Яңалыклар - Metamaterial тапшыру линиясе антенналарына күзәтү

I. Кереш сүз
Метаматериалларны, табигый рәвештә булмаган билгеле бер электромагнит үзлекләрен булдыру өчен ясалма рәвештә эшләнгән структуралар дип тасвирларга мөмкин. Тискәре диэлектрик үткәргечлеге һәм тискәре үткәрүчәнлеге булган метаматериаллар сул куллы метаматериаллар (СДМ) дип атала. СДМлар фәнни һәм инженерлык җәмгыятьләрендә киң өйрәнелде. 2003 елда СДМлар Science журналы тарафыннан хәзерге чорның иң яхшы ун фәнни ачышының берсе дип аталды. СДМларның уникаль үзлекләрен кулланып, яңа кушымталар, концепцияләр һәм җайланмалар эшләнде. Тапшыру линиясе (ТЛ) ысулы - СДМ принципларын да анализлый алырлык нәтиҗәле проектлау ысулы. Традицион ТЛлар белән чагыштырганда, метаматериал ТЛларның иң мөһим үзенчәлеге - ТЛ параметрларының (таралу даимисе) һәм характеристик импедансның идарә ителүчәнлеге. Метаматериал ТЛ параметрларының идарә ителүчәнлеге антенна структураларын компактрак зурлыктагы, югарырак җитештерүчәнлекле һәм яңа функцияләр белән проектлау өчен яңа идеяләр бирә. 1 нче рәсемнең (а), (б) һәм (в) өлешләрендә саф уң яклы тапшыру линиясенең (PRH), саф сул яклы тапшыру линиясенең (PLH) һәм кушылма сул-уң яклы тапшыру линиясенең (CRLH) югалтусыз схема модельләре күрсәтелгән. 1(а) рәсемдә күрсәтелгәнчә, PRH TL эквивалент схема моделе гадәттә эзлекле индуктивлык һәм шунт сыйдырышлыгының комбинациясе булып тора. 1(б) рәсемдә күрсәтелгәнчә, PLH TL схема моделе шунт индуктивлыгы һәм эзлекле сыйдырышлыкның комбинациясе булып тора. Гамәли кулланылышта PLH схемасын гамәлгә ашыру мөмкин түгел. Бу котылгысыз паразит эзлекле индуктивлык һәм шунт сыйдырышлыгы эффектлары белән бәйле. Шуңа күрә, хәзерге вакытта гамәлгә ашырылырга мөмкин булган сул яклы тапшыру линиясенең үзенчәлекләре - 1(в) рәсемдә күрсәтелгәнчә, барысы да кушылма сул һәм уң яклы структуралар.

1 нче рәсем. Төрле тапшыру линияләре схемалары модельләре.

Тапшыру линиясенең (TL) таралу константасы (γ) түбәндәгечә исәпләнә: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), монда Y һәм Z керү һәм импедансны күрсәтә. CRLH-TLны исәпкә алганда, Z һәм Y түбәндәгечә күрсәтелергә мөмкин:

Бердәм CRLH TL түбәндәге дисперсия мөнәсәбәтенә ия булачак:

Фаза даимисе β чын сан яки уйдырма сан булырга мөмкин. Әгәр β ешлык диапазонында тулысынча чын булса, γ=jβ шарты аркасында ешлык диапазонында үткәрүчәнлек полосасы бар. Икенче яктан, әгәр β ешлык диапазонында чын уйдырма сан булса, γ=α шарты аркасында ешлык диапазонында тукталыш полосасы бар. Бу тукталыш полосасы CRLH-TL өчен генә хас һәм PRH-TL яки PLH-TLда юк. 2 нче (а), (б) һәм (в) рәсемнәрдә PRH-TL, PLH-TL һәм CRLH-TL дисперсия кәкреләре (ягъни ω - β мөнәсәбәте) күрсәтелгән. Дисперсия кәкреләренә нигезләнеп, тапшыру линиясенең төркем тизлеге (vg=∂ω/∂β) һәм фаза тизлеге (vp=ω/β) чыгарылырга һәм бәяләнергә мөмкин. PRH-TL өчен, кәкредән vg һәм vp параллель булуын да аңларга мөмкин (ягъни vpvg>0). PLH-TL өчен, кәкре vg һәм vp параллель түгеллеген күрсәтә (ягъни, vpvg<0). CRLH-TL дисперсия кәкресе шулай ук LH өлкәсенең (ягъни, vpvg <0) һәм RH өлкәсенең (ягъни, vpvg >0) булуын күрсәтә. 2(c) рәсемнән күренгәнчә, CRLH-TL өчен, әгәр γ саф чын сан булса, тукталыш полосасы бар.

