Жаңылыктар - Metamaterial берүү линиясынын антенналарына сереп

I. Киришүү
Метаматериалдарды табигый жол менен жок болгон белгилүү бир электромагниттик касиеттерди өндүрүү үчүн жасалма жол менен иштелип чыккан структуралар катары сүрөттөөгө болот. Терс өткөрүмдүүлүккө жана терс өткөрүмдүүлүккө ээ метаматериалдар сол колдуу метаматериалдар (СДМ) деп аталат. СДМдер илимий жана инженердик коомчулуктарда кеңири изилденген. 2003-жылы Science журналы тарабынан СДМдер заманбап доордун эң мыкты он илимий жетишкендиктеринин бири деп аталган. СДМдердин уникалдуу касиеттерин пайдалануу менен жаңы колдонмолор, концепциялар жана түзүлүштөр иштелип чыккан. Берүү линиясы (СЛ) ыкмасы - СДМдердин принциптерин да талдай турган натыйжалуу долбоорлоо ыкмасы. Салттуу СДМдер менен салыштырганда, метаматериалдык СДМдердин эң маанилүү өзгөчөлүгү - СДМ параметрлеринин (таралуу константасы) жана мүнөздүү импеданстын башкарылуучулугу. Метаматериалдык СДМ параметрлеринин башкарылуучулугу антенна структураларын компакттуураак өлчөмдөгү, жогорку өндүрүмдүүлүктөгү жана жаңы функциялары менен долбоорлоо үчүн жаңы идеяларды берет. 1-сүрөттүн (а), (б) жана (в) бөлүктөрүндө таза оң колдуу электр берүү линиясынын (PRH), таза сол колдуу электр берүү линиясынын (PLH) жана курама сол-оң колдуу электр берүү линиясынын (CRLH) жоготуусуз схема моделдери көрсөтүлгөн. 1(а)-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, PRH TL эквиваленттүү схема модели, адатта, удаалаш индуктивдүүлүктүн жана шунттук сыйымдуулуктун айкалышы болуп саналат. 1(б)-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, PLH TL схема модели шунттук индуктивдүүлүктүн жана удаалаш сыйымдуулуктун айкалышы болуп саналат. Практикалык колдонмолордо PLH схемасын ишке ашыруу мүмкүн эмес. Бул сөзсүз түрдө паразиттик удаалаш индуктивдүүлүктүн жана шунттук сыйымдуулуктун эффекттерине байланыштуу. Ошондуктан, учурда ишке ашырылышы мүмкүн болгон сол колдуу электр берүү линиясынын мүнөздөмөлөрү 1(в)-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, баары курама сол колдуу жана оң колдуу структуралар болуп саналат.

1-сүрөт. Электр берүү линияларынын ар кандай схемаларынын моделдери.

Берүү линиясынын (TL) таралуу константасы (γ) төмөнкүдөй эсептелет: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), мында Y жана Z тиешелүү түрдө кирүү жана импедансты билдирет. CRLH-TL эске алганда, Z жана Y төмөнкүдөй туюнтулушу мүмкүн:

Бирдей CRLH TL төмөнкү дисперсия катышына ээ болот:

Фазалык туруктуу β таза реалдуу сан же таза элестүү сан болушу мүмкүн. Эгерде β жыштык диапазонунда толугу менен реалдуу болсо, γ=jβ шартына байланыштуу жыштык диапазонунда өткөрүү тилкеси бар. Башка жагынан алганда, эгер β жыштык диапазонунда таза элестүү сан болсо, γ=α шартына байланыштуу жыштык диапазонунда токтотуу тилкеси бар. Бул токтотуу тилкеси CRLH-TLге гана тиешелүү жана PRH-TL же PLH-TLде жок. 2-сүрөттө (а), (б) жана (в) тиешелүүлүгүнө жараша PRH-TL, PLH-TL жана CRLH-TL дисперсия ийри сызыктары (б.а., ω - β байланышы) көрсөтүлгөн. Дисперсия ийри сызыктарына таянып, берүү линиясынын топтук ылдамдыгы (vg=∂ω/∂β) жана фазалык ылдамдыгы (vp=ω/β) чыгарылып, бааланышы мүмкүн. PRH-TL үчүн, vg жана vp параллель экенин (б.а., vpvg>0) ийри сызыктан да чыгарууга болот. PLH-TL үчүн ийри сызык vg жана vp параллель эмес экенин көрсөтөт (б.а., vpvg<0). CRLH-TL дисперсия ийри сызыгы ошондой эле LH аймагынын (б.а., vpvg <0) жана RH аймагынын (б.а., vpvg >0) бар экенин көрсөтөт. 2(c)-сүрөттөн көрүнүп тургандай, CRLH-TL үчүн, эгер γ таза чыныгы сан болсо, анда стоп тилкеси бар.

