Novaĵoj - Revizio de Metamaterialaj Transsendliniaj Antenoj

I. Enkonduko
Metamaterialoj povas esti plej bone priskribitaj kiel artefarite dizajnitaj strukturoj por produkti certajn elektromagnetajn trajtojn kiuj ne ekzistas nature. Metamaterialoj kun negativa permitiveco kaj negativa permeablo estas nomitaj maldekstramanaj metamaterialoj (LHMoj). LHMoj estis grandskale studitaj en la sciencaj kaj inĝenieristikkomunumoj. En 2003, LHMoj estis nomitaj unu el la furordek sciencaj sukcesoj de la nuntempa epoko per Science revuo. Novaj aplikoj, konceptoj kaj aparatoj estis evoluigitaj ekspluatante la unikajn trajtojn de LHMs. La transmisilinio (TL) aliro estas efika dezajnometodo kiu ankaŭ povas analizi la principojn de LHMoj. Kompare kun tradiciaj TLoj, la plej signifa kvalito de metamaterialaj TLoj estas la kontrolebleco de TL-parametroj (disvastigokonstanto) kaj karakteriza impedanco. La kontrolebleco de metamaterialaj TL-parametroj disponigas novajn ideojn por dizajnado de antenstrukturoj kun pli kompakta grandeco, pli alta efikeco, kaj novaj funkcioj. Figuro 1 (a), (b) kaj (c) montras la senperdajn cirkvitajn modelojn de pura dekstrula transmisilinio (PRH), pura maldekstramana transmisilinio (PLH), kaj kunmetita maldekstramana transmisilinio ( CRLH), respektive. Kiel montrite en Figuro 1 (a), la PRH TL ekvivalenta cirkvitomodelo estas kutime kombinaĵo de seria induktanco kaj ŝuntkapacitanco. Kiel montrite en Figuro 1 (b), la PLH TL-cirkvitomodelo estas kombinaĵo de ŝunta indukto kaj seriokapacitanco. En praktikaj aplikoj, estas ne fareble efektivigi PLH-cirkviton. Ĉi tio ŝuldiĝas al la neeviteblaj parazitaj serio-induktanco kaj ŝuntaj kapacitancefikoj. Tial, la karakterizaĵoj de la maldekstramana transmisilinio kiuj povas esti realigitaj nuntempe estas ĉiuj kunmetitaj maldekstramanaj kaj dekstramanaj strukturoj, kiel montrite en Figuro 1 (c).

Figuro 1 Malsamaj transmisiliniaj cirkvitomodeloj

La disvastigkonstanto (γ) de la transmisilinio (TL) estas kalkulita kiel: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), kie Y kaj Z reprezentas akcepton kaj impedancon respektive. Konsiderante CRLH-TL, Z kaj Y povas esti esprimitaj kiel:

Unuforma CRLH TL havos la sekvan dispersrilaton:

La faza konstanto β povas esti pure reela nombro aŭ sole imaga nombro. Se β estas tute reala ene de frekvencintervalo, ekzistas pasbendo ene de la frekvencintervalo pro la kondiĉo γ=jβ. Aliflanke, se β estas sole imaga nombro ene de frekvenca gamo, ekzistas haltbendo ene de la frekvenca gamo pro la kondiĉo γ=α. Tiu haltbendo estas unika al CRLH-TL kaj ne ekzistas en PRH-TL aŭ PLH-TL. Figuroj 2 (a), (b), kaj (c) montras la disvastigkurbojn (te, la ω - β-rilato) de PRH-TL, PLH-TL, kaj CRLH-TL, respektive. Surbaze de la disvastkurboj, la gruprapideco (vg=∂ω/∂β) kaj fazrapideco (vp=ω/β) de la transmisilinio povas esti derivitaj kaj taksitaj. Por PRH-TL, ĝi ankaŭ povas esti konkludita el la kurbo ke vg kaj vp estas paralelaj (te, vpvg>0). Por PLH-TL, la kurbo montras ke vg kaj vp ne estas paralelaj (te, vpvg<0). La disvastkurbo de CRLH-TL ankaŭ montras la ekziston de LH-regiono (te, vpvg < 0) kaj RH-regiono (te, vpvg > 0). Kiel povas esti vidita de Figuro 2(c), por CRLH-TL, se γ estas pura reela nombro, ekzistas halta bendo.

