Вести - Преглед на Метаматеријални далноводни антени

I. Вовед
Метаматеријалите најдобро може да се опишат како вештачки дизајнирани структури за да произведат одредени електромагнетни својства кои природно не постојат. Метаматеријалите со негативна пропустливост и негативна пропустливост се нарекуваат левораки метаматеријали (LHMs). LHMs се опширно проучувани во научните и инженерските заедници. Во 2003 година, LHM беа прогласени за еден од првите десет научни откритија на современата ера од страна на списанието Science. Развиени се нови апликации, концепти и уреди со искористување на уникатните својства на LHM. Пристапот на далноводот (TL) е ефективен метод на дизајнирање кој исто така може да ги анализира принципите на LHM. Во споредба со традиционалните TL, најзначајната карактеристика на метаматеријалните TL е контролирањето на TL параметрите (константа на ширење) и карактеристичната импеданса. Контролабилноста на параметрите на TL на метаматеријал обезбедува нови идеи за дизајнирање на антени структури со покомпактна големина, повисоки перформанси и нови функции. Слика 1 (а), (б) и (в) ги прикажува моделите на кола без загуби на чисто десна далновод (PRH), чист леворачен далновод (PLH) и композитен лево-десен далекувод ( CRLH), соодветно. Како што е прикажано на слика 1(а), моделот на еквивалентно коло PRH TL обично е комбинација од сериска индуктивност и капацитивност на шант. Како што е прикажано на слика 1(б), моделот на колото PLH TL е комбинација од индуктивност на шант и сериски капацитет. Во практична примена, не е изводливо да се имплементира PLH коло. Ова се должи на неизбежните ефекти на паразитската серија на индуктивност и капацитивност на шантот. Според тоа, карактеристиките на леворакиот далновод што може да се реализираат во моментов се сите композитни леворачни и десничарски структури, како што е прикажано на слика 1(в).

Слика 1 Различни модели на далноводни кола

Константата на ширење (γ) на далекуводот (TL) се пресметува како: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), каде што Y и Z соодветно претставуваат прием и импеданса. Со оглед на CRLH-TL, Z и Y може да се изразат како:

Униформа CRLH TL ќе ја има следнава дисперзивна врска:

Фазната константа β може да биде чисто реален број или чисто имагинарен број. Ако β е целосно реален во опсег на фреквенција, постои проодна лента во опсегот на фреквенции поради условот γ=jβ. Од друга страна, ако β е чисто имагинарен број во опсег на фреквенција, постои стоп опсег во опсегот на фреквенции поради условот γ=α. Овој прекинувач е единствен за CRLH-TL и не постои во PRH-TL или PLH-TL. На сликите 2 (а), (б) и (в) се прикажани кривите на дисперзија (т.е. врската ω - β) на PRH-TL, PLH-TL и CRLH-TL, соодветно. Врз основа на кривите на дисперзија, може да се изведат и проценат брзината на групата (vg=∂ω/∂β) и брзината на фазата (vp=ω/β) на далноводот. За PRH-TL, може да се заклучи и од кривата дека vg и vp се паралелни (т.е. vpvg>0). За PLH-TL, кривата покажува дека vg и vp не се паралелни (т.е. vpvg<0). Дисперзивната крива на CRLH-TL го покажува и постоењето на LH регион (т.е. vpvg < 0) и RH регион (т.е. vpvg > 0). Како што може да се види од Слика 2(c), за CRLH-TL, ако γ е чист реален број, постои лента за застанување.

Слика 2 Криви на дисперзија на различни далноводи

Обично, сериите и паралелните резонанции на CRLH-TL се различни, што се нарекува неурамнотежена состојба. Меѓутоа, кога сериските и паралелните резонантни фреквенции се исти, тоа се нарекува избалансирана состојба, а добиениот модел на поедноставен еквивалентен коло е прикажан на Слика 3(а).

Слика 3 Модел на коло и крива на дисперзија на композитен лев далекувод

Како што се зголемува фреквенцијата, карактеристиките на дисперзија на CRLH-TL постепено се зголемуваат. Тоа е затоа што брзината на фазата (т.е. vp=ω/β) станува се повеќе зависна од фреквенцијата. На ниски фреквенции, CRLH-TL е доминирана од LH, додека на високи фреквенции, CRLH-TL е доминирана од RH. Ова ја отсликува двојната природа на CRLH-TL. Дијаграмот за дисперзија на рамнотежа CRLH-TL е прикажан на Слика 3(б). Како што е прикажано на Слика 3(б), преминот од LH во RH се случува на:

Каде што ω0 е преодната фреквенција. Затоа, во избалансиран случај, се случува непречена транзиција од LH во RH бидејќи γ е чисто имагинарен број. Затоа, не постои застој за балансирана дисперзија CRLH-TL. Иако β е нула на ω0 (бесконечно во однос на водената бранова должина, т.е. λg=2π/|β|), бранот сепак се шири бидејќи vg на ω0 не е нула. Слично, при ω0, фазното поместување е нула за TL со должина d (т.е. φ= - βd=0). Фазното напредување (т.е. φ>0) се јавува во опсегот на фреквенција LH (т.е. ω<ω0), а фазното заостанување (т.е. φ<0) се јавува во опсегот на фреквенција RH (т.е. ω>ω0). За CRLH TL, карактеристичната импеданса е опишана на следниов начин:

Каде што ZL и ZR се импедансите на PLH и PRH, соодветно. За неурамнотежен случај, карактеристичната импеданса зависи од фреквенцијата. Горенаведената равенка покажува дека избалансираниот случај е независен од фреквенцијата, така што може да има совпаѓање со широк опсег. TL равенката изведена погоре е слична на конститутивните параметри кои го дефинираат материјалот CRLH. Константата на ширење на TL е γ=jβ=Sqrt(ZY). Со оглед на константата на ширење на материјалот (β=ω x Sqrt(εμ)), може да се добие следната равенка:

Слично на тоа, карактеристичната импеданса на TL, т.е., Z0=Sqrt(ZY), е слична на карактеристичната импеданса на материјалот, т.е., η=Sqrt(μ/ε), која се изразува како:

Индексот на рефракција на избалансиран и неурамнотежен CRLH-TL (т.е., n = cβ/ω) е прикажан на Слика 4. На слика 4, индексот на рефракција на CRLH-TL во неговиот опсег LH е негативен, а индексот на рефракција во неговата RH опсегот е позитивен.

Сл. 4 Типични индекси на рефракција на избалансирани и неурамнотежени CRLH TL.

1. LC мрежа
Со каскадирање на LC-клетките на пропусниот премин прикажани на Слика 5(а), типичен CRLH-TL со ефективна униформност на должината d може да се конструира периодично или непериодично. Општо земено, за да се обезбеди практичност за пресметување и производство на CRLH-TL, колото треба да биде периодично. Во споредба со моделот на Слика 1(в), ќелијата на колото на Слика 5(а) нема големина и физичката должина е бескрајно мала (т.е. Δz во метри). Со оглед на неговата електрична должина θ=Δφ (rad), може да се изрази фазата на LC ќелијата. Меѓутоа, за да се реализираат применетата индуктивност и капацитивност, треба да се воспостави физичка должина p. Изборот на технологијата за примена (како микролента, копланарен брановоди, компоненти за површинско монтирање итн.) ќе влијае на физичката големина на LC ќелијата. LC ќелијата од Слика 5(а) е слична на инкременталниот модел на слика 1(c), и нејзината граница p=Δz→0. Според условот за униформност p→0 на Слика 5(б), може да се конструира TL (со каскадни LC ќелии) што е еквивалентно на идеална униформа CRLH-TL со должина d, така што TL изгледа подеднакво на електромагнетните бранови.

Слика 5 CRLH TL врз основа на LC мрежа.

За LC ќелијата, земајќи ги предвид периодичните гранични услови (PBCs) слични на теоремата Блох-Флокет, врската на дисперзија на LC ќелијата е докажана и изразена на следниов начин:

Сериската импеданса (Z) и влезот на шантот (Y) на LC ќелијата се одредуваат со следните равенки:

Бидејќи електричната должина на колото на единицата LC е многу мала, Тејлоровата апроксимација може да се користи за да се добие:

2. Физичка имплементација
Во претходниот дел, беше дискутирана LC мрежата за генерирање CRLH-TL. Ваквите LC мрежи може да се реализираат само со усвојување на физички компоненти кои можат да ја произведат потребната капацитивност (CR и CL) и индуктивност (LR и LL). Во последниве години, примената на технологијата за површинско монтирање (SMT) чип компоненти или дистрибуирани компоненти привлече голем интерес. За реализација на дистрибуирани компоненти може да се користат микрострип, стриплин, компланарен брановод или други слични технологии. Има многу фактори кои треба да се земат предвид при изборот на SMT чипови или дистрибуирани компоненти. Структурите на CRLH базирани на SMT се почести и полесни за имплементација во однос на анализа и дизајн. Ова е поради достапноста на SMT чип компоненти кои не се достапни на полица, кои не бараат ремоделирање и производство во споредба со дистрибуираните компоненти. Сепак, достапноста на SMT компонентите е расфрлана и тие обично работат само на ниски фреквенции (т.е. 3-6 GHz). Затоа, CRLH структурите базирани на SMT имаат ограничен опсег на работна фреквенција и специфични фазни карактеристики. На пример, во апликациите со зрачење, компонентите на SMT чипот може да не се изводливи. Слика 6 покажува дистрибуирана структура базирана на CRLH-TL. Структурата е реализирана со интердигитални линии на капацитивност и куса врска, формирајќи ја сериската капацитивност CL и паралелната индуктивност LL на LH соодветно. Капацитетот помеѓу линијата и GND се претпоставува дека е RH капацитивност CR, а индуктивноста генерирана од магнетниот флукс формиран од струјниот тек во интердигиталната структура се претпоставува дека е RH индуктивноста LR.