Balita - Usa ka Pagrepaso sa mga Antenna sa Linya sa Transmisyon sa Metamaterial

I. Pasiuna
Ang mga metamaterial labing maayo nga ihulagway isip artipisyal nga gidisenyo nga mga istruktura aron makahimo og pipila ka mga electromagnetic nga kabtangan nga wala sa natural nga paglungtad. Ang mga metamaterial nga adunay negatibo nga permittivity ug negatibo nga permeability gitawag nga left-handed metamaterials (LHMs). Ang mga LHM gitun-an pag-ayo sa mga komunidad sa siyensya ug inhenyeriya. Niadtong 2003, ang mga LHM ginganlan nga usa sa napulo ka labing maayo nga siyentipikong mga kalampusan sa kontemporaryong panahon sa magasin nga Science. Bag-ong mga aplikasyon, konsepto, ug mga aparato ang naugmad pinaagi sa pagpahimulos sa talagsaon nga mga kabtangan sa mga LHM. Ang pamaagi sa transmission line (TL) usa ka epektibo nga pamaagi sa disenyo nga mahimo usab nga mag-analisar sa mga prinsipyo sa mga LHM. Kung itandi sa tradisyonal nga mga TL, ang labing hinungdanon nga bahin sa mga metamaterial TL mao ang pagkontrol sa mga parameter sa TL (propagation constant) ug characteristic impedance. Ang pagkontrol sa mga parameter sa metamaterial TL naghatag og bag-ong mga ideya alang sa pagdesinyo sa mga istruktura sa antenna nga adunay mas compact nga gidak-on, mas taas nga performance, ug nobela nga mga gimbuhaton. Ang Figure 1 (a), (b), ug (c) nagpakita sa mga lossless circuit model sa puro nga right-handed transmission line (PRH), puro nga left-handed transmission line (PLH), ug composite left-right-handed transmission line (CRLH), matag usa. Sama sa gipakita sa Figure 1(a), ang PRH TL equivalent circuit model kasagaran kombinasyon sa series inductance ug shunt capacitance. Sama sa gipakita sa Figure 1(b), ang PLH TL circuit model usa ka kombinasyon sa shunt inductance ug series capacitance. Sa praktikal nga mga aplikasyon, dili mahimo ang pag-implementar sa usa ka PLH circuit. Kini tungod sa dili malikayan nga parasitic series inductance ug shunt capacitance effects. Busa, ang mga kinaiya sa left-handed transmission line nga mahimo karon kay puro composite left-handed ug right-handed structures, sama sa gipakita sa Figure 1(c).

Hulagway 1 Nagkalain-laing mga modelo sa sirkito sa linya sa transmisyon

Ang propagation constant (γ) sa transmission line (TL) gikalkulo sama sa mosunod: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), diin ang Y ug Z nagrepresentar sa admittance ug impedance matag usa. Kon atong hunahunaon ang CRLH-TL, ang Z ug Y mahimong ipahayag sama sa mosunod:

Ang usa ka uniporme nga CRLH TL adunay mosunod nga relasyon sa dispersion:

Ang phase constant nga β mahimong usa ka puro nga tinuod nga numero o usa ka puro nga hinanduraw nga numero. Kung ang β hingpit nga tinuod sulod sa usa ka frequency range, adunay passband sulod sa frequency range tungod sa kondisyon nga γ=jβ. Sa laing bahin, kung ang β usa ka puro nga hinanduraw nga numero sulod sa frequency range, adunay stopband sulod sa frequency range tungod sa kondisyon nga γ=α. Kini nga stopband talagsaon sa CRLH-TL ug wala sa PRH-TL o PLH-TL. Ang mga Figure 2 (a), (b), ug (c) nagpakita sa mga dispersion curve (ie, ang ω - β nga relasyon) sa PRH-TL, PLH-TL, ug CRLH-TL, matag usa. Base sa mga dispersion curve, ang group velocity (vg=∂ω/∂β) ug phase velocity (vp=ω/β) sa transmission line mahimong makuha ug mabanabana. Para sa PRH-TL, mahimo usab nga mahibal-an gikan sa curve nga ang vg ug vp parallel (ie, vpvg>0). Para sa PLH-TL, ang kurba nagpakita nga ang vg ug vp dili parallel (ie, vpvg<0). Ang dispersion curve sa CRLH-TL nagpakita usab sa paglungtad sa LH region (ie, vpvg < 0) ug RH region (ie, vpvg > 0). Sama sa makita sa Figure 2(c), para sa CRLH-TL, kon ang γ usa ka puro nga real number, adunay stop band.

