Жаңалықтар - Metamaterial тарату желісінің антенналарына шолу

I. Кіріспе
Метаматериалдарды табиғи түрде жоқ белгілі бір электромагниттік қасиеттерді жасау үшін жасанды түрде жасалған құрылымдар ретінде сипаттауға болады. Теріс диэлектрлік өткізгіштігі және теріс өткізгіштігі бар метаматериалдар сол қолды метаматериалдар (СҚМ) деп аталады. СҚМ ғылыми және инженерлік қауымдастықтарда кеңінен зерттелді. 2003 жылы Science журналы СҚМ-дерді қазіргі заманғы дәуірдің ең үздік он ғылыми жетістіктерінің бірі деп атады. СҚМ-дердің бірегей қасиеттерін пайдалану арқылы жаңа қолданбалар, тұжырымдамалар және құрылғылар жасалды. Беріліс желісі (ТЖ) тәсілі - СҚМ принциптерін де талдай алатын тиімді жобалау әдісі. Дәстүрлі ТЖ-лармен салыстырғанда, метаматериалдық ТЖ-лардың ең маңызды ерекшелігі - ТЖ параметрлерін (таралу тұрақтысы) және сипаттамалық кедергіні басқару мүмкіндігі. Метаматериалдық ТЖ параметрлерін басқару мүмкіндігі антенна құрылымдарын ықшам өлшемді, жоғары өнімділікті және жаңа функцияларды жобалау үшін жаңа идеялар ұсынады. 1-суретте (а), (b) және (c) суреттерде таза оң қолды тарату желісінің (PRH), таза сол қолды тарату желісінің (PLH) және құрама сол қолды-оң қолды тарату желісінің (CRLH) шығынсыз тізбек модельдері көрсетілген. 1(a) суретте көрсетілгендей, PRH TL эквивалентті тізбек моделі әдетте тізбектей индуктивтілік пен шунт сыйымдылығының тіркесімі болып табылады. 1(b) суретте көрсетілгендей, PLH TL тізбек моделі шунт индуктивтілігі мен тізбектей сыйымдылықтың тіркесімі болып табылады. Практикалық қолдануда PLH тізбегін енгізу мүмкін емес. Бұл сөзсіз паразиттік тізбектей индуктивтілік пен шунт сыйымдылығының әсерлеріне байланысты. Сондықтан, қазіргі уақытта жүзеге асырылуы мүмкін сол қолды тарату желісінің сипаттамалары 1(c) суретте көрсетілгендей, барлығы құрама сол қолды және оң қолды құрылымдар болып табылады.

1-сурет. Әртүрлі электр беру желісінің тізбек модельдері

Тарату желісінің (TL) таралу тұрақтысы (γ) келесідей есептеледі: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), мұндағы Y және Z сәйкесінше кіру және кедергіні білдіреді. CRLH-TL ескере отырып, Z және Y келесідей өрнектелуі мүмкін:

Біркелкі CRLH TL келесі дисперсия қатынасына ие болады:

Фазалық тұрақты β таза нақты сан немесе таза жорамал сан болуы мүмкін. Егер β жиілік диапазонында толығымен нақты болса, γ=jβ шартына байланысты жиілік диапазонында өткізу жолағы бар. Екінші жағынан, егер β жиілік диапазонындағы таза жорамал сан болса, γ=α шартына байланысты жиілік диапазонында тоқтату жолағы бар. Бұл тоқтату жолағы CRLH-TL-ге ғана тән және PRH-TL немесе PLH-TL-де жоқ. 2-суретте (a), (b) және (c) сәйкесінше PRH-TL, PLH-TL және CRLH-TL дисперсия қисықтары (яғни ω - β қатынасы) көрсетілген. Дисперсия қисықтарына сүйене отырып, тарату желісінің топтық жылдамдығын (vg=∂ω/∂β) және фазалық жылдамдығын (vp=ω/β) алуға және бағалауға болады. PRH-TL үшін vg және vp параллель (яғни, vpvg>0) қисықтан да шығаруға 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) суреттен көріп отырғанымыздай, CRLH-TL үшін, егер γ таза нақты сан болса, тоқтау жолағы бар.

2-сурет Әртүрлі электр беру желілерінің дисперсия қисықтары

Әдетте, CRLH-TL тізбекті және параллель резонанстары әртүрлі болады, бұл теңгерімсіз күй деп аталады. Дегенмен, тізбекті және параллель резонанстық жиіліктер бірдей болған кезде, ол теңгерімді күй деп аталады, ал нәтижесінде алынған жеңілдетілген эквивалентті тізбек моделі 3(a) суретте көрсетілген.

3-сурет. Композиттік сол жақты беріліс желісінің тізбек моделі және дисперсия қисығы.

Жиілік артқан сайын CRLH-TL дисперсиялық сипаттамалары біртіндеп артады. Себебі фазалық жылдамдық (яғни, vp=ω/β) жиілікке тәуелді бола бастайды. Төмен жиіліктерде CRLH-TL-де LH басым, ал жоғары жиіліктерде CRLH-TL-де RH басым. Бұл CRLH-TL-дің қос сипатын көрсетеді. Тепе-теңдік CRLH-TL дисперсия диаграммасы 3(b) суретте көрсетілген. 3(b) суретте көрсетілгендей, LH-ден RH-ге ауысу келесі кезде жүреді:

Мұндағы ω0 - өтпелі жиілік. Демек, теңгерімді жағдайда LH-тен RH-ке тегіс ауысу орын алады, себебі γ таза жорамал сан. Сондықтан, теңгерімді CRLH-TL дисперсиясы үшін тоқтау жолағы жоқ. ω0 кезінде β нөлге тең болғанымен (бағытталған толқын ұзындығына қатысты шексіз, яғни λg=2π/|β|), толқын әлі де таралады, себебі ω0 кезіндегі vg нөлге тең емес. Сол сияқты, ω0 кезінде d ұзындығы бар TL үшін фазалық ығысу нөлге тең (яғни, φ= - βd=0). Фазалық ілгерілеу (яғни, φ>0) LH жиілік диапазонында жүреді (яғни, ω<ω0), ал фазалық кідіріс (яғни, φ<0) RH жиілік диапазонында болады (яғни, ω>ω0). CRLH TL үшін сипаттамалық кедергі келесідей сипатталады:

Мұндағы ZL және ZR сәйкесінше PLH және PRH кедергілері болып табылады. Теңгерімсіз жағдай үшін сипаттамалық кедергі жиілікке байланысты. Жоғарыдағы теңдеу теңдестірілген жағдай жиілікке тәуелсіз екенін көрсетеді, сондықтан ол кең өткізу жолағы сәйкестігіне ие болуы мүмкін. Жоғарыда алынған TL теңдеуі CRLH материалын анықтайтын құрылымдық параметрлерге ұқсас. TL таралу тұрақтысы γ=jβ=Sqrt(ZY). Материалдың таралу тұрақтысын ескере отырып (β=ω x Sqrt(εμ)), келесі теңдеуді алуға болады:

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

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

4-сурет. Теңгерімді және теңгерімсіз CRLH TL-лерінің типтік сыну көрсеткіштері.

1. LC желісі
5(a) суретте көрсетілген жолақты LC ұяшықтарын каскадтау арқылы d ұзындығының тиімді біркелкілігі бар типтік CRLH-TL периодты немесе периодты емес түрде құрастырылуы мүмкін. Жалпы, CRLH-TL есептеу және өндірудің ыңғайлылығын қамтамасыз ету үшін тізбек периодты болуы керек. 1(c) суреттегі модельмен салыстырғанда, 5(a) суреттегі тізбек ұяшығының өлшемі жоқ және физикалық ұзындығы шексіз аз (яғни, Δz метрмен). Оның электрлік ұзындығы θ=Δφ (rad) ескере отырып, LC ұяшығының фазасын өрнектеуге болады. Дегенмен, қолданылатын индуктивтілік пен сыйымдылықты іс жүзінде жүзеге асыру үшін физикалық ұзындығы p белгіленуі керек. Қолдану технологиясын таңдау (мысалы, микрожолақ, бір жазықтықтағы толқын өткізгіш, беттік бекіту компоненттері және т.б.) LC ұяшығының физикалық өлшеміне әсер етеді. 5(a) суреттегі LC ұяшығы 1(c) суреттегі инкрементальды модельге ұқсас және оның шегі p=Δz→0. 5(b)-суреттегі p→0 біркелкілік шартына сәйкес, ұзындығы d болатын идеалды біркелкі CRLH-TL-ге тең келетін (LC ұяшықтарын каскадтау арқылы) TL құруға болады, осылайша TL электромагниттік толқындарға біркелкі болып көрінеді.

5-сурет. LC желісіне негізделген CRLH TL.

LC жасушасы үшін, Блох-Флок теоремасына ұқсас периодтық шекаралық шарттарды (ПШШ) ескере отырып, LC жасушасының дисперсиялық қатынасы дәлелденеді және келесідей өрнектеледі:

LC ұяшығының тізбектік кедергісі (Z) және шунттың кіруі (Y) келесі теңдеулермен анықталады:

LC тізбегінің электрлік ұзындығы өте аз болғандықтан, Тейлор жуықтауын мыналарды алу үшін пайдалануға болады:

2. Физикалық енгізу
Алдыңғы бөлімде CRLH-TL генерациялауға арналған LC желісі талқыланды. Мұндай LC желілерін тек қажетті сыйымдылықты (CR және CL) және индуктивтілікті (LR және LL) өндіре алатын физикалық компоненттерді қабылдау арқылы ғана жүзеге асыруға болады. Соңғы жылдары беткі бекіту технологиясы (SMT) чип компоненттерін немесе таратылған компоненттерді қолдану үлкен қызығушылық тудырды. Таратылған компоненттерді жүзеге асыру үшін микрожолақты, жолақты, бір жазықтықты толқын өткізгішті немесе басқа ұқсас технологияларды пайдалануға болады. SMT чиптерін немесе таратылған компоненттерді таңдаған кезде ескеру қажет көптеген факторлар бар. SMT негізіндегі CRLH құрылымдары талдау және жобалау тұрғысынан кең таралған және іске асыру оңайырақ. Бұл таратылған компоненттермен салыстырғанда қайта құруды және өндіруді қажет етпейтін дайын SMT чип компоненттерінің қолжетімділігіне байланысты. Дегенмен, SMT компоненттерінің қолжетімділігі шашыраңқы және олар әдетте тек төмен жиіліктерде (яғни 3-6 ГГц) жұмыс істейді. Сондықтан, SMT негізіндегі CRLH құрылымдарының жұмыс жиілігінің диапазондары мен нақты фазалық сипаттамалары шектеулі. Мысалы, сәулелену қолданбаларында SMT чип компоненттері мүмкін болмауы мүмкін. 6-суретте CRLH-TL негізіндегі таратылған құрылым көрсетілген. Құрылым санаралық сыйымдылық және қысқа тұйықталу сызықтары арқылы жүзеге асырылады, сәйкесінше LH-тің тізбектей сыйымдылығы CL және параллель индуктивтілігі LL құрайды. Сызық пен GND арасындағы сыйымдылық RH сыйымдылығы CR деп есептеледі, ал санаралық құрылымдағы ток ағынымен пайда болған магнит ағынымен пайда болған индуктивтілік RH индуктивтілігі LR деп есептеледі.