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'e) genoem. LHM's is omvattend bestudeer in die wetenskaplike en ingenieursgemeenskappe. In 2003 is LHM's deur die tydskrif Science aangewys as een van die top tien wetenskaplike deurbrake van die kontemporêre era. Nuwe toepassings, konsepte en toestelle is ontwikkel deur die unieke eienskappe van LHM's te ontgin. Die transmissielyn (TL) benadering is 'n effektiewe ontwerpmetode wat ook die beginsels van LHM'e 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-baanmodel 'n kombinasie van shunt-induktansie en seriekapasitansie. In praktiese toepassings is dit nie haalbaar om 'n PLH-stroombaan te implementeer nie. Dit is as gevolg van die onvermydelike parasitiese reeks induktansie en shunt kapasitansie effekte. Daarom is die kenmerke van die linkshandige transmissielyn wat tans gerealiseer kan word almal saamgestelde linkshandige en regshandige strukture, soos getoon in Figuur 1(c).
Figuur 1 Verskillende transmissielynbaanmodelle
Die voortplantingskonstante (γ) van die transmissielyn (TL) word bereken as: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), waar Y en Z onderskeidelik admittansie en impedansie verteenwoordig. Met inagneming van CRLH-TL, kan Z en Y uitgedruk word as:
'n Eenvormige CRLH TL sal die volgende verspreidingsverhouding hê:
Die fasekonstante β kan 'n suiwer reële getal of 'n suiwer denkbeeldige getal wees. As β heeltemal reëel binne 'n frekwensiereeks is, is daar 'n deurlaatband binne die frekwensiereeks as gevolg van die toestand γ=jβ. Aan die ander kant, as β 'n suiwer denkbeeldige getal binne 'n frekwensiereeks is, is daar 'n stopband binne die frekwensiereeks as gevolg van die toestand 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 verspreidingskrommes (dws die ω - β-verwantskap) van onderskeidelik PRH-TL, PLH-TL en CRLH-TL. Gebaseer op die verspreidingskrommes, kan die groepsnelheid (vg=∂ω/∂β) en fasesnelheid (vp=ω/β) van die transmissielyn afgelei en beraam word. Vir PRH-TL kan daar ook uit die kromme afgelei word dat vg en vp parallel is (dws vpvg>0). Vir PLH-TL wys die kromme dat vg en vp nie parallel is nie (dws vpvg<0). Die verspreidingskurwe van CRLH-TL toon ook die bestaan van LH-gebied (dws vpvg < 0) en RH-gebied (dws vpvg > 0). Soos gesien kan word uit Figuur 2(c), vir CRLH-TL, as γ 'n suiwer reële getal is, is daar 'n stopband.
Figuur 2 Dispersiekurwes van verskillende transmissielyne
Gewoonlik is die reeks- en parallelle resonansies van 'n CRLH-TL verskillend, wat 'n ongebalanseerde toestand genoem word. Wanneer die reeks- 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 verspreidingskromme van saamgestelde linkshandige transmissielyn
Soos die frekwensie toeneem, neem die verspreidingseienskappe van CRLH-TL geleidelik toe. Dit is omdat die fasesnelheid (dws vp=ω/β) toenemend afhanklik word van frekwensie. By lae frekwensies word CRLH-TL deur LH oorheers, terwyl CRLH-TL by hoë frekwensies deur RH oorheers word. Dit beeld die dubbele aard van CRLH-TL uit. Die ewewig CRLH-TL dispersiediagram word in Figuur 3(b) getoon. Soos getoon in Figuur 3(b), vind die oorgang van LH na RH plaas by:
Waar ω0 die oorgangsfrekwensie is. Daarom vind 'n gladde oorgang in die gebalanseerde geval van LH na RH plaas omdat γ 'n suiwer denkbeeldige getal is. Daarom is daar geen stopband vir die gebalanseerde CRLH-TL-verspreiding nie. Alhoewel β nul is by ω0 (oneindig relatief tot die geleide golflengte, maw λg=2π/|β|), gaan die golf steeds voort omdat vg by ω0 nie nul is nie. Net so, by ω0, is die faseverskuiwing nul vir 'n TL met lengte d (dws φ= - βd=0). Die faseverskuiwing (dws, φ>0) vind plaas in die LH-frekwensiereeks (dws, ω<ω0), en die fasevertraging (dws, φ<0) vind plaas in die RH-frekwensiereeks (dws, 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-passing hê. Die TL-vergelyking hierbo afgelei 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, dws Z0=Sqrt(ZY), soortgelyk aan die kenmerkende impedansie van die materiaal, dws η=Sqrt(μ/ε), wat uitgedruk word as:
Die brekingsindeks van gebalanseerde en ongebalanseerde CRLH-TL (dws 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 omvang is positief.
Fig. 4 Tipiese brekingsindekse van gebalanseerde en ongebalanseerde CRLH TL's.
1. LC netwerk
Deur die banddeurlaat LC-selle wat in Figuur 5(a) getoon word, te kaskade, kan 'n tipiese CRLH-TL met effektiewe eenvormigheid van lengte d periodiek of nie-periodiek gekonstrueer 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 (dws Δz in meter). Met inagneming van sy elektriese lengte θ=Δφ (rad), kan die fase van die LC-sel uitgedruk word. Om egter die toegepaste induktansie en kapasitansie werklik te realiseer, moet 'n fisiese lengte p vasgestel word. Die keuse van toepassingstegnologie (soos mikrostrook, koplanêre golfleier, 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 sy limiet p=Δz→0. Volgens die eenvormigheidsvoorwaarde p→0 in Figuur 5(b), kan 'n TL gekonstrueer word (deur LC-selle te kaskade) wat gelykstaande is aan 'n ideale uniforme CRLH-TL met lengte d, sodat die TL eenvormig lyk vir elektromagnetiese golwe.
Figuur 5 CRLH TL gebaseer op LC netwerk.
Vir die LC-sel, met inagneming van periodieke grenstoestande (PBC's) soortgelyk aan die Bloch-Floquet-stelling, word die verspreidingsverwantskap van die LC-sel bewys en soos volg uitgedruk:
Die reeksimpedansie (Z) en shuntadmittansie (Y) van die LC-sel word deur die volgende vergelykings bepaal:
Aangesien die elektriese lengte van die eenheid LC-stroombaan baie klein is, kan Taylor-benadering gebruik word om 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 (SBS)-skyfiekomponente of verspreide komponente groot belangstelling gelok. Mikrostrook, strooklyn, koplanêre golfleier of ander soortgelyke tegnologieë kan gebruik word om verspreide komponente te realiseer. Daar is baie faktore om in ag te neem wanneer u SBS-skyfies of verspreide komponente kies. SBS-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 SBS-skyfiekomponente wat van die rak af is, wat nie hermodellering en vervaardiging vereis in vergelyking met verspreide komponente nie. Die beskikbaarheid van SBS-komponente is egter verspreid, en hulle werk gewoonlik net teen lae frekwensies (dws 3-6GHz). Daarom het SBS-gebaseerde CRLH-strukture beperkte bedryfsfrekwensiereekse en spesifieke fase-eienskappe. Byvoorbeeld, in uitstralende toepassings is SBS-skyfiekomponente moontlik 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 aanvaar 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 aanvaar as die RH induktansie LR.
Figuur 6 Eendimensionele mikrostrook CRLH TL wat bestaan uit interdigitale kapasitors en kortlyn-induktors.
Om meer te wete te kom oor antennas, besoek asseblief:
Postyd: Aug-23-2024
