Nuus - 'n Oorsig van Metamateriaal Transmissielyn Antennas

I. Inleiding
Metamateriale kan die beste beskryf word as kunsmatig ontwerpte strukture om sekere elektromagnetiese eienskappe te produseer wat nie natuurlik bestaan nie. Metamateriale met negatiewe permittiwiteit en negatiewe deurlaatbaarheid word linkshandige metamateriale (LHM's) genoem. LHM's is breedvoerig bestudeer in die wetenskaplike en ingenieursgemeenskappe. In 2003 is LHM's deur Science-tydskrif as een van die top tien wetenskaplike deurbrake van die kontemporêre era aangewys. Nuwe toepassings, konsepte en toestelle is ontwikkel deur die unieke eienskappe van LHM's te benut. Die transmissielyn (TL)-benadering is 'n effektiewe ontwerpmetode wat ook die beginsels van LHM's kan analiseer. In vergelyking met tradisionele TL's, is die belangrikste kenmerk van metamateriaal-TL's die beheerbaarheid van TL-parameters (voortplantingskonstante) en kenmerkende impedansie. Die beheerbaarheid van metamateriaal-TL-parameters bied nuwe idees vir die ontwerp van antennastrukture met meer kompakte grootte, hoër werkverrigting en nuwe funksies. Figuur 1 (a), (b) en (c) toon die verlieslose stroombaanmodelle van suiwer regshandige transmissielyn (PRH), suiwer linkshandige transmissielyn (PLH) en saamgestelde links-regshandige transmissielyn (CRLH), onderskeidelik. Soos getoon in Figuur 1(a), is die PRH TL-ekwivalente stroombaanmodel gewoonlik 'n kombinasie van serie-induktansie en shuntkapasitansie. Soos getoon in Figuur 1(b), is die PLH TL-stroombaanmodel 'n kombinasie van shunt-induktansie en serie-kapasitansie. In praktiese toepassings is dit nie haalbaar om 'n PLH-stroombaan te implementeer nie. Dit is as gevolg van die onvermydelike parasitiese serie-induktansie en shuntkapasitansie-effekte. Daarom is die eienskappe van die linkshandige transmissielyn wat tans gerealiseer kan word, alles saamgestelde linkshandige en regshandige strukture, soos getoon in Figuur 1(c).

Figuur 1 Verskillende transmissielynstroombaanmodelle

Die voortplantingskonstante (γ) van die transmissielyn (TL) word bereken as: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), waar Y en Z onderskeidelik admittansie en impedansie verteenwoordig. As ons CRLH-TL in ag neem, kan Z en Y uitgedruk word as:

'n Uniforme CRLH TL sal die volgende dispersieverhouding hê:

Die fasekonstante β kan 'n suiwer reële getal of 'n suiwer imaginêre getal wees. As β heeltemal reëel binne 'n frekwensiebereik is, is daar 'n deurlaatband binne die frekwensiebereik as gevolg van die voorwaarde γ=jβ. Aan die ander kant, as β 'n suiwer imaginêre getal binne 'n frekwensiebereik is, is daar 'n stopband binne die frekwensiebereik as gevolg van die voorwaarde γ=α. Hierdie stopband is uniek aan CRLH-TL en bestaan nie in PRH-TL of PLH-TL nie. Figure 2 (a), (b) en (c) toon die dispersiekurwes (d.w.s. die ω - β-verhouding) van onderskeidelik PRH-TL, PLH-TL en CRLH-TL. Gebaseer op die dispersiekurwes kan die groepsnelheid (vg=∂ω/∂β) en fasesnelheid (vp=ω/β) van die transmissielyn afgelei en geskat word. Vir PRH-TL kan ook uit die kurwe afgelei word dat vg en vp parallel is (d.w.s. vpvg>0). Vir PLH-TL toon die kurwe dat vg en vp nie parallel is nie (d.w.s. vpvg<0). Die dispersiekurwe van CRLH-TL toon ook die bestaan van die LH-gebied (d.w.s. vpvg < 0) en die RH-gebied (d.w.s. vpvg > 0). Soos gesien kan word in Figuur 2(c), vir CRLH-TL, as γ 'n suiwer reële getal is, is daar 'n stopband.

Figuur 2 Dispersiekrommes van verskillende transmissielyne

Gewoonlik is die serie- en parallelle resonansies van 'n CRLH-TL verskillend, wat 'n ongebalanseerde toestand genoem word. Wanneer die serie- en parallelle resonansiefrekwensies egter dieselfde is, word dit 'n gebalanseerde toestand genoem, en die gevolglike vereenvoudigde ekwivalente stroombaanmodel word in Figuur 3(a) getoon.

Figuur 3 Kringmodel en verspreidingskurwe van saamgestelde linkshandige transmissielyn

Soos die frekwensie toeneem, neem die dispersie-eienskappe van CRLH-TL geleidelik toe. Dit is omdat die fasesnelheid (d.w.s. vp=ω/β) toenemend afhanklik word van frekwensie. By lae frekwensies word CRLH-TL oorheers deur LH, terwyl by hoë frekwensies CRLH-TL oorheers word deur RH. Dit beeld die dubbele aard van CRLH-TL uit. Die ewewigs-CRLH-TL-dispersiediagram word in Figuur 3(b) getoon. Soos in Figuur 3(b) getoon, vind die oorgang van LH na RH plaas by:

Waar ω0 die oorgangsfrekwensie is. Daarom vind daar in die gebalanseerde geval 'n gladde oorgang van LH na RH plaas omdat γ 'n suiwer imaginêre getal is. Daarom is daar geen stopband vir die gebalanseerde CRLH-TL-dispersie nie. Alhoewel β nul is by ω0 (oneindig relatief tot die begeleide golflengte, d.w.s. λg=2π/|β|), propageer die golf steeds omdat vg by ω0 nie nul is nie. Net so, by ω0, is die faseverskuiwing nul vir 'n TL van lengte d (d.w.s. φ= - βd=0). Die fasevordering (d.w.s. φ>0) vind plaas in die LH-frekwensiebereik (d.w.s. ω<ω0), en die fasevertraging (d.w.s. φ<0) vind plaas in die RH-frekwensiebereik (d.w.s. ω>ω0). Vir 'n CRLH TL word die kenmerkende impedansie soos volg beskryf:

Waar ZL en ZR onderskeidelik die PLH- en PRH-impedansies is. Vir die ongebalanseerde geval hang die kenmerkende impedansie af van die frekwensie. Die bogenoemde vergelyking toon dat die gebalanseerde geval onafhanklik van frekwensie is, dus kan dit 'n wye bandwydte-ooreenstemming hê. Die TL-vergelyking wat hierbo afgelei is, is soortgelyk aan die konstitutiewe parameters wat die CRLH-materiaal definieer. Die voortplantingskonstante van TL is γ=jβ=Sqrt(ZY). Gegewe die voortplantingskonstante van die materiaal (β=ω x Sqrt(εμ)), kan die volgende vergelyking verkry word:

Net so is die kenmerkende impedansie van TL, d.w.s. Z0=Sqrt(ZY), soortgelyk aan die kenmerkende impedansie van die materiaal, d.w.s. η=Sqrt(μ/ε), wat uitgedruk word as:

Die brekingsindeks van gebalanseerde en ongebalanseerde CRLH-TL (d.w.s. n = cβ/ω) word in Figuur 4 getoon. In Figuur 4 is die brekingsindeks van die CRLH-TL in sy LH-reeks negatief en die brekingsindeks in sy RH-reeks positief.

Fig. 4 Tipiese brekingsindekse van gebalanseerde en ongebalanseerde CRLH TL'e.

