Habarlar - Metamaterial geçirijilik liniýasynyň antennalarynyň syny

I. Giriş
Metamateriallary tebigy ýagdaýda bolmadyk belli bir elektromagnit häsiýetlerini öndürmek üçin emeli usulda döredilen gurluşlar hökmünde has gowy häsiýetlendirip bolýar. Negatiw geçirijilik we negatiw geçirijilik bolan metamateriallara çep elli metamateriallar (ÇM) diýilýär. ÇM ylmy we inženerçilik jemgyýetlerinde giňden öwrenildi. 2003-nji ýylda ÇM-ler "Science" žurnaly tarapyndan häzirki döwrüň iň gowy on ylmy açyşlarynyň biri diýlip atlandyryldy. ÇM-leriň özboluşly häsiýetlerini ulanmak arkaly täze ulanylyşlar, konsepsiýalar we enjamlar işlenip düzüldi. Geçiriş liniýasy (ÇL) çemeleşmesi ÇM-leriň prinsiplerini hem seljerip bilýän netijeli dizaýn usulydyr. Adaty ÇM-ler bilen deňeşdirilende, metamaterial ÇM-leriň iň möhüm aýratynlygy ÇL parametrleriniň (ýaýylma yzygiderliligi) we häsiýetli impedansyň dolandyrylmagydyr. Metamaterial ÇL parametrleriniň dolandyrylmagy has ykjam ölçegli, ýokary öndürijilikli we täze funksiýaly antenna gurluşlaryny dizaýn etmek üçin täze pikirleri hödürleýär. 1-nji surat (a), (b) we (c) degişlilikde arassa sag elli geçiriji liniýasynyň (PRH), arassa çep elli geçiriji liniýasynyň (PLH) we kompozit çep-sag elli geçiriji liniýasynyň (CRLH) ýitgisiz zynjyr modellerini görkezýär. 1-nji suratda (a) görkezilişi ýaly, PRH TL deň zynjyr modeli adatça yzygiderli induktiwligiň we şunt kuwwatynyň utgaşmasydyr. 1-nji suratda (b) görkezilişi ýaly, PLH TL zynjyr modeli şunt induktiwliginiň we yzygiderli kuwwatlylygyň utgaşmasydyr. Amaly ulanylyşlarda PLH zynjyryny ornaşdyrmak mümkin däl. Bu, gaçylmaz parazit yzygiderli induktiwligiň we şunt kuwwatynyň täsirleri bilen baglanyşyklydyr. Şonuň üçin, häzirki wagtda amala aşyrylyp bilinýän çep elli geçiriji liniýasynyň häsiýetnamalary, 1-nji suratda (c) görkezilişi ýaly, kompozit çep elli we sag elli gurluşlardyr.

1-nji surat Dürli elektrik geçirijilik liniýasynyň zynjyr modelleri

Geçiriş liniýasynyň (TL) ýaýrama sabitligi (γ) şeýle hasaplanýar: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), bu ýerde Y we Z degişlilikde giriş we impedansy aňladýar. CRLH-TL göz öňünde tutulanda, Z we Y aşakdaky ýaly beýan edilip bilner:

Birmeňzeş CRLH TL aşakdaky dispersiýa gatnaşygyna eýe bolar:

Faza yzygiderliligi β diňe hakyky san ýa-da diňe hyýaly san bolup biler. Eger β ýygylyk aralygynda doly hakyky bolsa, γ=jβ şerti sebäpli ýygylyk aralygynda geçiş zolagy bar. Beýleki tarapdan, eger β ýygylyk aralygynda doly hyýaly san bolsa, γ=α şerti sebäpli ýygylyk aralygynda stop zolagy bar. Bu stop zolagy CRLH-TL-e mahsusdyr we PRH-TL ýa-da PLH-TL-de ýok. 2-nji (a), (b) we (c) suratlarda degişlilikde PRH-TL, PLH-TL we CRLH-TL-niň dispersiýa egrileri (ýagny ω - β gatnaşygy) görkezilýär. Dispersiýa egrilerine esaslanyp, geçiriji liniýanyň topar tizligi (vg=∂ω/∂β) we faza tizligi (vp=ω/β) çykarylyp we bahalanyp bilner. PRH-TL üçin, vg we vp parallel (ýagny vpvg>0) egriden hem netije çykarmak bolýar. PLH-TL üçin egri vg we vp parallel däldigini görkezýär (ýagny, vpvg<0). CRLH-TL-iň dispersiýa egrisi şeýle hem LH sebitiniň (ýagny, vpvg <0) we RH sebitiniň (ýagny, vpvg > 0) bardygyny görkezýär. 2(c) suratdan görnüşi ýaly, CRLH-TL üçin, eger γ arassa hakyky san bolsa, stop zolagy bar.