Figuro 2 Dispersaj kurboj de malsamaj transmisilinioj

Kutime, la serioj kaj paralelaj resonoj de CRLH-TL estas malsamaj, kio estas nomita malekvilibra stato. Tamen, kiam la serioj kaj paralelaj resonfrekvencoj estas la samaj, ĝi estas nomita ekvilibra ŝtato, kaj la rezulta simpligita ekvivalenta cirkvitomodelo estas montrita en Figuro 3 (a).

Figuro 3 Cirkvitomodelo kaj disvastigkurbo de kunmetita maldekstramana transmisilinio

Ĉar la ofteco pliiĝas, la disvastigaj trajtoj de CRLH-TL iom post iom pliiĝas. Ĉi tio estas ĉar la fazrapideco (t.e., vp=ω/β) iĝas ĉiam pli dependa de frekvenco. Ĉe malaltfrekvencoj, CRLH-TL estas dominita per LH, dum ĉe altfrekvencoj, CRLH-TL estas dominita per RH. Ĉi tio prezentas la duoblan naturon de CRLH-TL. La ekvilibra CRLH-TL-disperdia diagramo estas montrita en Figuro 3 (b). Kiel montrite en Figuro 3 (b), la transiro de LH al RH okazas ĉe:

Kie ω0 estas la transira frekvenco. Tial, en la ekvilibra kazo, glata transiro okazas de LH al RH ĉar γ estas pure imaga nombro. Tial, ekzistas neniu haltbendo por la ekvilibra CRLH-TL-disvastigo. Kvankam β estas nulo ĉe ω0 (senfina relative al la gvidita ondolongo, t.e., λg=2π/|β|), la ondo ankoraŭ disvastiĝas ĉar vg ĉe ω0 ne estas nulo. Simile, ĉe ω0, la fazoŝanĝo estas nulo por TL de longo d (te, φ= - βd=0). La faza antaŭeniĝo (t.e., φ>0) okazas en la LH-frekvenca gamo (t.e., ω<ω0), kaj la faza malfruo (te, φ<0) okazas en la RH-frekvenca gamo (te, ω>ω0). Por CRLH TL, la karakteriza impedanco estas priskribita jene:

Kie ZL kaj ZR estas la PLH kaj PRH impedancoj, respektive. Por la malekvilibra kazo, la karakteriza impedanco dependas de la frekvenco. La supra ekvacio montras, ke la ekvilibra kazo estas sendependa de frekvenco, do ĝi povas havi larĝan bendolarĝan kongruon. La TL-ekvacio derivita supre estas simila al la konsistigaj parametroj kiuj difinas la CRLH-materialon. La disvastigkonstanto de TL estas γ=jβ=Sqrt(ZY). Donita la disvastigkonstanto de la materialo (β=ω x Sqrt(εμ)), la sekva ekvacio povas esti akirita:

Simile, la karakteriza impedanco de TL, t.e., Z0=Sqrt(ZY), estas simila al la karakteriza impedanco de la materialo, t.e., η=Sqrt(μ/ε), kiu estas esprimita kiel:

La refrakta indico de ekvilibra kaj malekvilibra CRLH-TL (t.e., n = cβ/ω) estas montrita en Figuro 4. En Figuro 4, la refrakta indico de la CRLH-TL en sia LH-intervalo estas negativa kaj la refrakta indico en sia RH. intervalo estas pozitiva.

Fig. 4 Tipaj refraktaj indicoj de ekvilibraj kaj malekvilibraj CRLH-TLoj.

