Berita - Kajian Antena Talian Penghantaran Metamaterial

I. Pengenalan
Metamaterial boleh digambarkan sebagai struktur yang direka secara buatan untuk menghasilkan sifat elektromagnet tertentu yang tidak wujud secara semula jadi. Metamaterial dengan kebolehtelapan negatif dan kebolehtelapan negatif dipanggil metamaterial kidal (LHM). LHM telah dikaji secara meluas dalam komuniti saintifik dan kejuruteraan. Pada tahun 2003, LHM telah dinamakan sebagai salah satu daripada sepuluh kejayaan saintifik terbaik era kontemporari oleh majalah Sains. Aplikasi, konsep dan peranti baharu telah dibangunkan dengan mengeksploitasi sifat unik LHM. Pendekatan talian penghantaran (TL) adalah kaedah reka bentuk yang berkesan yang juga boleh menganalisis prinsip LHM. Berbanding dengan TL tradisional, ciri TL metamaterial yang paling ketara ialah kebolehkawalan parameter TL (pemalar penyebaran) dan impedans ciri. Kebolehkawalan parameter TL metamaterial memberikan idea baharu untuk mereka bentuk struktur antena dengan saiz yang lebih padat, prestasi yang lebih tinggi dan fungsi baharu. Rajah 1 (a), (b), dan (c) menunjukkan model litar tanpa kerugian bagi talian penghantaran tangan kanan tulen (PRH), talian penghantaran tangan kiri tulen (PLH) dan talian penghantaran tangan kiri komposit ( CRLH), masing-masing. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1(a), model litar setara PRH TL biasanya merupakan gabungan kearuhan siri dan kemuatan shunt. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1(b), model litar PLH TL ialah gabungan kearuhan shunt dan kemuatan siri. Dalam aplikasi praktikal, litar PLH tidak boleh dilaksanakan. Ini disebabkan oleh kesan kearuhan siri parasit dan kemuatan shunt yang tidak dapat dielakkan. Oleh itu, ciri-ciri talian penghantaran kidal yang boleh direalisasikan pada masa ini adalah semua struktur kidal dan tangan kanan komposit, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1(c).

Rajah 1 Model litar talian penghantaran yang berbeza

Pemalar perambatan (γ) bagi talian penghantaran (TL) dikira sebagai: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), di mana Y dan Z masing-masing mewakili kemasukan dan impedans. Memandangkan CRLH-TL, Z dan Y boleh dinyatakan sebagai:

CRLH TL yang seragam akan mempunyai hubungan serakan berikut:

Pemalar fasa β boleh menjadi nombor nyata semata-mata atau nombor khayalan semata-mata. Jika β benar-benar nyata dalam julat frekuensi, terdapat jalur laluan dalam julat frekuensi disebabkan oleh keadaan γ=jβ. Sebaliknya, jika β ialah nombor khayalan semata-mata dalam julat frekuensi, terdapat jalur henti dalam julat frekuensi disebabkan oleh keadaan γ=α. Jalur henti ini unik untuk CRLH-TL dan tidak wujud dalam PRH-TL atau PLH-TL. Rajah 2 (a), (b), dan (c) menunjukkan lengkung serakan (iaitu, hubungan ω - β) PRH-TL, PLH-TL dan CRLH-TL, masing-masing. Berdasarkan lengkung serakan, halaju kumpulan (vg=∂ω/∂β) dan halaju fasa (vp=ω/β) bagi talian penghantaran boleh diterbitkan dan dianggarkan. Untuk PRH-TL, ia juga boleh disimpulkan daripada lengkung bahawa vg dan vp adalah selari (iaitu, vpvg>0). Untuk PLH-TL, lengkung menunjukkan bahawa vg dan vp tidak selari (iaitu, vpvg<0). Lengkung serakan CRLH-TL juga menunjukkan kewujudan rantau LH (iaitu, vpvg < 0) dan rantau RH (iaitu, vpvg > 0). Seperti yang dapat dilihat dari Rajah 2(c), untuk CRLH-TL, jika γ ialah nombor nyata tulen, terdapat jalur henti.

Rajah 2 Lengkung serakan bagi talian penghantaran yang berbeza

Biasanya, siri dan resonans selari CRLH-TL adalah berbeza, yang dipanggil keadaan tidak seimbang. Walau bagaimanapun, apabila siri dan frekuensi resonans selari adalah sama, ia dipanggil keadaan seimbang, dan model litar setara dipermudahkan yang terhasil ditunjukkan dalam Rajah 3(a).

Rajah 3 Model litar dan lengkung serakan bagi talian penghantaran kidal komposit

Apabila kekerapan meningkat, ciri serakan CRLH-TL secara beransur-ansur meningkat. Ini kerana halaju fasa (iaitu, vp=ω/β) menjadi semakin bergantung kepada kekerapan. Pada frekuensi rendah, CRLH-TL didominasi oleh LH, manakala pada frekuensi tinggi, CRLH-TL didominasi oleh RH. Ini menggambarkan sifat dwi CRLH-TL. Rajah serakan CRLH-TL keseimbangan ditunjukkan dalam Rajah 3(b). Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3(b), peralihan dari LH ke RH berlaku pada:

Di mana ω0 ialah kekerapan peralihan. Oleh itu, dalam kes seimbang, peralihan lancar berlaku dari LH ke RH kerana γ ialah nombor khayalan semata-mata. Oleh itu, tiada jalur henti untuk penyebaran CRLH-TL yang seimbang. Walaupun β adalah sifar pada ω0 (relatif tak terhingga kepada panjang gelombang berpandu, iaitu, λg=2π/|β|), gelombang masih merambat kerana vg pada ω0 bukan sifar. Begitu juga, pada ω0, anjakan fasa adalah sifar untuk TL panjang d (iaitu, φ= - βd=0). Kemajuan fasa (iaitu, φ>0) berlaku dalam julat frekuensi LH (iaitu, ω<ω0), dan terencat fasa (iaitu, φ<0) berlaku dalam julat frekuensi RH (iaitu, ω>ω0). Untuk CRLH TL, impedans ciri diterangkan seperti berikut:

