Nouvèl - Yon Revizyon Antèn Liy Transmisyon Metamateryèl

I. Entwodiksyon
Yo ka pi byen dekri metamateryèl yo kòm estrikti ki fèt atifisyèlman pou pwodui sèten pwopriyete elektwomayetik ki pa egziste natirèlman. Metamateryèl ki gen pèmitivite negatif ak pèmeyabilite negatif yo rele metamateryèl goch (LHM). Yo te etidye LHM yo anpil nan kominote syantifik ak enjenyè yo. An 2003, magazin Science te nonmen LHM yo youn nan dis pi gwo avansman syantifik epòk kontanporen an. Yo te devlope nouvo aplikasyon, konsèp ak aparèy lè yo te eksplwate pwopriyete inik LHM yo. Apwòch liy transmisyon (TL) la se yon metòd konsepsyon efikas ki kapab tou analize prensip LHM yo. Konpare ak TL tradisyonèl yo, karakteristik ki pi enpòtan nan TL metamateryèl yo se kontwolabilite paramèt TL yo (konstan pwopagasyon) ak enpedans karakteristik. Kontwolabilite paramèt TL metamateryèl yo bay nouvo lide pou konsepsyon estrikti antèn ak gwosè ki pi kontra enfòmèl ant, pi gwo pèfòmans ak nouvo fonksyon. Figi 1 (a), (b), ak (c) montre modèl sikwi san pèt liy transmisyon pi bon kalite pou moun ki sèvi ak men dwat (PRH), liy transmisyon pi bon kalite pou moun ki sèvi ak men gòch (PLH), ak liy transmisyon konpoze pou moun ki sèvi ak men gòch ak men dwat (CRLH), respektivman. Jan yo montre nan Figi 1(a), modèl sikwi ekivalan PRH TL la anjeneral se yon konbinezon enduktans seri ak kapasitans shunt. Jan yo montre nan Figi 1(b), modèl sikwi PLH TL la se yon konbinezon enduktans shunt ak kapasitans seri. Nan aplikasyon pratik, li pa posib pou aplike yon sikwi PLH. Sa a se akòz efè parazit inevitab enduktans seri ak kapasitans shunt. Se poutèt sa, karakteristik liy transmisyon pou moun ki sèvi ak men gòch ki ka reyalize kounye a se tout estrikti konpoze pou moun ki sèvi ak men gòch ak men dwat, 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 admitans ak enpedans respektivman. Lè nou konsidere CRLH-TL, Z ak Y ka eksprime kòm:

Yon CRLH TL inifòm pral gen relasyon dispèsyon sa a:

Konstan faz β a kapab yon nonb reyèl nèt oubyen yon nonb imajinè nèt. Si β konplètman reyèl nan yon seri frekans, gen yon bann pasaj nan seri frekans lan akòz kondisyon γ=jβ. Nan lòt men an, si β se yon nonb imajinè nèt nan yon seri frekans, gen yon bann arè nan seri frekans lan akòz kondisyon γ=α. Bann arè sa a inik pou CRLH-TL epi li pa egziste nan PRH-TL oubyen 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. Baze sou koub dispèsyon yo, vitès gwoup la (vg=∂ω/∂β) ak vitès faz la (vp=ω/β) liy transmisyon an ka derive epi estime. Pou PRH-TL, nou kapab tou dedwi nan koub la ke vg ak vp paralèl (sa vle di, vpvg>0). Pou PLH-TL, koub la montre ke vg ak vp pa paralèl (sa vle di, vpvg<0). Koub dispèsyon CRLH-TL la montre tou egzistans rejyon LH a (sa vle di, vpvg < 0) ak rejyon RH a (sa vle di, vpvg > 0). Jan yo ka wè nan Figi 2(c), pou CRLH-TL, si γ se yon nonm reyèl pi, gen yon bann arè.

Figi 2 Koub dispèsyon diferan liy transmisyon yo

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

Figi 3 Modèl sikwi ak koub dispèsyon liy transmisyon konpoze goch

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

Kote ω0 se frekans tranzisyon an. Kidonk, nan ka balanse a, yon tranzisyon dous rive soti nan LH pou rive nan RH paske γ se yon nonb imajinè nèt. Kidonk, pa gen okenn bann arè pou dispèsyon CRLH-TL balanse a. 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 ki gen longè d (sa vle di, φ= - βd=0). Avansman faz la (sa vle di, φ>0) rive nan seri frekans LH a (sa vle di, ω<ω0), epi reta faz la (sa vle di, φ<0) rive nan seri frekans RH a (sa vle di, ω>ω0). Pou yon CRLH TL, enpedans karakteristik la dekri jan sa a:

Kote ZL ak ZR se enpedans PLH ak PRH yo, respektivman. Pou ka dezekilib la, enpedans karakteristik la depann de frekans lan. Ekwasyon ki anwo a montre ke ka balanse a endepandan de frekans, kidonk li ka gen yon gwo matche Pleasant. Ekwasyon TL ki sòti anwo a sanble ak paramèt konstitif ki defini materyèl CRLH la. Konstan pwopagasyon TL la se γ=jβ=Sqrt(ZY). Etandone konstan pwopagasyon materyèl la (β=ω x Sqrt(εμ)), nou ka jwenn ekwasyon sa a:

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

Endis refraksyon CRLH-TL balanse ak dezekilibre a (sa vle di, n = cβ/ω) parèt nan Figi 4. Nan Figi 4, endis refraksyon CRLH-TL la nan ranje LH li a negatif epi endis refraksyon an nan ranje RH li a pozitif.

Fig. 4 Endis refraksyon tipik TL CRLH balanse ak dezekilib.

1. Rezo LC
Lè yo mete selil LC bandpass yo an kaskad, yo ka konstwi yon CRLH-TL tipik ak yon inifòmite efektif longè d peryodikman oubyen non-periodikman. An jeneral, pou asire konvenyans kalkil ak fabrikasyon CRLH-TL, sikwi a bezwen peryodik. Konpare ak modèl Figi 1(c) la, selil sikwi Figi 5(a) a pa gen gwosè epi longè fizik la piti anpil (sa vle di, Δz an mèt). Lè nou konsidere longè elektrik li θ=Δφ (rad), nou ka eksprime faz selil LC a. Sepandan, pou nou ka reyèlman reyalize enduktans ak kapasitans ki aplike a, nou bezwen etabli yon longè fizik p. Chwa teknoloji aplikasyon an (tankou microstrip, gid vag koplanè, konpozan montaj sifas, elatriye) ap afekte gwosè fizik selil LC a. Selil LC Figi 5(a) a sanble ak modèl enkremantal Figi 1(c) la, epi limit li p=Δz→0. Selon kondisyon inifòmite p→0 nan Figi 5(b), yo ka konstwi yon TL (pa mete selil LC an kaskad) ki ekivalan a yon CRLH-TL inifòm ideyal ak longè d, pou TL a parèt inifòm pou ond elektwomayetik yo.

Figi 5 CRLH TL ki baze sou rezo LC.

Pou selil LC a, lè nou konsidere kondisyon limit peryodik (PBC) menm jan ak teyorèm Bloch-Floquet la, relasyon dispèsyon selil LC a pwouve epi eksprime jan sa a:

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

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

2. Aplikasyon fizik
Nan seksyon anvan an, nou te diskite sou rezo LC a pou jenere CRLH-TL. Nou ka sèlman reyalize rezo LC sa yo lè nou adopte konpozan fizik ki ka pwodui kapasitans (CR ak CL) ak enduktans (LR ak LL) ki nesesè yo. Nan dènye ane yo, aplikasyon konpozan chip teknoloji montaj sifas (SMT) oswa konpozan distribye yo te atire anpil enterè. Nou ka itilize mikrostrip, liy bann, gid vag koplanè oswa lòt teknoloji menm jan an pou reyalize konpozan distribye yo. Gen anpil faktè pou konsidere lè w ap chwazi chip SMT oswa konpozan distribye. Estrikti CRLH ki baze sou SMT yo pi komen epi pi fasil pou aplike an tèm de analiz ak konsepsyon. Sa a se akòz disponiblite konpozan chip SMT ki disponib, ki pa bezwen renovasyon ak fabrikasyon konpare ak konpozan distribye yo. Sepandan, disponiblite konpozan SMT yo gaye toupatou, epi anjeneral yo sèlman travay nan frekans ki ba (sa vle di, 3-6GHz). Se poutèt sa, estrikti CRLH ki baze sou SMT yo gen ranje frekans fonksyònman limite ak karakteristik faz espesifik. Pa egzanp, nan aplikasyon radyasyon, konpozan chip SMT yo ka pa posib. Figi 6 la montre yon estrikti distribye ki baze sou CRLH-TL. Estrikti a reyalize pa kapasitans entèdijital ak liy kous kout, ki fòme kapasitans seri CL ak enduktans paralèl LL nan LH respektivman. Kapasitans ant liy lan ak GND a sipoze se kapasitans RH CR a, epi enduktans ki pwodui pa flux mayetik ki fòme pa koule kouran an nan estrikti entèdijital la sipoze se enduktans RH LR a.