I. Оршил
Метаматериалууд нь байгальд байдаггүй тодорхой цахилгаан соронзон шинж чанарыг бий болгохын тулд зохиомлоор зохион бүтээгдсэн бүтэц гэж хамгийн сайн тайлбарлаж болно. Сөрөг нэвчилттэй, сөрөг нэвчилттэй метаматериалуудыг зүүн гарын метаматериал (LHMs) гэж нэрлэдэг. LHM-ийг шинжлэх ухаан, инженерийн нийгэмлэгүүдэд өргөнөөр судалсан. 2003 онд LHM-ийг Science сэтгүүлээс орчин үеийн шинжлэх ухааны шилдэг арван нээлтийн нэгээр нэрлэжээ. LHM-ийн өвөрмөц шинж чанарыг ашиглах замаар шинэ програмууд, үзэл баримтлалууд, төхөөрөмжүүдийг боловсруулсан. Дамжуулах шугам (TL) арга нь LHM-ийн зарчмуудыг шинжлэх боломжтой дизайны үр дүнтэй арга юм. Уламжлалт TL-тэй харьцуулахад метаматериал TL-ийн хамгийн чухал шинж чанар нь TL параметрийн (тархалтын тогтмол) болон шинж чанарын эсэргүүцлийг хянах чадвар юм. Метаматериал TL-ийн параметрүүдийг хянах чадвар нь илүү авсаархан хэмжээтэй, илүү өндөр гүйцэтгэлтэй, шинэ функц бүхий антенны бүтцийг зохион бүтээх шинэ санааг өгдөг. Зураг 1 (a), (b), (c) нь цэвэр баруун гарт дамжуулах шугам (PRH), цэвэр зүүн гар дамжуулах шугам (PLH) болон нийлмэл зүүн-баруун гар дамжуулах дамжуулах шугамын загваруудыг харуулав. CRLH) тус тус. Зураг 1(а)-д үзүүлснээр PRH TL-ийн эквивалент хэлхээний загвар нь ихэвчлэн цуврал индукц ба шунтын багтаамжийн хослол юм. Зураг 1(b)-д үзүүлснээр PLH TL хэлхээний загвар нь шунтын индукц болон цуваа багтаамжийн хослол юм. Практик хэрэглээнд PLH хэлхээг хэрэгжүүлэх боломжгүй юм. Энэ нь зайлшгүй паразит цувралын индукц ба шунтын багтаамжийн нөлөөллөөс үүдэлтэй юм. Тиймээс одоогийн байдлаар хэрэгжүүлэх боломжтой зүүн гар дамжуулах шугамын шинж чанарууд нь Зураг 1(c)-д үзүүлсэнчлэн зүүн гар ба баруун гарт нийлмэл бүтэц юм.
Зураг 1 Дамжуулах шугамын хэлхээний өөр өөр загварууд
Дамжуулах шугамын (TL) тархалтын тогтмол (γ)-ийг дараах байдлаар тооцоолно: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), энд Y ба Z нь нэвтрэх ба эсэргүүцлийг тус тус илэрхийлнэ. CRLH-TL-ийг авч үзвэл Z ба Y-г дараах байдлаар илэрхийлж болно.
Нэг төрлийн CRLH TL нь дараах тархалтын хамааралтай байна.
Фазын тогтмол β нь цэвэр бодит тоо эсвэл цэвэр төсөөллийн тоо байж болно. Хэрэв β нь давтамжийн мужид бүрэн бодит байвал γ=jβ нөхцөлөөс шалтгаалж давтамжийн хүрээнд нэвтрүүлэх зурвас байна. Нөгөөтэйгүүр, хэрэв β нь давтамжийн муж доторх цэвэр төсөөллийн тоо бол γ=α нөхцлөөс шалтгаалан давтамжийн мужид зогсолтын зурвас байна. Энэ зогсоох зурвас нь CRLH-TL-д өвөрмөц бөгөөд PRH-TL эсвэл PLH-TL-д байхгүй. Зураг 2 (a), (b), (c) нь PRH-TL, PLH-TL, CRLH-TL-ийн тархалтын муруйг (өөрөөр хэлбэл ω - β хамаарал) тус тус үзүүлэв. Тархалтын муруй дээр үндэслэн дамжуулах шугамын бүлгийн хурд (vg=∂ω/∂β) ба фазын хурд (vp=ω/β)-ийг гаргаж, тооцоолж болно. PRH-TL-ийн хувьд мөн муруйгаас vg ба vp зэрэгцээ байна (өөрөөр хэлбэл vpvg>0) гэж дүгнэж болно. PLH-TL-ийн хувьд муруй нь vg ба vp нь зэрэгцээ биш гэдгийг харуулж байна (өөрөөр хэлбэл vpvg<0). CRLH-TL-ийн тархалтын муруй нь мөн LH муж (жишээ нь, vpvg < 0) болон RH бүс (өөрөөр хэлбэл vpvg > 0) байгааг харуулж байна. Зураг 2(c)-ээс харахад CRLH-TL-ийн хувьд γ нь цэвэр бодит тоо бол зогсоох зурвас байна.