2-nji surat Dürli geçirijilik liniýalarynyň dispersiýa egrileri

Adatça, CRLH-TL-iň yzygiderli we parallel rezonanslary tapawutly bolýar, bu bolsa deňagramsyz ýagdaý diýilýär. Şeýle-de bolsa, yzygiderli we parallel rezonans ýygylyklary deň bolanda, ol deňagramly ýagdaý diýilýär we netijede alnan ýönekeýleşdirilen deňagramly zynjyr modeli 3(a) suratda görkezilýär.

3-nji surat Kompozit çep taraply elektrik geçiriji liniýasynyň zynjyr modeli we dispersiýa egrisi

Ýygylyk artdygyça, CRLH-TL-iň dispersiýa häsiýetnamalary kem-kemden artýar. Sebäbi faza tizligi (ýagny vp=ω/β) ýygylyga barha bagly bolýar. Pes ýygylyklarda CRLH-TL-de LH, ýokary ýygylyklarda bolsa CRLH-TL-de RH agdyklyk edýär. Bu CRLH-TL-iň ikilik tebigatyny görkezýär. Deňagramly CRLH-TL dispersiýa diagrammasy 3(b) suratda görkezilen. 3(b) suratda görkezilişi ýaly, LH-den RH-a geçiş aşakdaky ýagdaýda bolýar:

Bu ýerde ω0 geçiş ýygylygydyr. Şonuň üçin deňagramly ýagdaýda, LH-den RH-a ýumşak geçiş bolýar, sebäbi γ diňe hyýaly sandyr. Şonuň üçin deňagramly CRLH-TL dispersiýasy üçin togtadyş zolagy ýok. β ω0-da nol bolsa-da (ýörelgeli tolkun uzynlygyna görä çäksiz, ýagny λg=2π/|β|), tolkun henizem ýaýraýar, sebäbi ω0-daky vg nol däl. Şonuň ýaly-da, ω0-da, d uzynlykdaky TL üçin faza süýşmesi nola deňdir (ýagny, φ= - βd=0). Faza öňe gidişi (ýagny, φ>0) LH ýygylyk diapazonynda (ýagny, ω<ω0), faza yza galmagy (ýagny, φ<0) bolsa RH ýygylyk diapazonynda (ýagny, ω>ω0) ýüze çykýar. CRLH TL üçin häsiýetli impedans aşakdaky ýaly beýan edilýär:

Bu ýerde ZL we ZR degişlilikde PLH we PRH impedanslarydyr. Deňsiz ýagdaý üçin häsiýetli impedans ýygylyga baglydyr. Ýokardaky deňleme deňleşdirilen ýagdaýyň ýygylyga bagly däldigini görkezýär, şonuň üçin ol giň zolak deňleşip biler. Ýokarda alnan TL deňlemesi CRLH materialyny kesgitleýän düzümleýin parametrlere meňzeýär. TL-iň ýaýrama sabiti γ=jβ=Sqrt(ZY). Materialyň ýaýrama sabiti berlende (β=ω x Sqrt(εμ)), aşakdaky deňleme alnyp bilner:

Şonuň ýaly-da, TL-iň häsiýetli impedansy, ýagny Z0=Sqrt(ZY), materialyň häsiýetli impedansyna, ýagny η=Sqrt(μ/ε) meňzeşdir, ol şeýle beýan edilýär:

Deňleşdirilen we deňleşdirilmedik CRLH-TL-iň döwülme görkezijisi (ýagny, n = cβ/ω) 4-nji suratda görkezilen. 4-nji suratda CRLH-TL-iň LH aralygyndaky döwülme görkezijisi negatiw, RH aralygyndaky döwülme görkezijisi bolsa pozitiwdir.

Şekil 4 Deňleşdirilen we deňleşdirilmedik CRLH TL-leriniň tipiki refraksiýa görkezijileri.

