Նորություններ - Մետամատերիալային փոխանցման գծի անտենաների վերանայում

I. Ներածություն
Մետամատերիալները կարելի է լավագույնս նկարագրել որպես արհեստականորեն նախագծված կառուցվածքներ, որոնք ստեղծում են որոշակի էլեկտրամագնիսական հատկություններ, որոնք բնականաբար գոյություն չունեն: Բացասական դիէլեկտրիկ թափանցելիությամբ և բացասական թափանցելիությամբ մետամատերիալները կոչվում են ձախլիկ մետամատերիալներ (ՁԴՄ): ՁԴՄ-ները լայնորեն ուսումնասիրվել են գիտական և ճարտարագիտական համայնքներում: 2003 թվականին ՁԴՄ-ները Science ամսագրի կողմից անվանվել են ժամանակակից դարաշրջանի տասը լավագույն գիտական հայտնագործություններից մեկը: ՁԴՄ-ների եզակի հատկությունները օգտագործելով մշակվել են նոր կիրառություններ, հայեցակարգեր և սարքեր: Էլեկտրահաղորդման գծի (ՓԳ) մոտեցումը արդյունավետ նախագծման մեթոդ է, որը կարող է նաև վերլուծել ՁԴՄ-ների սկզբունքները: Համեմատած ավանդական ՓԳ-ների հետ, մետամատերիալ ՓԳ-ների ամենակարևոր առանձնահատկությունը ՓԳ պարամետրերի (տարածման հաստատուն) և բնութագրական իմպեդանսի կառավարելիությունն է: Մետամատերիալ ՓԳ պարամետրերի կառավարելիությունը նոր գաղափարներ է տալիս ավելի կոմպակտ չափսերով, ավելի բարձր արդյունավետությամբ և նորարարական գործառույթներով անտենային կառուցվածքներ նախագծելու համար: Նկար 1 (ա), (բ) և (գ)-ում համապատասխանաբար ներկայացված են մաքուր աջակողմյան փոխանցման գծի (PRH), մաքուր ձախակողմյան փոխանցման գծի (PLH) և կոմպոզիտային ձախ-աջակողմյան փոխանցման գծի (CRLH) անկորուստ շղթայի մոդելները: Ինչպես ցույց է տրված նկար 1 (ա)-ում, PRH TL համարժեք շղթայի մոդելը սովորաբար հաջորդական ինդուկտիվության և շունտային տարողունակության համադրություն է: Ինչպես ցույց է տրված նկար 1 (բ)-ում, PLH TL շղթայի մոդելը շունտային ինդուկտիվության և հաջորդական տարողունակության համադրություն է: Գործնական կիրառություններում PLH շղթայի իրականացումը հնարավոր չէ: Սա պայմանավորված է անխուսափելի պարազիտային հաջորդական ինդուկտիվության և շունտային տարողունակության էֆեկտներով: Հետևաբար, ձախակողմյան փոխանցման գծի բնութագրերը, որոնք ներկայումս կարող են իրականացվել, բոլորը կոմպոզիտային ձախակողմյան և աջակողմյան կառուցվածքներ են, ինչպես ցույց է տրված նկար 1 (գ)-ում:

Նկար 1. Տարբեր փոխանցման գծերի սխեմաների մոդելներ

Էլեկտրահաղորդման գծի (ԷԳ) տարածման հաստատունը (γ) հաշվարկվում է հետևյալ կերպ՝ γ=α+jβ=Sqrt(ZY), որտեղ Y-ը և Z-ը համապատասխանաբար ներկայացնում են ադմիտանսը և իմպեդանսը: Հաշվի առնելով CRLH-TL-ը, Z-ը և Y-ը կարող են արտահայտվել հետևյալ կերպ՝

