I. შესავალი
მეტამასალები საუკეთესოდ შეიძლება აღვწეროთ, როგორც ხელოვნურად შექმნილი სტრუქტურები გარკვეული ელექტრომაგნიტური თვისებების შესაქმნელად, რომლებიც ბუნებრივად არ არსებობს. ნეგატიური გამტარიანობისა და უარყოფითი გამტარიანობის მეტამასალებს მემარცხენე მეტამატერიალებს (LHMs) უწოდებენ. LHM-ები ფართოდ იქნა შესწავლილი სამეცნიერო და საინჟინრო თემებში. 2003 წელს, ჟურნალმა Science-მა LHM-ები დაასახელა თანამედროვე ეპოქის ტოპ ათეულ სამეცნიერო მიღწევაში. ახალი აპლიკაციები, კონცეფციები და მოწყობილობები შეიქმნა LHM-ების უნიკალური თვისებების გამოყენებით. გადამცემი ხაზის (TL) მიდგომა არის ეფექტური დიზაინის მეთოდი, რომელსაც შეუძლია ასევე გააანალიზოს LHM-ების პრინციპები. ტრადიციულ TL-ებთან შედარებით, მეტამატერიალური TL-ების ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებელია TL პარამეტრების კონტროლირებადი (გავრცელების მუდმივი) და დამახასიათებელი წინაღობა. მეტამატერიალური TL პარამეტრების კონტროლირებადობა გვაძლევს ახალ იდეებს ანტენის სტრუქტურების უფრო კომპაქტური ზომით, უფრო მაღალი წარმადობითა და ახალი ფუნქციებით. სურათი 1 (ა), (ბ) და (გ) გვიჩვენებს წმინდა მარჯვენა გადამცემი ხაზის (PRH), სუფთა მარცხენა გადამცემი ხაზის (PLH) და კომპოზიციური მარცხენა-მარჯვენა გადამცემი ხაზის უზარმაზარ წრედებს ( CRLH), შესაბამისად. როგორც ნაჩვენებია სურათზე 1(a), PRH TL ეკვივალენტური მიკროსქემის მოდელი ჩვეულებრივ არის სერიის ინდუქციურობის და შუნტის ტევადობის კომბინაცია. როგორც ნაჩვენებია სურათზე 1(ბ), PLH TL მიკროსქემის მოდელი არის შუნტის ინდუქციურობის და სერიის ტევადობის კომბინაცია. პრაქტიკულ პროგრამებში შეუძლებელია PLH სქემის დანერგვა. ეს გამოწვეულია პარაზიტული სერიის გარდაუვალი ინდუქციურობის და შუნტის ტევადობის ეფექტებით. მაშასადამე, მარცხენა გადამცემი ხაზის მახასიათებლები, რომლებიც შეიძლება განხორციელდეს ამჟამად, არის ყველა კომპოზიციური მარცხენა და მემარჯვენე სტრუქტურები, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 1(c).
