Жаңылыктар - Метаматериалдык электр өткөргүч линияларынын антенналарына сереп салуу

I. Киришүү
Метаматериалдар табигый түрдө жок кээ бир электромагниттик касиеттерди өндүрүү үчүн жасалма долбоорлонгон структуралар катары эң жакшы сүрөттөлсө болот. Терс өткөргүчтүү жана терс өткөргүчтүү метаматериалдар сол жактуу метаматериалдар (LHMs) деп аталат. ЛГМ илимий жана инженердик коомдордо кеңири изилденген. 2003-жылы LHMs Science журналы тарабынан заманбап доордун эң мыкты он илимий ачылыштарынын бири деп аталды. LHMлердин уникалдуу касиеттерин пайдалануу менен жаңы колдонмолор, концепциялар жана түзүлүштөр иштелип чыккан. Электр өткөргүч линиясына (TL) мамиле кылуу LHM принциптерин талдай ала турган эффективдүү долбоорлоо ыкмасы болуп саналат. Салттуу TL менен салыштырганда, метаматериалдык TLs эң маанилүү өзгөчөлүгү TL параметрлеринин (таралуу константасы) жана мүнөздүү импеданстын башкарылуусу болуп саналат. Метаматериалдык TL параметрлеринин контролдукка жөндөмдүүлүгү антенналык структураларды долбоорлоо үчүн жаңы идеяларды берет, алар компакттуу өлчөмгө, жогорку өндүрүмдүүлүккө жана жаңы функцияларга ээ. 1-сүрөт (а), (б) жана (в) таза оң-тараптуу электр берүү линиясынын (PRH), таза сол-тараптуу өткөргүч линиясынын (PLH) жана сол-оң-тараптуу өткөргүч линиясынын жоготуусуз схемаларын көрсөтөт. CRLH), тиешелүүлүгүнө жараша. 1(а)-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, PRH TL эквиваленттүү схема модели, адатта, катар индуктивдүүлүктүн жана шунттук сыйымдуулуктун айкалышы болуп саналат. 1(b)-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, PLH TL схемасынын модели шунт индуктивдүүлүгү менен катар сыйымдуулуктун айкалышы. Практикалык колдонмолордо PLH схемасын ишке ашыруу мүмкүн эмес. Бул сөзсүз мите катар индуктивдүүлүк жана шунт сыйымдуулугу таасирлери менен шартталган. Демек, 1(c)-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, азыркы учурда ишке ашырылышы мүмкүн болгон сол-тараптуу электр берүү линиясынын мүнөздөмөлөрү бардык курама сол-тараптуу жана оң-тараптуу түзүлүштөр.

1-сүрөт Электр өткөргүч линияларынын схемаларынын ар кандай моделдери

Өткөрүү линиясынын (TL) таралуу константасы (γ) төмөнкүдөй эсептелинет: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), мында Y жана Z тиешелүүлүгүнө жараша импедансты жана импедансты билдирет. CRLH-TL эске алуу менен, Z жана Y төмөнкүчө чагылдырууга болот:

Бирдиктүү CRLH TL төмөнкү дисперсиялык байланышка ээ болот:

Фаза константасы β таза реалдуу сан же таза элестүү сан болушу мүмкүн. Эгерде β жыштык диапазонунда толугу менен реалдуу болсо, γ=jβ шартынан улам жыштык диапазонунда өткөрүү тилкеси бар. Башка жагынан алганда, эгерде β жыштык диапазонундагы таза элестүү сан болсо, γ=α шартынан улам жыштык диапазонунда токтотуу тилкеси бар. Бул токтотуу тилкеси CRLH-TL үчүн уникалдуу жана PRH-TL же PLH-TLде жок. 2 (a), (b) жана (c) сүрөттөрдө PRH-TL, PLH-TL жана CRLH-TL дисперсиялык ийри сызыктары (б.а. ω - β байланышы) көрсөтүлгөн. Дисперсиялык ийри сызыктардын негизинде өткөргүч линиясынын топтук ылдамдыгын (vg=∂ω/∂β) жана фазалык ылдамдыгын (vp=ω/β) чыгарууга жана баалоого болот. PRH-TL үчүн, ошондой эле ийри сызыктан vg жана vp параллелдүү (б.а. vpvg>0) деп жыйынтык чыгарууга болот. PLH-TL үчүн ийри сызык vg жана vp параллелдүү эмес экенин көрсөтүп турат (б.а. vpvg<0). CRLH-TL дисперсиялык ийри сызыгы LH чөлкөмүнүн (б.а. vpvg < 0) жана RH аймагынын (б.а. vpvg > 0) бар экенин да көрсөтөт. 2(c)-сүрөттөн көрүнүп тургандай, CRLH-TL үчүн, эгерде γ таза реалдуу сан болсо, токтотуу тилкеси бар.

