I. Ներածություն
Մետանյութերը լավագույնս կարելի է բնութագրել որպես արհեստականորեն նախագծված կառույցներ՝ արտադրելու որոշակի էլեկտրամագնիսական հատկություններ, որոնք բնականաբար գոյություն չունեն: Բացասական թույլատրելիությամբ և բացասական թափանցելիությամբ մետանյութերը կոչվում են ձախակողմյան մետանյութեր (LHMs): LHM-ները լայնորեն ուսումնասիրվել են գիտական և ինժեներական համայնքներում: 2003 թվականին LHM-ները Science ամսագրի կողմից դասվել են ժամանակակից դարաշրջանի լավագույն գիտական հայտնագործությունների տասնյակում: Նոր հավելվածներ, հասկացություններ և սարքեր են մշակվել՝ օգտագործելով LHM-ների յուրահատուկ հատկությունները: Հաղորդման գծի (TL) մոտեցումը արդյունավետ նախագծման մեթոդ է, որը կարող է նաև վերլուծել LHM-ների սկզբունքները: Համեմատած ավանդական TL-ների հետ, մետամատերիալ TL-ների ամենակարևոր առանձնահատկությունը TL պարամետրերի կառավարելիությունն է (տարածման հաստատուն) և բնորոշ դիմադրությունը: Մետամատերիալ TL պարամետրերի վերահսկելիությունը նոր գաղափարներ է տալիս ավելի կոմպակտ չափերով, ավելի բարձր կատարողականությամբ և նոր գործառույթներով ալեհավաքների կառուցվածքների նախագծման համար: Նկար 1 (ա), (բ) և (գ) ցույց են տալիս մաքուր աջակողմյան հաղորդման գծի (PRH), մաքուր ձախակողմյան հաղորդման գծի (PLH) և կոմպոզիտային ձախից աջակողմյան հաղորդման գծի անկորուստ շղթայի մոդելները ( CRLH), համապատասխանաբար: Ինչպես ցույց է տրված Նկար 1(ա)-ում, PRH TL համարժեք շղթայի մոդելը սովորաբար շարքային ինդուկտիվության և շունտային հզորության համակցություն է: Ինչպես ցույց է տրված Նկար 1(բ)-ում, PLH TL շղթայի մոդելը շունտային ինդուկտիվության և սերիայի հզորության համակցություն է: Գործնական կիրառություններում հնարավոր չէ իրականացնել PLH միացում: Դա պայմանավորված է մակաբույծային շարքի անխուսափելի ինդուկտիվության և շանթային հզորության ազդեցություններով: Հետևաբար, ձախակողմյան հաղորդման գծի բնութագրերը, որոնք կարող են իրականացվել ներկայումս, բոլորը բաղադրյալ ձախ և աջակողմյան կառույցներ են, ինչպես ցույց է տրված Նկար 1(գ)-ում:
Նկար 1 Տարբեր հաղորդման գծերի շղթայի մոդելներ
Հաղորդման գծի (TL) տարածման հաստատունը (γ) հաշվարկվում է հետևյալ կերպ. γ=α+jβ=Sqrt(ZY), որտեղ Y-ը և Z-ը համապատասխանաբար ներկայացնում են թույլատրելիություն և դիմադրություն: Հաշվի առնելով CRLH-TL-ը, Z և Y-ը կարող են արտահայտվել հետևյալ կերպ.
Միատեսակ CRLH TL-ն կունենա հետևյալ դիսպերսիայի կապը.
β փուլային հաստատունը կարող է լինել զուտ իրական կամ զուտ երևակայական թիվ։ Եթե β-ն ամբողջովին իրական է հաճախականության տիրույթում, ապա հաճախությունների տիրույթում գոյություն ունի անցողիկ գոտի՝ պայմանավորված γ=jβ պայմանով: Մյուս կողմից, եթե β-ն զուտ երևակայական թիվ է հաճախականության տիրույթում, ապա հաճախականության տիրույթում կա կանգառի գոտի՝ պայմանավորված γ=α պայմանով: Այս կանգառը եզակի է CRLH-TL-ի համար և գոյություն չունի PRH-TL-ում կամ PLH-TL-ում: Նկար 2 (ա), (բ) և (գ) ցույց են տալիս համապատասխանաբար PRH-TL, PLH-TL և CRLH-TL դիսպերսիայի կորերը (այսինքն, ω - β հարաբերությունները): Ելնելով դիսպերսիայի կորերից՝ կարող են ստացվել և գնահատվել էլեկտրահաղորդման գծի խմբի արագությունը (vg=∂ω/∂β) և փուլային արագությունը (vp=ω/β): PRH-TL-ի համար կորից կարելի է նաև եզրակացնել, որ vg-ը և vp-ը 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 ցրման կորը ցույց է տալիս նաև 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-ը մաքուր իրական թիվ է, կա կանգառի գոտի:
Նկար 2 Տարբեր էլեկտրահաղորդման գծերի ցրման կորեր
Սովորաբար CRLH-TL-ի շարքերը և զուգահեռ ռեզոնանսները տարբեր են, ինչը կոչվում է անհավասարակշիռ վիճակ: Այնուամենայնիվ, երբ շարքերը և զուգահեռ ռեզոնանսային հաճախականությունները նույնն են, այն կոչվում է հավասարակշռված վիճակ, և արդյունքում պարզեցված համարժեք շղթայի մոդելը ներկայացված է Նկար 3(ա)-ում:
Նկար 3 Կոմպոզիտ ձախակողմյան հաղորդման գծի սխեմայի մոդելը և ցրման կորը
Հաճախականության աճի հետ աստիճանաբար ավելանում են CRLH-TL-ի ցրման բնութագրերը: Դա պայմանավորված է նրանով, որ փուլային արագությունը (այսինքն, vp=ω/β) գնալով ավելի է կախված հաճախականությունից: Ցածր հաճախականություններում CRLH-TL-ում գերակշռում է LH-ը, մինչդեռ բարձր հաճախականությունների դեպքում CRLH-TL-ում գերակշռում է RH-ը: Սա պատկերում է CRLH-TL-ի երկակի բնույթը: Հավասարակշռության CRLH-TL դիսպերսիայի դիագրամը ներկայացված է Նկար 3(բ)-ում: Ինչպես ցույց է տրված Նկար 3(բ)-ում, LH-ից RH-ի անցումը տեղի է ունենում հետևյալում.
Որտեղ ω0-ն անցումային հաճախականությունն է: Հետևաբար, հավասարակշռված դեպքում սահուն անցում է տեղի ունենում LH-ից RH, քանի որ γ-ը զուտ երևակայական թիվ է։ Հետևաբար, CRLH-TL հավասարակշռված դիսպերսիայի համար կանգառի գոտի չկա: Չնայած β-ն ω0-ում զրո է (անսահման հարաբերական ուղղորդվող ալիքի երկարությանը, այսինքն՝ λg=2π/|β|), ալիքը դեռ տարածվում է, քանի որ ω0-ում vg-ը զրո չէ։ Նմանապես, ω0-ում ֆազային տեղաշարժը զրո է d երկարությամբ TL-ի համար (այսինքն, φ= - βd=0): Ֆազային առաջընթացը (այսինքն, φ>0) տեղի է ունենում LH հաճախականության տիրույթում (այսինքն, ω<ω0), իսկ փուլային հետաձգումը (այսինքն, φ<0) տեղի է ունենում RH հաճախականության տիրույթում (այսինքն, ω>ω0): CRLH TL-ի համար բնորոշ դիմադրությունը նկարագրված է հետևյալ կերպ.
Որտեղ ZL-ը և ZR-ը համապատասխանաբար PLH և PRH դիմադրություններն են: Անհավասարակշռված դեպքի համար բնորոշ դիմադրությունը կախված է հաճախականությունից: Վերոնշյալ հավասարումը ցույց է տալիս, որ հավասարակշռված դեպքը անկախ է հաճախությունից, ուստի այն կարող է ունենալ լայն թողունակության համընկնում: Վերևում ստացված TL հավասարումը նման է CRLH նյութը սահմանող բաղկացուցիչ պարամետրերին: TL-ի տարածման հաստատունն է γ=jβ=Sqrt(ZY): Հաշվի առնելով նյութի տարածման հաստատունը (β=ω x Sqrt(εμ)) կարելի է ստանալ հետևյալ հավասարումը.
Նմանապես, TL-ի բնորոշ դիմադրությունը, այսինքն՝ Z0=Sqrt(ZY), նման է նյութի բնորոշ դիմադրությանը, այսինքն, η=Sqrt(μ/ε), որն արտահայտվում է այսպես.
Հավասարակշռված և անհավասարակշիռ CRLH-TL-ի բեկման ինդեքսը (այսինքն՝ n = cβ/ω) ներկայացված է Նկար 4-ում: Նկար 4-ում CRLH-TL-ի բեկման ինդեքսն իր LH միջակայքում բացասական է, իսկ բեկման ինդեքսը՝ իր RH-ում: միջակայքը դրական է:
Նկ. 4 Հավասարակշռված և անհավասարակշիռ CRLH TL-ների տիպիկ բեկման ինդեքսները:
1. LC ցանց
Նկար 5(ա)-ում ցույց տրված ժապավենային LC բջիջները կասկադավորելով՝ d երկարության արդյունավետ միատեսակությամբ բնորոշ CRLH-TL կարող է կառուցվել պարբերաբար կամ ոչ պարբերական: Ընդհանուր առմամբ, CRLH-TL-ի հաշվարկման և արտադրության հարմարավետությունն ապահովելու համար շղթան պետք է պարբերական լինի: Նկար 1(c) մոդելի համեմատ Նկար 5(a)-ի միացման բջիջը չափ չունի, և ֆիզիկական երկարությունը անսահման փոքր է (այսինքն Δz մետրերով): Հաշվի առնելով նրա էլեկտրական երկարությունը θ=Δφ (rad)՝ LC բջիջի փուլը կարելի է արտահայտել։ Այնուամենայնիվ, կիրառական ինդուկտիվությունը և հզորությունը իրականում իրականացնելու համար անհրաժեշտ է սահմանել ֆիզիկական երկարություն p: Կիրառման տեխնոլոգիայի ընտրությունը (ինչպիսիք են միկրոշերտը, համակողմանի ալիքատարը, մակերևութային ամրացման բաղադրիչները և այլն) կազդեն LC բջիջի ֆիզիկական չափի վրա: Նկար 5(ա)-ի LC բջիջը նման է Նկար 1(c)-ի աճող մոդելին, և դրա սահմանը p=Δz→0: Համաձայն Նկար 5(բ) միատեսակության p→0 պայմանի, TL-ը կարող է կառուցվել (կասկադային LC բջիջների միջոցով), որը համարժեք է d երկարությամբ իդեալական միատեսակ CRLH-TL-ին, այնպես որ TL-ը էլեկտրամագնիսական ալիքներին միատեսակ է թվում:
Նկար 5 CRLH TL՝ հիմնված LC ցանցի վրա:
LC բջջի համար, հաշվի առնելով Բլոխ-Ֆլոկետի թեորեմին նման պարբերական սահմանային պայմանները (PBCs), LC բջիջի ցրվածության կապն ապացուցված և արտահայտված է հետևյալ կերպ.
LC բջիջի սերիայի դիմադրությունը (Z) և շունտային մուտքը (Y) որոշվում են հետևյալ հավասարումներով.
Քանի որ միավորի LC շղթայի էլեկտրական երկարությունը շատ փոքր է, Թեյլորի մոտարկումը կարող է օգտագործվել՝ ստանալու համար.
2. Ֆիզիկական իրականացում
Նախորդ բաժնում քննարկվել է CRLH-TL առաջացման LC ցանցը: Նման LC ցանցերը կարող են իրականացվել միայն ֆիզիկական բաղադրիչներ ընդունելու միջոցով, որոնք կարող են արտադրել անհրաժեշտ հզորություն (CR և CL) և ինդուկտիվություն (LR և LL): Վերջին տարիներին մեծ հետաքրքրություն է առաջացրել մակերեսային տեղադրման տեխնոլոգիայի (SMT) չիպային բաղադրիչների կամ բաշխված բաղադրիչների կիրառումը: Բաշխված բաղադրիչները իրացնելու համար կարող են օգտագործվել միկրոշերտի, շերտագիծ, համակողմանի ալիքատար կամ այլ նմանատիպ տեխնոլոգիաներ: Կան բազմաթիվ գործոններ, որոնք պետք է հաշվի առնել SMT չիպերի կամ բաշխված բաղադրիչների ընտրության ժամանակ: SMT-ի վրա հիմնված CRLH կառույցներն ավելի տարածված են և ավելի հեշտ են իրագործվում վերլուծության և դիզայնի առումով: Դա պայմանավորված է SMT չիպային բաղադրամասերի առկայության պատճառով, որոնք չեն պահանջում վերափոխում և արտադրություն՝ համեմատած բաշխված բաղադրիչների հետ: Այնուամենայնիվ, SMT բաղադրիչների առկայությունը ցրված է, և դրանք սովորաբար աշխատում են միայն ցածր հաճախականություններով (այսինքն՝ 3-6 ԳՀց): Հետևաբար, SMT-ի վրա հիմնված CRLH կառույցներն ունեն սահմանափակ գործառնական հաճախականությունների միջակայք և որոշակի փուլային բնութագրեր: Օրինակ, ճառագայթային հավելվածներում SMT չիպի բաղադրիչները կարող են անիրագործելի լինել: Նկար 6-ը ցույց է տալիս CRLH-TL-ի վրա հիմնված բաշխված կառուցվածքը: Կառուցվածքն իրականացվում է միջթվային հզորության և կարճ միացման գծերով, որոնք կազմում են LH-ի համապատասխանաբար CL հզորության սերիայի և LH-ի զուգահեռ ինդուկտիվությունը: Գծի և GND-ի միջև թողունակությունը ենթադրվում է որպես RH հզորություն CR, իսկ միջթվային կառուցվածքում ընթացիկ հոսքի արդյունքում ձևավորված մագնիսական հոսքից առաջացած ինդուկտիվությունը ենթադրվում է որպես RH ինդուկտիվություն LR:
Նկար 6 Միաչափ միկրոշերտ CRLH TL, որը բաղկացած է միջթվային կոնդենսատորներից և կարճ գծի ինդուկտորներից:
Ալեհավաքների մասին ավելին իմանալու համար այցելեք՝
Հրապարակման ժամանակը՝ օգոստոսի 23-2024