2-сүрөт. Ар кандай электр берүү линияларынын дисперсия ийри сызыктары.

Адатта, CRLH-TLдин удаалаш жана параллель резонанстары ар башка болот, бул тең салмаксыз абал деп аталат. Бирок, удаалаш жана параллель резонанс жыштыктары бирдей болгондо, ал тең салмактуу абал деп аталат жана натыйжада жөнөкөйлөштүрүлгөн эквиваленттүү схема модели 3(а) сүрөттө көрсөтүлгөн.

3-сүрөт. Сол жактуу курама электр берүү линиясынын схема модели жана дисперсия ийри сызыгы.

Жыштык жогорулаган сайын, CRLH-TL дисперсиялык мүнөздөмөлөрү акырындык менен жогорулайт. Себеби, фазалык ылдамдык (б.а., vp=ω/β) жыштыкка барган сайын көз каранды болуп калат. Төмөнкү жыштыктарда CRLH-TLде LH басымдуулук кылат, ал эми жогорку жыштыктарда CRLH-TLде RH басымдуулук кылат. Бул CRLH-TLдин кош мүнөзүн көрсөтөт. CRLH-TLдин тең салмактуулук дисперсиялык диаграммасы 3(b) сүрөттө көрсөтүлгөн. 3(b) сүрөттө көрсөтүлгөндөй, LHден RHге өтүү төмөнкү учурда болот:

Мында ω0 - өтүү жыштыгы. Демек, тең салмактуу учурда, LHден RHге жылмакай өтүү болот, анткени γ таза элестүү сан. Ошондуктан, тең салмактуу CRLH-TL дисперсиясы үчүн токтотуу тилкеси жок. ω0до β нөлгө барабар болсо да (жетектеген толкун узундугуна карата чексиз, б.а., λg=2π/|β|), толкун дагы эле тарайт, анткени ω0догу vg нөлгө барабар эмес. Ошо сыяктуу эле, ω0до d узундуктагы TL үчүн фазалык жылышуу нөлгө барабар (б.а., φ= - βd=0). Фазанын жылышы (б.а., φ>0) LH жыштык диапазонунда (б.а., ω<ω0), ал эми фазанын кечигиши (б.а., φ<0) RH жыштык диапазонунда (б.а., ω>ω0) болот. CRLH TL үчүн мүнөздүү импеданс төмөнкүдөй сүрөттөлөт:

Мында ZL жана ZR тиешелүүлүгүнө жараша PLH жана PRH импеданстары болуп саналат. Тең салмаксыз учур үчүн мүнөздүү импеданс жыштыкка көз каранды. Жогорудагы теңдеме тең салмактуу учур жыштыктан көз каранды эмес экенин көрсөтүп турат, ошондуктан ал кеңири өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө ээ болушу мүмкүн. Жогоруда алынган TL теңдемеси CRLH материалын аныктоочу негизги параметрлерге окшош. TLдин таралуу константасы γ=jβ=Sqrt(ZY). Материалдын таралуу константасы берилгенде (β=ω x Sqrt(εμ)), төмөнкү теңдемени алууга болот:

Ошо сыяктуу эле, TLдин мүнөздөмө импедансы, б.а., Z0=Sqrt(ZY), материалдын мүнөздөмө импедансына окшош, б.а., η=Sqrt(μ/ε), ал төмөнкүдөй туюнтулат:

Тең салмактуу жана тең салмаксыз CRLH-TLдин сынуу көрсөткүчү (б.а., n = cβ/ω) 4-сүрөттө көрсөтүлгөн. 4-сүрөттө CRLH-TLдин LH диапазонундагы сынуу көрсөткүчү терс, ал эми RH диапазонундагы сынуу көрсөткүчү оң.

Сүрөт 4. Тең салмактуу жана тең салмаксыз CRLH TLs типтүү сынуу көрсөткүчтөрү.