1. LC reto
Kaskadante la gruppasajn LC-ĉelojn montritajn en Figuro 5 (a), tipa CRLH-TL kun efika unuformeco de longo d povas esti konstruita periode aŭ ne-periode. Ĝenerale, por certigi la oportunon de kalkulo kaj fabrikado de CRLH-TL, la cirkvito devas esti perioda. Kompare kun la modelo de Figuro 1(c), la cirkvitĉelo de Figuro 5(a) ne havas grandecon kaj la fizika longo estas senlime malgranda (te, Δz en metroj). Konsiderante ĝian elektran longon θ=Δφ (rad), la fazo de la LC-ĉelo povas esti esprimita. Tamen, por efektive realigi la aplikatan induktancon kaj kapacitancon, fizika longo p devas esti establita. La elekto de aplika teknologio (kiel ekzemple mikrostrio, koplanara ondgvidilo, surfacaj muntaj komponantoj, ktp.) influos la fizikan grandecon de la LC-ĉelo. La LC-ĉelo de Figuro 5(a) estas simila al la pliiga modelo de Figuro 1(c), kaj ĝia limo p=Δz→0. Laŭ la unuformeckondiĉo p→0 en Figuro 5 (b), TL povas esti konstruita (per kaskada LC-ĉeloj) kiu estas ekvivalenta al ideala uniforma CRLH-TL kun longo d, tiel ke la TL prezentiĝas unuforma al elektromagnetaj ondoj.

Figuro 5 CRLH TL bazita sur LC-reto.

Por la LC-ĉelo, konsiderante periodajn limkondiĉojn (PBCoj) similajn al la Bloch-Floquet-teoremo, la dispersrilato de la LC-ĉelo estas pruvita kaj esprimita jene:

La serioimpedanco (Z) kaj ŝuntpermeso (Y) de la LC-ĉelo estas determinitaj per la sekvaj ekvacioj:

Ĉar la elektra longo de la unuo-LC-cirkvito estas tre malgranda, Taylor-aproksimado povas esti uzita por akiri:

2. Fizika Efektivigo
En la antaŭa sekcio, la LC-reto por generi CRLH-TL estis diskutita. Tiaj LC-retoj povas nur esti realigitaj adoptante fizikajn komponentojn kiuj povas produkti la postulatan kapacitancon (CR kaj CL) kaj induktancon (LR kaj LL). En la lastaj jaroj, la apliko de surfacmonta teknologio (SMT) pecetkomponentoj aŭ distribuitaj komponentoj altiris grandan intereson. Mikrostrio, striplinio, koplana ondgvidisto aŭ aliaj similaj teknologioj povas esti uzitaj por realigi distribuitajn komponentojn. Estas multaj faktoroj por konsideri dum elektado de SMT-blatoj aŭ distribuitaj komponantoj. SMT-bazitaj CRLH-strukturoj estas pli oftaj kaj pli facile efektivigeblaj laŭ analizo kaj dezajno. Ĉi tio estas pro la havebleco de nekomercaj SMT-pecetkomponentoj, kiuj ne postulas restrukturadon kaj fabrikadon kompare kun distribuitaj komponentoj. Tamen, la havebleco de SMT-komponentoj estas disa, kaj ili kutime funkcias nur ĉe malaltaj frekvencoj (te, 3-6GHz). Tial, SMT-bazitaj CRLH-strukturoj havas limigitajn funkciigadfrekvencintervalojn kaj specifajn fazkarakterizaĵojn. Ekzemple, en radiaj aplikoj, SMT-pecetkomponentoj eble ne estas realigeblaj. Figuro 6 montras distribuitan strukturon bazitan sur CRLH-TL. La strukturo estas realigita per intercifereca kapacitanco kaj kurtcirkvitaj linioj, formante la seriokapacitancon CL kaj paralelan induktancon LL de LH respektive. La kapacitanco inter la linio kaj GND estas supozita esti la RH-kapacitanco CR, kaj la induktanco generita per la magneta fluo formita per la nuna fluo en la intercifereca strukturo estas supozita esti la RH-induktanco LR.