Միատարր CRLH TL-ն կունենա հետևյալ դիսպերսիայի կապը՝

Փուլային հաստատուն β-ն կարող է լինել զուտ իրական կամ զուտ կեղծ թիվ։ Եթե β-ն լիովին իրական է հաճախականության տիրույթում, ապա հաճախականության տիրույթում կա անցման գոտի՝ γ=jβ պայմանի պատճառով։ Մյուս կողմից, եթե β-ն զուտ կեղծ թիվ է հաճախականության տիրույթում, ապա հաճախականության տիրույթում կա կանգառի գոտի՝ γ=α պայմանի պատճառով։ Այս կանգառի գոտին յուրահատուկ է CRLH-TL-ին և գոյություն չունի PRH-TL-ում կամ PLH-TL-ում։ Նկար 2 (ա), (բ) և (գ)-ում համապատասխանաբար ներկայացված են PRH-TL, PLH-TL և CRLH-TL դիսպերսիայի կորերը (այսինքն՝ ω - β հարաբերությունը)։ Դիսպերսիայի կորերի հիման վրա կարելի է ստանալ և գնահատել փոխանցման գծի խմբային արագությունը (vg=∂ω/∂β) և փուլային արագությունը (vp=ω/β)։ PRH-TL-ի համար կորից կարելի է նաև եզրակացնել, որ vg-ն և vp-ն զուգահեռ են (այսինքն՝ vpvg>0)։ PLH-TL-ի համար կորը ցույց է տալիս, որ vg-ն և vp-ն զուգահեռ չեն (այսինքն՝ vpvg<0): CRLH-TL-ի դիսպերսիայի կորը նաև ցույց է տալիս LH շրջանի (այսինքն՝ vpvg < 0) և RH շրջանի (այսինքն՝ vpvg > 0) գոյությունը: Ինչպես երևում է նկար 2(c)-ից, CRLH-TL-ի համար, եթե γ-ն մաքուր իրական թիվ է, ապա գոյություն ունի կանգառի գոտի:

Նկար 2. Տարբեր փոխանցման գծերի դիսպերսիայի կորերը

Սովորաբար, CRLH-TL-ի հաջորդական և զուգահեռ ռեզոնանսները տարբեր են, ինչը կոչվում է անհավասարակշիռ վիճակ: Սակայն, երբ հաջորդական և զուգահեռ ռեզոնանսային հաճախականությունները նույնն են, դա կոչվում է հավասարակշռված վիճակ, և արդյունքում ստացված պարզեցված համարժեք սխեմայի մոդելը ներկայացված է նկար 3(ա)-ում:

Նկար 3. Կոմպոզիտային ձախակողմյան փոխանցման գծի սխեմատիկ մոդելը և դիսպերսիայի կորը

Հաճախականության աճին զուգընթաց CRLH-TL-ի դիսպերսիայի բնութագրերը աստիճանաբար աճում են։ Դա պայմանավորված է նրանով, որ փուլային արագությունը (այսինքն՝ vp=ω/β) ավելի ու ավելի է կախված դառնում հաճախականությունից։ Ցածր հաճախականություններում CRLH-TL-ում գերակշռում է LH-ը, մինչդեռ բարձր հաճախականություններում CRLH-TL-ում գերակշռում է RH-ը։ Սա պատկերում է CRLH-TL-ի երկակի բնույթը։ CRLH-TL հավասարակշռության դիսպերսիայի դիագրամը ներկայացված է նկար 3(բ)-ում։ Ինչպես ցույց է տրված նկար 3(բ)-ում, LH-ից RH անցումը տեղի է ունենում հետևյալ ժամանակներում.

