Newyddion - Adolygiad o Antenâu Llinell Drosglwyddo Metamaterial

I. Rhagymadrodd
Gellir disgrifio metamaterials orau fel strwythurau wedi'u dylunio'n artiffisial i gynhyrchu priodweddau electromagnetig penodol nad ydynt yn bodoli'n naturiol. Gelwir metadeunyddiau sydd â chaniatâd negyddol a athreiddedd negyddol yn fetadeunyddiau llaw chwith (LHMs). Mae LHMs wedi'u hastudio'n helaeth yn y cymunedau gwyddonol a pheirianyddol. Yn 2003, enwyd LHMs yn un o ddeg o ddatblygiadau gwyddonol gorau'r oes gyfoes gan gylchgrawn Science. Mae cymwysiadau, cysyniadau a dyfeisiau newydd wedi'u datblygu trwy fanteisio ar briodweddau unigryw LHMs. Mae'r dull llinell drawsyrru (TL) yn ddull dylunio effeithiol a all hefyd ddadansoddi egwyddorion LHMs. O'i gymharu â TLs traddodiadol, nodwedd fwyaf arwyddocaol TLs metamaterial yw'r gallu i reoli paramedrau TL (cysonyn lluosogi) a rhwystriant nodweddiadol. Mae gallu rheoli paramedrau metamaterial TL yn darparu syniadau newydd ar gyfer dylunio strwythurau antena gyda maint mwy cryno, perfformiad uwch, a swyddogaethau newydd. Mae Ffigur 1 (a), (b), ac (c) yn dangos y modelau cylched di-golled o linell drawsyrru pur ar yr ochr dde (PRH), llinell drawsyrru pur ar yr ochr chwith (PLH), a llinell drawsyrru cyfansawdd chwith-dde ( CRLH), yn y drefn honno. Fel y dangosir yn Ffigur 1(a), mae model cylched cywerth PRH TL fel arfer yn gyfuniad o anwythiad cyfres a chynhwysedd siyntio. Fel y dangosir yn Ffigur 1(b), mae model cylched PLH TL yn gyfuniad o anwythiad siyntio a chynhwysedd cyfres. Mewn cymwysiadau ymarferol, nid yw'n ymarferol gweithredu cylched PLH. Mae hyn oherwydd effeithiau anwythiad cyfres barasitig na ellir eu hosgoi ac effeithiau cynhwysedd siyntio. Felly, mae nodweddion y llinell drosglwyddo chwith y gellir eu gwireddu ar hyn o bryd i gyd yn strwythurau llaw chwith a llaw dde cyfansawdd, fel y dangosir yn Ffigur 1(c).

Ffigur 1 Modelau cylched llinell drawsyrru gwahanol

Cyfrifir cysonyn lluosogi (γ) y llinell drawsyrru (TL) fel: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), lle mae Y a Z yn cynrychioli mynediad a rhwystriant yn y drefn honno. O ystyried CRLH-TL, gellir mynegi Z ac Y fel:

Bydd gan CRLH TL unffurf y berthynas wasgaru a ganlyn:

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

Ffigur 2 Cromliniau gwasgariad o linellau trawsyrru gwahanol

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

Ffigur 3 Model cylched a chromlin gwasgariad llinell drawsyrru cyfansawdd llaw chwith

Wrth i'r amlder gynyddu, mae nodweddion gwasgariad CRLH-TL yn cynyddu'n raddol. Mae hyn oherwydd bod y cyflymder gwedd (hy, vp=ω/β) yn dod yn fwyfwy dibynnol ar amledd. Ar amleddau isel, mae CRLH-TL yn cael ei ddominyddu gan LH, tra bod CRLH-TL yn cael ei ddominyddu gan RH ar amleddau uchel. Mae hwn 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 trawsnewidiad o LH i RH yn digwydd yn:

Lle ω0 yw'r amledd trawsnewid. Felly, yn yr achos cytbwys, mae trosglwyddiad llyfn yn digwydd o LH i RH oherwydd bod γ yn rhif dychmygol yn unig. Felly, nid oes band stop ar gyfer y gwasgariad CRLH-TL cytbwys. Er bod β yn sero ar ω0 (anfeidraidd o'i gymharu â'r donfedd tywys, hy, λg=2π/|β|), mae'r don yn dal i ymledu oherwydd nid yw vg ar ω0 yn sero. Yn yr un modd, ar ω0, sero yw'r newid gwedd ar gyfer TL hyd d (hy, φ= - βd=0). Mae'r cam ymlaen llaw (hy, φ>0) yn digwydd yn yr ystod amledd LH (hy, ω <ω0), ac mae'r arafiad cam (hy, φ <0) yn digwydd yn yr ystod amledd RH (hy, ω>ω0). Ar gyfer CRLH TL, disgrifir y rhwystriant nodweddiadol fel a ganlyn:

Lle ZL a ZR yw'r rhwystriannau PLH a PRH, yn y drefn honno. Ar gyfer yr achos anghytbwys, mae'r rhwystriant nodweddiadol yn dibynnu ar yr amlder. Mae'r hafaliad uchod yn dangos bod yr achos cytbwys yn annibynnol ar amlder, felly gall gael cydweddiad lled band eang. Mae'r hafaliad TL sy'n deillio uchod yn debyg i'r paramedrau cyfansoddol sy'n diffinio'r deunydd CRLH. Cysonyn lluosogi 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 rwystriad nodweddiadol y defnydd, h.y., η=Sqrt(μ/ε), a fynegir fel:

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

Ffig. 4 Mynegeion plygiannol nodweddiadol o TLau CRLH cytbwys ac anghytbwys.

1. rhwydwaith LC
Trwy raeadru'r celloedd LC llwybr band a ddangosir yn Ffigur 5(a), gellir adeiladu CRLH-TL nodweddiadol gydag unffurfiaeth hyd d effeithiol o bryd i'w gilydd neu heb fod yn gyfnodol. 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 cylched Ffigur 5(a) unrhyw faint ac mae'r hyd ffisegol yn anfeidrol fach (hy, Δz mewn metrau). O ystyried ei hyd trydanol θ=Δφ (rad), gellir mynegi cyfnod y gell LC. Fodd bynnag, er mwyn gwireddu'r anwythiad a'r cynhwysedd cymhwysol mewn gwirionedd, mae angen sefydlu p hyd corfforol. Bydd y dewis o dechnoleg cais (fel microstrip, canllaw tonnau coplanar, cydrannau mowntio wyneb, ac ati) yn effeithio ar faint ffisegol y gell LC. Mae cell LC Ffigur 5(a) yn debyg i fodel cynyddrannol Ffigur 1(c), a'i therfyn p=Δz→0. Yn ôl yr amod unffurfiaeth p→0 yn Ffigur 5(b), gellir adeiladu TL (trwy raeadru celloedd LC) sy'n cyfateb i unffurf delfrydol CRLH-TL 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, o ystyried amodau terfyn cyfnodol (PBCs) tebyg i theorem Bloch-Floquet, mae perthynas gwasgariad y gell LC yn cael ei brofi a'i fynegi fel a ganlyn:

Mae rhwystriant cyfres (Z) a mynediad siynt (Y) y gell LC yn cael eu pennu gan yr hafaliadau canlynol:

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

2. Gweithredu Corfforol
Yn yr adran flaenorol, trafodwyd rhwydwaith LC i gynhyrchu CRLH-TL. Dim ond trwy fabwysiadu cydrannau ffisegol a all gynhyrchu'r cynhwysedd gofynnol (CR a CL) a'r anwythiad (LR a LL) y gellir gwireddu rhwydweithiau LC o'r fath. Yn y blynyddoedd diwethaf, mae cymhwyso cydrannau sglodion technoleg mowntio wyneb (UDRh) neu gydrannau dosbarthedig wedi denu diddordeb mawr. Gellir defnyddio microstrip, stripline, canllaw tonnau coplanar neu dechnolegau tebyg eraill i wireddu cydrannau gwasgaredig. Mae yna lawer o ffactorau i'w hystyried wrth ddewis sglodion UDRh neu gydrannau dosbarthedig. Mae strwythurau CRLH sy'n seiliedig ar yr UDRh yn fwy cyffredin ac yn haws eu gweithredu o ran dadansoddi a dylunio. Mae hyn oherwydd argaeledd cydrannau sglodion UDRh oddi ar y silff, nad oes angen eu hailfodelu a'u gweithgynhyrchu o'u cymharu â chydrannau dosbarthedig. Fodd bynnag, mae argaeledd cydrannau UDRh yn wasgaredig, ac fel arfer dim ond ar amleddau isel y maent yn gweithio (hy, 3-6GHz). Felly, mae gan strwythurau CRLH sy'n seiliedig ar UDRh ystodau amlder gweithredu cyfyngedig a nodweddion cyfnod penodol. Er enghraifft, mewn cymwysiadau pelydru, efallai na fydd cydrannau sglodion UDRh yn ymarferol. Mae Ffigur 6 yn dangos strwythur gwasgaredig yn seiliedig ar CRLH-TL. Gwireddir y strwythur gan gynhwysedd rhyngddigidol a llinellau cylched byr, gan ffurfio 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 ffurfiwyd gan y llif cerrynt yn y strwythur rhyngddigidol yw'r anwythiad RH LR.