სიახლეები - მეტამასალის გადამცემი ხაზის ანტენების მიმოხილვა

I. შესავალი
მეტამასალა საუკეთესოდ შეიძლება აღიწეროს, როგორც ხელოვნურად შექმნილი სტრუქტურები, რომლებიც წარმოქმნიან გარკვეულ ელექტრომაგნიტურ თვისებებს, რომლებიც ბუნებრივად არ არსებობს. უარყოფითი დიელექტრიკული შეღწევადობისა და უარყოფითი დიელექტრიკული შეღწევადობის მქონე მეტამასალაებს მარცხენა ხელის მეტამასალას (LHM) უწოდებენ. LHM-ები ფართოდ არის შესწავლილი სამეცნიერო და საინჟინრო საზოგადოებებში. 2003 წელს ჟურნალმა Science LHM თანამედროვე ეპოქის ათ საუკეთესო სამეცნიერო აღმოჩენას შორის დაასახელა. LHM-ების უნიკალური თვისებების გამოყენებით შემუშავდა ახალი აპლიკაციები, კონცეფციები და მოწყობილობები. გადამცემი ხაზის (TL) მიდგომა ეფექტური დიზაინის მეთოდია, რომელსაც ასევე შეუძლია LHM-ების პრინციპების ანალიზი. ტრადიციულ TL-ებთან შედარებით, მეტამასალის TL-ების ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებელია TL პარამეტრების (გავრცელების მუდმივა) და დამახასიათებელი წინაღობის კონტროლირებადობა. მეტამასალის TL პარამეტრების კონტროლირებადობა ახალ იდეებს იძლევა ანტენის სტრუქტურების შესაქმნელად უფრო კომპაქტური ზომით, უფრო მაღალი შესრულებით და ახალი ფუნქციებით. სურათი 1 (ა), (ბ) და (გ) აჩვენებს შესაბამისად წმინდა მარჯვენა გადამცემი ხაზის (PRH), წმინდა მარცხენა გადამცემი ხაზის (PLH) და კომპოზიტური მარცხენა-მარჯვენა გადამცემი ხაზის (CRLH) უდანაკარგო წრედის მოდელებს. როგორც ნაჩვენებია სურათი 1 (ა)-ზე, PRH TL ეკვივალენტური წრედის მოდელი, როგორც წესი, წარმოადგენს მიმდევრული ინდუქციურობისა და შუნტირების ტევადობის კომბინაციას. როგორც ნაჩვენებია სურათი 1 (ბ)-ზე, PLH TL წრედის მოდელი წარმოადგენს შუნტირების ინდუქციურობისა და მიმდევრული ტევადობის კომბინაციას. პრაქტიკულ გამოყენებაში PLH წრედის დანერგვა შეუძლებელია. ეს განპირობებულია გარდაუვალი პარაზიტული მიმდევრული ინდუქციურობისა და შუნტირების ტევადობის ეფექტებით. ამიტომ, მარცხენა გადამცემი ხაზის მახასიათებლები, რომელთა რეალიზებაც ამჟამად შესაძლებელია, წარმოადგენს კომპოზიტურ მარცხენა და მარჯვენა სტრუქტურებს, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათი 1 (გ).

სურათი 1. გადამცემი ხაზის სხვადასხვა სქემის მოდელები

გადამცემი ხაზის (TL) გავრცელების მუდმივა (γ) გამოითვლება შემდეგნაირად: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), სადაც Y და Z შესაბამისად წარმოადგენენ ადმანტიციას და წინაღობას. CRLH-TL-ის გათვალისწინებით, Z და Y შეიძლება გამოისახოს შემდეგნაირად:

ერთგვაროვან CRLH TL-ს ექნება შემდეგი დისპერსიის თანაფარდობა:

ფაზის მუდმივა β შეიძლება იყოს წმინდა რეალური რიცხვი ან წმინდა წარმოსახვითი რიცხვი. თუ β სრულიად რეალურია სიხშირის დიაპაზონში, სიხშირის დიაპაზონში არსებობს გამტარობის ზოლი γ=jβ პირობის გამო. მეორეს მხრივ, თუ β არის წმინდა წარმოსახვითი რიცხვი სიხშირის დიაპაზონში, სიხშირის დიაპაზონში არსებობს გამტარობის ზოლი γ=α პირობის გამო. ეს გამტარობის ზოლი უნიკალურია CRLH-TL-ისთვის და არ არსებობს PRH-TL-ში ან PLH-TL-ში. ნახაზი 2 (ა), (ბ) და (გ) აჩვენებს PRH-TL-ის, PLH-TL-ის და CRLH-TL-ის დისპერსიის მრუდებს (ანუ ω - β დამოკიდებულებას), შესაბამისად. დისპერსიის მრუდების საფუძველზე, შესაძლებელია გადამცემი ხაზის ჯგუფური სიჩქარის (vg=∂ω/∂β) და ფაზური სიჩქარის (vp=ω/β) გამოყვანა და შეფასება. PRH-TL-ისთვის, მრუდიდან ასევე შეიძლება დავასკვნათ, რომ vg და vp პარალელურია (ანუ vpvg>0). PLH-TL-ის შემთხვევაში, მრუდი აჩვენებს, რომ vg და vp არ არის პარალელური (ანუ, vpvg <0). CRLH-TL-ის დისპერსიის მრუდი ასევე აჩვენებს LH რეგიონის (ანუ, vpvg < 0) და RH რეგიონის (ანუ, vpvg > 0) არსებობას. როგორც ჩანს სურათი 2(c)-დან, CRLH-TL-ის შემთხვევაში, თუ γ არის სუფთა რეალური რიცხვი, არსებობს გაჩერების ზოლი.

სურათი 2. სხვადასხვა გადამცემი ხაზების დისპერსიის მრუდები

როგორც წესი, CRLH-TL-ის თანმიმდევრული და პარალელური რეზონანსები განსხვავებულია, რასაც დაუბალანსებელი მდგომარეობა ეწოდება. თუმცა, როდესაც თანმიმდევრული და პარალელური რეზონანსული სიხშირეები ერთნაირია, მას დაბალანსებული მდგომარეობა ეწოდება და შედეგად მიღებული გამარტივებული ეკვივალენტური წრედის მოდელი ნაჩვენებია ნახაზ 3(ა)-ზე.

სურათი 3. კომპოზიტური მარცხენა გადამცემი ხაზის წრედის მოდელი და დისპერსიის მრუდი

სიხშირის ზრდასთან ერთად, CRLH-TL-ის დისპერსიული მახასიათებლები თანდათან იზრდება. ეს იმიტომ ხდება, რომ ფაზის სიჩქარე (ანუ vp=ω/β) სულ უფრო მეტად ხდება დამოკიდებული სიხშირეზე. დაბალ სიხშირეებზე CRLH-TL-ში დომინირებს LH, ხოლო მაღალ სიხშირეებზე CRLH-TL-ში დომინირებს RH. ეს ასახავს CRLH-TL-ის ორმაგ ბუნებას. წონასწორობის CRLH-TL დისპერსიული დიაგრამა ნაჩვენებია ნახაზ 3(b)-ზე. როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 3(b)-ზე, 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, დაბალანსებული CRLH-TL დისპერსიისთვის არ არსებობს გაჩერების ზონა. მიუხედავად იმისა, რომ β ნულის ტოლია ω0-ზე (უსასრულოა მიმართული ტალღის სიგრძესთან მიმართებაში, ანუ λg=2π/|β|), ტალღა მაინც ვრცელდება, რადგან vg ω0-ზე ნულის ტოლი არ არის. ანალოგიურად, ω0-ზე, ფაზის ცვლა ნულის ტოლია d სიგრძის TL-ისთვის (ანუ, φ= - βd=0). ფაზის წინსვლა (ანუ, φ>0) ხდება LH სიხშირის დიაპაზონში (ანუ, ω<ω0), ხოლო ფაზის შეფერხება (ანუ, φ<0) ხდება RH სიხშირის დიაპაზონში (ანუ, ω>ω0). CRLH TL-ისთვის დამახასიათებელი წინაღობა აღწერილია შემდეგნაირად:

სადაც ZL და ZR შესაბამისად PLH და PRH წინაღობებია. დაუბალანსებელი შემთხვევისთვის დამახასიათებელი წინაღობა დამოკიდებულია სიხშირეზე. ზემოთ მოცემული განტოლება აჩვენებს, რომ დაბალანსებული შემთხვევა დამოუკიდებელია სიხშირისგან, ამიტომ მას შეიძლება ჰქონდეს ფართო გამტარობის შესაბამისობა. ზემოთ მიღებული TL განტოლება მსგავსია CRLH მასალის განმსაზღვრელი კონსტიტუციური პარამეტრებისა. TL-ის გავრცელების მუდმივაა γ=jβ=Sqrt(ZY). მასალის გავრცელების მუდმივის გათვალისწინებით (β=ω x Sqrt(εμ)), შესაძლებელია შემდეგი განტოლების მიღება:

ანალოგიურად, TL-ის დამახასიათებელი წინაღობა, ანუ Z0=Sqrt(ZY), მასალის დამახასიათებელი წინაღობის მსგავსია, ანუ η=Sqrt(μ/ε), რომელიც გამოისახება შემდეგნაირად:

დაბალანსებული და დაუბალანსებელი CRLH-TL-ის გარდატეხის ინდექსი (ანუ n = cβ/ω) ნაჩვენებია ნახაზ 4-ში. ნახაზ 4-ზე CRLH-TL-ის გარდატეხის ინდექსი მის LH დიაპაზონში უარყოფითია, ხოლო RH დიაპაზონში გარდატეხის ინდექსი დადებითია.

სურ. 4 დაბალანსებული და დაუბალანსებელი CRLH TL-ების ტიპური რეფრაქციული მაჩვენებლები.

1. LC ქსელი
ნახაზ 5(a)-ზე ნაჩვენები ზოლგამტარი LC უჯრედების კასკადური გამოყენებით, d სიგრძის ეფექტური ერთგვაროვნების მქონე ტიპიური CRLH-TL შეიძლება პერიოდულად ან არაპერიოდულად აგებული იყოს. ზოგადად, CRLH-TL-ის გამოთვლისა და წარმოების მოხერხებულობის უზრუნველსაყოფად, წრედი პერიოდული უნდა იყოს. ნახაზ 1(c)-ზე მოცემულ მოდელთან შედარებით, ნახაზ 5(a)-ზე მოცემულ წრედის უჯრედს ზომა არ აქვს და ფიზიკური სიგრძე უსასრულოდ მცირეა (ანუ Δz მეტრებში). მისი ელექტრული სიგრძის θ=Δφ (rad) გათვალისწინებით, LC უჯრედის ფაზის გამოხატვა შესაძლებელია. თუმცა, გამოყენებული ინდუქციურობისა და ტევადობის რეალურად რეალიზებისთვის, საჭიროა ფიზიკური სიგრძის p დადგენა. გამოყენების ტექნოლოგიის არჩევანი (მაგალითად, მიკროზოლი, კოპლანარული ტალღგამტარი, ზედაპირული სამონტაჟო კომპონენტები და ა.შ.) გავლენას მოახდენს LC უჯრედის ფიზიკურ ზომაზე. ნახაზ 5(a)-ზე მოცემული LC უჯრედი მსგავსია ნახაზ 1(c)-ზე მოცემული ინკრემენტული მოდელისა და მისი ზღვარი p=Δz→0. ნახაზ 5(b)-ზე მოცემული ერთგვაროვნების პირობის p→0 მიხედვით, შესაძლებელია ისეთი TL-ის აგება (LC უჯრედების კასკადური დაყოფით), რომელიც d სიგრძით იდეალური ერთგვაროვანი CRLH-TL-ის ეკვივალენტურია, ისე, რომ TL ელექტრომაგნიტური ტალღების მიმართ ერთგვაროვანი ჩანს.