Որտեղ ω0-ը անցման հաճախականությունն է։ Հետևաբար, հավասարակշռված դեպքում, LH-ից RH տեղի է ունենում հարթ անցում, քանի որ γ-ն զուտ կեղծ թիվ է։ Հետևաբար, հավասարակշռված CRLH-TL դիսպերսիայի համար չկա կանգառի գոտի։ Չնայած β-ն զրո է ω0-ում (անվերջ է ուղղորդվող ալիքի երկարության նկատմամբ, այսինքն՝ λg=2π/|β|), ալիքը դեռևս տարածվում է, քանի որ vg-ն ω0-ում զրո չէ։ Նմանապես, ω0-ում, d երկարության TL-ի համար փուլային տեղաշարժը զրո է (այսինքն՝ φ= - βd=0)։ Փուլային առաջխաղացումը (այսինքն՝ φ>0) տեղի է ունենում LH հաճախականության տիրույթում (այսինքն՝ ω<ω0), իսկ փուլային հետընթացը (այսինքն՝ φ<0) տեղի է ունենում RH հաճախականության տիրույթում (այսինքն՝ ω>ω0)։ CRLH TL-ի համար բնութագրական իմպեդանսը նկարագրվում է հետևյալ կերպ.

Որտեղ ZL-ը և ZR-ը համապատասխանաբար PLH և PRH իմպեդանսներն են։ Անհավասարակշիռ դեպքի համար բնութագրական իմպեդանսը կախված է հաճախականությունից։ Վերոնշյալ հավասարումը ցույց է տալիս, որ հավասարակշռված դեպքը անկախ է հաճախականությունից, ուստի այն կարող է ունենալ լայն թողունակության համապատասխանություն։ Վերոնշյալ TL հավասարումը նման է CRLH նյութը սահմանող կազմավոր պարամետրերին։ TL-ի տարածման հաստատունը γ=jβ=Sqrt(ZY) է։ Տրված նյութի տարածման հաստատունը (β=ω x Sqrt(εμ)), կարելի է ստանալ հետևյալ հավասարումը.

Նմանապես, TL-ի բնութագրական իմպեդանսը, այսինքն՝ Z0=Sqrt(ZY), նման է նյութի բնութագրական իմպեդանսին, այսինքն՝ η=Sqrt(μ/ε), որը արտահայտվում է հետևյալ կերպ՝

Հավասարակշռված և անհավասարակշիռ CRLH-TL-ի բեկման ցուցիչը (այսինքն՝ n = cβ/ω) ներկայացված է նկար 4-ում: Նկար 4-ում CRLH-TL-ի բեկման ցուցիչը LH տիրույթում բացասական է, իսկ RH տիրույթում՝ դրական:

Նկ. 4 Հավասարակշռված և անհավասարակշիռ CRLH TL-ների բնորոշ ռեֆրակցիայի ցուցիչները:

1. LC ցանց
Նկար 5(a)-ում պատկերված գոտիական անցման LC բջիջները կասկադավորելով՝ կարելի է պարբերաբար կամ ոչ պարբերական կերպով կառուցել d երկարության արդյունավետ միատարրությամբ տիպիկ CRLH-TL: Ընդհանուր առմամբ, CRLH-TL-ի հաշվարկման և արտադրության հարմարավետությունն ապահովելու համար սխեման պետք է լինի պարբերական: Նկար 1(c)-ի մոդելի համեմատ, Նկար 5(a)-ի սխեմայի բջիջը չափ չունի, և ֆիզիկական երկարությունը անսահման փոքր է (այսինքն՝ Δz մետրերով): Հաշվի առնելով դրա էլեկտրական երկարությունը θ=Δφ (rad), կարելի է արտահայտել LC բջիջի փուլը: Այնուամենայնիվ, կիրառվող ինդուկտիվությունն ու տարողունակությունը իրականում իրականացնելու համար անհրաժեշտ է սահմանել p ֆիզիկական երկարություն: Կիրառման տեխնոլոգիայի ընտրությունը (օրինակ՝ միկրոշերտ, համահարթ ալիքատար, մակերեսային ամրացման բաղադրիչներ և այլն) կազդի LC բջիջի ֆիզիկական չափի վրա: Նկար 5(a)-ի LC բջիջը նման է Նկար 1(c)-ի աճող մոդելին, և դրա սահմանը p=Δz→0 է: Նկար 5(բ)-ում ներկայացված միատարրության p→0 պայմանի համաձայն, կարելի է կառուցել TL (LC բջիջների կասկադային միաձուլմամբ), որը համարժեք է d երկարությամբ իդեալական միատարր CRLH-TL-ին, այնպես որ TL-ն միատարր է թվում էլեկտրամագնիսական ալիքների նկատմամբ։

