Мэдээ - Метаматериал дамжуулах шугамын антеннуудын тойм

I. Оршил
Метаматериалуудыг байгалийн жамаар байдаггүй тодорхой цахилгаан соронзон шинж чанарыг бий болгохын тулд хиймэл аргаар бүтээсэн бүтэц гэж тодорхойлж болно. Сөрөг диэлектрик нэвчилт ба сөрөг нэвчилттэй метаматериалуудыг зүүн гартай метаматериал (ЗГМ) гэж нэрлэдэг. ЗГМ-ийг шинжлэх ухаан, инженерийн нийгэмлэгт өргөнөөр судалсан. 2003 онд ЗГМ-ийг Science сэтгүүл орчин үеийн эрин үеийн шинжлэх ухааны шилдэг арван нээлтийн нэгээр нэрлэжээ. ЗГМ-ийн өвөрмөц шинж чанарыг ашиглан шинэ хэрэглээ, ойлголт, төхөөрөмжийг боловсруулсан. Дамжуулах шугам (ДШ) арга нь ЗГМ-ийн зарчмуудыг шинжлэх боломжтой үр дүнтэй дизайны арга юм. Уламжлалт ДШМ-тэй харьцуулахад метаматериал ДШМ-ийн хамгийн чухал онцлог нь ДШМ-ийн параметрүүд (тархалтын тогтмол) болон шинж чанарын импедансыг хянах боломжтой байдал юм. Метаматериал ДШМ-ийн параметрүүдийг хянах боломжтой байдал нь илүү авсаархан хэмжээ, өндөр гүйцэтгэл, шинэлэг функц бүхий антенны бүтцийг зохион бүтээх шинэ санаануудыг өгдөг. Зураг 1 (a), (b), (c)-д цэвэр баруун гартай дамжуулах шугам (PRH), цэвэр зүүн гартай дамжуулах шугам (PLH), нийлмэл зүүн-баруун гартай дамжуулах шугам (CRLH)-ийн алдагдалгүй хэлхээний загваруудыг тус тус харуулав. Зураг 1(a)-д үзүүлсэнчлэн, PRH TL эквивалент хэлхээний загвар нь ихэвчлэн цуваа индуктив ба шунт багтаамжийн хослол юм. Зураг 1(b)-д үзүүлсэнчлэн, PLH TL хэлхээний загвар нь шунт индуктив ба цуваа багтаамжийн хослол юм. Практик хэрэглээнд PLH хэлхээг хэрэгжүүлэх боломжгүй юм. Энэ нь зайлшгүй паразит цуваа индуктив ба шунт багтаамжийн нөлөөллөөс үүдэлтэй юм. Тиймээс одоогоор хэрэгжиж болох зүүн гартай дамжуулах шугамын шинж чанарууд нь бүгд нийлмэл зүүн гартай ба баруун гартай бүтэцтэй бөгөөд Зураг 1(c)-д үзүүлсэн шиг байна.

Зураг 1 Дамжуулах шугамын хэлхээний янз бүрийн загварууд

Дамжуулах шугамын (TL) тархалтын тогтмол (γ)-г дараах байдлаар тооцоолно: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), энд Y ба Z нь тус тус нэвтрэлт ба импедансыг илэрхийлнэ. CRLH-TL-г харгалзан үзвэл Z ба Y-г дараах байдлаар илэрхийлж болно:

Нэг жигд CRLH TL нь дараах тархалтын хамааралтай байна:

Фазын тогтмол β нь цэвэр бодит тоо эсвэл цэвэр хуурмаг тоо байж болно. Хэрэв β нь давтамжийн хүрээнд бүрэн бодит бол γ=jβ нөхцлөөс шалтгаалан давтамжийн хүрээнд дамжуулах зурвас байна. Нөгөөтэйгүүр, хэрэв β нь давтамжийн хүрээнд цэвэр хуурмаг тоо бол γ=α нөхцлөөс шалтгаалан давтамжийн хүрээнд зогсоох зурвас байна. Энэ зогсоох зурвас нь CRLH-TL-д өвөрмөц бөгөөд PRH-TL эсвэл PLH-TL-д байдаггүй. Зураг 2 (a), (b), (c) нь PRH-TL, PLH-TL болон CRLH-TL-ийн тархалтын муруйг (өөрөөр хэлбэл ω - β хамаарлыг) тус тус харуулав. Тархалтын муруй дээр үндэслэн дамжуулах шугамын бүлгийн хурд (vg=∂ω/∂β) болон фазын хурдыг (vp=ω/β) гаргаж авч, тооцоолж болно. PRH-TL-ийн хувьд vg ба vp нь зэрэгцээ (өөрөөр хэлбэл vpvg>0) гэсэн муруйгаас дүгнэлт хийж болно. PLH-TL-ийн хувьд муруй нь vg ба vp нь параллель биш болохыг харуулж байна (өөрөөр хэлбэл, vpvg<0). CRLH-TL-ийн тархалтын муруй нь мөн LH муж (өөрөөр хэлбэл, vpvg < 0) ба RH муж (өөрөөр хэлбэл, vpvg > 0) байгааг харуулж байна. Зураг 2(c)-аас харахад CRLH-TL-ийн хувьд хэрэв γ нь цэвэр бодит тоо бол зогсолтын зурвас байна.

