Xəbərlər - Metamaterial Ötürücü Xətt Antenlərinin İcmalı

I. Giriş
Metamateriallar ən yaxşı şəkildə təbii olaraq mövcud olmayan müəyyən elektromaqnit xüsusiyyətlərini yaratmaq üçün süni şəkildə hazırlanmış strukturlar kimi təsvir edilə bilər. Mənfi keçiriciliyə və mənfi keçiriciliyə malik metamateriallar sol əlli metamateriallar (SÖM) adlanır. SÖM-lər elmi və mühəndislik icmalarında geniş şəkildə tədqiq edilmişdir. 2003-cü ildə Science jurnalı tərəfindən SÖM-lər müasir dövrün ən yaxşı on elmi irəliləyişindən biri adlandırılmışdır. SÖM-lərin unikal xüsusiyyətlərindən istifadə etməklə yeni tətbiqlər, konsepsiyalar və cihazlar hazırlanmışdır. Ötürmə xətti (ÖX) yanaşması, ÖX-lərin prinsiplərini də təhlil edə bilən effektiv dizayn metodudur. Ənənəvi ÖX-lərlə müqayisədə metamaterial ÖX-lərin ən əhəmiyyətli xüsusiyyəti ÖX parametrlərinin (yayılma sabiti) və xarakterik empedansın idarəolunmasıdır. Metamaterial ÖX parametrlərinin idarəolunması daha kompakt ölçüyə, daha yüksək performansa və yeni funksiyalara malik antenna strukturlarının dizaynı üçün yeni ideyalar təqdim edir. Şəkil 1 (a), (b) və (c) müvafiq olaraq təmiz sağ əlli ötürmə xəttinin (PRH), təmiz sol əlli ötürmə xəttinin (PLH) və kompozit sol-sağ əlli ötürmə xəttinin (CRLH) itkisiz dövrə modellərini göstərir. Şəkil 1(a)-da göstərildiyi kimi, PRH TL ekvivalent dövrə modeli adətən ardıcıl induktivlik və şunt tutumunun birləşməsidir. Şəkil 1(b)-də göstərildiyi kimi, PLH TL dövrə modeli şunt induktivliyi və ardıcıl tutumun birləşməsidir. Praktik tətbiqlərdə PLH dövrəsini tətbiq etmək mümkün deyil. Bu, qaçılmaz parazitar ardıcıl induktivlik və şunt tutum effektləri ilə əlaqədardır. Buna görə də, hazırda reallaşdırıla bilən sol əlli ötürmə xəttinin xüsusiyyətləri, Şəkil 1(c)-də göstərildiyi kimi, hamısı kompozit sol əlli və sağ əlli strukturlardır.

Şəkil 1 Müxtəlif ötürmə xətti dövrə modelləri

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

Vahid CRLH TL aşağıdakı dispersiya əlaqəsinə malik olacaq:

Faza sabiti β tamamilə real ədəd və ya tamamilə xəyali ədəd ola bilər. Əgər β tezlik diapazonunda tamamilə realdırsa, γ=jβ şərtinə görə tezlik diapazonunda keçid zolağı mövcuddur. Digər tərəfdən, əgər β tezlik diapazonunda tamamilə xəyali ədəddirsə, γ=α şərtinə görə tezlik diapazonunda dayanma zolağı mövcuddur. Bu dayanma zolağı CRLH-TL-ə xasdır 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 əyrilərinə əsasən, ötürmə xəttinin qrup sürəti (vg=∂ω/∂β) və faza sürəti (vp=ω/β) çıxarıla və qiymətləndirilə bilər. PRH-TL üçün, əyridən vg və vp-nin paralel olduğu da çıxarıla bilər (yəni, vpvg>0). PLH-TL üçün əyri vg və vp-nin paralel olmadığını göstərir (yəni, vpvg<0). CRLH-TL-nin dispersiya əyrisi həmçinin LH bölgəsinin (yəni, vpvg <0) və RH bölgəsinin (yəni, vpvg >0) mövcudluğunu göstərir. Şəkil 2(c)-dən göründüyü kimi, CRLH-TL üçün, əgər γ təmiz real ədəddirsə, dayanma zolağı var.

Şəkil 2 Müxtəlif ötürmə xətlərinin dispersiya əyriləri

Adətən, CRLH-TL-nin ardıcıl və paralel rezonansları fərqli olur ki, bu da balanssız vəziyyət adlanır. Lakin ardıcıl və paralel rezonans tezlikləri eyni olduqda, bu, balanslaşdırılmış vəziyyət adlanır və nəticədə əldə edilən sadələşdirilmiş ekvivalent dövrə modeli Şəkil 3(a)-da göstərilib.

Şəkil 3 Kompozit sol əlli ötürmə xəttinin dövrə modeli və dispersiya əyrisi

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

Burada ω0 keçid tezliyidir. Buna görə də, balanslaşdırılmış halda, LH-dən RH-yə hamar keçid baş verir, çünki γ tamamilə xəyali bir ədəddir. Buna görə də, balanslaşdırılmış CRLH-TL dispersiyası üçün heç bir dayanma zolağı yoxdur. ω0-da β sıfır olsa da (idarə olunan dalğa uzunluğuna nisbətən sonsuzdur, yəni λg=2π/|β|), dalğa yenə də yayılır, çünki ω0-da vg sıfır deyil. Eynilə, ω0-da, d uzunluğunda TL üçün faza sürüşməsi sıfırdır (yəni, φ= - βd=0). Faza irəliləməsi (yəni, φ>0) LH tezlik diapazonunda (yəni, ω<ω0), faza gecikməsi (yəni, φ<0) isə RH tezlik diapazonunda (yəni, ω>ω0) baş verir. CRLH TL üçün xarakterik impedans aşağıdakı kimi təsvir olunur:

Burada ZL və ZR müvafiq olaraq PLH və PRH impedanslarıdır. Balanssız hal üçün xarakterik impedans tezliyə bağlıdır. Yuxarıdakı tənlik göstərir ki, balanslaşdırılmış hal tezlikdən asılı deyil, ona görə də geniş bant genişliyi uyğunluğuna malik ola bilər. Yuxarıda əldə edilən TL tənliyi CRLH materialını təyin edən tərkib parametrlərinə bənzəyir. TL-nin yayılma sabiti γ=jβ=Sqrt(ZY)-dir. Materialın yayılma sabiti (β=ω x Sqrt(εμ)) nəzərə alınmaqla, aşağıdakı tənlik əldə edilə bilər:

Eynilə, TL-nin xarakterik impedansı, yəni Z0=Sqrt(ZY), materialın xarakterik impedansına, yəni η=Sqrt(μ/ε) bənzəyir ki, bu da aşağıdakı kimi ifadə olunur:

Balanslaşdırılmış və balanssız CRLH-TL-nin refraktiv əmsalı (yəni, n = cβ/ω) Şəkil 4-də göstərilmişdir. Şəkil 4-də CRLH-TL-nin LH diapazonundakı refraktiv əmsalı mənfi, RH diapazonundakı refraktiv əmsalı isə müsbətdir.

Şəkil 4 Balanslaşdırılmış və balanssız CRLH TL-lərinin tipik refraktiv göstəriciləri.

1. LC şəbəkəsi
Şəkil 5(a)-da göstərilən zolaqlı LC elementlərini kaskadlaşdırmaqla, d uzunluğunun effektiv vahidliyinə malik tipik CRLH-TL dövri və ya qeyri-dövri şəkildə qurula bilər. Ümumiyyətlə, CRLH-TL-nin hesablanması və istehsalının rahatlığını təmin etmək üçün dövrə dövri olmalıdır. Şəkil 1(c)-dəki modellə müqayisədə Şəkil 5(a)-dakı dövrə elementinin ölçüsü yoxdur və fiziki uzunluğu sonsuz kiçikdir (yəni, Δz metrlə). Elektrik uzunluğu θ=Δφ (rad) nəzərə alınmaqla, LC elementinin fazası ifadə edilə bilər. Lakin, tətbiq olunan induktivliyi və tutumu həqiqətən reallaşdırmaq üçün fiziki uzunluq p müəyyən edilməlidir. Tətbiq texnologiyasının seçimi (məsələn, mikrozolaq, koplanar dalğaötürücü, səth montaj komponentləri və s.) LC elementinin fiziki ölçüsünə təsir edəcək. Şəkil 5(a)-dakı LC elementi Şəkil 1(c)-dəki artan modelə bənzəyir və onun həddi p=Δz→0-dır. Şəkil 5(b)-dəki p→0 vahidlik şərtinə əsasən, d uzunluğuna malik ideal vahid CRLH-TL-ə bərabər olan (LC hüceyrələrini kaskadlaşdırmaqla) bir TL qurula bilər ki, TL elektromaqnit dalğalarına vahid görünsün.

Şəkil 5 LC şəbəkəsinə əsaslanan CRLH TL.

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

LC hüceyrəsinin ardıcıl impedansı (Z) və şunt qəbulu (Y) aşağıdakı tənliklərlə müəyyən edilir:

Blok LC dövrəsinin elektrik uzunluğu çox kiçik olduğundan, Taylor yaxınlaşması aşağıdakıları əldə etmək üçün istifadə edilə bilər:

2. Fiziki Tətbiq
Əvvəlki bölmədə CRLH-TL yaratmaq üçün LC şəbəkəsi müzakirə edilmişdir. Belə LC şəbəkələri yalnız tələb olunan tutumu (CR və CL) və induktivliyi (LR və LL) yarada bilən fiziki komponentləri qəbul etməklə həyata keçirilə bilər. Son illərdə səth montaj texnologiyası (SMT) çip komponentlərinin və ya paylanmış komponentlərin tətbiqi böyük maraq doğurmuşdur. Paylanmış komponentləri həyata keçirmək üçün mikrozolaqlı, zolaqlı, koplanar dalğa ötürücüsü 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. Bu, paylanmış komponentlərlə müqayisədə yenidənqurma və istehsal tələb etməyən hazır SMT çip komponentlərinin mövcudluğu ilə əlaqədardır. Lakin, SMT komponentlərinin mövcudluğu səpələnmişdir və onlar adətən yalnız aşağı tezliklərdə (yəni 3-6GHz) işləyirlər. Buna görə də, SMT əsaslı CRLH strukturları məhdud işləmə tezliyi diapazonlarına və spesifik faza xüsusiyyətlərinə malikdir. Məsələn, şüalanma tətbiqlərində SMT çip komponentləri mümkün olmaya bilər. Şəkil 6-da CRLH-TL əsaslı paylanmış struktur göstərilir. Struktur, müvafiq olaraq LH-nin ardıcıl tutumu CL və paralel induktivlik LL təşkil edərək, barmaqlararası tutum və qısaqapanma xətləri ilə həyata keçirilir. Xətt və GND arasındakı tutum RH tutumu CR, barmaqlararası strukturda cərəyan axınının yaratdığı maqnit axınının yaratdığı induktivlik isə RH induktivlik LR olduğu qəbul edilir.