სურათი 1 გადამცემი ხაზის მიკროსქემის სხვადასხვა მოდელები
გადამცემი ხაზის (TL) გავრცელების მუდმივი (γ) გამოითვლება შემდეგნაირად: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), სადაც Y და Z შესაბამისად წარმოადგენენ დაშვებას და წინაღობას. CRLH-TL-ის გათვალისწინებით, Z და Y შეიძლება გამოისახოს როგორც:
ერთგვაროვან CRLH TL-ს ექნება შემდეგი დისპერსიული მიმართება:
ფაზის მუდმივი β შეიძლება იყოს წმინდა რეალური რიცხვი ან წმინდა წარმოსახვითი რიცხვი. თუ β სრულიად რეალურია სიხშირის დიაპაზონში, სიხშირის დიაპაზონში არის გამშვები ზოლი, რომელიც გამოწვეულია γ=jβ პირობით. მეორეს მხრივ, თუ β არის წმინდა წარმოსახვითი რიცხვი სიხშირის დიაპაზონში, სიხშირის დიაპაზონში არის შეჩერების ზოლი γ=α პირობის გამო. ეს გაჩერების ზოლი უნიკალურია CRLH-TL-ისთვის და არ არსებობს PRH-TL-ში ან PLH-TL-ში. ნახაზები 2 (a), (b) და (c) გვიჩვენებს PRH-TL, PLH-TL და CRLH-TL-ის დისპერსიული მრუდების (ანუ ω - β კავშირი) შესაბამისად. დისპერსიის მრუდების საფუძველზე შესაძლებელია ელექტროგადამცემი ხაზის ჯგუფის სიჩქარე (vg=∂ω/∂β) და ფაზის სიჩქარე (vp=ω/β) გამოყვანილი და შეფასება. PRH-TL-სთვის, მრუდიდან ასევე შეიძლება დავასკვნათ, რომ vg და vp პარალელურია (ანუ vpvg>0). PLH-TL-სთვის, მრუდი აჩვენებს, რომ vg და vp არ არის პარალელური (ანუ vpvg<0). CRLH-TL-ის დისპერსიული მრუდი ასევე აჩვენებს LH რეგიონის (ანუ, vpvg < 0) და RH რეგიონის (ანუ vpvg > 0) არსებობას. როგორც ნახაზი 2(c) ჩანს, CRLH-TL-სთვის, თუ γ არის სუფთა რეალური რიცხვი, არსებობს გაჩერების ზოლი.
სურათი 2 სხვადასხვა გადამცემი ხაზების დისპერსიული მრუდები
ჩვეულებრივ, CRLH-TL-ის სერია და პარალელური რეზონანსები განსხვავებულია, რასაც დაუბალანსებელი მდგომარეობა ეწოდება. თუმცა, როდესაც სერიები და პარალელური რეზონანსული სიხშირეები ერთნაირია, მას უწოდებენ დაბალანსებულ მდგომარეობას და შედეგად მიღებული გამარტივებული ეკვივალენტური მიკროსქემის მოდელი ნაჩვენებია სურათზე 3(a).
სურათი 3 კომპოზიტური მარცხენა გადამცემი ხაზის მიკროსქემის მოდელი და დისპერსიის მრუდი
სიხშირის მატებასთან ერთად, CRLH-TL-ის დისპერსიული მახასიათებლები თანდათან იზრდება. ეს იმიტომ ხდება, რომ ფაზის სიჩქარე (ანუ vp=ω/β) სულ უფრო მეტად ხდება სიხშირეზე დამოკიდებული. დაბალ სიხშირეებზე CRLH-TL დომინირებს LH, ხოლო მაღალ სიხშირეებზე CRLH-TL დომინირებს RH. ეს ასახავს CRLH-TL-ის ორმაგ ბუნებას. წონასწორობის CRLH-TL დისპერსიის დიაგრამა ნაჩვენებია სურათზე 3(ბ). როგორც 3(ბ) სურათზეა ნაჩვენები, LH-დან RH-ზე გადასვლა ხდება:
სადაც ω0 არის გადასვლის სიხშირე. ამიტომ, დაბალანსებულ შემთხვევაში, გლუვი გადასვლა ხდება LH-დან RH-ზე, რადგან γ არის წმინდა წარმოსახვითი რიცხვი. ამიტომ, არ არსებობს გაჩერების ზოლი დაბალანსებული CRLH-TL დისპერსიისთვის. მიუხედავად იმისა, რომ β არის ნული ω0-ზე (უსასრულო მიმართებაში მართულ ტალღის სიგრძესთან, ანუ λg=2π/|β|), ტალღა მაინც ვრცელდება, რადგან vg ω0-ზე ნული არ არის. ანალოგიურად, ω0-ზე, ფაზური ცვლა არის ნული d სიგრძის TL-სთვის (ე.ი. φ= - βd=0). ფაზის წინსვლა (ე.ი., φ>0) ხდება LH სიხშირის დიაპაზონში (ანუ ω<ω0), ხოლო ფაზის შეფერხება (ე.ი., φ<0) ხდება RH სიხშირის დიაპაზონში (ანუ ω>ω0). CRLH TL-სთვის დამახასიათებელი წინაღობა აღწერილია შემდეგნაირად:
სადაც ZL და ZR არის PLH და PRH წინაღობა, შესაბამისად. დაუბალანსებელი შემთხვევისთვის დამახასიათებელი წინაღობა დამოკიდებულია სიხშირეზე. ზემოაღნიშნული განტოლება გვიჩვენებს, რომ დაბალანსებული შემთხვევა დამოუკიდებელია სიხშირისგან, ამიტომ მას შეიძლება ჰქონდეს ფართო გამტარუნარიანობის შესატყვისი. ზემოთ მოყვანილი TL განტოლება მსგავსია იმ შემადგენელი პარამეტრების, რომლებიც განსაზღვრავენ CRLH მასალას. TL-ის გამრავლების მუდმივია γ=jβ=Sqrt(ZY). მასალის გავრცელების მუდმივიდან გამომდინარე (β=ω x Sqrt(εμ)), შეიძლება მივიღოთ შემდეგი განტოლება:
ანალოგიურად, TL-ის დამახასიათებელი წინაღობა, ანუ Z0=Sqrt(ZY), მსგავსია მასალის დამახასიათებელი წინაღობისა, ანუ η=Sqrt(μ/ε), რომელიც გამოიხატება როგორც:
დაბალანსებული და გაუწონასწორებელი CRLH-TL (ანუ, n = cβ/ω) რეფრაქციული ინდექსი ნაჩვენებია 4-ზე. 4-ზე, CRLH-TL-ის რეფრაქციული ინდექსი მის LH დიაპაზონში არის უარყოფითი და რეფრაქციული ინდექსი მის RH-ში. დიაპაზონი დადებითია.
ნახ. 4 დაბალანსებული და გაუწონასწორებელი CRLH TL-ების ტიპიური რეფრაქციული ინდექსები.
1. LC ქსელი
დიაპაზონის LC უჯრედების კასკადით, რომელიც ნაჩვენებია სურათზე 5(a), ტიპიური CRLH-TL d სიგრძის ეფექტური ერთგვაროვნებით შეიძლება აშენდეს პერიოდულად ან არაპერიოდულად. ზოგადად, CRLH-TL-ის გაანგარიშებისა და წარმოების მოხერხებულობის უზრუნველსაყოფად, წრე უნდა იყოს პერიოდული. სურათი 1(c) მოდელთან შედარებით, ფიგურა 5(a) მიკროსქემის უჯრედს არ აქვს ზომა და ფიზიკური სიგრძე უსასრულოდ მცირეა (ანუ Δz მეტრებში). მისი ელექტრული სიგრძის θ=Δφ (რად) გათვალისწინებით, შეიძლება გამოისახოს LC უჯრედის ფაზა. თუმცა, იმისთვის, რომ რეალურად განვახორციელოთ გამოყენებული ინდუქციურობა და ტევადობა, უნდა დადგინდეს ფიზიკური სიგრძე p. გამოყენების ტექნოლოგიის არჩევანი (როგორიცაა მიკროზოლი, თანაპლენარული ტალღის გამტარი, ზედაპირზე დამაგრების კომპონენტები და ა.შ.) გავლენას მოახდენს LC უჯრედის ფიზიკურ ზომაზე. სურათი 5(a)-ის LC უჯრედი მსგავსია ნახაზის 1(c) ინკრემენტული მოდელისა და მისი ლიმიტი p=Δz→0. 5(ბ) ერთგვაროვნების პირობის p→0 მიხედვით, TL შეიძლება აშენდეს (LC უჯრედების კასკადური გზით), რომელიც უდრის იდეალურ ერთგვაროვან CRLH-TL-ს სიგრძით d, ისე რომ TL ელექტრომაგნიტური ტალღების მიმართ ერთგვაროვანი გამოჩნდეს.