Сүрөт 2 Ар кандай өткөргүч линияларынын дисперсиялык ийри сызыктары

Адатта, CRLH-TLнин катар жана параллелдүү резонанстары ар кандай болот, бул тең салмактуу эмес абал деп аталат. Бирок, катар жана параллелдүү резонанстык жыштыктар бирдей болгондо, ал балансталган абал деп аталат жана натыйжада жөнөкөйлөштүрүлгөн эквиваленттүү схема модели 3(а)-сүрөттө көрсөтүлгөн.

3-сүрөт Композиттик сол-тараптуу өткөргүч линиясынын схемасынын модели жана дисперсиялык ийри сызыгы

Жыштыктын өсүшү менен CRLH-TL дисперсиялык мүнөздөмөлөрү акырындык менен жогорулайт. Себеби, фазалык ылдамдык (б.а., vp=ω/β) барган сайын жыштыкка көз каранды болуп калат. Төмөн жыштыктарда CRLH-TL LH басымдуулук кылат, ал эми жогорку жыштыктарда CRLH-TL RH басымдуулук кылат. Бул CRLH-TLнин кош мүнөзүн сүрөттөйт. CRLH-TL дисперсиясынын тең салмактуу диаграммасы 3(b)-сүрөттө көрсөтүлгөн. 3(b)-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, LHден RHге өтүү төмөнкүдө болот:

Бул жерде ω0 өтүү жыштыгы. Демек, тең салмактуу учурда LHден RHге жылмакай өтүү болот, анткени γ таза элестүү сан. Демек, CRLH-TL тең салмактуу дисперсиясы үчүн токтотуу тилкеси жок. ω0 (башкарылган толкун узундугуна карата чексиз, б.а., λg=2π/|β|) β нөл болсо да, толкун дагы эле таралат, анткени ω0до vg нөл эмес. Ошо сыяктуу эле, ω0до узундугу d болгон TL үчүн фазалардын жылышы нөлгө барабар (б.а. φ= - βd=0). Фазалык илгерилетүү (б.а., φ>0) LH жыштык диапазонунда (б.а., ω<ω0) жана фазалык артта калуу (б.а., φ<0) RH жыштык диапазонунда (б.а., ω>ω0) болот. CRLH TL үчүн мүнөздүү импеданс төмөнкүчө сүрөттөлөт:

Бул жерде ZL жана ZR тиешелүүлүгүнө жараша PLH жана PRH импеданстары. Теңдештирилбеген учурда мүнөздүү импеданс жыштыкка көз каранды. Жогорудагы теңдеме балансталган жагдай жыштыктан көз карандысыз экенин көрсөтүп турат, ошондуктан ал кең өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө ээ болушу мүмкүн. Жогоруда алынган TL теңдемеси CRLH материалын аныктаган түзүүчү параметрлерге окшош. TLдин таралуу константасы γ=jβ=Sqrt(ZY) болот. Материалдын таралуу константасын (β=ω x Sqrt(εμ)) эске алып, төмөнкү теңдемени алууга болот:

Ошо сыяктуу эле, TL мүнөздүү импеданс, башкача айтканда, Z0=Sqrt(ZY) материалдын мүнөздүү импедансына окшош, б.а., η=Sqrt(μ/ε), ал төмөнкүчө чагылдырылат:

Тең салмактуу жана тең салмактуу эмес CRLH-TLнин сынуу көрсөткүчү (б.а. n = cβ/ω) 4-сүрөттө көрсөтүлгөн. 4-сүрөттө CRLH-TLнин LH диапазонундагы сынуу көрсөткүчү терс жана анын RH диапазонундагы сынуу көрсөткүчү. диапазон оң.

4-сүрөт. Салмактуу жана тең салмактуу эмес CRLH TLs үчүн типтүү сынуу көрсөткүчтөрү.