Зураг 2 Төрөл бүрийн дамжуулах шугамын тархалтын муруй

Ихэвчлэн CRLH-TL-ийн цуваа ба зэрэгцээ резонансууд өөр байдаг бөгөөд үүнийг тэнцвэргүй төлөв гэж нэрлэдэг. Гэсэн хэдий ч цуваа ба зэрэгцээ резонансын давтамжууд ижил байх үед үүнийг тэнцвэртэй төлөв гэж нэрлэдэг бөгөөд үүнээс үүссэн хялбаршуулсан эквивалент хэлхээний загварыг Зураг 3(a)-д үзүүлэв.

Зураг 3 Нийлмэл зүүн гартай 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 давтамжид CRLH-TL нь LH-ээр давамгайлдаг бол өндөр давтамжид CRLH-TL нь RH-ээр давамгайлдаг. Энэ нь CRLH-TL-ийн хос шинж чанарыг харуулж байна. Тэнцвэрт CRLH-TL тархалтын диаграммыг Зураг 3(b)-д үзүүлэв. Зураг 3(b)-д үзүүлсэнчлэн LH-ээс RH руу шилжих шилжилт дараах үед явагдана.

Энд ω0 нь шилжилтийн давтамж юм. Тиймээс тэнцвэржүүлсэн тохиолдолд LH-ээс RH руу жигд шилжилт явагдана, учир нь γ нь цэвэр хуурмаг тоо юм. Тиймээс тэнцвэржүүлсэн CRLH-TL тархалтын хувьд зогсоох зурвас байхгүй. Хэдийгээр β нь ω0 дээр тэг боловч (зааварласан долгионы урттай харьцуулахад хязгааргүй, өөрөөр хэлбэл λg=2π/|β|), долгион тархсаар байна, учир нь ω0 дээрх vg тэг биш юм. Үүнтэй адил ω0 дээр d урттай TL-ийн хувьд фазын шилжилт тэг байна (өөрөөр хэлбэл φ= - βd=0). Фазын урагшлалт (өөрөөр хэлбэл φ>0) нь 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 импедансыг дараах байдлаар тодорхойлно.

Энд ZL ба ZR нь тус тус PLH ба PRH импедансууд юм. Тэнцвэргүй тохиолдлын хувьд шинж чанарын импеданс нь давтамжаас хамаарна. Дээрх тэгшитгэл нь тэнцвэржүүлсэн тохиолдол нь давтамжаас хамааралгүй тул өргөн зурвасын өргөний тохиролтой байж болохыг харуулж байна. Дээрхээс гаргаж 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)) харгалзан дараах тэгшитгэлийг гаргаж авч болно.

Үүнтэй адилаар, 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 болон тэнцвэргүй CRLH-TL-ийн хугарлын илтгэгч (өөрөөр хэлбэл n = cβ/ω)-г Зураг 4-т үзүүлэв. Зураг 4-т CRLH-TL-ийн LH муж дахь хугарлын илтгэгч сөрөг, RH муж дахь хугарлын илтгэгч эерэг байна.

Зураг 4 Тэнцвэртэй болон тэнцвэргүй CRLH TL-ийн ердийн хугарлын илтгэгчид.

