Жаңалықтар - Метаматериалдық электр жеткізу желілерінің антенналарына шолу

I. Кіріспе
Метаматериалдар табиғи түрде жоқ белгілі бір электромагниттік қасиеттерді шығару үшін жасанды түрде жобаланған құрылымдар ретінде жақсы сипатталуы мүмкін. Теріс өткізгіштігі және теріс өткізгіштігі бар метаматериалдар солақай метаматериалдар (LHMs) деп аталады. LHM ғылыми және инженерлік қоғамдастықтарда кеңінен зерттелген. 2003 жылы LHMs Science журналы бойынша қазіргі дәуірдегі ең жақсы он ғылыми жаңалықтардың бірі деп аталды. LHM бірегей қасиеттерін пайдалану арқылы жаңа қолданбалар, тұжырымдамалар және құрылғылар әзірленді. Трансмиссиялық желі (ТЖ) тәсілі - ЖЖЖ принциптерін талдай алатын тиімді жобалау әдісі. Дәстүрлі TL-мен салыстырғанда, метаматериалдық TL-лердің ең маңызды ерекшелігі TL параметрлерінің (таралу тұрақтысы) және сипаттамалық кедергінің басқарылуы болып табылады. Метаматериалдық TL параметрлерін басқару мүмкіндігі ықшам өлшемдері, жоғары өнімділігі және жаңа функциялары бар антенна құрылымдарын жобалау үшін жаңа идеяларды ұсынады. 1 (a), (b) және (c) суретте таза оң жақ электр беру желісінің (PRH), таза сол қолды беру желісінің (PLH) және композиттік сол-оң қолды беру желісінің жоғалмайтын схемалық үлгілері көрсетілген. CRLH). 1(а)-суретте көрсетілгендей, PRH TL эквивалентті схема үлгісі әдетте сериялық индуктивтіліктің және шунттың сыйымдылығының тіркесімі болып табылады. 1(b)-суретте көрсетілгендей, PLH TL схемасының моделі шунт индуктивтілігі мен сериялық сыйымдылықтың тіркесімі болып табылады. Практикалық қолданбаларда PLH схемасын жүзеге асыру мүмкін емес. Бұл сөзсіз паразиттік қатардың индуктивтілігі мен шунттық сыйымдылық әсерлеріне байланысты. Сондықтан, 1(c) суретте көрсетілгендей, қазіргі уақытта жүзеге асырылуы мүмкін сол жақ электр беру желісінің сипаттамалары барлық құрама солақай және оң қолды құрылымдар болып табылады.

1-сурет Әртүрлі электр беру желілері схемаларының үлгілері

Тасымалдау желісінің (TL) таралу тұрақтысы (γ) келесі түрде есептеледі: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), мұндағы Y және Z сәйкесінше рұқсат ету мен кедергіні білдіреді. CRLH-TL ескере отырып, Z және Y келесі түрде көрсетілуі мүмкін:

Біркелкі CRLH TL келесі дисперсиялық қатынасқа ие болады:

Фазалық тұрақты β таза нақты сан немесе таза ойдан шығарылған сан болуы мүмкін. Егер β жиілік диапазонында толығымен нақты болса, γ=jβ шартына байланысты жиілік диапазонында өту жолағы бар. Екінші жағынан, егер β жиілік диапазонындағы таза ойдан шығарылған сан болса, γ=α шартына байланысты жиілік диапазонында тоқтату жолағы болады. Бұл тоқтату жолағы CRLH-TL үшін бірегей және PRH-TL немесе PLH-TLде жоқ. 2 (a), (b) және (c) суреттері сәйкесінше PRH-TL, PLH-TL және CRLH-TL дисперсия қисықтарын (яғни, ω - β қатынасы) көрсетеді. Дисперсиялық қисықтардың негізінде тарату желісінің топтық жылдамдығын (vg=∂ω/∂β) және фазалық жылдамдығын (vp=ω/β) шығаруға және бағалауға болады. PRH-TL үшін қисық сызықтан vg және vp параллель (яғни, vpvg>0) деген қорытынды жасауға болады. PLH-TL үшін қисық vg және vp параллель емес екенін көрсетеді (яғни, vpvg<0). CRLH-TL дисперсия қисығы сонымен қатар LH аймағының (яғни, vpvg < 0) және RH аймағының (яғни, vpvg > 0) бар екенін көрсетеді. 2(c) суретінен көрініп тұрғандай, CRLH-TL үшін, егер γ таза нақты сан болса, тоқтату жолағы бар.