Di mana ZL dan ZR ialah impedans PLH dan PRH, masing-masing. Untuk kes tidak seimbang, impedans ciri bergantung pada kekerapan. Persamaan di atas menunjukkan bahawa kes seimbang adalah bebas daripada kekerapan, jadi ia boleh mempunyai padanan lebar jalur yang luas. Persamaan TL yang diperolehi di atas adalah serupa dengan parameter konstitutif yang mentakrifkan bahan CRLH. Pemalar perambatan TL ialah γ=jβ=Sqrt(ZY). Memandangkan pemalar perambatan bahan (β=ω x Sqrt(εμ)), persamaan berikut boleh diperolehi:

Begitu juga, impedans ciri TL, iaitu, Z0=Sqrt(ZY), adalah serupa dengan impedans ciri bahan, iaitu, η=Sqrt(μ/ε), yang dinyatakan sebagai:

Indeks biasan bagi CRLH-TL yang seimbang dan tidak seimbang (iaitu, n = cβ/ω) ditunjukkan dalam Rajah 4. Dalam Rajah 4, indeks biasan CRLH-TL dalam julat LHnya adalah negatif dan indeks biasan dalam RHnya. julat adalah positif.

Rajah 4 Indeks biasan biasa bagi TL CRLH seimbang dan tidak seimbang.

1. Rangkaian LC
Dengan melata sel LC laluan jalur yang ditunjukkan dalam Rajah 5(a), CRLH-TL tipikal dengan keseragaman berkesan panjang d boleh dibina secara berkala atau tidak berkala. Secara amnya, untuk memastikan kemudahan pengiraan dan pembuatan CRLH-TL, litar perlu berkala. Berbanding dengan model Rajah 1(c), sel litar Rajah 5(a) tidak mempunyai saiz dan panjang fizikal adalah sangat kecil (iaitu, Δz dalam meter). Memandangkan panjang elektriknya θ=Δφ (rad), fasa sel LC boleh dinyatakan. Walau bagaimanapun, untuk benar-benar merealisasikan kearuhan dan kapasitansi yang digunakan, panjang fizikal p perlu diwujudkan. Pilihan teknologi aplikasi (seperti jalur mikro, pandu gelombang coplanar, komponen lekap permukaan, dll.) akan mempengaruhi saiz fizikal sel LC. Sel LC Rajah 5(a) adalah serupa dengan model tambahan Rajah 1(c), dan hadnya p=Δz→0. Mengikut keadaan keseragaman p→0 dalam Rajah 5(b), satu TL boleh dibina (dengan melata sel LC) yang bersamaan dengan seragam ideal CRLH-TL dengan panjang d, supaya TL kelihatan seragam kepada gelombang elektromagnet.

Rajah 5 CRLH TL berdasarkan rangkaian LC.

Untuk sel LC, dengan mengambil kira keadaan sempadan berkala (PBC) yang serupa dengan teorem Bloch-Floquet, hubungan serakan sel LC dibuktikan dan dinyatakan seperti berikut:

Impedans siri (Z) dan kemasukan shunt (Y) sel LC ditentukan oleh persamaan berikut:

Oleh kerana panjang elektrik litar LC unit adalah sangat kecil, anggaran Taylor boleh digunakan untuk mendapatkan:

2. Pelaksanaan Fizikal
Dalam bahagian sebelumnya, rangkaian LC untuk menjana CRLH-TL telah dibincangkan. Rangkaian LC tersebut hanya boleh direalisasikan dengan mengguna pakai komponen fizikal yang boleh menghasilkan kemuatan yang diperlukan (CR dan CL) dan kearuhan (LR dan LL). Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, aplikasi komponen cip permukaan teknologi lekap (SMT) atau komponen teragih telah menarik minat yang besar. Jalur mikro, jalur jalur, pandu gelombang coplanar atau teknologi lain yang serupa boleh digunakan untuk merealisasikan komponen teragih. Terdapat banyak faktor yang perlu dipertimbangkan semasa memilih cip SMT atau komponen yang diedarkan. Struktur CRLH berasaskan SMT adalah lebih biasa dan lebih mudah untuk dilaksanakan dari segi analisis dan reka bentuk. Ini adalah kerana ketersediaan komponen cip SMT luar biasa, yang tidak memerlukan pengubahsuaian dan pembuatan berbanding komponen yang diedarkan. Walau bagaimanapun, ketersediaan komponen SMT bertaburan, dan ia biasanya hanya berfungsi pada frekuensi rendah (iaitu, 3-6GHz). Oleh itu, struktur CRLH berasaskan SMT mempunyai julat frekuensi operasi yang terhad dan ciri fasa tertentu. Sebagai contoh, dalam aplikasi penyinaran, komponen cip SMT mungkin tidak dapat dilaksanakan. Rajah 6 menunjukkan struktur teragih berdasarkan CRLH-TL. Struktur ini direalisasikan oleh kemuatan interdigital dan talian litar pintas, masing-masing membentuk kapasitans siri CL dan kearuhan selari LL LH. Kemuatan antara talian dan GND diandaikan sebagai CR kemuatan RH, dan kearuhan yang dijana oleh fluks magnet yang dibentuk oleh aliran arus dalam struktur interdigital diandaikan sebagai LR kearuhan RH.