Berita - Ulasan Antena Talian Penghantaran Metamaterial

I. Pengenalan
Metabahan boleh digambarkan dengan paling tepat sebagai struktur yang direka bentuk secara buatan untuk menghasilkan sifat elektromagnet tertentu yang tidak wujud secara semula jadi. Metabahan dengan permittiviti negatif dan permeabiliti negatif dipanggil metabahan kidal (LHM). LHM telah dikaji secara meluas dalam komuniti saintifik dan kejuruteraan. Pada tahun 2003, LHM telah dinamakan sebagai salah satu daripada sepuluh penemuan saintifik terbaik era kontemporari oleh majalah Science. Aplikasi, konsep dan peranti baharu telah dibangunkan dengan mengeksploitasi sifat unik LHM. Pendekatan talian penghantaran (TL) ialah kaedah reka bentuk yang berkesan yang juga boleh menganalisis prinsip LHM. Berbanding dengan TL tradisional, ciri paling ketara bagi TL metabahan ialah kebolehkawalan parameter TL (pemalar perambatan) dan impedans ciri. Kebolehkawalan parameter TL metabahan 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) masing-masing menunjukkan model litar tanpa kehilangan talian penghantaran tangan kanan tulen (PRH), talian penghantaran tangan kiri tulen (PLH), dan talian penghantaran tangan kiri komposit (CRLH). Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1(a), model litar setara PRH TL biasanya merupakan gabungan induktans siri dan kapasitans shunt. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1(b), model litar PLH TL adalah gabungan induktans shunt dan kapasitans siri. Dalam aplikasi praktikal, adalah tidak praktikal untuk melaksanakan litar PLH. Ini disebabkan oleh kesan induktans siri parasit dan kapasitans shunt yang tidak dapat dielakkan. Oleh itu, ciri-ciri talian penghantaran tangan kiri yang boleh direalisasikan pada masa ini adalah semua struktur tangan kiri dan tangan kanan komposit, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1(c).

Rajah 1 Model litar talian penghantaran yang berbeza

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

CRLH TL seragam akan mempunyai hubungan serakan berikut:

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

Rajah 2 Lengkung serakan talian penghantaran yang berbeza

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

Rajah 3 Model litar dan lengkung serakan talian penghantaran kidal komposit

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

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

Di mana ZL dan ZR masing-masing ialah impedans PLH dan PRH. Bagi kes tidak seimbang, impedans ciri bergantung pada frekuensi. Persamaan di atas menunjukkan bahawa kes seimbang adalah bebas daripada frekuensi, jadi ia boleh mempunyai padanan lebar jalur yang luas. Persamaan TL yang diperoleh 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 CRLH-TL seimbang dan tidak seimbang (iaitu, n = cβ/ω) ditunjukkan dalam Rajah 4. Dalam Rajah 4, indeks biasan CRLH-TL dalam julat Kiri dan Kanan adalah negatif dan indeks biasan dalam julat Kanan adalah positif.

Rajah 4 Indeks biasan tipikal bagi CRLH TL yang seimbang dan tidak seimbang.

1. Rangkaian LC
Dengan melatakan sel LC jalur laluan 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 fizikalnya adalah sangat kecil (iaitu, Δz dalam meter). Memandangkan panjang elektriknya θ=Δφ (rad), fasa sel LC boleh dinyatakan. Walau bagaimanapun, untuk benar-benar merealisasikan induktans dan kapasitans yang dikenakan, panjang fizikal p perlu diwujudkan. Pilihan teknologi aplikasi (seperti jalur mikro, pandu gelombang koplanar, komponen pelekap permukaan, dsb.) 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), TL boleh dibina (dengan melatakan sel LC) yang bersamaan dengan CRLH-TL seragam ideal dengan panjang d, supaya TL kelihatan seragam kepada gelombang elektromagnet.

Rajah 5 CRLH TL berdasarkan rangkaian LC.

Bagi sel LC, dengan mempertimbangkan keadaan sempadan berkala (PBC) yang serupa dengan teorem Bloch-Floquet, hubungan penyebaran 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, penghampiran Taylor boleh digunakan untuk mendapatkan:

2. Pelaksanaan Fizikal
Dalam bahagian sebelumnya, rangkaian LC untuk menjana CRLH-TL telah dibincangkan. Rangkaian LC sedemikian hanya boleh direalisasikan dengan menerima pakai komponen fizikal yang boleh menghasilkan kapasitans (CR dan CL) dan induktans (LR dan LL) yang diperlukan. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, aplikasi komponen cip teknologi pelekap permukaan (SMT) atau komponen teragih telah menarik minat yang besar. Mikrojalur, jalur jalur, pandu gelombang koplanar atau teknologi serupa lain boleh digunakan untuk merealisasikan komponen teragih. Terdapat banyak faktor yang perlu dipertimbangkan semasa memilih cip SMT atau komponen teragih. Struktur CRLH berasaskan SMT lebih biasa dan lebih mudah dilaksanakan dari segi analisis dan reka bentuk. Ini kerana ketersediaan komponen cip SMT sedia ada, yang tidak memerlukan pengubahsuaian dan pembuatan berbanding komponen teragih. Walau bagaimanapun, ketersediaan komponen SMT berselerak, dan ia biasanya hanya berfungsi pada frekuensi rendah (iaitu, 3-6GHz). Oleh itu, struktur CRLH berasaskan SMT mempunyai julat frekuensi operasi dan ciri fasa tertentu yang terhad. Contohnya, dalam aplikasi pemancaran, komponen cip SMT mungkin tidak boleh dilaksanakan. Rajah 6 menunjukkan struktur teragih berdasarkan CRLH-TL. Struktur ini direalisasikan oleh kapasitans antara digital dan talian litar pintas, membentuk kapasitans siri CL dan induktans selari LL bagi LH masing-masing. Kapasitans antara talian dan GND diandaikan sebagai kapasitans RH CR, dan induktans yang dihasilkan oleh fluks magnet yang dibentuk oleh aliran arus dalam struktur antara digital diandaikan sebagai induktans RH LR.