Hulagway 2 Mga kurba sa pagkatibulaag sa lain-laing mga linya sa transmisyon

Kasagaran, ang series ug parallel resonances sa usa ka CRLH-TL managlahi, nga gitawag og unbalanced state. Apan, kon ang series ug parallel resonance frequencies parehas, kini gitawag og balanced state, ug ang resulta nga simplified equivalent circuit model gipakita sa Figure 3(a).

Hulagway 3 Modelo sa sirkito ug kurba sa dispersyon sa composite left-handed transmission line

Samtang motaas ang frequency, ang dispersion characteristics sa CRLH-TL anam-anam nga motaas. Kini tungod kay ang phase velocity (ie, vp=ω/β) mas nagdepende sa frequency. Sa ubos nga frequency, ang CRLH-TL gidominar sa LH, samtang sa taas nga frequency, ang CRLH-TL gidominar sa RH. Kini nagpakita sa dual nature sa CRLH-TL. Ang equilibrium CRLH-TL dispersion diagram gipakita sa Figure 3(b). Sama sa gipakita sa Figure 3(b), ang transisyon gikan sa LH ngadto sa RH mahitabo sa:

Diin ang ω0 mao ang transition frequency. Busa, sa balanced nga kaso, usa ka hapsay nga transition ang mahitabo gikan sa LH ngadto sa RH tungod kay ang γ usa ka puro nga imaginary number. Busa, walay stopband para sa balanced CRLH-TL dispersion. Bisan tuod ang β kay zero sa ω0 (walay kinutuban relatibo sa guided wavelength, ie, λg=2π/|β|), ang wave mokaylap gihapon tungod kay ang vg sa ω0 dili zero. Sa susama, sa ω0, ang phase shift kay zero para sa TL nga may gitas-on nga d (i.e, φ= - βd=0). Ang phase advance (i.e, φ>0) mahitabo sa LH frequency range (i.e, ω<ω0), ug ang phase retardation (i.e, φ<0) mahitabo sa RH frequency range (i.e, ω>ω0). Para sa CRLH TL, ang characteristic impedance gihulagway sama sa mosunod:

Diin ang ZL ug ZR mao ang PLH ug PRH impedances, matag usa. Para sa dili balanse nga kaso, ang kinaiya nga impedance nagdepende sa frequency. Ang equation sa ibabaw nagpakita nga ang balanse nga kaso independente sa frequency, busa mahimo kini nga adunay lapad nga bandwidth match. Ang TL equation nga nakuha sa ibabaw susama sa constitutive parameters nga naghubit sa CRLH nga materyal. Ang propagation constant sa TL mao ang γ=jβ=Sqrt(ZY). Tungod sa propagation constant sa materyal (β=ω x Sqrt(εμ)), ang mosunod nga equation makuha:

Susama, ang kinaiya nga impedance sa TL, ie, Z0=Sqrt(ZY), susama sa kinaiya nga impedance sa materyal, ie, η=Sqrt(μ/ε), nga gipahayag ingon:

Ang refractive index sa balanse ug dili balanse nga CRLH-TL (ie, n = cβ/ω) gipakita sa Figure 4. Sa Figure 4, ang refractive index sa CRLH-TL sa LH range niini negatibo ug ang refractive index sa RH range niini positibo.

Hulagway 4 Kasagarang mga refractive indices sa balanse ug dili balanse nga mga CRLH TL.

1. LC network
Pinaagi sa pag-cascade sa bandpass LC cells nga gipakita sa Figure 5(a), ang usa ka tipikal nga CRLH-TL nga adunay epektibo nga uniformity sa gitas-on nga d mahimong matukod matag karon ug unya o dili matag karon. Sa kinatibuk-an, aron masiguro ang kasayon sa pagkalkula ug paghimo sa CRLH-TL, ang circuit kinahanglan nga matag karon ug unya. Kung itandi sa modelo sa Figure 1(c), ang circuit cell sa Figure 5(a) walay gidak-on ug ang pisikal nga gitas-on gamay ra kaayo (ie, Δz sa metros). Kung gikonsiderar ang electrical length niini nga θ=Δφ (rad), ang phase sa LC cell mahimong ipahayag. Bisan pa, aron aktuwal nga matuman ang gigamit nga inductance ug capacitance, kinahanglan nga matukod ang pisikal nga gitas-on nga p. Ang pagpili sa teknolohiya sa aplikasyon (sama sa microstrip, coplanar waveguide, surface mount components, ug uban pa) makaapekto sa pisikal nga gidak-on sa LC cell. Ang LC cell sa Figure 5(a) susama sa incremental model sa Figure 1(c), ug ang limit niini nga p=Δz→0. Subay sa uniformity condition nga p→0 sa Figure 5(b), ang usa ka TL mahimong matukod (pinaagi sa pag-cascade sa mga LC cell) nga katumbas sa usa ka ideal nga uniporme nga CRLH-TL nga adunay gitas-on nga d, aron ang TL makita nga uniporme sa mga electromagnetic waves.

Hulagway 5 CRLH TL base sa LC network.

Para sa LC cell, kon tagdon ang periodic boundary conditions (PBCs) nga susama sa Bloch-Floquet theorem, ang dispersion relation sa LC cell mapamatud-an ug ipahayag sama sa mosunod:

Ang series impedance (Z) ug shunt admittance (Y) sa LC cell gitino pinaagi sa mosunod nga mga equation:

Tungod kay gamay ra kaayo ang gitas-on sa kuryente sa unit LC circuit, ang Taylor approximation magamit aron makuha ang:

2. Pisikal nga Implementasyon
Sa miaging seksyon, nahisgutan na ang LC network aron makamugna og CRLH-TL. Ang ingon nga mga LC network mahimo ra nga matuman pinaagi sa pagsagop sa mga pisikal nga sangkap nga makahimo sa gikinahanglan nga capacitance (CR ug CL) ug inductance (LR ug LL). Sa bag-ohay nga mga tuig, ang aplikasyon sa surface mount technology (SMT) chip components o distributed components nakadani og dako nga interes. Ang microstrip, stripline, coplanar waveguide o uban pang susamang mga teknolohiya mahimong magamit aron matuman ang mga distributed components. Daghang mga butang ang angay ikonsiderar sa pagpili sa mga SMT chips o distributed components. Ang mga istruktura sa CRLH nga nakabase sa SMT mas komon ug mas dali nga ipatuman sa mga termino sa pag-analisar ug disenyo. Kini tungod sa pagkaanaa sa mga off-the-shelf nga sangkap sa SMT chip, nga wala magkinahanglan og remodeling ug manufacturing kon itandi sa mga distributed components. Bisan pa, ang pagkaanaa sa mga sangkap sa SMT nagkatibulaag, ug kini kasagaran molihok lamang sa ubos nga mga frequency (ie, 3-6GHz). Busa, ang mga istruktura sa CRLH nga nakabase sa SMT adunay limitado nga mga operating frequency ranges ug piho nga mga kinaiya sa phase. Pananglitan, sa mga aplikasyon sa radiating, ang mga sangkap sa SMT chip mahimong dili mahimo. Ang Figure 6 nagpakita sa usa ka distributed structure nga gibase sa CRLH-TL. Ang istruktura gihimo pinaagi sa interdigital capacitance ug short-circuit lines, nga nagporma sa series capacitance CL ug parallel inductance LL sa LH matag usa. Ang capacitance tali sa linya ug GND gituohan nga mao ang RH capacitance CR, ug ang inductance nga namugna sa magnetic flux nga naporma sa current flow sa interdigital structure gituohan nga mao ang RH inductance LR.