Навіны - Агляд метаматэрыяльных лінейных антэн

I. Уводзіны
Метаматэрыялы лепш за ўсё можна апісаць як штучна створаныя структуры для атрымання пэўных электрамагнітных уласцівасцей, якія не існуюць у прыродзе. Метаматэрыялы з адмоўнай дыэлектрычнай і адмоўнай пранікальнасцю называюцца левымі метаматэрыяламі (LHM). LHM шырока вывучаліся ў навуковых і інжынерных супольнасцях. У 2003 г. часопіс Science назваў LHM адным з дзесяці галоўных навуковых адкрыццяў сучаснасці. Новыя прыкладанні, канцэпцыі і прылады былі распрацаваны з выкарыстаннем унікальных уласцівасцяў LHM. Падыход лініі перадачы (TL) - гэта эфектыўны метад праектавання, які таксама можа аналізаваць прынцыпы LHM. У параўнанні з традыцыйнымі TL найбольш важнай асаблівасцю метаматэрыяльных TL з'яўляецца магчымасць рэгулявання параметраў TL (канстанта распаўсюджвання) і характарыстычнага імпедансу. Кантраляванасць параметраў метаматэрыяла TL дае новыя ідэі для распрацоўкі антэнных канструкцый з больш кампактнымі памерамі, больш высокай прадукцыйнасцю і новымі функцыямі. На малюнку 1 (a), (b) і (c) паказаны мадэлі схем без страт чыстай правай лініі перадачы (PRH), чыстай левай лініі перадачы (PLH) і кампазітнай левай правай лініі перадачы ( CRLH), адпаведна. Як паказана на малюнку 1(a), мадэль эквівалентнай схемы PRH TL звычайна ўяўляе сабой камбінацыю паслядоўнай індуктыўнасці і шунтавай ёмістасці. Як паказана на малюнку 1(b), мадэль ланцуга PLH TL уяўляе сабой камбінацыю шунтавай індуктыўнасці і паслядоўнай ёмістасці. У практычных прыкладаннях рэалізаваць схему PLH немагчыма. Гэта адбываецца з-за непазбежных эфектаў паразітнай паслядоўнай індуктыўнасці і шунтавай ёмістасці. Такім чынам, усе характарыстыкі левабаковай лініі перадачы, якія могуць быць рэалізаваны ў цяперашні час, з'яўляюцца кампазітнымі левабаковым і правабаковым структурамі, як паказана на малюнку 1(с).

Малюнак 1. Розныя мадэлі ланцугоў ліній перадачы

Пастаянная распаўсюджвання (γ) лініі перадачы (TL) разлічваецца як: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), дзе Y і Z прадстаўляюць допуск і імпеданс адпаведна. Улічваючы CRLH-TL, Z і Y можна выказаць як:

Раўнамерны CRLH TL будзе мець наступнае суадносіны дысперсіі:

Фазавая пастаянная β можа быць чыста рэальным лікам або чыста ўяўным лікам. Калі β з'яўляецца цалкам рэальным у дыяпазоне частот, існуе паласа прапускання ў дыяпазоне частот з-за ўмовы γ=jβ. З іншага боку, калі β з'яўляецца чыста ўяўным лікам у дыяпазоне частот, у дыяпазоне частот існуе паласа спынення з-за ўмовы γ=α. Гэтая паласа спынення з'яўляецца унікальнай для CRLH-TL і не існуе ў PRH-TL або PLH-TL. На малюнках 2 (a), (b) і (c) паказаны дысперсійныя крывыя (г.зн. залежнасць ω - β) PRH-TL, PLH-TL і CRLH-TL адпаведна. На аснове дысперсійных крывых можна атрымаць і ацаніць групавую хуткасць (vg=∂ω/∂β) і фазавую хуткасць (vp=ω/β) лініі перадачы. Для PRH-TL з крывой таксама можна зрабіць выснову, што vg і vp паралельныя (г.зн. vpvg>0). Для PLH-TL крывая паказвае, што vg і vp не паралельныя (г.зн. vpvg<0). Крывая дысперсіі CRLH-TL таксама паказвае існаванне вобласці LH (г.зн. vpvg <0) і вобласці RH (г.зн. vpvg> 0). Як відаць з малюнка 2(c), для CRLH-TL, калі γ з'яўляецца чыстым рэчаісным лікам, ёсць паласа прыпынку.

