Newyddion - Adolygiad o Antenâu Llinellau Trosglwyddo Metadeunydd

I. Cyflwyniad
Gellir disgrifio metadeunyddiau orau fel strwythurau a gynlluniwyd yn artiffisial i gynhyrchu rhai priodweddau electromagnetig nad ydynt yn bodoli'n naturiol. Gelwir metadeunyddiau â thrydedd negyddol a athreiddedd negyddol yn fetadeunyddiau llaw chwith (LHMs). Mae LHMs wedi cael eu hastudio'n helaeth yn y cymunedau gwyddonol a pheirianneg. Yn 2003, enwyd LHMs yn un o'r deg datblygiad gwyddonol gorau yn yr oes gyfoes gan gylchgrawn Science. Datblygwyd cymwysiadau, cysyniadau a dyfeisiau newydd trwy fanteisio ar briodweddau unigryw LHMs. Mae'r dull llinell drosglwyddo (TL) yn ddull dylunio effeithiol a all hefyd ddadansoddi egwyddorion LHMs. O'i gymharu â TLs traddodiadol, nodwedd bwysicaf TLs metadeunydd yw rheolaethadwyedd paramedrau TL (cysonyn lluosogi) ac impedans nodweddiadol. Mae rheolaethadwyedd paramedrau TL metadeunydd yn darparu syniadau newydd ar gyfer dylunio strwythurau antena gyda maint mwy cryno, perfformiad uwch, a swyddogaethau newydd. Mae Ffigur 1 (a), (b), a (c) yn dangos y modelau cylched di-golled o linell drosglwyddo llaw dde pur (PRH), llinell drosglwyddo llaw chwith pur (PLH), a llinell drosglwyddo llaw chwith-dde gyfansawdd (CRLH), yn y drefn honno. Fel y dangosir yn Ffigur 1(a), mae'r model cylched cyfatebol PRH TL fel arfer yn gyfuniad o anwythiad cyfres a chynhwysedd shunt. Fel y dangosir yn Ffigur 1(b), mae'r model cylched PLH TL yn gyfuniad o anwythiad cyfres a chynhwysedd shunt. Mewn cymwysiadau ymarferol, nid yw'n ymarferol gweithredu cylched PLH. Mae hyn oherwydd yr effeithiau anwythiad cyfres a chynhwysedd shunt parasitig anochel. Felly, nodweddion y llinell drosglwyddo llaw chwith y gellir eu gwireddu ar hyn o bryd yw strwythurau llaw chwith a llaw dde cyfansawdd, fel y dangosir yn Ffigur 1(c).

Ffigur 1 Modelau cylched llinell drosglwyddo gwahanol

Cyfrifir y cysonyn lledaeniad (γ) o'r llinell drosglwyddo (TL) fel: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), lle mae Y a Z yn cynrychioli mynediad ac impedans yn y drefn honno. Gan ystyried CRLH-TL, gellir mynegi Z ac Y fel:

Bydd gan TL CRLH unffurf y berthynas gwasgariad ganlynol:

Gall y cysonyn cyfnod β fod yn rhif cwbl real neu'n rhif cwbl ddychmygol. Os yw β yn gwbl real o fewn ystod amledd, mae band pasio o fewn yr ystod amledd oherwydd y cyflwr γ=jβ. Ar y llaw arall, os yw β yn rhif cwbl ddychmygol o fewn ystod amledd, mae band stop o fewn yr ystod amledd oherwydd y cyflwr γ=α. Mae'r band stop hwn yn unigryw i CRLH-TL ac nid yw'n bodoli yn PRH-TL na PLH-TL. Mae Ffigurau 2 (a), (b), a (c) yn dangos y cromliniau gwasgariad (h.y., y berthynas ω - β) o PRH-TL, PLH-TL, a CRLH-TL, yn y drefn honno. Yn seiliedig ar y cromliniau gwasgariad, gellir deillio ac amcangyfrif cyflymder grŵp (vg=∂ω/∂β) a chyflymder cyfnod (vp=ω/β) y llinell drosglwyddo. Ar gyfer PRH-TL, gellir hefyd gasglu o'r gromlin bod vg a vp yn gyfochrog (h.y., vpvg>0). Ar gyfer PLH-TL, mae'r gromlin yn dangos nad yw vg a vp yn gyfochrog (h.y., vpvg<0). Mae cromlin gwasgariad CRLH-TL hefyd yn dangos bodolaeth rhanbarth LH (h.y., vpvg < 0) a rhanbarth RH (h.y., vpvg > 0). Fel y gwelir o Ffigur 2(c), ar gyfer CRLH-TL, os yw γ yn rhif real pur, mae band stop.

Ffigur 2 Cromliniau gwasgariad gwahanol linellau trosglwyddo

Fel arfer, mae cyseiniannau cyfres a chyfochrog CRLH-TL yn wahanol, a elwir yn gyflwr anghytbwys. Fodd bynnag, pan fydd amleddau cyseiniannau cyfres a chyfochrog yr un fath, fe'i gelwir yn gyflwr cytbwys, a dangosir y model cylched cyfatebol symlach sy'n deillio o hyn yn Ffigur 3(a).

Ffigur 3 Model cylched a chromlin gwasgariad llinell drosglwyddo llaw chwith gyfansawdd

Wrth i'r amledd gynyddu, mae nodweddion gwasgariad CRLH-TL yn cynyddu'n raddol. Mae hyn oherwydd bod cyflymder y cyfnod (h.y., vp=ω/β) yn dod yn fwyfwy dibynnol ar amledd. Ar amleddau isel, mae CRLH-TL yn cael ei ddominyddu gan LH, tra ar amleddau uchel, mae CRLH-TL yn cael ei ddominyddu gan RH. Mae hyn yn darlunio natur ddeuol CRLH-TL. Dangosir y diagram gwasgariad ecwilibriwm CRLH-TL yn Ffigur 3(b). Fel y dangosir yn Ffigur 3(b), mae'r newid o LH i RH yn digwydd yn:

Lle mae ω0 yn amledd y trawsnewid. Felly, yn yr achos cytbwys, mae trawsnewidiad llyfn yn digwydd o LH i RH oherwydd bod γ yn rhif pur ddychmygol. Felly, nid oes band stop ar gyfer y gwasgariad CRLH-TL cytbwys. Er bod β yn sero yn ω0 (anfeidraidd o'i gymharu â'r donfedd dan arweiniad, h.y., λg=2π/|β|), mae'r don yn dal i ymledu oherwydd nad yw vg yn ω0 yn sero. Yn yr un modd, yn ω0, mae'r sifftiad cyfnod yn sero ar gyfer TL o hyd d (h.y., φ= - βd=0). Mae'r cynnydd cyfnod (h.y., φ>0) yn digwydd yn yr ystod amledd LH (h.y., ω<ω0), ac mae'r oedi cyfnod (h.y., φ<0) yn digwydd yn yr ystod amledd RH (h.y., ω>ω0). Ar gyfer CRLH TL, disgrifir yr impedans nodweddiadol fel a ganlyn:

Lle mae ZL a ZR yn rhwystriannau PLH a PRH, yn y drefn honno. Ar gyfer yr achos anghytbwys, mae'r rhwystriant nodweddiadol yn dibynnu ar yr amledd. Mae'r hafaliad uchod yn dangos bod yr achos cytbwys yn annibynnol ar amledd, felly gall gael cyfatebiaeth lled band eang. Mae'r hafaliad TL a ddeilliwyd uchod yn debyg i'r paramedrau cyfansoddol sy'n diffinio'r deunydd CRLH. Y gysonyn lluosogi ar gyfer TL yw γ=jβ=Sqrt(ZY). O ystyried cysonyn lluosogi'r deunydd (β=ω x Sqrt(εμ)), gellir cael yr hafaliad canlynol:

Yn yr un modd, mae rhwystriant nodweddiadol TL, h.y., Z0=Sqrt(ZY), yn debyg i rwymiant nodweddiadol y deunydd, h.y., η=Sqrt(μ/ε), a fynegir fel:

Dangosir mynegai plygiannol CRLH-TL cytbwys ac anghytbwys (h.y., n = cβ/ω) yn Ffigur 4. Yn Ffigur 4, mae mynegai plygiannol y CRLH-TL yn ei ystod LH yn negatif a'r mynegai plygiannol yn ei ystod RH yn bositif.

Ffig. 4 Mynegeion plygiannol nodweddiadol TLs CRLH cytbwys ac anghytbwys.

1. Rhwydwaith LC
Drwy raeadru'r celloedd LC bandpas a ddangosir yn Ffigur 5(a), gellir adeiladu CRLH-TL nodweddiadol gydag unffurfiaeth hyd effeithiol d yn gyfnodol neu'n anghyfnodol. Yn gyffredinol, er mwyn sicrhau hwylustod cyfrifo a gweithgynhyrchu CRLH-TL, mae angen i'r gylched fod yn gyfnodol. O'i gymharu â model Ffigur 1(c), nid oes gan gell gylched Ffigur 5(a) unrhyw faint ac mae'r hyd ffisegol yn anfeidrol o fach (h.y., Δz mewn metrau). O ystyried ei hyd trydanol θ=Δφ (rad), gellir mynegi cyfnod y gell LC. Fodd bynnag, er mwyn gwireddu'r anwythiant a'r cynhwysedd a gymhwysir mewn gwirionedd, mae angen sefydlu hyd ffisegol p. Bydd y dewis o dechnoleg cymhwyso (megis microstrip, tonfedd cydblanar, cydrannau mowntio arwyneb, ac ati) yn effeithio ar faint ffisegol y gell LC. Mae cell LC Ffigur 5(a) yn debyg i'r model cynyddrannol o Ffigur 1(c), a'i therfyn p=Δz→0. Yn ôl yr amod unffurfiaeth p→0 yn Ffigur 5(b), gellir llunio TL (trwy raeadru celloedd LC) sy'n gyfwerth â CRLH-TL unffurf delfrydol gyda hyd d, fel bod y TL yn ymddangos yn unffurf i donnau electromagnetig.

Ffigur 5 CRLH TL yn seiliedig ar rwydwaith LC.

Ar gyfer y gell LC, gan ystyried amodau ffin cyfnodol (PBCs) tebyg i theorem Bloch-Floquet, profir a mynegir perthynas gwasgariad y gell LC fel a ganlyn:

Mae'r rhwystriant cyfres (Z) a'r mynediad shunt (Y) o'r gell LC yn cael eu pennu gan yr hafaliadau canlynol:

Gan fod hyd trydanol cylched LC yr uned yn fach iawn, gellir defnyddio brasamcan Taylor i gael:

2. Gweithrediad Corfforol
Yn yr adran flaenorol, trafodwyd y rhwydwaith LC i gynhyrchu CRLH-TL. Dim ond trwy fabwysiadu cydrannau ffisegol a all gynhyrchu'r capasiti (CR a CL) a'r anwythiant (LR ac LL) gofynnol y gellir gwireddu rhwydweithiau LC o'r fath. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae cymhwyso cydrannau sglodion technoleg mowntio arwyneb (SMT) neu gydrannau dosbarthedig wedi denu diddordeb mawr. Gellir defnyddio microstrip, stripline, tonfedd cyd-blanar neu dechnolegau tebyg eraill i wireddu cydrannau dosbarthedig. Mae llawer o ffactorau i'w hystyried wrth ddewis sglodion SMT neu gydrannau dosbarthedig. Mae strwythurau CRLH sy'n seiliedig ar SMT yn fwy cyffredin ac yn haws i'w gweithredu o ran dadansoddi a dylunio. Mae hyn oherwydd argaeledd cydrannau sglodion SMT parod, nad oes angen eu hailfodelu a'u gweithgynhyrchu o'i gymharu â chydrannau dosbarthedig. Fodd bynnag, mae argaeledd cydrannau SMT yn wasgaredig, ac fel arfer dim ond ar amleddau isel y maent yn gweithio (h.y., 3-6GHz). Felly, mae gan strwythurau CRLH sy'n seiliedig ar SMT ystodau amledd gweithredu cyfyngedig a nodweddion cyfnod penodol. Er enghraifft, mewn cymwysiadau ymbelydrol, efallai na fydd cydrannau sglodion SMT yn ymarferol. Mae Ffigur 6 yn dangos strwythur dosbarthedig yn seiliedig ar CRLH-TL. Mae'r strwythur yn cael ei wireddu gan linellau cynhwysedd rhyngddigidol a chylched fer, gan ffurfio'r cynhwysedd cyfres CL ac anwythiad cyfochrog LL o LH yn y drefn honno. Tybir mai'r cynhwysedd rhwng y llinell a GND yw'r cynhwysedd RH CR, a thybir mai'r anwythiad a gynhyrchir gan y fflwcs magnetig a ffurfir gan y llif cerrynt yn y strwythur rhyngddigidol yw'r anwythiad RH LR.