Xəbərlər - Metamaterial Ötürmə Xətti Antenalarına İcmal

I. Giriş
Metamaterialları ən yaxşı şəkildə təbii olaraq mövcud olmayan müəyyən elektromaqnit xassələri yaratmaq üçün süni şəkildə hazırlanmış strukturlar kimi təsvir etmək olar. Mənfi keçiriciliyi və mənfi keçiriciliyi olan metamateriallar sol əlli metamateriallar (LHM) adlanır. LHM-lər elmi və mühəndislik icmalarında geniş şəkildə tədqiq edilmişdir. 2003-cü ildə LHM-lər Science jurnalı tərəfindən müasir dövrün ən yaxşı on elmi nailiyyətindən biri seçildi. LHM-lərin unikal xüsusiyyətlərindən istifadə etməklə yeni tətbiqlər, konsepsiyalar və cihazlar hazırlanmışdır. Ötürmə xətti (TL) yanaşması LHM-lərin prinsiplərini də təhlil edə bilən effektiv dizayn üsuludur. Ənənəvi TL-lərlə müqayisədə metamaterial TL-lərin ən əhəmiyyətli xüsusiyyəti TL parametrlərinin (yayılma sabiti) və xarakterik empedansın idarəolunmasıdır. Metamaterial TL parametrlərinin idarə oluna bilməsi daha yığcam ölçülərə, daha yüksək performansa və yeni funksiyalara malik antena strukturlarının dizaynı üçün yeni ideyalar təqdim edir. Şəkil 1 (a), (b) və (c) təmiz sağ əlli ötürmə xəttinin (PRH), təmiz sol əlli ötürmə xəttinin (PLH) və kompozit sol-sağ ötürücü xəttinin itkisiz dövrə modellərini göstərir. CRLH), müvafiq olaraq. Şəkil 1(a)-da göstərildiyi kimi, PRH TL ekvivalent dövrə modeli adətən sıra endüktans və şunt tutumunun birləşməsidir. Şəkil 1(b)-də göstərildiyi kimi, PLH TL dövrə modeli şunt endüktansı və seriyalı tutumun birləşməsidir. Praktik tətbiqlərdə PLH dövrəsini həyata keçirmək mümkün deyil. Bu, qaçınılmaz parazit seriyalı endüktans və şunt tutumu təsirləri ilə bağlıdır. Buna görə də, Şəkil 1(c)-də göstərildiyi kimi, hazırda həyata keçirilə bilən sol əlli ötürücü xəttin xüsusiyyətləri bütün kompozit sol və sağ əlli strukturlardır.

Şəkil 1 Müxtəlif ötürücü xətlərin dövrə modelləri

Ötürmə xəttinin (TL) yayılma sabiti (γ) aşağıdakı kimi hesablanır: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), burada Y və Z müvafiq olaraq qəbulu və empedansı təmsil edir. CRLH-TL nəzərə alınmaqla, Z və Y aşağıdakı kimi ifadə edilə bilər:

Vahid CRLH TL-də aşağıdakı dispersiya əlaqəsi olacaq:

Faza sabiti β sırf həqiqi ədəd və ya sırf xəyali ədəd ola bilər. Əgər β tezlik diapazonunda tamamilə realdırsa, γ=jβ şərtinə görə tezlik diapazonunda keçid zolağı var. Digər tərəfdən, əgər β tezlik diapazonu daxilində sırf xəyali ədəddirsə, γ=α şərtinə görə tezlik diapazonunda dayanma zolağı var. Bu dayandırma zolağı CRLH-TL üçün unikaldır və PRH-TL və ya PLH-TL-də mövcud deyil. Şəkil 2 (a), (b) və (c) müvafiq olaraq PRH-TL, PLH-TL və CRLH-TL-nin dispersiya əyrilərini (yəni, ω - β əlaqəsini) göstərir. Dispersiya əyriləri əsasında ötürücü xəttin qrup sürəti (vg=∂ω/∂β) və faza sürəti (vp=ω/β) çıxarıla və təxmin edilə bilər. PRH-TL üçün əyridən də vg və vp-nin paralel olduğu qənaətinə gəlmək olar (yəni, vpvg>0). PLH-TL üçün əyri vg və vp-nin paralel olmadığını göstərir (yəni, vpvg<0). CRLH-TL-nin dispersiya əyrisi LH bölgəsinin (yəni, vpvg < 0) və RH bölgəsinin (yəni, vpvg > 0) mövcudluğunu da göstərir. Şəkil 2(c)-dən göründüyü kimi, CRLH-TL üçün γ xalis həqiqi ədəddirsə, dayanma zolağı var.