Малюнак 2 Крывыя дысперсіі розных ліній перадачы

Звычайна паслядоўны і паралельны рэзанансы CRLH-TL адрозніваюцца, што называецца незбалансаваным станам. Аднак калі паслядоўная і паралельная рэзанансныя частоты аднолькавыя, гэта называецца збалансаваным станам, і атрыманая спрошчаная мадэль эквівалентнай схемы паказана на малюнку 3(a).

Малюнак 3. Мадэль ланцуга і дысперсійная крывая кампазітнай левай лініі перадачы

Па меры павелічэння частоты дысперсійныя характарыстыкі CRLH-TL паступова павялічваюцца. Гэта таму, што фазавая хуткасць (г.зн. vp=ω/β) становіцца ўсё больш залежнай ад частаты. На нізкіх частотах у CRLH-TL дамінуе LH, у той час як на высокіх частотах у CRLH-TL дамінуе RH. Гэта адлюстроўвае дваістую прыроду CRLH-TL. Раўнаважная дысперсійная дыяграма CRLH-TL паказана на малюнку 3(b). Як паказана на малюнку 3(b), пераход ад ЛГ да ПВ адбываецца ў:

Дзе ω0 - частата пераходу. Такім чынам, у збалансаваным выпадку адбываецца плыўны пераход ад LH да RH, таму што γ з'яўляецца чыста ўяўным лікам. Такім чынам, для збалансаванай дысперсіі CRLH-TL няма паласы спынення. Нягледзячы на тое, што β роўна нулю пры ω0 (бясконцая адносна накіраванай даўжыні хвалі, г.зн. λg=2π/|β|), хваля ўсё яшчэ распаўсюджваецца, таму што vg пры ω0 не роўная нулю. Аналагічным чынам пры ω0 фазавы зрух роўны нулю для TL даўжынёй d (г.зн. φ= - βd=0). Апярэджанне фазы (г.зн. φ>0) адбываецца ў дыяпазоне частот LH (г.зн. ω<ω0), а запаволенне фазы (г.зн. φ<0) адбываецца ў дыяпазоне частот RH (г.зн. ω>ω0). Для CRLH TL характарыстычны імпеданс апісваецца наступным чынам:

Дзе ZL і ZR - імпедансы PLH і PRH адпаведна. Для незбалансаванага выпадку характарыстычны імпеданс залежыць ад частаты. Вышэйпрыведзенае ўраўненне паказвае, што збалансаваны выпадак не залежыць ад частаты, таму ён можа супадаць з шырокай прапускной здольнасцю. Ураўненне TL, атрыманае вышэй, падобна да канстытутыўных параметраў, якія вызначаюць матэрыял CRLH. Канстанта распаўсюджвання TL роўная γ=jβ=Sqrt(ZY). Улічваючы канстанту распаўсюджвання матэрыялу (β=ω x Sqrt(εμ)), можна атрымаць наступнае ўраўненне:

Аналагічным чынам характарыстычны імпеданс TL, г.зн. Z0=Sqrt(ZY), падобны да характарыстычнага імпедансу матэрыялу, г.зн. η=Sqrt(μ/ε), які выражаецца як:

Паказчык праламлення збалансаванага і незбалансаванага CRLH-TL (г.зн. n = cβ/ω) паказаны на малюнку 4. На малюнку 4 паказчык праламлення CRLH-TL у яго дыяпазоне LH адмоўны, а паказчык праламлення ў яго RH дыяпазон станоўчы.

Мал. 4. Тыповыя паказчыкі праламлення збалансаваных і незбалансаваных CRLH TL.

1. Сетка LC
Шляхам каскаднага размяшчэння палосных LC-ячэйак, паказаных на малюнку 5(a), тыповы CRLH-TL з эфектыўнай аднастайнасцю даўжыні d можна будаваць перыядычна або неперыядычна. Увогуле, каб забяспечыць зручнасць разліку і вырабу КРЛХ-ТЛ, схема павінна быць перыядычнай. У параўнанні з мадэллю на малюнку 1(с), ячэйка схемы на малюнку 5(а) не мае памеру, а фізічная даўжыня бясконца малая (г.зн. Δz у метрах). Улічваючы яго электрычную даўжыню θ=Δφ (рад), можна выказаць фазу LC-ячэйкі. Аднак, каб рэальна рэалізаваць прыкладаемую індуктыўнасць і ёмістасць, неабходна ўсталяваць фізічную даўжыню p. Выбар тэхналогіі прымянення (напрыклад, мікрапалоскавы, кампланарны хвалявод, кампаненты для павярхоўнага мантажу і г.д.) будзе ўплываць на фізічны памер ВК-ячэйкі. Ячэйка LC на малюнку 5(a) падобная да мадэлі з прырашчэннем на малюнку 1(c), і яе мяжа p=Δz→0. Згодна з умовай аднастайнасці p→0 на малюнку 5(b), можна пабудаваць TL (шляхам каскаднага размяшчэння ячэек LC), які эквівалентны ідэальнаму аднастайнаму CRLH-TL даўжынёй d, так што TL выглядае аднастайным для электрамагнітных хваль.

Малюнак 5 CRLH TL на аснове сеткі LC.

Для LC-ячэйкі з улікам перыядычных межавых умоў (PBC), падобных да тэарэмы Блоха-Флоке, дысперсійнае суадносіны LC-ячэйкі даказана і выражана наступным чынам:

Серыйны імпеданс (Z) і шунтавая адмітанса (Y) LC-ячэйкі вызначаюцца наступнымі ўраўненнямі:

Паколькі электрычная даўжыня адзінкавага LC-ланцуга вельмі малая, можна выкарыстоўваць набліжэнне Тэйлара, каб атрымаць:

2. Фізічная рэалізацыя
У папярэднім раздзеле абмяркоўвалася сетка LC для стварэння CRLH-TL. Такія сеткі LC могуць быць рэалізаваны толькі шляхам прыняцця фізічных кампанентаў, якія могуць вырабляць неабходную ёмістасць (CR і CL) і індуктыўнасць (LR і LL). У апошнія гады прымяненне чыпаў з тэхналогіяй павярхоўнага мантажу (SMT) або размеркаваных кампанентаў выклікала вялікую цікавасць. Для рэалізацыі размеркаваных кампанентаў можна выкарыстоўваць мікрапалоскавыя, паласкавыя, кампланарныя хвалеводы або іншыя падобныя тэхналогіі. Пры выбары чыпаў SMT або размеркаваных кампанентаў трэба ўлічваць шмат фактараў. Структуры CRLH на аснове SMT больш распаўсюджаныя і прасцей у рэалізацыі з пункту гледжання аналізу і дызайну. Гэта звязана з даступнасцю гатовых кампанентаў чыпаў SMT, якія не патрабуюць перабудовы і вытворчасці ў параўнанні з размеркаванымі кампанентамі. Аднак даступнасць кампанентаў SMT разрозненая, і яны звычайна працуюць толькі на нізкіх частотах (напрыклад, 3-6 ГГц). Такім чынам, структуры CRLH на аснове SMT маюць абмежаваныя дыяпазоны працоўных частот і спецыфічныя фазавыя характарыстыкі. Напрыклад, у выпраменьвальных прылажэннях кампаненты SMT-чыпа могуць быць невыканальныя. Малюнак 6 паказвае размеркаваную структуру на аснове CRLH-TL. Структура рэалізавана міжштыревымі ёмістасцямі і лініямі кароткага замыкання, якія ўтвараюць паслядоўную ёмістасць CL і паралельную індуктыўнасць LL LH адпаведна. Мяркуецца, што ёмістасць паміж лініяй і GND роўная RH ёмістасці CR, а індуктыўнасць, створаная магнітным патокам, утвораным токам у міжштыревой структуры, - RH індуктыўнасцю.