kollha tax-xellug u tal-lemin, kif muri fil-Figura 1(c).

Figura 1 Mudelli ta 'ċirkwit ta' linja ta 'trasmissjoni differenti

Il-kostanti tal-propagazzjoni (γ) tal-linja tat-trasmissjoni (TL) hija kkalkulata bħala: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), fejn Y u Z jirrappreżentaw l-ammissjoni 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 huwa kompletament reali f'medda ta 'frekwenza, 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, hemm stopband fil-medda ta' frekwenza minħabba l-kundizzjoni γ=α. Din l-istopband hija unika għal CRLH-TL u ma teżistix fi PRH-TL jew PLH-TL. Figuri 2 (a), (b), u (c) juru l-kurvi ta 'dispersjoni (jiġifieri, ir-relazzjoni ω - β) ta' PRH-TL, PLH-TL, u CRLH-TL, rispettivament. Ibbażat fuq il-kurvi ta '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 dedott mill-kurva li vg u vp huma paralleli (ie, vpvg>0). Għal PLH-TL, il-kurva turi li vg u vp mhumiex paralleli (ie, vpvg<0). Il-kurva tad-dispersjoni ta 'CRLH-TL turi wkoll l-eżistenza ta' reġjun LH (jiġifieri, vpvg < 0) u 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 'trażmissjoni differenti

Normalment, is-serje u r-reżonanzi paralleli ta 'CRLH-TL huma differenti, li jissejjaħ stat żbilanċjat. Madankollu, meta s-serje u l-frekwenzi ta 'reżonanza paralleli huma l-istess, huwa msejjaħ stat bilanċjat, u l-mudell ta' ċirkwit ekwivalenti simplifikat li jirriżulta huwa muri fil-Figura 3(a).

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

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

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

Fejn ZL u ZR huma l-impedenza PLH u PRH, rispettivament. Għall-każ żbilanċjat, l-impedenza karatteristika tiddependi fuq il-frekwenza. L-ekwazzjoni ta 'hawn fuq turi li l-każ ibbilanċjat huwa indipendenti mill-frekwenza, u għalhekk jista' jkollu taqbila wiesgħa tal-bandwidth. 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 ibbilanċjat u żbilanċjat (jiġifieri, n = cβ/ω) huwa muri fil-Figura 4. Fil-Figura 4, l-indiċi refrattiv tal-CRLH-TL fil-medda LH tiegħu huwa negattiv u l-indiċi refrattiv fl-RH tiegħu firxa hija pożittiva.

Fig. 4 Indiċi rifrattivi tipiċi ta' CRLH TLs ibbilanċjati u żbilanċjati.

1. Netwerk LC
Permezz ta 'kaskata taċ-ċelloli LC bandpass murija fil-Figura 5(a), CRLH-TL tipiku b'uniformità effettiva ta' tul d jista 'jinbena perjodikament jew mhux perjodikament. B'mod ġenerali, sabiex tiġi żgurata l-konvenjenza tal-kalkolu u l-manifattura ta 'CRLH-TL, iċ-ċirkwit jeħtieġ li jkun perjodiku. Meta mqabbel mal-mudell tal-Figura 1(c), iċ-ċellula 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 tiegħu θ=Δφ (rad), il-fażi taċ-ċellula LC tista 'tiġi espressa. Madankollu, sabiex fil-fatt tirrealizza l-inductance u l-kapaċità applikata, jeħtieġ li jiġi stabbilit tul fiżiku p. L-għażla tat-teknoloġija tal-applikazzjoni (bħal microstrip, coplanar waveguide, komponenti tal-immuntar tal-wiċċ, eċċ.) Se taffettwa d-daqs fiżiku taċ-ċellula LC. Iċ-ċellula 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), TL jista' jinbena (bil-kaskata ta 'ċelluli LC) li huwa ekwivalenti għal CRLH-TL uniformi ideali b'tul d, sabiex it-TL jidher uniformi għal mewġ elettromanjetiku.

Figura 5 CRLH TL ibbażat fuq netwerk LC.

Għaċ-ċellula LC, meta jitqiesu l-kundizzjonijiet tal-konfini perjodiċi (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 tax-shunt (Y) taċ-ċellula LC huma ddeterminati mill-ekwazzjonijiet li ġejjin:

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

2. Implimentazzjoni Fiżika
Fit-taqsima preċedenti, in-netwerk LC biex jiġġenera CRLH-TL ġie diskuss. Netwerks LC bħal dawn jistgħu jiġu realizzati biss billi jiġu adottati komponenti fiżiċi li jistgħu jipproduċu l-kapaċità meħtieġa (CR u CL) u l-inductance (LR u LL). F'dawn l-aħħar snin, l-applikazzjoni ta 'komponenti taċ-ċippa tat-teknoloġija tal-immuntar tal-wiċċ (SMT) jew komponenti distribwiti ġibdet interess kbir. Microstrip, 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. L-istrutturi CRLH bbażati fuq SMT huma aktar komuni u aktar faċli biex jiġu implimentati f'termini ta 'analiżi u disinn. Dan huwa minħabba d-disponibbiltà ta 'komponenti ta' ċippa SMT off-the-shelf, li ma jeħtiġux remodeling u manifattura meta mqabbla ma 'komponenti distribwiti. Madankollu, id-disponibbiltà tal-komponenti SMT hija mxerrda, u normalment jaħdmu biss fi frekwenzi baxxi (jiġifieri, 3-6GHz). Għalhekk, l-istrutturi CRLH bbażati fuq SMT għandhom firxiet ta 'frekwenzi operattivi limitati u karatteristiċi ta' fażi speċifiċi. Pereżempju, f'applikazzjonijiet ta 'radjazzjoni, il-komponenti taċ-ċippa SMT jistgħu ma jkunux fattibbli. Il-Figura 6 turi struttura distribwita bbażata fuq CRLH-TL. L-istruttura hija realizzata minn linji ta 'capacitance interdiġitali u short-circuit, li jiffurmaw is-serje capacitance CL u parallel inductance LL ta' LH rispettivament. Il-kapaċità bejn il-linja u GND hija preżunta li hija l-kapaċità RH CR, u l-inductance ġġenerata mill-fluss manjetiku ffurmat mill-fluss tal-kurrent fl-istruttura interdiġitali hija preżunta li hija l-inductance RH LR.