2 нче рәсем Төрле тапшыру линияләренең дисперсия кәкреләре

Гадәттә, CRLH-TL-ның эзлекле һәм параллель резонанслары төрле була, бу балансланмаган халәт дип атала. Ләкин, эзлекле һәм параллель резонанс ешлыклары бер үк булганда, ул балансланган халәт дип атала, һәм нәтиҗәдә алынган гадиләштерелгән эквивалент схема моделе 3(а) рәсемдә күрсәтелгән.

3 нче рәсем. Композит сул яклы тапшыру линиясенең схема моделе һәм дисперсия кәкресе.

Ешлык арткан саен, CRLH-TL дисперсия үзенчәлекләре әкренләп арта. Чөнки фаза тизлеге (ягъни vp=ω/β) ешлыкка бәйлерәк була бара. Түбән ешлыкларда CRLH-TL LH белән, ә югары ешлыкларда CRLH-TL RH белән өстенлек итә. Бу CRLH-TLның икеләтә табигатен күрсәтә. Тигезләнешле CRLH-TL дисперсия диаграммасы 3(b) рәсемдә күрсәтелгән. 3(b) рәсемдә күрсәтелгәнчә, LHдан RHга күчү түбәндәгечә була:

Монда ω0 - күчеш ешлыгы. Шуңа күрә, балансланган очракта, LH дан RH га шома күчү була, чөнки γ - саф уйдырма сан. Шуңа күрә, балансланган CRLH-TL дисперсиясе өчен тукталыш полосасы юк. ω0 да β нульгә тигез булса да (җитәкләнгән дулкын озынлыгына карата чиксез, ягъни λg=2π/|β|), дулкын тарала, чөнки ω0 да vg нульгә тигез түгел. Шулай ук, ω0 да, d озынлыктагы TL өчен фаза күчеше нульгә тигез (ягъни, φ= - βd=0). Фаза алга китүе (ягъни, φ>0) LH ешлык диапазонында була (ягъни, ω<ω0), ә фаза тоткарлануы (ягъни, φ<0) RH ешлык диапазонында була (ягъни, ω>ω0). CRLH TL өчен характеристик импеданс түбәндәгечә тасвирлана:

Монда ZL һәм ZR - PLH һәм PRH импеданслары. Балансланмаган очрак өчен характеристик импеданс ешлыкка бәйле. Югарыдагы тигезләмә балансланган очракның ешлыктан бәйсез булуын күрсәтә, шуңа күрә ул киң полоса киңлегенә туры килә ала. Югарыда алынган TL тигезләмәсе CRLH материалын билгеләүче конститутив параметрларга охшаш. TL таралу константасы γ=jβ=Sqrt(ZY). Материалның таралу константасын исәпкә алганда (β=ω x Sqrt(εμ)), түбәндәге тигезләмәне алырга мөмкин:

Шулай ук, TL өчен характеристик импеданс, ягъни Z0=Sqrt(ZY), материалның характеристик импедансына охшаш, ягъни η=Sqrt(μ/ε), ул түбәндәгечә күрсәтелә:

Балансланган һәм балансланмаган CRLH-TL сыну күрсәткече (ягъни, n = cβ/ω) 4 нче рәсемдә күрсәтелгән. 4 нче рәсемдә CRLH-TLның LH диапазонындагы сыну күрсәткече тискәре, ә RH диапазонындагы сыну күрсәткече уңай.

4 нче рәсем. Балансланган һәм балансланмаган CRLH TLларының типик сыну күрсәткечләре.