Şəkil 2 Müxtəlif ötürücü xətlərin dispersiya əyriləri

Adətən, CRLH-TL-nin sıra və paralel rezonansları fərqlidir, buna balanssız vəziyyət deyilir. Lakin sıra və paralel rezonans tezlikləri eyni olduqda, balanslaşdırılmış vəziyyət adlanır və nəticədə sadələşdirilmiş ekvivalent sxem modeli Şəkil 3(a)-da göstərilmişdir.

Şəkil 3 Solaxaylı kompozit ötürücü xəttin dövrə modeli və dispersiya əyrisi

Tezlik artdıqca CRLH-TL-nin dispersiya xüsusiyyətləri tədricən artır. Bunun səbəbi, faza sürətinin (yəni, vp=ω/β) getdikcə tezlikdən asılı olmasıdır. Aşağı tezliklərdə CRLH-TL-də LH üstünlük təşkil edir, yüksək tezliklərdə isə CRLH-TL-də RH üstünlük təşkil edir. Bu, CRLH-TL-nin ikili təbiətini təsvir edir. CRLH-TL-nin tarazlıq dispersiya diaqramı Şəkil 3(b)-də göstərilmişdir. Şəkil 3(b)-də göstərildiyi kimi, LH-dən RH-ə keçid aşağıdakı hallarda baş verir:

Burada ω0 keçid tezliyidir. Buna görə də, balanslaşdırılmış vəziyyətdə LH-dən RH-ə hamar bir keçid baş verir, çünki γ sırf xəyali bir ədəddir. Buna görə balanslaşdırılmış CRLH-TL dispersiyası üçün heç bir dayandırma zolağı yoxdur. ω0-da β sıfır olsa da (idarə olunan dalğa uzunluğuna görə sonsuz, yəni λg=2π/|β|), dalğa yenə də yayılır, çünki ω0-da vg sıfır deyil. Eynilə, ω0-da d uzunluqlu TL üçün faza yerdəyişməsi sıfırdır (yəni, φ= - βd=0). Faza irəliləməsi (yəni, φ>0) LH tezlik diapazonunda (yəni, ω<ω0), faza geriləməsi (yəni, φ<0) isə RH tezlik diapazonunda (yəni, ω>ω0) baş verir. CRLH TL üçün xarakterik empedans aşağıdakı kimi təsvir edilir:

Burada ZL və ZR müvafiq olaraq PLH və PRH empedanslarıdır. Balanssız vəziyyət üçün xarakterik empedans tezlikdən asılıdır. Yuxarıdakı tənlik balanslaşdırılmış vəziyyətin tezlikdən asılı olmadığını göstərir, buna görə də geniş bant genişliyinə uyğun ola bilər. Yuxarıda əldə edilmiş TL tənliyi CRLH materialını təyin edən konstitusiya parametrlərinə bənzəyir. TL-nin yayılma sabiti γ=jβ=Sqrt(ZY) olur. Materialın yayılma sabitini (β=ω x Sqrt(εμ)) nəzərə alaraq, aşağıdakı tənliyi əldə etmək olar:

Eynilə, TL-nin xarakterik empedansı, yəni Z0=Sqrt(ZY) materialın xarakterik empedansına bənzəyir, yəni η=Sqrt(μ/ε), aşağıdakı kimi ifadə edilir:

Balanslaşdırılmış və balanslaşdırılmamış CRLH-TL-nin (yəni, n = cβ/ω) sınma əmsalı Şəkil 4-də göstərilmişdir. Şəkil 4-də CRLH-TL-nin LH diapazonunda sınma göstəricisi mənfi, RH-də isə sınma əmsalıdır. diapazon müsbətdir.

Şəkil 4 Balanslaşdırılmış və balanslaşdırılmamış CRLH TL-lərinin tipik sındırma göstəriciləri.