2-сурет Әртүрлі электр беру желілерінің дисперсиялық қисықтары

Әдетте, CRLH-TL сериясы мен параллель резонанстары әртүрлі болады, бұл теңгерілмеген күй деп аталады. Бірақ қатар және параллель резонанс жиіліктері бірдей болса, ол теңдестірілген күй деп аталады және нәтижесінде алынған оңайлатылған эквивалентті схема үлгісі 3(а) суретте көрсетілген.

3-сурет Композиттік сол жақ тарату желісінің сұлба үлгісі және дисперсия қисығы

Жиілік артқан сайын CRLH-TL дисперсиялық сипаттамалары біртіндеп артады. Себебі фазалық жылдамдық (яғни, vp=ω/β) жиілікке көбірек тәуелді болады. Төмен жиілікте CRLH-TL LH басым, ал жоғары жиілікте CRLH-TL RH басым болады. Бұл CRLH-TL қос сипатын бейнелейді. CRLH-TL тепе-теңдік дисперсия диаграммасы 3(b) суретте көрсетілген. 3(b)-суретте көрсетілгендей, LH-дан RH-ға өту келесіде жүреді:

Мұндағы ω0 – өту жиілігі. Демек, теңдестірілген жағдайда LH-дан RH-ға біркелкі ауысу орын алады, өйткені γ таза ойдан шығарылған сан. Сондықтан теңдестірілген CRLH-TL дисперсиясы үшін тоқтату жолағы жоқ. ω0 кезінде β нөл болғанымен (бағытталған толқын ұзындығына қатысты шексіз, яғни λg=2π/|β|), толқын бәрібір таралады, себебі ω0 кезінде vg нөл емес. Сол сияқты, ω0 кезінде ұзындығы d (яғни, φ= - βd=0) ТШ үшін фазалық ығысу нөлге тең. Фазалық ілгерілеу (яғни, φ>0) LH жиілік диапазонында (яғни, ω<ω0) орын алады, ал фазалық тежелу (яғни, φ<0) RH жиілік диапазонында (яғни, ω>ω0) орын алады. CRLH TL үшін сипаттамалық кедергі келесідей сипатталады:

Мұндағы ZL және ZR сәйкесінше PLH және PRH кедергілері. Теңгерімсіз жағдай үшін сипаттамалық кедергі жиілікке байланысты. Жоғарыда келтірілген теңдеу теңдестірілген жағдай жиілікке тәуелсіз екенін көрсетеді, сондықтан оның өткізу қабілеттілігі кең сәйкестікке ие болуы мүмкін. Жоғарыда алынған TL теңдеуі CRLH материалын анықтайтын конститутивтік параметрлерге ұқсас. TL таралу константасы γ=jβ=Sqrt(ZY) болады. Материалдың таралу константасын (β=ω x Sqrt(εμ)) ескере отырып, келесі теңдеуді алуға болады:

Сол сияқты, TL-нің сипаттамалық кедергісі, яғни Z0=Sqrt(ZY) материалдың сипаттамалық кедергісіне ұқсас, яғни η=Sqrt(μ/ε), ол келесі түрде өрнектеледі:

Теңгерілген және теңгерілмеген CRLH-TL сыну көрсеткіші (яғни, n = cβ/ω) 4-суретте көрсетілген. 4-суретте оның LH диапазонындағы CRLH-TL сыну көрсеткіші теріс және оның RH сыну көрсеткіші диапазон оң.

4-сурет Теңгерілген және теңгерілмеген CRLH TLs типтік сыну көрсеткіштері.

