Balita - Usa ka Pagrepaso sa Metamaterial Transmission Line Antennas

I. Pasiuna
Ang mga metamaterial mahimong labing maayo nga gihulagway nga artipisyal nga gidisenyo nga mga istruktura aron makahimo og pipila ka mga electromagnetic nga kabtangan nga wala natural. Ang mga metamaterial nga adunay negatibo nga permittivity ug negatibo nga pagkamatuhup gitawag nga left-handed metamaterials (LHMs). Ang mga LHM kay kaylap nga gitun-an sa mga komunidad sa siyensya ug inhenyero. Niadtong 2003, ang LHMs gihinganlan nga usa sa nag-unang napulo ka siyentipikong kalampusan sa kapanahonan sa Science magazine. Ang bag-ong mga aplikasyon, konsepto, ug mga himan naugmad pinaagi sa pagpahimulos sa talagsaong mga kabtangan sa LHMs. Ang transmission line (TL) nga pamaagi kay usa ka epektibo nga pamaagi sa pagdesinyo nga mahimo usab nga analisahon ang mga prinsipyo sa mga LHM. Kung itandi sa tradisyonal nga mga TL, ang labing hinungdanon nga bahin sa mga metamaterial nga TL mao ang pagpugong sa mga parameter sa TL (permanente sa pagpadaghan) ug kinaiya nga impedance. Ang pagkontrolar sa metamaterial TL parameters 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 function. Ang Figure 1 (a), (b), ug (c) nagpakita sa lossless circuit nga mga modelo sa pure right-handed transmission line (PRH), pure 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 usa ka 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 pagpatuman sa PLH circuit. Kini tungod sa dili malikayan nga parasitic series inductance ug shunt capacitance effects. Busa, ang mga kinaiya sa wala-kamot nga transmission line nga mahimong matuman sa pagkakaron mao ang tanan nga composite left-handed ug right-handed structures, sama sa gipakita sa Figure 1(c).

Figure 1 Lahi nga transmission line circuit models

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

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

Ang phase constant β mahimong usa ka tinuod nga numero o usa ka hinanduraw nga numero. Kung ang β hingpit nga tinuod sulod sa usa ka frequency range, adunay usa ka passband sulod sa frequency range tungod sa kondisyon nga γ=jβ. Sa laing bahin, kung ang β usa ka lunsay nga hinanduraw nga numero sulod sa usa ka frequency range, adunay usa ka 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 numero 2 (a), (b), ug (c) nagpakita sa dispersion curves (ie, ang ω - β nga relasyon) sa PRH-TL, PLH-TL, ug CRLH-TL, matag usa. Base sa dispersion curves, ang group velocity (vg=∂ω/∂β) ug phase velocity (vp=ω/β) sa transmission line mahimong makuha ug mabanabana. Alang sa PRH-TL, mahimo usab nga mahibal-an gikan sa kurba nga ang vg ug vp managsama (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 pagkaanaa sa LH region (ie, vpvg <0) ug RH region (ie, vpvg > 0). Ingon sa makita gikan sa Figure 2(c), alang sa CRLH-TL, kung ang γ usa ka lunsay nga tinuod nga numero, adunay usa ka stop band.

Figure 2 Dispersion curves sa lain-laing transmission lines

Kasagaran, ang serye ug parallel resonances sa usa ka CRLH-TL lahi, nga gitawag nga dili balanse nga kahimtang. Apan, sa diha nga ang serye ug parallel resonance frequency managsama, kini gitawag nga usa ka balanse nga kahimtang, ug ang resulta nga gipasimple nga katumbas nga modelo sa sirkito gipakita sa Figure 3(a).

Figure 3 Circuit model ug dispersion curve sa composite left-handed transmission line

Samtang nagkadaghan ang frequency, ang mga kinaiya sa pagkatibulaag sa CRLH-TL anam-anam nga nagdugang. Kini tungod kay ang phase velocity (ie, vp=ω/β) nahimong mas nagsalig sa frequency. Sa mubu nga mga frequency, ang CRLH-TL gidominar sa LH, samtang sa taas nga frequency, ang CRLH-TL gidominar sa RH. Kini naghulagway sa duha ka kinaiya 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 frequency sa pagbalhin. Busa, sa balanse nga kaso, ang usa ka hapsay nga transisyon mahitabo gikan sa LH ngadto sa RH tungod kay ang γ usa lamang ka hinanduraw nga numero. Busa, walay stopband alang sa balanse nga CRLH-TL dispersion. Bisan tuod ang β zero sa ω0 (walay kinutuban nga relatibong sa giya nga wavelength, ie, λg=2π/|β|), ang balud mokaylap gihapon tungod kay ang vg sa ω0 dili sero. Sa susama, sa ω0, ang phase shift kay zero para sa TL nga gitas-on d (ie, φ= - βd=0). Ang phase advance (ie, φ>0) mahitabo sa LH frequency range (ie, ω<ω0), ug ang phase retardation (ie, φ<0) mahitabo sa RH frequency range (ie, ω>ω0). Alang sa usa ka CRLH TL, ang kinaiya nga impedance gihulagway sama sa mosunod:

Diin ang ZL ug ZR mao ang PLH ug PRH impedances, matag usa. Alang sa dili balanse nga kaso, ang kinaiya nga impedance nagdepende sa frequency. Ang equation sa ibabaw nagpakita nga ang balanse nga kaso kay independente sa frequency, aron kini 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 kay γ=jβ=Sqrt(ZY). Tungod sa propagation constant sa materyal (β=ω x Sqrt(εμ)), ang mosunod nga equation mahimong makuha:

Sa 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 nga:

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 iyang LH range negatibo ug ang refractive index sa RH niini. positibo ang range.

Fig. 4 Kasagaran nga mga indeks sa refractive sa balanse ug dili balanse nga CRLH TLs.

1. LC network
Pinaagi sa pag-cascade sa bandpass LC nga mga selula nga gipakita sa Figure 5 (a), usa ka tipikal nga CRLH-TL nga adunay epektibo nga pagkaparehas sa gitas-on d mahimong matukod matag karon ug unya o dili matag karon ug unya. Sa kinatibuk-an, aron masiguro ang kasayon sa pagkalkula ug paghimo sa CRLH-TL, ang sirkito 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 kay gamay ra (ie, Δz sa metro). Sa pagkonsiderar sa iyang elektrikal nga gitas-on θ=Δφ (rad), ang hugna sa LC cell mahimong ipahayag. Bisan pa, aron sa tinuud makaamgo sa gipadapat nga inductance ug kapasidad, kinahanglan nga matukod ang usa ka pisikal nga gitas-on 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 nga modelo sa Figure 1(c), ug ang limit niini p=Δz→0. Sumala sa kondisyon sa pagkaparehas nga p→0 sa Figure 5(b), ang usa ka TL mahimong matukod (pinaagi sa cascading LC cells) nga katumbas sa usa ka sulundon nga uniporme nga CRLH-TL nga adunay gitas-on d, aron ang TL makita nga parehas sa mga electromagnetic waves.

Figure 5 CRLH TL base sa LC network.

Alang sa LC cell, nga gikonsiderar ang periodic boundary conditions (PBCs) susama sa Bloch-Floquet theorem, ang dispersion nga relasyon sa LC cell napamatud-an ug gipahayag ingon sa mosunod:

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

Tungod kay ang elektrikal nga gitas-on sa yunit LC circuit gamay ra kaayo, ang Taylor approximation mahimong magamit aron makuha ang:

2. Pisikal nga Implementasyon
Sa miaging seksyon, ang LC network aron makamugna og CRLH-TL ang gihisgutan. Ang maong mga network sa LC mahimo lamang nga matuman pinaagi sa pagsagop sa pisikal nga mga sangkap nga makahimo sa gikinahanglan nga kapasidad (CR ug CL) ug inductance (LR ug LL). Sa bag-ohay nga mga tuig, ang paggamit sa surface mount technology (SMT) chip component o gipang-apod-apod nga mga sangkap nakadani ug dakong interes. Ang microstrip, stripline, coplanar waveguide o uban pang susama nga mga teknolohiya mahimong magamit aron matuman ang gipang-apod-apod nga mga sangkap. Adunay daghang mga hinungdan nga ikonsiderar kung nagpili mga SMT chips o gipang-apod-apod nga mga sangkap. Ang mga istruktura sa CRLH nga nakabase sa SMT mas komon ug mas sayon nga ipatuman sa termino sa pagtuki ug disenyo. Kini tungod sa pagkaanaa sa off-the-shelf nga mga sangkap sa chip sa SMT, nga wala magkinahanglan og pagbag-o ug paghimo kon itandi sa gipang-apod-apod nga mga sangkap. Bisan pa, ang pagkaanaa sa mga sangkap sa SMT nagkatibulaag, ug kini kasagaran nga molihok sa mubu nga mga frequency (ie, 3-6GHz). Busa, ang mga istruktura sa CRLH nga nakabase sa SMT adunay limitado nga mga sakup sa frequency sa operasyon ug piho nga mga kinaiya sa hugna. Pananglitan, sa nagdan-ag nga mga aplikasyon, ang mga sangkap sa SMT chip mahimong dili mahimo. Ang Figure 6 nagpakita sa usa ka distributed structure base sa CRLH-TL. Ang istruktura natuman pinaagi sa interdigital capacitance ug short-circuit nga mga linya, nga nagporma sa serye nga kapasidad nga CL ug parallel inductance LL sa LH matag usa. Ang kapasidad tali sa linya ug GND gituohan nga mao ang RH capacitance CR, ug ang inductance nga namugna sa magnetic flux nga naporma sa kasamtangan nga dagan sa interdigital nga istruktura gituohan nga RH inductance LR.