1. LC ulgamy
5(a) suratda görkezilen zolakly LC öýjüklerini kaskadlamak arkaly, uzynlygy d-niň netijeli deňligi bolan tipiki CRLH-TL döwürleýin ýa-da döwürleýin däl gurluş bolup biler. Umuman, CRLH-TL-niň hasaplanmagynyň we öndürilmeginiň amatlylygyny üpjün etmek üçin, zynjyr döwürleýin bolmaly. 1(c) suratdaky model bilen deňeşdirilende, 5(a) suratdaky zynjyr öýjükleriniň ölçegi ýok we fiziki uzynlygy çäksiz kiçi (ýagny Δz metrde). Onuň elektrik uzynlygyny θ=Δφ (rad) göz öňünde tutup, LC öýjükleriniň fazasyny görkezip bolýar. Şeýle-de bolsa, ulanylýan induktiwligi we kuwwaty hakykatdanam amala aşyrmak üçin fiziki uzynlygy p kesgitlemeli. Ulanyş tehnologiýasynyň saýlanmagy (meselem, mikrozolak, bir tekizlikli tolkun geçirijisi, ýüze berkidilýän komponentler we ş.m.) LC öýjükleriniň fiziki ölçegine täsir eder. 5(a) suratdaky LC öýjükleri 1(c) suratdaky incremental modele meňzeýär we onuň çägi p=Δz→0. 5(b) suratdaky p→0 deňlik şertine görä, d uzynlygy bolan ideal deň CRLH-TL-e deň bolan (LC öýjüklerini kaskadlamak arkaly) TL gurup bolýar, şonuň üçin TL elektromagnit tolkunlara deň görünýär.

5-nji surat LC ulgamyna esaslanýan CRLH TL.

LC öýjük üçin, Bloh-Floket teoremasyna meňzeş döwürleýin serhet şertlerini (PBC) göz öňünde tutup, LC öýjükleriniň dispersiýa gatnaşygy subut edilýär we aşakdaky ýaly beýan edilýär:

LC öýjükleriniň yzygiderli impedansy (Z) we şunt girişi (Y) aşakdaky deňlemeler bilen kesgitlenýär:

LC zynjyrynyň elektrik uzynlygy örän kiçi bolany üçin, Teýlor ýakynlaşdyrmasyny aşakdakylary almak üçin ulanyp bolýar:

2. Fiziki amala aşyrmak
Öňki bölümde CRLH-TL öndürmek üçin LC ulgamy ara alnyp maslahatlaşyldy. Şeýle LC ulgamlary diňe zerur bolan kuwwatlylygy (CR we CL) we induktiwligi (LR we LL) öndürip bilýän fiziki komponentleri kabul etmek arkaly amala aşyrylyp bilner. Soňky ýyllarda ýüzleý gurnama tehnologiýasynyň (SMT) çip bölekleriniň ýa-da paýlanan komponentleriň ulanylmagy uly gyzyklanma döretdi. Paýlanan komponentleri amala aşyrmak üçin mikrostrip, strip çyzygy, koptek tolkun geçirijisi ýa-da beýleki şuňa meňzeş tehnologiýalar ulanylyp bilner. SMT çiplerini ýa-da paýlanan komponentleri saýlanda göz öňünde tutulmaly köp faktorlar bar. SMT esasyndaky CRLH gurluşlary analiz we dizaýn babatda has köp ýaýran we amala aşyrmak aňsat. Munuň sebäbi paýlanan komponentlere garanyňda täzeden modelleşdirmegi we öndürmegi talap etmeýän taýýar SMT çip bölekleriniň elýeterliligidir. Şeýle-de bolsa, SMT bölekleriniň elýeterliligi dargaýar we olar adatça diňe pes ýygylyklarda (ýagny 3-6 GHz) işleýärler. Şonuň üçin SMT esasyndaky CRLH gurluşlarynyň iş ýygylygy diapazonlary we belli bir faza häsiýetnamalary çäkli. Mysal üçin, şöhlelendiriji ulanylyşlarda SMT çip bölekleri mümkin bolup bilmez. 6-njy suratda CRLH-TL esasynda paýlanan gurluş görkezilýär. Gurluş sanly sygym we gysga zynjyr liniýalary arkaly amala aşyrylýar we degişlilikde LH-iň yzygiderli sygym CL we parallel induktiwlik LL emele getirýär. Çyzyk bilen GND arasyndaky sygym RH sygym CR diýlip kabul edilýär we sanly gurluşdaky tok akymy tarapyndan emele gelen magnit akymynyň döreden induktiwligi RH induktiwlik LR diýlip kabul edilýär.