1. LC желісі
5(а)-суретте көрсетілген жолақты LC ұяшықтарын каскадтау арқылы d ұзындығының тиімді біркелкілігі бар типтік CRLH-TL периодты немесе мерзімді емес түрде салынуы мүмкін. Жалпы алғанда, CRLH-TL есептеу және өндіру ыңғайлылығын қамтамасыз ету үшін схема мерзімді болуы керек. 1(c) суретіндегі үлгімен салыстырғанда 5(а) суретіндегі тізбек ұяшығының өлшемі жоқ және физикалық ұзындығы шексіз аз (яғни, метрде Δz). Оның электрлік ұзындығын θ=Δφ (рад) ескере отырып, LC ұяшығының фазасын өрнектеуге болады. Дегенмен, қолданбалы индуктивтілік пен сыйымдылықты нақты жүзеге асыру үшін физикалық ұзындық p белгіленуі керек. Қолдану технологиясын таңдау (мысалы, микрожолақ, компланар толқын өткізгіш, беттік орнату компоненттері және т.б.) LC ұяшығының физикалық өлшеміне әсер етеді. 5(а) суретіндегі LC ұяшығы 1(c) суретіндегі өсу үлгісіне ұқсас және оның шегі p=Δz→0. 5(b)-суреттегі p→0 біркелкі шартына сәйкес, ТЖ электромагниттік толқындарға біркелкі болып көрінетіндей етіп ұзындығы d болатын идеалды біркелкі CRLH-TL-ге баламалы ТЖ құруға болады (каскадты LC ұяшықтары арқылы).

5-сурет LC желісіне негізделген CRLH TL.

LC ұяшығы үшін Блох-Флокет теоремасына ұқсас мерзімді шекаралық шарттарды (PBCs) ескере отырып, LC ұяшығының дисперсиялық қатынасы дәлелденеді және келесі түрде өрнектеледі:

LC ұяшығының сериялық кедергісі (Z) және маневрлік кедергісі (Y) келесі теңдеулер арқылы анықталады:

Құрылғының LC тізбегінің электрлік ұзындығы өте аз болғандықтан, Тейлор жуықтауын алу үшін қолдануға болады:

2. Физикалық іске асыру
Алдыңғы бөлімде CRLH-TL генерациялау үшін LC желісі талқыланды. Мұндай LC желілерін қажетті сыйымдылықты (CR және CL) және индуктивтілікті (LR және LL) шығара алатын физикалық компоненттерді қабылдау арқылы ғана жүзеге асыруға болады. Соңғы жылдары жер үсті монтаждау технологиясын (SMT) чип компоненттерін немесе бөлінген компоненттерді қолдану үлкен қызығушылық тудырды. Бөлінген құрамдастарды жүзеге асыру үшін микрожолақ, жолақ сызық, компланар толқын өткізгіш немесе басқа ұқсас технологияларды пайдалануға болады. SMT чиптерін немесе бөлінген құрамдастарды таңдағанда көптеген факторларды ескеру қажет. SMT негізіндегі CRLH құрылымдары талдау және жобалау тұрғысынан жиірек және оңай жүзеге асырылады. Бұл таратылған компоненттермен салыстырғанда қайта құруды және өндіруді қажет етпейтін SMT чипінің дайын дайын құрамдастарының болуына байланысты. Дегенмен, SMT құрамдастарының қолжетімділігі шашыраңқы және олар әдетте тек төмен жиілікте (яғни, 3-6 ГГц) жұмыс істейді. Сондықтан SMT негізіндегі CRLH құрылымдары шектеулі жұмыс жиілігі диапазонына және нақты фазалық сипаттамаларына ие. Мысалы, радиациялық қосымшаларда SMT чипінің құрамдастары орындалмауы мүмкін. 6-суретте CRLH-TL негізіндегі бөлінген құрылым көрсетілген. Құрылым сәйкесінше LH CL сериялық сыйымдылығын және LL параллель индуктивтілігін құрайтын цифраралық сыйымдылық және қысқа тұйықталу сызықтары арқылы жүзеге асырылады. Сызық пен GND арасындағы сыйымдылық RH сыйымдылығы CR, ал цифраралық құрылымдағы ток ағыны арқылы пайда болған магнит ағыны тудыратын индуктивтілік RH индуктивтілігі LR деп қабылданады.