1. LC-netwerk
Deur die banddeurlaat-LC-selle wat in Figuur 5(a) getoon word, te kaskadeer, kan 'n tipiese CRLH-TL met effektiewe eenvormigheid van lengte d periodiek of nie-periodiek gebou word. Oor die algemeen, om die gerief van berekening en vervaardiging van CRLH-TL te verseker, moet die stroombaan periodiek wees. In vergelyking met die model van Figuur 1(c), het die stroombaansel van Figuur 5(a) geen grootte nie en die fisiese lengte is oneindig klein (d.w.s. Δz in meter). As die elektriese lengte θ=Δφ (rad) in ag geneem word, kan die fase van die LC-sel uitgedruk word. Om die toegepaste induktansie en kapasitansie egter werklik te realiseer, moet 'n fisiese lengte p vasgestel word. Die keuse van toepassingstegnologie (soos mikrostrip, koplanêre golfgeleier, oppervlakmonteringskomponente, ens.) sal die fisiese grootte van die LC-sel beïnvloed. Die LC-sel van Figuur 5(a) is soortgelyk aan die inkrementele model van Figuur 1(c), en die limiet p=Δz→0. Volgens die uniformiteitsvoorwaarde p→0 in Figuur 5(b), kan 'n TL gekonstrueer word (deur LC-selle te kaskadeer) wat gelykstaande is aan 'n ideale uniforme CRLH-TL met lengte d, sodat die TL uniform voorkom vir elektromagnetiese golwe.

Figuur 5 CRLH TL gebaseer op LC-netwerk.

Vir die LC-sel, met inagneming van periodieke randvoorwaardes (PBC's) soortgelyk aan die Bloch-Floquet-stelling, word die dispersieverhouding van die LC-sel bewys en soos volg uitgedruk:

Die serie-impedansie (Z) en shunt-admittansie (Y) van die LC-sel word deur die volgende vergelykings bepaal:

Aangesien die elektriese lengte van die eenheids-LC-stroombaan baie klein is, kan Taylor-benadering gebruik word om die volgende te verkry:

2. Fisiese Implementering
In die vorige afdeling is die LC-netwerk om CRLH-TL te genereer bespreek. Sulke LC-netwerke kan slegs gerealiseer word deur fisiese komponente aan te neem wat die vereiste kapasitansie (CR en CL) en induktansie (LR en LL) kan produseer. In onlangse jare het die toepassing van oppervlakmonteringstegnologie (SMT) skyfiekomponente of verspreide komponente groot belangstelling gewek. Mikrostrip, strooklyn, koplanêre golfgids of ander soortgelyke tegnologieë kan gebruik word om verspreide komponente te realiseer. Daar is baie faktore om te oorweeg wanneer SMT-skyfies of verspreide komponente gekies word. SMT-gebaseerde CRLH-strukture is meer algemeen en makliker om te implementeer in terme van analise en ontwerp. Dit is as gevolg van die beskikbaarheid van standaard SMT-skyfiekomponente, wat nie hermodellering en vervaardiging benodig in vergelyking met verspreide komponente nie. Die beskikbaarheid van SMT-komponente is egter verspreid, en hulle werk gewoonlik slegs teen lae frekwensies (d.w.s. 3-6 GHz). Daarom het SMT-gebaseerde CRLH-strukture beperkte bedryfsfrekwensiebereike en spesifieke fase-eienskappe. Byvoorbeeld, in stralende toepassings is SMT-skyfiekomponente dalk nie haalbaar nie. Figuur 6 toon 'n verspreide struktuur gebaseer op CRLH-TL. Die struktuur word gerealiseer deur interdigitale kapasitansie- en kortsluitlyne, wat onderskeidelik die seriekapasitansie CL en parallelle induktansie LL van LH vorm. Die kapasitansie tussen die lyn en GND word aangeneem as die RH-kapasitansie CR, en die induktansie wat gegenereer word deur die magnetiese vloed wat gevorm word deur die stroomvloei in die interdigitale struktuur word aangeneem as die RH-induktansie LR.