1. LC тармагы
5(а)-сүрөттө көрсөтүлгөн тилкелүү LC клеткаларын каскаддоо жолу менен d узундугунун эффективдүү бирдейлиги менен типтүү CRLH-TL мезгил-мезгили менен же мезгилдүү эмес түзүлүшү мүмкүн. Жалпысынан алганда, CRLH-TL эсептөө жана даярдоо ыңгайлуулугун камсыз кылуу үчүн, схемасы мезгилдүү болушу керек. 1(c)-сүрөттүн модели менен салыштырганда, 5(а)-сүрөттөгү схема уячасынын өлчөмү жок жана физикалык узундугу чексиз кичинекей (б.а., метрде Δz). Анын электрдик узундугун θ=Δφ (рад) эске алып, LC клеткасынын фазасын туюндуруп алууга болот. Бирок, иш жүзүндө колдонулган индуктивдүүлүктү жана сыйымдуулукту ишке ашыруу үчүн физикалык узундук p белгилениши керек. Колдонуу технологиясын тандоо (мисалы, микротилке, тең пландуу толкун өткөргүч, беттик монтаждоо компоненттери ж.б.) LC клеткасынын физикалык өлчөмүнө таасир этет. 5(а)-сүрөттөгү LC клеткасы 1(c)-сүрөттүн кошумча моделине окшош жана анын чеги p=Δz→0. 5(b)-сүрөттөгү p→0 бирдейлик шартына ылайык, TL узундугу d болгон идеалдуу бирдиктүү CRLH-TLге барабар болгон (каскаддык LC клеткалары аркылуу) TL түзүлүшү мүмкүн, ошентип TL электромагниттик толкундарга бирдей болуп көрүнөт.

5-сүрөт LC тармагына негизделген CRLH TL.

LC клеткасы үчүн Блох-Флокет теоремасына окшош мезгилдик чектик шарттарды (PBCs) эске алуу менен, LC клеткасынын дисперсиялык байланышы далилденген жана төмөнкүчө чагылдырылган:

LC уячасынын сериялык импеданс (Z) жана шунттук өтүү (Y) төмөнкү теңдемелер менен аныкталат:

Бирдиктин LC чынжырынын электрдик узундугу өтө кичинекей болгондуктан, Тейлордун жакындоосу төмөнкүнү алуу үчүн колдонулушу мүмкүн:

2. Физикалык ишке ашыруу
Мурунку бөлүмдө CRLH-TL түзүү үчүн LC тармагы талкууланган. Мындай LC тармактары талап кылынган сыйымдуулукту (CR жана CL) жана индуктивдүүлүктү (LR жана LL) чыгара ала турган физикалык компоненттерди кабыл алуу менен гана ишке ашырылышы мүмкүн. Акыркы жылдары, жер үстүндөгү технологияны (SMT) чип компоненттерин же бөлүштүрүлгөн компоненттерди колдонуу чоң кызыгууну жаратты. Бөлүштүрүлгөн компоненттерди ишке ашыруу үчүн микрострип, сызык сызыгы, coplanar толкун өткөргүч же башка ушул сыяктуу технологиялар колдонулушу мүмкүн. SMT чиптерин же бөлүштүрүлгөн компоненттерди тандоодо эске алуу керек болгон көптөгөн факторлор бар. SMT негизиндеги CRLH структуралары кеңири таралган жана талдоо жана долбоорлоо жагынан ишке ашыруу оңой. Бул бөлүштүрүлгөн компоненттерге салыштырганда кайра курууну жана өндүрүүнү талап кылбаган SMT чипинин жеткиликтүү компоненттеринин болушуна байланыштуу. Бирок, SMT компоненттеринин болушу чачыранды жана алар, адатта, төмөнкү жыштыктарда (б.а. 3-6 ГГц) гана иштешет. Ошондуктан, SMT негизделген CRLH түзүмдөрү чектелген иш жыштык диапазондору жана өзгөчө фазалык мүнөздөмөлөргө ээ. Мисалы, нурлануучу колдонмолордо SMT чипинин компоненттери ишке ашпашы мүмкүн. 6-сүрөттө CRLH-TL негизиндеги бөлүштүрүлгөн структура көрсөтүлгөн. Түзүлүшү тиешелүүлүгүнө жараша LHнин катар сыйымдуулугу CL жана параллелдүү индуктивдүүлүк LL түзүүчү interdigital сыйымдуулук жана кыска туташуу линиялары аркылуу ишке ашырылат. Линия менен GND ортосундагы сыйымдуулук RH сыйымдуулугу CR деп кабыл алынат, ал эми цифралар аралык структурадагы токтун агымынан пайда болгон магнит агымынан пайда болгон индуктивдүүлүк RH индуктивдүүлүгү LR деп кабыл алынат.