1. LC сүлжээ
Зураг 5(a)-д үзүүлсэн зурвасын дамжуулалтын LC эсүүдийг каскад хийснээр d уртын үр дүнтэй жигд байдалтай ердийн CRLH-TL-ийг үе үе эсвэл үе үе бус байдлаар барьж болно. Ерөнхийдөө CRLH-TL-ийг тооцоолох, үйлдвэрлэхэд хялбар байдлыг хангахын тулд хэлхээг үе үе хийх шаардлагатай. Зураг 1(c)-ийн загвартай харьцуулахад Зураг 5(a)-ийн хэлхээний эс нь хэмжээгүй бөгөөд физик урт нь хязгааргүй бага (өөрөөр хэлбэл Δz метрээр). Цахилгаан урт нь θ=Δφ (rad) гэж үзвэл LC эсийн фазыг илэрхийлж болно. Гэсэн хэдий ч хэрэглэсэн индуктив чанар болон багтаамжийг бодитоор хэрэгжүүлэхийн тулд физик урт p-ийг тогтоох шаардлагатай. Хэрэглээний технологийн сонголт (жишээлбэл, микро зурвас, копланар долгион хөтлүүр, гадаргуу дээр суурилуулах бүрэлдэхүүн хэсэг гэх мэт) нь LC эсийн физик хэмжээнд нөлөөлнө. Зураг 5(a)-ийн LC эс нь Зураг 1(c)-ийн нэмэгдэл загвартай төстэй бөгөөд түүний хязгаар нь p=Δz→0 байна. Зураг 5(b)-д үзүүлсэн p→0 жигд байдлын нөхцлийн дагуу d урттай идеал жигд CRLH-TL-тэй тэнцүү TL-г (LC эсүүдийг каскадлах замаар) байгуулж болох бөгөөд ингэснээр TL нь цахилгаан соронзон долгионд нэгэн жигд харагдана.

Зураг 5. LC сүлжээнд суурилсан CRLH TL.

LC эсийн хувьд Блох-Флогетийн теоремтой төстэй үечилсэн хил хязгаарын нөхцөл (PBC)-ийг харгалзан LC эсийн дисперсийн хамаарлыг баталж, дараах байдлаар илэрхийлнэ.

LC эсийн цуваа импеданс (Z) ба шунтын нэвтрэлт (Y)-ийг дараах тэгшитгэлээр тодорхойлно:

Нэгжийн LC хэлхээний цахилгаан урт нь маш бага тул Тейлорын ойролцооллыг дараах байдлаар олж авч болно.

2. Физик хэрэгжилт
Өмнөх хэсэгт CRLH-TL үүсгэх LC сүлжээг авч үзсэн. Ийм LC сүлжээг зөвхөн шаардлагатай багтаамж (CR ба CL) болон индуктив чанарыг (LR ба LL) үйлдвэрлэх боломжтой физик бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг нэвтрүүлснээр л хэрэгжүүлэх боломжтой. Сүүлийн жилүүдэд гадаргуугийн угсралтын технологи (SMT) чипийн бүрэлдэхүүн хэсгүүд эсвэл тархсан бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг ашиглах нь ихээхэн сонирхол татаж байна. Тархсан бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг хэрэгжүүлэхийн тулд микро зурвас, зурвас шугам, копланар долгион хөтлөгч эсвэл бусад ижил төстэй технологийг ашиглаж болно. SMT чип эсвэл тархсан бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг сонгохдоо анхаарах олон хүчин зүйл байдаг. SMT дээр суурилсан CRLH бүтэц нь шинжилгээ, дизайны хувьд илүү түгээмэл бөгөөд хэрэгжүүлэхэд хялбар байдаг. Энэ нь тархсан бүрэлдэхүүн хэсгүүдтэй харьцуулахад шинэчлэн засварлах, үйлдвэрлэх шаардлагагүй бэлэн SMT чипийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн бэлэн байдалтай холбоотой юм. Гэсэн хэдий ч SMT бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн бэлэн байдал нь тархай бутархай бөгөөд тэдгээр нь ихэвчлэн зөвхөн бага давтамжтайгаар (жишээ нь 3-6GHz) ажилладаг. Тиймээс SMT дээр суурилсан CRLH бүтэц нь хязгаарлагдмал ажиллах давтамжийн хүрээ болон тодорхой фазын шинж чанартай байдаг. Жишээлбэл, цацраг туяаны хэрэглээнд SMT чипийн бүрэлдэхүүн хэсгүүд боломжгүй байж магадгүй юм. Зураг 6-д CRLH-TL дээр суурилсан тархсан бүтцийг харуулав. Энэ бүтцийг хуруу хоорондын багтаамж ба богино залгааны шугамуудаар хэрэгжүүлж, LH-ийн цуваа багтаамж CL болон зэрэгцээ индуктив чанар LL-ийг тус тус үүсгэдэг. Шугам ба GND-ийн хоорондох багтаамжийг RH багтаамж CR гэж үздэг бөгөөд хуруу хоорондын бүтэц дэх гүйдлийн урсгалаар үүссэн соронзон урсгалаар үүссэн индуктив чанарыг RH индуктив чанар LR гэж үздэг.