1. LC тармагы
5(а) сүрөттө көрсөтүлгөн тилкелүү LC клеткаларын каскаддоо менен, узундугу d эффективдүү бирдейлиги бар типтүү CRLH-TL мезгилдүү же мезгилдүү эмес түзүлүшкө ээ болушу мүмкүн. Жалпысынан алганда, CRLH-TLди эсептөөнүн жана өндүрүүнүн ыңгайлуулугун камсыз кылуу үчүн, схема мезгилдүү болушу керек. 1(с) сүрөтүндөгү моделге салыштырмалуу, 5(а) сүрөтүндөгү схема клеткасынын өлчөмү жок жана физикалык узундугу чексиз кичинекей (б.а., Δz метр менен). Анын электрдик узундугу θ=Δφ (рад) экенин эске алганда, LC клеткасынын фазасын туюнтса болот. Бирок, колдонулган индуктивдүүлүктү жана сыйымдуулукту чындап ишке ашыруу үчүн, физикалык узундук p түзүлүшү керек. Колдонуу технологиясын тандоо (мисалы, микро тилке, бир тегиздиктеги толкун өткөргүч, беттик орнотуу компоненттери ж.б.) LC клеткасынын физикалык өлчөмүнө таасир этет. 5(а) сүрөтүндөгү LC клеткасы 1(с) сүрөтүндөгү инкременттик моделге окшош жана анын чеги p=Δz→0. 5(b)-сүрөттөгү p→0 бирдейлик шартына ылайык, узундугу d болгон идеалдуу бирдей CRLH-TLге барабар болгон (LC клеткаларын каскаддоо аркылуу) TLди курууга болот, ошондо TL электромагниттик толкундарга бирдей көрүнөт.

5-сүрөт. LC тармагына негизделген CRLH TL.

LC клеткасы үчүн, Блох-Флок теоремасына окшош мезгилдүү чек ара шарттарын (ПЧШ) эске алуу менен, LC клеткасынын дисперсия катышы далилденет жана төмөнкүдөй туюнтулат:

LC клеткасынын удаалаш импедансы (Z) жана шунттун кирүүсү (Y) төмөнкү теңдемелер менен аныкталат:

LC чынжырынын электрдик узундугу өтө кичинекей болгондуктан, Тейлор жакындаштыруусу төмөнкүлөрдү алуу үчүн колдонулушу мүмкүн:

2. Физикалык ишке ашыруу
Мурунку бөлүмдө CRLH-TLди түзүү үчүн LC тармагы талкууланган. Мындай LC тармактары талап кылынган сыйымдуулукту (CR жана CL) жана индуктивдүүлүктү (LR жана LL) өндүрө алган физикалык компоненттерди кабыл алуу менен гана ишке ашырылышы мүмкүн. Акыркы жылдары бетке орнотуу технологиясынын (SMT) чип компоненттерин же бөлүштүрүлгөн компоненттерди колдонуу чоң кызыгууну жаратты. Бөлүштүрүлгөн компоненттерди ишке ашыруу үчүн микротилке, тилке сызыгы, копланардык толкун өткөргүч же башка ушул сыяктуу технологияларды колдонсо болот. SMT чиптерин же бөлүштүрүлгөн компоненттерди тандоодо эске алуу керек болгон көптөгөн факторлор бар. SMT негизиндеги CRLH структуралары талдоо жана долбоорлоо жагынан кеңири таралган жана ишке ашыруу оңой. Бул бөлүштүрүлгөн компоненттерге салыштырмалуу кайра түзүү жана өндүрүүнү талап кылбаган даяр SMT чип компоненттеринин болушуна байланыштуу. Бирок, SMT компоненттеринин болушу чачыранды жана алар адатта төмөнкү жыштыктарда гана иштейт (б.а., 3-6 ГГц). Ошондуктан, SMT негизиндеги CRLH структуралары иштөө жыштыктарынын диапазондору жана белгилүү бир фазалык мүнөздөмөлөрү чектелүү. Мисалы, нурлануучу колдонмолордо SMT чип компоненттери ишке ашпай калышы мүмкүн. 6-сүрөттө CRLH-TL негизиндеги бөлүштүрүлгөн түзүлүш көрсөтүлгөн. Түзүлүш сан аралык сыйымдуулук жана кыска туташуу сызыктары аркылуу ишке ашырылып, тиешелүүлүгүнө жараша LHтин удаалаш сыйымдуулугу CL жана параллель индуктивдүүлүгү LL түзөт. Сызык менен GND ортосундагы сыйымдуулук RH сыйымдуулугу CR деп кабыл алынат, ал эми сан аралык түзүлүштөгү ток агымы тарабынан пайда болгон магнит агымы тарабынан пайда болгон индуктивдүүлүк RH индуктивдүүлүгү LR деп кабыл алынат.