1. LC şəbəkəsi
Şəkil 5(a)-da göstərilən diapazonlu LC hüceyrələrini sıralamaqla d uzunluğunun effektiv vahidliyinə malik tipik CRLH-TL dövri və ya qeyri-dövri olaraq tikilə bilər. Ümumiyyətlə, CRLH-TL-nin hesablanması və istehsalının rahatlığını təmin etmək üçün dövrə dövri olmalıdır. Şəkil 1(c) modeli ilə müqayisədə Şəkil 5(a)-nın dövrə xanasının ölçüsü yoxdur və fiziki uzunluğu sonsuz kiçikdir (yəni, metrlə Δz). Onun elektrik uzunluğunu θ=Δφ (rad) nəzərə alaraq, LC hüceyrəsinin fazasını ifadə etmək olar. Bununla birlikdə, tətbiq olunan endüktansı və tutumu həqiqətən reallaşdırmaq üçün fiziki uzunluq p müəyyən edilməlidir. Tətbiq texnologiyasının seçimi (məsələn, mikrostrip, paralel dalğa ötürücü, səthə montaj komponentləri və s.) LC hüceyrəsinin fiziki ölçüsünə təsir edəcəkdir. Şəkil 5(a)-nın LC xanası Şəkil 1(c)-nin artımlı modelinə bənzəyir və onun həddi p=Δz→0. Şəkil 5(b)-dəki p→0 vahidlik şərtinə uyğun olaraq, uzunluqları d olan ideal vahid CRLH-TL-yə ekvivalent olan TL (LC hüceyrələrinin kaskadlanması ilə) qurula bilər ki, TL elektromaqnit dalğaları üçün vahid görünsün.

Şəkil 5 LC şəbəkəsinə əsaslanan CRLH TL.

LC hüceyrəsi üçün Bloch-Floquet teoreminə bənzər dövri sərhəd şərtləri (PBCs) nəzərə alınmaqla, LC hüceyrəsinin dispersiya əlaqəsi sübut edilir və aşağıdakı kimi ifadə edilir:

LC hüceyrəsinin sıra empedansı (Z) və şunt qəbulu (Y) aşağıdakı tənliklərlə müəyyən edilir:

Bölmənin LC dövrəsinin elektrik uzunluğu çox kiçik olduğundan, Taylor təxminindən istifadə etmək olar:

2. Fiziki həyata keçirmə
Əvvəlki bölmədə CRLH-TL yaratmaq üçün LC şəbəkəsi müzakirə edilmişdir. Belə LC şəbəkələri yalnız tələb olunan tutum (CR və CL) və endüktansı (LR və LL) yarada bilən fiziki komponentləri qəbul etməklə həyata keçirilə bilər. Son illərdə səthə montaj texnologiyasının (SMT) çip komponentlərinin və ya paylanmış komponentlərin tətbiqi böyük maraq doğurdu. Paylanmış komponentləri həyata keçirmək üçün mikrostrip, zolaqlı xətt, paralel dalğa ötürücü və ya digər oxşar texnologiyalardan istifadə edilə bilər. SMT çiplərini və ya paylanmış komponentləri seçərkən nəzərə alınmalı bir çox amil var. SMT əsaslı CRLH strukturları təhlil və dizayn baxımından daha çox yayılmışdır və tətbiqi daha asandır. Bunun səbəbi, paylanmış komponentlərlə müqayisədə yenidənqurma və istehsal tələb etməyən hazır SMT çip komponentlərinin mövcudluğudur. Bununla belə, SMT komponentlərinin mövcudluğu səpələnmişdir və onlar adətən yalnız aşağı tezliklərdə (yəni, 3-6GHz) işləyirlər. Buna görə də, SMT əsaslı CRLH strukturları məhdud iş tezliyi diapazonlarına və spesifik faza xüsusiyyətlərinə malikdir. Məsələn, radiasiya tətbiqlərində SMT çip komponentləri mümkün olmaya bilər. Şəkil 6-da CRLH-TL əsasında paylanmış struktur göstərilir. Quruluş, müvafiq olaraq LH-nin sıra tutumu CL və paralel endüktans LL təşkil edən interdigital capacitance və qısaqapanma xətləri ilə həyata keçirilir. Xəttlə GND arasındakı tutumun RH tutumu CR, rəqəmlərarası strukturda cərəyan axını ilə əmələ gələn maqnit axınının yaratdığı endüktansın isə RH endüktansı LR olduğu qəbul edilir.