სურათი 5 CRLH TL დაფუძნებული LC ქსელზე.
LC უჯრედისთვის, ბლოხ-ფლოკეტის თეორემის მსგავსი პერიოდული სასაზღვრო პირობების (PBCs) გათვალისწინებით, LC უჯრედის დისპერსიული კავშირი დადასტურებულია და გამოიხატება შემდეგნაირად:
LC უჯრედის სერიის წინაღობა (Z) და შუნტის დაშვება (Y) განისაზღვრება შემდეგი განტოლებით:
ვინაიდან ერთეულის LC მიკროსქემის ელექტრული სიგრძე ძალიან მცირეა, ტეილორის მიახლოება შეიძლება გამოყენებულ იქნას:
2. ფიზიკური განხორციელება
წინა ნაწილში განხილულია LC ქსელი CRLH-TL-ის გენერირებისთვის. ასეთი LC ქსელების რეალიზება შესაძლებელია მხოლოდ ფიზიკური კომპონენტების მიღებით, რომლებსაც შეუძლიათ გამოიმუშავონ საჭირო ტევადობა (CR და CL) და ინდუქციურობა (LR და LL). ბოლო წლებში, ზედაპირზე დამაგრების ტექნოლოგიის (SMT) ჩიპის კომპონენტების ან განაწილებული კომპონენტების გამოყენებამ დიდი ინტერესი გამოიწვია. განაწილებული კომპონენტების რეალიზებისთვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას მიკროზოლები, ზოლები, თანაპლენარული ტალღის გამტარი ან სხვა მსგავსი ტექნოლოგიები. ბევრი ფაქტორია გასათვალისწინებელი SMT ჩიპების ან განაწილებული კომპონენტების არჩევისას. SMT-ზე დაფუძნებული CRLH სტრუქტურები უფრო გავრცელებული და ადვილად დასანერგია ანალიზისა და დიზაინის თვალსაზრისით. ეს არის SMT ჩიპის კომპონენტების ხელმისაწვდომობის გამო, რომლებიც არ საჭიროებს გადაკეთებას და წარმოებას განაწილებულ კომპონენტებთან შედარებით. თუმცა, SMT კომპონენტების ხელმისაწვდომობა მიმოფანტულია და ისინი ჩვეულებრივ მუშაობენ მხოლოდ დაბალ სიხშირეებზე (ანუ 3-6 გჰც). ამიტომ, SMT-ზე დაფუძნებულ CRLH სტრუქტურებს აქვთ შეზღუდული ოპერაციული სიხშირის დიაპაზონი და სპეციფიკური ფაზის მახასიათებლები. მაგალითად, რადიაციულ აპლიკაციებში, SMT ჩიპის კომპონენტები შეიძლება შეუძლებელი იყოს. სურათი 6 გვიჩვენებს განაწილებულ სტრუქტურას, რომელიც დაფუძნებულია CRLH-TL-ზე. სტრუქტურა რეალიზებულია ციფრთაშორისი ტევადობის და მოკლე ჩართვის ხაზებით, რომლებიც ქმნიან სერიის ტევადობის CL და LH-ის პარალელურ ინდუქციურობას, შესაბამისად. ტევადობა ხაზსა და GND-ს შორის მიჩნეულია, როგორც RH ტევადობა CR, ხოლო ინდუქციურობა, რომელიც წარმოიქმნება მაგნიტური ნაკადით, რომელიც წარმოიქმნება დენის ნაკადით ინტერციფრულ სტრუქტურაში, ითვლება RH ინდუქციურობა LR.
სურათი 6 ერთგანზომილებიანი მიკროზოლები CRLH TL, რომელიც შედგება ციფრული კონდენსატორებისა და მოკლე ხაზის ინდუქტორებისგან.
ანტენების შესახებ მეტი ინფორმაციისთვის ეწვიეთ:
გამოქვეყნების დრო: აგვისტო-23-2024
