Навіны - Агляд антэн з метаматэрыяльных ліній перадачы

I. Уводзіны
Метаматэрыялы найлепш апісаць як штучна распрацаваныя структуры для стварэння пэўных электрамагнітных уласцівасцей, якія не існуюць у прыродзе. Метаматэрыялы з адмоўнай дыэлектрычнай пранікальнасцю і адмоўнай пранікальнасцю называюцца леварукімі метаматэрыяламі (ЛМП). ЛМП шырока вывучаліся ў навуковых і інжынерных супольнасцях. У 2003 годзе часопіс «Science» назваў ЛМП адным з дзесяці найбуйнейшых навуковых прарываў сучаснай эпохі. Новыя прымяненні, канцэпцыі і прылады былі распрацаваны з выкарыстаннем унікальных уласцівасцей ЛМП. Падыход з выкарыстаннем ліній перадачы (ЛП) з'яўляецца эфектыўным метадам праектавання, які таксама можа аналізаваць прынцыпы ЛМП. У параўнанні з традыцыйнымі ЛП, найбольш значнай асаблівасцю метаматэрыяльных ЛП з'яўляецца кіравальнасць параметраў ЛП (пастаянная распаўсюджвання) і характарыстычны імпеданс. Кіраванасць параметраў ЛП метаматэрыяльных дае новыя ідэі для праектавання антэнных структур з больш кампактнымі памерамі, больш высокай прадукцыйнасцю і новымі функцыямі. На малюнках 1 (а), (б) і (в) паказаны мадэлі схем без страт чыста правай лініі перадачы (ЛПР), чыста леварукай лініі перадачы (ЛЛП) і кампазітнай лева-правай лініі перадачы (ЛЛП) адпаведна. Як паказана на малюнку 1(а), эквівалентная мадэль схемы ЛПР звычайна ўяўляе сабой камбінацыю паслядоўнай індуктыўнасці і шунтавай ёмістасці. Як паказана на малюнку 1(б), мадэль схемы ЛПР з'яўляецца камбінацыяй шунтавай індуктыўнасці і паслядоўнай ёмістасці. У практычных ужываннях рэалізацыя схемы ЛПР немагчымая. Гэта звязана з непазбежнымі эфектамі паразітнай паслядоўнай індуктыўнасці і шунтавай ёмістасці. Такім чынам, характарыстыкі леварукай лініі перадачы, якія можна рэалізаваць у цяперашні час, - гэта ўсе кампазітныя леварукія і праварукія структуры, як паказана на малюнку 1(в).

Малюнак 1 Розныя мадэлі ланцугоў ліній перадачы

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

Аднастайны CRLH TL будзе мець наступнае дысперсійнае суадносіны:

Фазавая пастаянная β можа быць чыста рэчаісным лікам або чыста ўяўным лікам. Калі β цалкам рэчаісны ў межах дыяпазону частот, то ў гэтым дыяпазоне частот існуе паласа прапускання з-за ўмовы γ=jβ. З іншага боку, калі β — чыста ўяўны лік у межах дыяпазону частот, то ў гэтым дыяпазоне частот існуе паласа затрымкі з-за ўмовы γ=α. Гэтая паласа затрымкі ўнікальная для CRLH-TL і не існуе ў PRH-TL або PLH-TL. На малюнках 2 (a), (b) і (c) паказаны крывыя дысперсіі (г.зн. залежнасць ω - β) PRH-TL, PLH-TL і CRLH-TL адпаведна. На падставе крывых дысперсіі 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). Дысперсійная крывая CRLH-TL таксама паказвае існаванне левай (г.зн. vpvg < 0) і правай (г.зн. vpvg > 0) вобласці. Як відаць з малюнка 2(c), для CRLH-TL, калі γ — чысты рэчаісны лік, існуе стоп-зона.

Малюнак 2. Крывыя дысперсіі розных ліній перадачы

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

Малюнак 3. Мадэль схемы і дысперсійная крывая кампазітнай левабаковай лініі перадачы

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

Дзе ω0 — частата пераходу. Такім чынам, у збалансаваным выпадку адбываецца плаўны пераход ад левага крыла да правага крыла, паколькі γ — гэта чыста ўяўны лік. Такім чынам, для збалансаванай дысперсіі CRLH-TL няма паласы стрымлівання. Нягледзячы на тое, што β роўная нулю пры ω0 (бясконцая адносна кіраванай даўжыні хвалі, г.зн. λg=2π/|β|), хваля ўсё роўна распаўсюджваецца, таму што vg пры ω0 не роўная нулю. Аналагічна, пры ω0 зрух фазы роўны нулю для TL даўжынёй d (г.зн. φ= - βd=0). Зрушэнне фазы (г.зн. φ>0) адбываецца ў дыяпазоне частот левага крыла (г.зн. ω<ω0), а запаволенне фазы (г.зн. φ<0) адбываецца ў дыяпазоне частот правага крыла (г.зн. ω>ω0). Для TL CRLH характарыстычны імпеданс апісваецца наступным чынам:

Дзе ZL і ZR — адпаведна імпедансы PLH і PRH. У незбалансаваным выпадку характарыстычны імпеданс залежыць ад частаты. Прыведзенае вышэй ураўненне паказвае, што збалансаваны выпадак не залежыць ад частаты, таму ён можа мець шырокае супадзенне паласы паласы. Вышэйпаказанае ўраўненне TL падобна да канстытутыўных параметраў, якія вызначаюць матэрыял CRLH. Пастаянная распаўсюджвання TL роўная γ=jβ=Sqrt(ZY). Улічваючы пастаянную распаўсюджвання матэрыялу (β=ω x Sqrt(εμ)), можна атрымаць наступнае ўраўненне:

Аналагічна, 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 левым дыяпазоне адмоўны, а паказчык праламлення ў правым дыяпазоне — дадатны.

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

1. Сетка LC
Шляхам каскаднага аб'яднання паласавых LC-элементаў, паказаных на малюнку 5(a), тыповы CRLH-TL з эфектыўнай аднастайнасцю даўжыні d можа быць пабудаваны перыядычна або неперыядычна. У цэлым, каб забяспечыць зручнасць разліку і вырабу CRLH-TL, схема павінна быць перыядычнай. У параўнанні з мадэллю на малюнку 1(c), схема на малюнку 5(a) не мае памеру, а фізічная даўжыня бясконца малая (г.зн. Δz у метрах). Улічваючы яе электрычную даўжыню θ=Δφ (радыян), можна выразіць фазу LC-элемента. Аднак, каб рэальна рэалізаваць прыкладзеную індуктыўнасць і ёмістасць, неабходна вызначыць фізічную даўжыню p. Выбар тэхналогіі прымянення (напрыклад, мікрапалосны, кампланарны хвалявод, кампаненты павярхоўнага мантажу і г.д.) будзе ўплываць на фізічны памер LC-элемента. LC-элемент на малюнку 5(a) падобны да інкрэментальнай мадэлі на малюнку 1(c), і яго мяжа p=Δz→0. Згодна з умовай аднастайнасці p→0 на малюнку 5(b), можна пабудаваць TL (шляхам каскаднага аб'яднання LC-ячэек), эквівалентную 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 граничных умоў (ПМУ), падобных да тэарэмы Блоха-Флоке, дысперсійнае суадносіны LC-ячэйкі даказваюцца і выражаюцца наступным чынам:

Паслядоўны імпеданс (Z) і шунтавая адмітанс (Y) LC-ячэйкі вызначаюцца наступнымі ўраўненнямі:

Паколькі электрычная даўжыня адзінкавага LC-контура вельмі малая, для атрымання можна выкарыстоўваць набліжэнне Тэйлара:

2. Фізічная рэалізацыя
У папярэднім раздзеле абмяркоўвалася LC-сетка для генерацыі CRLH-TL. Такія LC-сеткі можна рэалізаваць толькі шляхам выкарыстання фізічных кампанентаў, якія могуць ствараць неабходную ёмістасць (CR і CL) і індуктыўнасць (LR і LL). У апошнія гады вялікую цікавасць выклікала прымяненне кампанентаў-чыпаў з тэхналогіяй павярхоўнага мантажу (SMT) або размеркаваных кампанентаў. Для рэалізацыі размеркаваных кампанентаў можна выкарыстоўваць мікрапалосныя, палосныя лініі, кампланарныя хваляводы або іншыя падобныя тэхналогіі. Пры выбары SMT-чыпаў або размеркаваных кампанентаў неабходна ўлічваць шмат фактараў. Структуры CRLH на аснове SMT больш распаўсюджаныя і прасцейшыя ў рэалізацыі з пункту гледжання аналізу і праектавання. Гэта звязана з наяўнасцю гатовых SMT-чып-кампанентаў, якія не патрабуюць пераробкі і вытворчасці ў параўнанні з размеркаванымі кампанентамі. Аднак наяўнасць SMT-кампанентаў разрозненая, і яны звычайна працуюць толькі на нізкіх частотах (г.зн. 3-6 ГГц). Такім чынам, структуры CRLH на аснове SMT маюць абмежаваныя дыяпазоны рабочых частот і спецыфічныя фазавыя характарыстыкі. Напрыклад, у выпраменьвальных прымяненнях SMT-чып-кампаненты могуць быць непрактычнымі. На малюнку 6 паказана размеркаваная структура на аснове CRLH-TL. Структура рэалізуецца з дапамогай міжпальцавых ёмістасцей і каротказамыкальных ліній, якія ўтвараюць паслядоўную ёмістасць CL і паралельную індуктыўнасць LL лініі LH адпаведна. Ёмістасць паміж лініяй і GND лічыцца правай ёмістасцю CR, а індуктыўнасць, якая ствараецца магнітным патокам, утвораным праходжаннем току ў міжпальцавай структуры, лічыцца правай індуктыўнасцю LR.