სურათი 5. CRLH TL LC ქსელზე დაყრდნობით.

LC უჯრედისთვის, ბლოხ-ფლოკეს თეორემის მსგავსი პერიოდული სასაზღვრო პირობების (PBC) გათვალისწინებით, LC უჯრედის დისპერსიის დამოკიდებულება დამტკიცებულია და გამოისახება შემდეგნაირად:

LC უჯრედის თანმიმდევრული წინაღობა (Z) და შუნტის ადმანტაცია (Y) განისაზღვრება შემდეგი განტოლებებით:

რადგან ერთეული LC წრედის ელექტრული სიგრძე ძალიან მცირეა, ტეილორის მიახლოებითი მეთოდის გამოყენება შესაძლებელია შემდეგი მონაცემების მისაღებად:

2. ფიზიკური განხორციელება
წინა ნაწილში განხილული იყო CRLH-TL გენერირების LC ქსელი. ასეთი LC ქსელების რეალიზება შესაძლებელია მხოლოდ ფიზიკური კომპონენტების გამოყენებით, რომლებსაც შეუძლიათ საჭირო ტევადობის (CR და CL) და ინდუქციურობის (LR და LL) წარმოება. ბოლო წლებში, დიდი ინტერესი გამოიწვია ზედაპირული დამონტაჟების ტექნოლოგიის (SMT) ჩიპური კომპონენტების ან განაწილებული კომპონენტების გამოყენებამ. განაწილებული კომპონენტების რეალიზებისთვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას მიკროზოლები, ზოლებიანი ხაზები, კოპლანარული ტალღის გამტარი ან სხვა მსგავსი ტექნოლოგიები. SMT ჩიპების ან განაწილებული კომპონენტების არჩევისას გასათვალისწინებელია მრავალი ფაქტორი. SMT-ზე დაფუძნებული CRLH სტრუქტურები უფრო გავრცელებული და ანალიზისა და დიზაინის თვალსაზრისით უფრო ადვილია მათი განხორციელება. ეს განპირობებულია მზა SMT ჩიპური კომპონენტების ხელმისაწვდომობით, რომლებიც არ საჭიროებენ რემოდელირებას და წარმოებას განაწილებულ კომპონენტებთან შედარებით. თუმცა, SMT კომპონენტების ხელმისაწვდომობა გაფანტულია და ისინი, როგორც წესი, მხოლოდ დაბალ სიხშირეებზე მუშაობენ (ანუ 3-6 გჰც). ამიტომ, SMT-ზე დაფუძნებულ CRLH სტრუქტურებს აქვთ შეზღუდული ოპერაციული სიხშირის დიაპაზონები და სპეციფიკური ფაზური მახასიათებლები. მაგალითად, გამოსხივების აპლიკაციებში, SMT ჩიპური კომპონენტები შეიძლება არ იყოს მიზანშეწონილი. სურათი 6 გვიჩვენებს CRLH-TL-ზე დაფუძნებულ განაწილებულ სტრუქტურას. სტრუქტურა რეალიზებულია ციფრთაშორისი ტევადობისა და მოკლე ჩართვის ხაზებით, რომლებიც შესაბამისად ქმნიან LH-ის სერიულ ტევადობას CL და პარალელურ ინდუქციას LL. ხაზსა და GND-ს შორის ტევადობა ჩაითვლება RH ტევადობად CR, ხოლო ციფრთაშორის სტრუქტურაში დენის ნაკადით წარმოქმნილი მაგნიტური ნაკადით გენერირებული ინდუქციურობა ჩაითვლება RH ინდუქციურად LR.