Նկար 5. CRLH TL-ն՝ հիմնված LC ցանցի վրա։

LC բջջի համար, Բլոխ-Ֆլոկեի թեորեմին նման պարբերական սահմանային պայմանները (PBC) դիտարկելով, LC բջջի դիսպերսիայի կապը ապացուցվում և արտահայտվում է հետևյալ կերպ.

LC բջիջի հաջորդական իմպեդանսը (Z) և շունտային ադմիտանսը (Y) որոշվում են հետևյալ հավասարումներով.

Քանի որ միավորային LC սխեմայի էլեկտրական երկարությունը շատ փոքր է, Թեյլորի մոտավորությունը կարող է օգտագործվել՝ ստանալու համար՝

2. Ֆիզիկական իրականացում
Նախորդ բաժնում քննարկվել է CRLH-TL ստեղծելու համար նախատեսված LC ցանցը: Նման LC ցանցերը կարող են իրականացվել միայն այնպիսի ֆիզիկական բաղադրիչների ընդունմամբ, որոնք կարող են ստեղծել անհրաժեշտ տարողունակություն (CR և CL) և ինդուկտիվություն (LR և LL): Վերջին տարիներին մակերեսային մոնտաժի տեխնոլոգիայի (SMT) չիպային բաղադրիչների կամ բաշխված բաղադրիչների կիրառումը մեծ հետաքրքրություն է առաջացրել: Բաշխված բաղադրիչներ ստեղծելու համար կարող են օգտագործվել միկրոշերտային, շերտավոր, համահարթ ալիքատար կամ այլ նմանատիպ տեխնոլոգիաներ: SMT չիպեր կամ բաշխված բաղադրիչներ ընտրելիս հաշվի առնելու բազմաթիվ գործոններ կան: SMT-ի վրա հիմնված CRLH կառուցվածքները ավելի տարածված են և ավելի հեշտ են ներդրվում վերլուծության և նախագծման առումով: Դա պայմանավորված է պատրաստի SMT չիպային բաղադրիչների առկայությամբ, որոնք, համեմատած բաշխված բաղադրիչների, վերանորոգման և արտադրության կարիք չունեն: Այնուամենայնիվ, SMT բաղադրիչների առկայությունը ցրված է, և դրանք սովորաբար աշխատում են միայն ցածր հաճախականություններում (այսինքն՝ 3-6 ԳՀց): Հետևաբար, SMT-ի վրա հիմնված CRLH կառուցվածքներն ունեն սահմանափակ աշխատանքային հաճախականության տիրույթներ և որոշակի փուլային բնութագրեր: Օրինակ, ճառագայթային կիրառություններում SMT չիպային բաղադրիչները կարող են անիրագործելի լինել: Նկար 6-ը ցույց է տալիս CRLH-TL-ի վրա հիմնված բաշխված կառուցվածքը: Կառուցվածքը իրականացվում է միջթվային տարողունակության և կարճ միացման գծերի միջոցով, որոնք համապատասխանաբար կազմում են LH-ի հաջորդական տարողունակությունը CL և զուգահեռ ինդուկտիվությունը LL: Գծի և GND-ի միջև տարողունակությունը ենթադրվում է, որ RH տարողունակությունը CR է, իսկ միջթվային կառուցվածքում հոսանքի հոսքի կողմից առաջացած մագնիսական հոսքի կողմից առաջացած ինդուկտիվությունը ենթադրվում է, որ RH ինդուկտիվությունը LR է: