I. Panimula
Ang mga metamaterial ay maaaring pinakamahusay na inilarawan bilang mga istrukturang artipisyal na idinisenyo upang makabuo ng ilang mga katangian ng electromagnetic na hindi natural na umiiral. Ang mga metamaterial na may negatibong permittivity at negatibong permeability ay tinatawag na left-handed metamaterials (LHMs). Ang mga LHM ay malawakang pinag-aralan sa mga komunidad ng siyentipiko at inhinyero. Noong 2003, ang mga LHM ay pinangalanang isa sa nangungunang sampung siyentipikong tagumpay sa kontemporaryong panahon ng Science magazine. Ang mga bagong application, konsepto, at device ay binuo sa pamamagitan ng pagsasamantala sa mga natatanging katangian ng LHMs. Ang diskarte sa transmission line (TL) ay isang epektibong paraan ng disenyo na maaari ding pag-aralan ang mga prinsipyo ng mga LHM. Kung ikukumpara sa mga tradisyunal na TL, ang pinaka makabuluhang tampok ng metamaterial TLs ay ang pagkontrol ng mga parameter ng TL (propagation constant) at katangian na impedance. Ang kakayahang kontrolin ng metamaterial na mga parameter ng TL ay nagbibigay ng mga bagong ideya para sa pagdidisenyo ng mga istruktura ng antenna na may mas compact na laki, mas mataas na pagganap, at mga function ng nobela. Ipinapakita ng Figure 1 (a), (b), at (c) ang lossless circuit na mga modelo ng purong right-handed transmission line (PRH), pure left-handed transmission line (PLH), at composite left-right-handed transmission line ( CRLH), ayon sa pagkakabanggit. Gaya ng ipinapakita sa Figure 1(a), ang PRH TL equivalent circuit model ay karaniwang kumbinasyon ng series inductance at shunt capacitance. Gaya ng ipinapakita sa Figure 1(b), ang PLH TL circuit model ay isang kumbinasyon ng shunt inductance at series capacitance. Sa mga praktikal na aplikasyon, hindi maipapatupad ang isang PLH circuit. Ito ay dahil sa hindi maiiwasang parasitic series inductance at shunt capacitance effects. Samakatuwid, ang mga katangian ng kaliwang kamay na transmission line na maaaring maisakatuparan sa kasalukuyan ay ang lahat ng pinagsama-samang kaliwang kamay at kanang kamay na mga istraktura, tulad ng ipinapakita sa Figure 1(c).
Figure 1 Iba't ibang mga modelo ng circuit ng transmission line
Ang propagation constant (γ) ng transmission line (TL) ay kinakalkula bilang: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), kung saan ang Y at Z ay kumakatawan sa admittance at impedance ayon sa pagkakabanggit. Isinasaalang-alang ang CRLH-TL, Z at Y ay maaaring ipahayag bilang:
Ang isang pare-parehong CRLH TL ay magkakaroon ng sumusunod na ugnayan sa pagpapakalat:
Ang phase constant na β ay maaaring isang tunay na numero o isang purong haka-haka na numero. Kung ang β ay ganap na totoo sa loob ng isang frequency range, mayroong isang passband sa loob ng frequency range dahil sa kundisyong γ=jβ. Sa kabilang banda, kung ang β ay isang purong haka-haka na numero sa loob ng isang frequency range, mayroong isang stopband sa loob ng frequency range dahil sa kundisyong γ=α. Ang stopband na ito ay natatangi sa CRLH-TL at hindi umiiral sa PRH-TL o PLH-TL. Ipinapakita ng mga figure 2 (a), (b), at (c) ang mga dispersion curves (ibig sabihin, ang ω - β na relasyon) ng PRH-TL, PLH-TL, at CRLH-TL, ayon sa pagkakabanggit. Batay sa mga dispersion curves, ang bilis ng pangkat (vg=∂ω/∂β) at bilis ng phase (vp=ω/β) ng linya ng paghahatid ay maaaring makuha at matantya. Para sa PRH-TL, maaari ding mahinuha mula sa kurba na ang vg at vp ay magkatulad (ibig sabihin, vpvg>0). Para sa PLH-TL, ipinapakita ng curve na ang vg at vp ay hindi parallel (ibig sabihin, vpvg<0). Ang dispersion curve ng CRLH-TL ay nagpapakita rin ng pagkakaroon ng LH region (ibig sabihin, vpvg < 0) at RH region (ibig sabihin, vpvg > 0). Tulad ng makikita mula sa Figure 2(c), para sa CRLH-TL, kung ang γ ay isang purong tunay na numero, mayroong isang stop band.
Figure 2 Mga dispersion curve ng iba't ibang linya ng transmission
Karaniwan, ang mga serye at magkatulad na resonance ng isang CRLH-TL ay iba, na tinatawag na hindi balanseng estado. Gayunpaman, kapag ang mga serye at parallel resonance frequency ay pareho, ito ay tinatawag na balanseng estado, at ang resultang pinasimple na katumbas na modelo ng circuit ay ipinapakita sa Figure 3(a).
Figure 3 Circuit model at dispersion curve ng composite left-handed transmission line
Habang tumataas ang dalas, unti-unting tumataas ang mga katangian ng pagpapakalat ng CRLH-TL. Ito ay dahil ang bilis ng phase (ibig sabihin, vp=ω/β) ay lalong nakadepende sa dalas. Sa mababang frequency, ang CRLH-TL ay pinangungunahan ng LH, habang sa mataas na frequency, ang CRLH-TL ay pinangungunahan ng RH. Inilalarawan nito ang dalawahang katangian ng CRLH-TL. Ang equilibrium CRLH-TL dispersion diagram ay ipinapakita sa Figure 3(b). Gaya ng ipinapakita sa Figure 3(b), ang paglipat mula sa LH patungo sa RH ay nangyayari sa:
Kung saan ang ω0 ay ang dalas ng paglipat. Samakatuwid, sa balanseng kaso, ang isang maayos na paglipat ay nangyayari mula sa LH hanggang RH dahil ang γ ay isang haka-haka lamang na numero. Samakatuwid, walang stopband para sa balanseng CRLH-TL dispersion. Bagama't ang β ay zero sa ω0 (walang katapusan na nauugnay sa guided wavelength, ibig sabihin, λg=2π/|β|), ang wave ay nagpapalaganap pa rin dahil ang vg sa ω0 ay hindi zero. Katulad nito, sa ω0, ang phase shift ay zero para sa isang TL ng haba d (ibig sabihin, φ= - βd=0). Ang phase advance (ibig sabihin, φ>0) ay nangyayari sa LH frequency range (ibig sabihin, ω<ω0), at ang phase retardation (ibig sabihin, φ<0) ay nangyayari sa RH frequency range (ibig sabihin, ω>ω0). Para sa isang CRLH TL, ang katangian ng impedance ay inilarawan bilang mga sumusunod:
Kung saan ang ZL at ZR ay ang PLH at PRH impedances, ayon sa pagkakabanggit. Para sa hindi balanseng kaso, ang katangian ng impedance ay nakasalalay sa dalas. Ipinapakita ng equation sa itaas na ang balanseng case ay independiyente sa dalas, kaya maaari itong magkaroon ng malawak na pagtutugma ng bandwidth. Ang equation ng TL na hinango sa itaas ay katulad ng mga constitutive parameter na tumutukoy sa materyal na CRLH. Ang propagation constant ng TL ay γ=jβ=Sqrt(ZY). Dahil sa propagation constant ng materyal (β=ω x Sqrt(εμ)), ang sumusunod na equation ay maaaring makuha:
Katulad nito, ang katangian ng impedance ng TL, ibig sabihin, Z0=Sqrt(ZY), ay katulad ng katangian ng impedance ng materyal, ibig sabihin, η=Sqrt(μ/ε), na ipinahayag bilang:
Ang refractive index ng balanse at hindi balanseng CRLH-TL (ibig sabihin, n = cβ/ω) ay ipinapakita sa Figure 4. Sa Figure 4, ang refractive index ng CRLH-TL sa LH range nito ay negatibo at ang refractive index sa RH nito positibo ang saklaw.
Fig. 4 Karaniwang mga indeks ng repraktibo ng balanse at hindi balanseng mga CRLH TL.
1. LC network
Sa pamamagitan ng pag-cascade ng mga cell ng bandpass LC na ipinapakita sa Figure 5(a), isang tipikal na CRLH-TL na may epektibong pagkakapareho ng haba d ay maaaring itayo nang pana-panahon o hindi pana-panahon. Sa pangkalahatan, upang matiyak ang kaginhawahan ng pagkalkula at paggawa ng CRLH-TL, ang circuit ay kailangang pana-panahon. Kung ikukumpara sa modelo ng Figure 1(c), ang circuit cell ng Figure 5(a) ay walang sukat at ang pisikal na haba ay napakaliit (ibig sabihin, Δz sa metro). Isinasaalang-alang ang haba ng kuryente nito θ=Δφ (rad), ang yugto ng LC cell ay maaaring ipahayag. Gayunpaman, upang aktwal na mapagtanto ang inilapat na inductance at kapasidad, kailangang maitatag ang isang pisikal na haba p. Ang pagpili ng teknolohiya ng aplikasyon (tulad ng microstrip, coplanar waveguide, surface mount component, atbp.) ay makakaapekto sa pisikal na sukat ng LC cell. Ang LC cell ng Figure 5(a) ay katulad ng incremental na modelo ng Figure 1(c), at ang limitasyon nito p=Δz→0. Ayon sa kondisyon ng pagkakapareho p→0 sa Figure 5(b), ang isang TL ay maaaring itayo (sa pamamagitan ng mga cascading LC cells) na katumbas ng isang perpektong unipormeng CRLH-TL na may haba d, upang ang TL ay lumitaw na pare-pareho sa mga electromagnetic wave.
Figure 5 CRLH TL batay sa LC network.
Para sa LC cell, isinasaalang-alang ang periodic boundary conditions (PBCs) na katulad ng Bloch-Floquet theorem, ang dispersion relation ng LC cell ay napatunayan at ipinahayag tulad ng sumusunod:
Ang series impedance (Z) at shunt admittance (Y) ng LC cell ay tinutukoy ng mga sumusunod na equation:
Dahil ang haba ng elektrikal ng unit LC circuit ay napakaliit, ang Taylor approximation ay maaaring gamitin upang makuha ang:
2. Pisikal na Pagpapatupad
Sa nakaraang seksyon, ang LC network para makabuo ng CRLH-TL ay tinalakay. Ang ganitong mga LC network ay maaari lamang maisasakatuparan sa pamamagitan ng pag-ampon ng mga pisikal na sangkap na maaaring makagawa ng kinakailangang kapasidad (CR at CL) at inductance (LR at LL). Sa mga nakalipas na taon, ang paggamit ng surface mount technology (SMT) chip component o distributed component ay nakakuha ng malaking interes. Ang microstrip, stripline, coplanar waveguide o iba pang katulad na mga teknolohiya ay maaaring gamitin upang mapagtanto ang mga ipinamahagi na bahagi. Maraming mga salik na dapat isaalang-alang kapag pumipili ng mga SMT chips o ipinamahagi na mga bahagi. Ang mga istrukturang CRLH na nakabase sa SMT ay mas karaniwan at mas madaling ipatupad sa mga tuntunin ng pagsusuri at disenyo. Ito ay dahil sa pagkakaroon ng off-the-shelf na mga bahagi ng SMT chip, na hindi nangangailangan ng remodeling at pagmamanupaktura kumpara sa mga ipinamahagi na bahagi. Gayunpaman, ang pagkakaroon ng mga bahagi ng SMT ay nakakalat, at kadalasang gumagana lamang ang mga ito sa mababang frequency (ibig sabihin, 3-6GHz). Samakatuwid, ang mga istruktura ng CRLH na nakabase sa SMT ay may limitadong mga saklaw ng dalas ng pagpapatakbo at mga partikular na katangian ng phase. Halimbawa, sa mga radiating application, ang mga bahagi ng SMT chip ay maaaring hindi magagawa. Ipinapakita ng Figure 6 ang isang distributed structure batay sa CRLH-TL. Ang istraktura ay natanto sa pamamagitan ng interdigital capacitance at short-circuit na mga linya, na bumubuo ng seryeng kapasidad na CL at parallel inductance LL ng LH ayon sa pagkakabanggit. Ang kapasidad sa pagitan ng linya at GND ay ipinapalagay na RH capacitance CR, at ang inductance na nabuo ng magnetic flux na nabuo ng kasalukuyang daloy sa interdigital na istraktura ay ipinapalagay na RH inductance LR.
Figure 6 One-dimensional microstrip CRLH TL na binubuo ng interdigital capacitors at short-line inductors.
Upang matuto nang higit pa tungkol sa mga antenna, pakibisita ang:
Oras ng post: Ago-23-2024
