Nouvèl - Yon revizyon nan antèn liy transmisyon Metamaterial

I. Entwodiksyon
Metamateryèl yo ka pi byen dekri kòm estrikti ki fèt atifisyèlman pou pwodwi sèten pwopriyete elektwomayetik ki pa egziste natirèlman. Metamateryèl ak pèmibilite negatif ak pèmeyabilite negatif yo rele metamateryèl gòch (LHMs). LHM yo te etidye anpil nan kominote syantifik ak jeni. An 2003, magazin Syans te nonmen LHM yo youn nan dis pi gwo zouti syantifik nan epòk kontanporen an. Nouvo aplikasyon, konsèp, ak aparèy yo te devlope nan eksplwate pwopriyete inik LHM yo. Apwòch liy transmisyon (TL) se yon metòd konsepsyon efikas ki ka analize tou prensip LHM yo. Konpare ak TL tradisyonèl yo, karakteristik ki pi enpòtan nan TL metamateryèl se kontwole paramèt TL (konstan pwopagasyon) ak enpedans karakteristik. Kontwolabilite nan paramèt metamateryèl TL bay nouvo lide pou desine estrikti antèn ki gen plis gwosè kontra enfòmèl ant, pi wo pèfòmans, ak fonksyon roman. Figi 1 (a), (b), ak (c) montre modèl sikwi san pèt nan liy transmisyon dwat pi bon kalite (PRH), liy transmisyon gòch pi bon kalite (PLH), ak liy transmisyon gòch-dwat konpoze ( CRLH), respektivman. Jan yo montre nan Figi 1 (a), modèl sikwi ekivalan PRH TL la se nòmalman yon konbinezon de inductance seri ak kapasite shunt. Jan yo montre nan Figi 1 (b), modèl sikwi PLH TL la se yon konbinezon de inductance shunt ak kapasite seri. Nan aplikasyon pratik, li pa posib pou aplike yon sikwi PLH. Sa a se akòz inevitab parazit seri inductance ak efè shunt kapasite. Se poutèt sa, karakteristik liy transmisyon gòch la ki ka reyalize kounye a se tout estrikti konpoze gòch ak dwa, jan yo montre nan Figi 1 (c).

Figi 1 diferan modèl sikwi liy transmisyon

Konstan pwopagasyon (γ) liy transmisyon an (TL) kalkile kòm: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), kote Y ak Z reprezante admisyon ak enpedans respektivman. Lè nou konsidere CRLH-TL, Z ak Y ka eksprime tankou:

Yon inifòm CRLH TL ap gen relasyon dispèsyon sa a:

Konstan faz β a kapab yon nimewo piman reyèl oswa yon nimewo piman imajinè. Si β konplètman reyèl nan yon seri frekans, gen yon pasaj nan seri frekans la akòz kondisyon an γ=jβ. Nan lòt men an, si β se yon nimewo piman imajinè nan yon seri frekans, gen yon stopband nan seri frekans la akòz kondisyon an γ=α. Stopband sa a inik nan CRLH-TL epi li pa egziste nan PRH-TL oswa PLH-TL. Figi 2 (a), (b), ak (c) montre koub dispèsyon yo (sa vle di, relasyon ω - β) PRH-TL, PLH-TL, ak CRLH-TL, respektivman. Ki baze sou koub yo dispèsyon, vitès gwoup la (vg=∂ω/∂β) ak vitès faz (vp=ω/β) nan liy transmisyon an ka sòti ak estime. Pou PRH-TL, li ka dedwi tou nan koub la ke vg ak vp paralèl (sa vle di, vpvg>0). Pou PLH-TL, koub la montre vg ak vp pa paralèl (sa vle di, vpvg<0). Koub dispèsyon CRLH-TL montre tou egzistans rejyon LH (sa vle di, vpvg < 0) ak rejyon RH (sa vle di, vpvg > 0). Jan nou ka wè nan Figi 2(c), pou CRLH-TL, si γ se yon nonm reyèl pi bon kalite, gen yon gwoup sispann.

Figi 2 koub dispèsyon diferan liy transmisyon

Anjeneral, seri ak rezonans paralèl yon CRLH-TL yo diferan, ki rele yon eta dezekilib. Sepandan, lè seri ak frekans sonans paralèl yo menm, yo rele sa yon eta balanse, epi yo montre modèl sikwi ekivalan senplifye ki kapab lakòz nan Figi 3 (a).

Figi 3 Modèl sikwi ak koub dispèsyon liy transmisyon gòch konpoze

Kòm ogmante frekans lan, karakteristik dispèsyon CRLH-TL ogmante piti piti. Sa a se paske vitès la faz (sa vle di, vp = ω/β) vin de pli zan pli depann sou frekans. Nan frekans ki ba, CRLH-TL domine pa LH, pandan y ap nan frekans segondè, CRLH-TL se domine pa RH. Sa a montre nati doub nan CRLH-TL. Dyagram dispèsyon CRLH-TL ekilib la montre nan Figi 3(b). Jan yo montre nan Figi 3(b), tranzisyon an soti nan LH a RH rive nan:

Kote ω0 se frekans tranzisyon an. Se poutèt sa, nan ka balanse a, yon tranzisyon lis rive soti nan LH a RH paske γ se yon nimewo piman imajinè. Se poutèt sa, pa gen okenn stopband pou dispèsyon CRLH-TL balanse. Malgre ke β se zewo nan ω0 (enfini parapò ak longèdonn gide a, sa vle di, λg=2π/|β|), vag la toujou pwopaje paske vg nan ω0 pa zewo. Menm jan an tou, nan ω0, chanjman faz la se zewo pou yon TL longè d (sa vle di, φ= - βd=0). Faz avanse (sa vle di, φ>0) rive nan ranje frekans LH (sa vle di, ω<ω0), ak reta faz la (sa vle di, φ<0) rive nan ranje frekans RH (sa vle di, ω>ω0). Pou yon CRLH TL, enpedans karakteristik yo dekri jan sa a:

Ki kote ZL ak ZR se enpedans PLH ak PRH, respektivman. Pou ka a dezekilib, enpedans karakteristik depann sou frekans lan. Ekwasyon ki pi wo a montre ke ka balanse a endepandan de frekans, kidonk li ka gen yon match lajè Pleasant. Ekwasyon TL ki sòti anwo a sanble ak paramèt konstititif ki defini materyèl CRLH la. Konstan pwopagasyon TL se γ=jβ=Sqrt(ZY). Bay konstan pwopagasyon materyèl la (β=ω x Sqrt(εμ)), yo ka jwenn ekwasyon sa a:

Menm jan an tou, enpedans karakteristik nan TL, sa vle di, Z0 = Sqrt (ZY), se menm jan ak enpedans karakteristik materyèl la, sa vle di, η = Sqrt (μ/ε), ki eksprime kòm:

Endèks refraktif CRLH-TL balanse ak dezekilib (sa vle di, n = cβ/ω) montre nan Figi 4. Nan Figi 4, endèks refraktif CRLH-TL nan ranje LH li yo negatif ak endèks refraktif nan RH li yo. ranje a pozitif.

Fig. 4 Endis refraktif tipik nan TL CRLH balanse ak dezekilib.

1. LC rezo
Pa kaskad selil LC bandpass yo montre nan Figi 5 (a), yon tipik CRLH-TL ak inifòmite efikas nan longè d ka konstwi detanzantan oswa ki pa detanzantan. An jeneral, yo nan lòd yo asire konvenyans nan kalkil ak fabrikasyon nan CRLH-TL, kous la bezwen yo dwe peryodik. Konpare ak modèl Figi 1(c), selil sikwi Figi 5(a) pa gen okenn gwosè epi longè fizik la se enfiniman ti (sa vle di, Δz nan mèt). Lè nou konsidere longè elektrik li yo θ=Δφ (rad), yo ka eksprime faz selil LC la. Sepandan, yo nan lòd yo reyalize aktyèlman inductance a aplike ak kapasite, yon longè fizik p bezwen yo dwe etabli. Chwa aplikasyon teknoloji (tankou microstrip, coplanar waveguide, sifas mòn konpozan, elatriye) pral afekte gwosè fizik selil LC a. Selil LC nan Figi 5(a) sanble ak modèl incrémentielle Figi 1(c), ak limit li p=Δz→0. Dapre kondisyon inifòmite p→0 nan Figi 5(b), yon TL ka konstwi (pa kaskad selil LC) ki ekivalan a yon inifòm ideyal CRLH-TL ak longè d, pou ke TL a parèt inifòm ak onn elektwomayetik.

Figi 5 CRLH TL ki baze sou rezo LC.

Pou selil LC a, lè nou konsidere kondisyon fwontyè peryodik (PBCs) ki sanble ak teyorèm Bloch-Floquet la, yo pwouve relasyon dispèsyon selil LC a epi eksprime jan sa a:

Enpedans seri (Z) ak admisyon shunt (Y) selil LC a detèmine pa ekwasyon sa yo:

Piske longè elektrik sikwi LC inite a piti anpil, yo ka itilize apwoksimasyon Taylor pou jwenn:

2. Aplikasyon fizik
Nan seksyon anvan an, rezo LC pou jenere CRLH-TL yo te diskite. Rezo LC sa yo ka reyalize sèlman lè yo adopte konpozan fizik ki ka pwodwi kapasite ki nesesè yo (CR ak CL) ak enduktans (LR ak LL). Nan dènye ane yo, aplikasyon an nan sifas mòn teknoloji (SMT) eleman chip oswa konpozan distribye te atire gwo enterè. Microstrip, stripline, coplanar waveguide oswa lòt teknoloji menm jan an ka itilize pou reyalize konpozan distribye. Gen anpil faktè pou konsidere lè w ap chwazi chips SMT oswa konpozan distribye. Estrikti CRLH ki baze sou SMT yo pi komen ak pi fasil pou aplike an tèm de analiz ak konsepsyon. Sa a se paske nan disponiblite a nan etajè SMT chip eleman yo, ki pa mande pou renovasyon ak fabrikasyon konpare ak eleman distribye. Sepandan, disponiblite eleman SMT yo gaye, epi anjeneral yo travay sèlman nan frekans ki ba (sa vle di, 3-6GHz). Se poutèt sa, estrikti CRLH ki baze sou SMT yo gen limite frekans opere ak karakteristik faz espesifik. Pou egzanp, nan aplikasyon radyasyon, eleman chip SMT pa ka posib. Figi 6 montre yon estrikti distribye ki baze sou CRLH-TL. Se estrikti a reyalize pa kapasite entèdijital ak liy kout-sikwi, fòme seri kapasite CL ak paralèl inductance LL nan LH respektivman. Kapasite ant liy lan ak GND yo sipoze RH kapasite CR a, epi inductance ki te pwodwi pa flux mayetik ki te fòme pa koule aktyèl la nan estrikti entèdijital la sipoze RH inductance LR.