1. LC челтәре
5(а) рәсемдә күрсәтелгән тасмалы LC күзәнәкләрен каскадлау юлы белән, озынлыгы d тигезлеге белән типик CRLH-TL периодик яки периодик булмаган рәвештә төзелергә мөмкин. Гомумән алганда, CRLH-TL исәпләү һәм җитештерү уңайлылыгын тәэмин итү өчен, схема периодик булырга тиеш. 1(в) рәсемдәге модель белән чагыштырганда, 5(а) рәсемдәге схема күзәнәгенең зурлыгы юк һәм физик озынлыгы чиксез кечкенә (ягъни Δz метрларда). Аның электр озынлыгы θ=Δφ (рад) булуын исәпкә алып, LC күзәнәгенең фазасын күрсәтергә мөмкин. Ләкин, кулланылган индуктивлыкны һәм сыйдырышлыкны чынлыкта гамәлгә ашыру өчен, p физик озынлыгын билгеләргә кирәк. Куллану технологиясен сайлау (мәсәлән, микротасма, копланар дулкын үткәргеч, өслеккә урнаштыру компонентлары һ.б.) LC күзәнәгенең физик зурлыгына тәэсир итәчәк. 5(а) рәсемдәге LC күзәнәге 1(в) рәсемдәге инкременталь модельгә охшаш, һәм аның чиге p=Δz→0. 5(b) рәсемдәге p→0 бердәмлек шартына ярашлы, озынлыгы d булган идеаль бердәм CRLH-TLга тиң булган TL төзергә мөмкин (LC күзәнәкләрен каскадлау юлы белән), шуңа күрә TL электромагнит дулкыннар өчен бердәм булып күренә.

5 нче рәсем. LC челтәренә нигезләнгән CRLH TL.

LC күзәнәге өчен, Блох-Флок теоремасына охшаш периодик чик шартларын (ПЧШ) исәпкә алып, LC күзәнәгенең дисперсия мөнәсәбәте исбатлана һәм түбәндәгечә күрсәтелә:

LC күзәнәкнең эзлекле импедансы (Z) һәм шунт керүе (Y) түбәндәге тигезләмәләр белән билгеләнә:

LC чылбыры җайланмасының электр озынлыгы бик кечкенә булганлыктан, Тейлор якынлашуын түбәндәгеләрне алу өчен кулланырга мөмкин:

2. Физик гамәлгә ашыру
Алдагы бүлектә CRLH-TL генерацияләү өчен LC челтәре турында фикер алышынды. Мондый LC челтәрләрен кирәкле сыйдырышлыкны (CR һәм CL) һәм индуктивлыкны (LR һәм LL) җитештерә алырлык физик компонентларны кабул итү юлы белән генә гамәлгә ашырырга мөмкин. Соңгы елларда өслеккә урнаштыру технологиясе (SMT) чип компонентларын яки таратылган компонентларны куллану зур кызыксыну уятты. Таратылган компонентларны гамәлгә ашыру өчен микротасма, тасма сызыгы, копланар дулкын үткәргече яки башка охшаш технологияләр кулланылырга мөмкин. SMT чипларын яки таратылган компонентларны сайлаганда исәпкә алырга кирәк булган күп факторлар бар. SMT нигезендәге CRLH структуралары анализ һәм дизайн ягыннан ешрак очрый һәм гамәлгә ашыру җиңелрәк. Бу таратылган компонентлар белән чагыштырганда үзгәртеп кору һәм җитештерүне таләп итмәгән әзер SMT чип компонентларының булуы белән бәйле. Ләкин SMT компонентларының булуы таралган, һәм алар гадәттә түбән ешлыкларда гына эшли (мәсәлән, 3-6 ГГц). Шуңа күрә SMT нигезендәге CRLH структураларының эш ешлыгы диапазоннары чикләнгән һәм фазаның үзенчәлекләре билгеле. Мәсәлән, нурланыш кушымталарында SMT чип компонентлары мөмкин булмаска мөмкин. 6 нчы рәсемдә CRLH-TL нигезендәге таратылган структура күрсәтелгән. Структура саннар арасындагы сыйдырышлык һәм кыска ялганыш сызыклары ярдәмендә тормышка ашырыла, LH-ның эзлекле сыйдырышлыгы CL һәм параллель индуктивлыгы LL формалаштыра. Сызык һәм GND арасындагы сыйдырышлык RH сыйдырышлыгы CR дип санала, ә саннар арасындагы структурада ток агымы белән барлыкка килгән магнит агымы белән барлыкка килгән индуктивлык RH индуктивлыгы LR дип санала.