Зураг 2 Янз бүрийн дамжуулах шугамын тархалтын муруй
Ихэвчлэн CRLH-TL-ийн цуваа ба зэрэгцээ резонанс нь өөр өөр байдаг бөгөөд үүнийг тэнцвэргүй төлөв гэж нэрлэдэг. Харин цуваа ба параллель резонансын давтамж ижил байвал үүнийг тэнцвэржүүлсэн төлөв гэж нэрлэх ба үр дүнд бий болсон хялбаршуулсан эквивалент хэлхээний загварыг Зураг 3(а)-д үзүүлэв.
Зураг 3 нийлмэл зүүн гар дамжуулах шугамын хэлхээний загвар ба тархалтын муруй
Давтамж нэмэгдэхийн хэрээр CRLH-TL-ийн тархалтын шинж чанар аажмаар нэмэгддэг. Учир нь фазын хурд (өөрөөр хэлбэл vp=ω/β) нь давтамжаас улам бүр хамааралтай болдог. Бага давтамжтай үед CRLH-TL-д LH давамгайлдаг бол өндөр давтамжид CRLH-TL-д RH давамгайлдаг. Энэ нь CRLH-TL-ийн давхар шинж чанарыг харуулж байна. CRLH-TL-ийн тэнцвэрт дисперсийн диаграммыг Зураг 3(b)-д үзүүлэв. Зураг 3(b)-д үзүүлснээр LH-ээс RH руу шилжих нь:
Энд ω0 нь шилжилтийн давтамж юм. Тиймээс тэнцвэртэй тохиолдолд γ нь цэвэр төсөөллийн тоо учраас LH-ээс RH руу жигд шилжилт явагдана. Тиймээс тэнцвэртэй CRLH-TL тархалтыг зогсоох зурвас байхгүй. Хэдийгээр ω0 үед β тэг (хөтөгдсөн долгионы урттай харьцуулахад хязгааргүй, өөрөөр хэлбэл λg=2π/|β|) боловч ω0-ийн vg нь тэг биш учраас долгион тархсаар байна. Үүний нэгэн адил ω0 үед d урттай TL-ийн хувьд фазын шилжилт тэг болно (өөрөөр хэлбэл φ= - βd=0). Фазын урагшлах (өөрөөр хэлбэл, φ>0) LH давтамжийн мужид (өөрөөр хэлбэл, ω<ω0), фазын саатал (өөрөөр хэлбэл, φ<0) нь RH давтамжийн мужид (өөрөөр хэлбэл, ω>ω0) тохиолддог. CRLH TL-ийн хувьд шинж чанарын эсэргүүцлийг дараах байдлаар тодорхойлно.
Энд ZL ба ZR нь PLH ба PRH-ийн эсэргүүцэл юм. Тэнцвэргүй тохиолдолд шинж чанарын эсэргүүцэл нь давтамжаас хамаарна. Дээрх тэгшитгэлээс харахад тэнцвэржүүлсэн тохиолдол нь давтамжаас хамааралгүй тул өргөн зурвасын өргөнтэй таарч болно. Дээрээс авсан TL тэгшитгэл нь CRLH материалыг тодорхойлдог үндсэн параметрүүдтэй төстэй юм. TL-ийн тархалтын тогтмол нь γ=jβ=Sqrt(ZY) байна. Материалын тархалтын тогтмолыг (β=ω x Sqrt(εμ)) өгвөл дараах тэгшитгэлийг гаргаж болно.
Үүний нэгэн адил TL-ийн шинж чанарын эсэргүүцэл, өөрөөр хэлбэл, Z0=Sqrt(ZY) нь материалын шинж чанарын эсэргүүцэлтэй төстэй, өөрөөр хэлбэл, η=Sqrt(μ/ε) бөгөөд үүнийг дараах байдлаар илэрхийлнэ.
Тэнцвэртэй ба тэнцвэргүй CRLH-TL-ийн хугарлын илтгэгчийг (өөрөөр хэлбэл, n = cβ/ω) Зураг 4-т үзүүлэв. Зураг 4-т CRLH-TL-ийн хугарлын илтгэгч LH мужид сөрөг, RH-ийн хугарлын илтгэгч байна. хүрээ эерэг байна.
Зураг 4 Тэнцвэртэй ба тэнцвэргүй CRLH TL-ийн хугарлын ердийн үзүүлэлтүүд.
1. LC сүлжээ
Зураг 5(а)-д үзүүлсэн туузан дамжуулалтын LC эсүүдийг шаталсан байдлаар d урттай үр дүнтэй нэгдмэл CRLH-TL-ийг үе үе эсвэл үе үе бусаар байгуулж болно. Ерөнхийдөө CRLH-TL-ийг тооцоолох, үйлдвэрлэхэд тав тухтай байдлыг хангахын тулд хэлхээ нь үе үе байх шаардлагатай. Зураг 1(c)-ийн загвартай харьцуулахад Зураг 5(а)-ын хэлхээний нүд ямар ч хэмжээгүй, физик урт нь хязгааргүй бага (өөрөөр хэлбэл Δz метрээр). Түүний цахилгаан урт θ=Δφ (рад) -ийг харгалзан үзвэл LC эсийн фазыг илэрхийлж болно. Гэсэн хэдий ч хэрэглэсэн индукц ба багтаамжийг бодитоор хэрэгжүүлэхийн тулд физик урт p-г тогтоох шаардлагатай. Хэрэглээний технологийн сонголт (микрострип, хавтгай долгионы хөтлүүр, гадаргууд холбох эд анги гэх мэт) нь LC эсийн физик хэмжээнд нөлөөлнө. Зураг 5(а)-ын LC нүд нь Зураг 1(c)-ийн нэмэгдэл загвартай төстэй бөгөөд түүний хязгаар p=Δz→0. Зураг 5(b)-ийн нэгэн жигд байдлын p→0 нөхцлийн дагуу TL нь цахилгаан соронзон долгионы хувьд жигд харагдахын тулд d урттай хамгийн тохиромжтой жигд CRLH-TL-тэй тэнцэх TL-ийг (LC эсүүдийн каскад хэлбэрээр) байгуулж болно.
Зураг 5 LC сүлжээнд суурилсан CRLH TL.
LC эсийн хувьд Блох-Флокетийн теоремтой төстэй үечилсэн хилийн нөхцлүүдийг (PBCs) авч үзвэл LC эсийн дисперсийн хамаарлыг баталж, дараах байдлаар илэрхийлнэ.
LC эсийн цувралын эсэргүүцэл (Z) ба шунт нэвтрүүлэх чадварыг (Y) дараах тэгшитгэлээр тодорхойлно.
Нэгжийн LC хэлхээний цахилгааны урт нь маш бага тул Тейлорын ойролцооллыг ашиглан дараахь зүйлийг олж авах боломжтой.
2. Физик хэрэгжилт
Өмнөх хэсэгт CRLH-TL үүсгэх LC сүлжээний талаар ярилцсан. Ийм LC сүлжээг зөвхөн шаардлагатай багтаамж (CR ба CL) болон индукцийг (LR ба LL) үүсгэж чадах физик бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг ашиглах замаар л хэрэгжүүлэх боломжтой. Сүүлийн жилүүдэд гадаргууд холбох технологи (SMT) чипийн бүрэлдэхүүн хэсэг буюу хуваарилагдсан эд ангиудыг ашиглах нь ихээхэн сонирхол татаж байна. Тархсан эд ангиудыг хэрэгжүүлэхийн тулд бичил тууз, туузан шугам, хавтгай долгионы хөтлүүр эсвэл бусад ижил төстэй технологийг ашиглаж болно. SMT чип эсвэл хуваарилагдсан бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг сонгохдоо олон хүчин зүйлийг анхаарч үзэх хэрэгтэй. SMT-д суурилсан CRLH бүтэц нь дүн шинжилгээ, дизайны хувьд илүү түгээмэл бөгөөд хэрэгжүүлэхэд хялбар байдаг. Энэ нь тархсан эд ангиудтай харьцуулахад дахин загварчлах, үйлдвэрлэх шаардлагагүй SMT чипийн эд ангиуд бэлэн байгаатай холбоотой юм. Гэсэн хэдий ч SMT бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн олдоц нь тархай бутархай бөгөөд тэдгээр нь ихэвчлэн бага давтамжтай (өөрөөр хэлбэл 3-6GHz) ажилладаг. Тиймээс SMT-д суурилсан CRLH бүтэц нь хязгаарлагдмал үйл ажиллагааны давтамжийн хүрээ, тодорхой фазын шинж чанартай байдаг. Жишээлбэл, цацрагийн хэрэглээнд SMT чипийн бүрэлдэхүүн хэсгүүд боломжгүй байж болно. Зураг 6-д CRLH-TL дээр суурилсан тархсан бүтцийг харуулав. Бүтэц нь дижитал хоорондын багтаамж ба богино залгааны шугамаар хийгдсэн бөгөөд LH-ийн цуваа багтаамж CL ба параллель индукц LL-ийг бүрдүүлдэг. Шугаман ба GND-ийн хоорондох багтаамжийг RH багтаамж CR, дижитал бүтэц дэх гүйдлийн урсгалаас үүссэн соронзон урсгалаас үүссэн индукцийг RH ороомгийн LR гэж үзнэ.
Зураг 6 Дижитал хоорондын конденсатор ба богино шугамын индукторуудаас бүрдэх нэг хэмжээст микро зурвас CRLH TL.
Антенны талаар илүү ихийг мэдэхийг хүсвэл зочилно уу:
Шуудангийн цаг: 2024 оны 8-р сарын 23-ны хооронд
