I. Uvod
Metamateriale lahko najbolje opišemo kot umetno oblikovane strukture za ustvarjanje določenih elektromagnetnih lastnosti, ki v naravi ne obstajajo. Metamateriali z negativno prepustnostjo in negativno prepustnostjo se imenujejo levosučni metamateriali (LHM). LHM so obširno preučevali v znanstvenih in inženirskih skupnostih. Leta 2003 je revija Science uvrstila LHM med deset najboljših znanstvenih dosežkov sodobne dobe. Z izkoriščanjem edinstvenih lastnosti LHM so bile razvite nove aplikacije, koncepti in naprave. Pristop prenosnega voda (TL) je učinkovita metoda načrtovanja, ki lahko analizira tudi principe LHM. V primerjavi s tradicionalnimi TL je najpomembnejša lastnost metamaterialnih TL možnost nadzora parametrov TL (konstante širjenja) in karakteristične impedance. Možnost nadzora metamaterialnih parametrov TL zagotavlja nove ideje za načrtovanje antenskih struktur s kompaktnejšo velikostjo, večjo zmogljivostjo in novimi funkcijami. Slika 1 (a), (b) in (c) prikazuje modele brezizgubnega vezja čistega desnega prenosnega voda (PRH), čistega levičarskega prenosnega voda (PLH) in kompozitnega levo-desnega prenosnega voda ( CRLH). Kot je prikazano na sliki 1(a), je model enakovrednega vezja PRH TL običajno kombinacija serijske induktivnosti in ranžirne kapacitivnosti. Kot je prikazano na sliki 1(b), je model vezja PLH TL kombinacija induktivnosti shunta in serijske kapacitivnosti. V praktičnih aplikacijah ni mogoče izvesti vezja PLH. To je posledica neizogibnih parazitskih serijskih induktivnosti in učinkov ranžirne kapacitivnosti. Zato so značilnosti levega daljnovoda, ki jih je mogoče trenutno realizirati, vse sestavljene levo- in desnosučne strukture, kot je prikazano na sliki 1 (c).
Slika 1 Različni modeli vezja daljnovoda
Konstanta širjenja (γ) prenosnega voda (TL) se izračuna kot: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), kjer Y in Z predstavljata admitanco oziroma impedanco. Glede na CRLH-TL lahko Z in Y izrazimo kot:
Enotni CRLH TL bo imel naslednje disperzijsko razmerje:
Fazna konstanta β je lahko čisto realno število ali čisto imaginarno število. Če je β popolnoma realen znotraj frekvenčnega območja, je znotraj frekvenčnega območja prepustni pas zaradi pogoja γ=jβ. Po drugi strani pa, če je β povsem namišljeno število v frekvenčnem območju, obstaja zaustavni pas znotraj frekvenčnega območja zaradi pogoja γ=α. Ta zaustavitveni pas je edinstven za CRLH-TL in ne obstaja v PRH-TL ali PLH-TL. Slike 2 (a), (b) in (c) prikazujejo disperzijske krivulje (tj. razmerje ω - β) PRH-TL, PLH-TL oziroma CRLH-TL. Na podlagi disperzijskih krivulj je mogoče izpeljati in oceniti skupinsko hitrost (vg=∂ω/∂β) in fazno hitrost (vp=ω/β) daljnovoda. Za PRH-TL je iz krivulje mogoče sklepati tudi, da sta vg in vp vzporedna (tj. vpvg>0). Za PLH-TL krivulja kaže, da vg in vp nista vzporedna (tj. vpvg<0). Disperzijska krivulja CRLH-TL kaže tudi obstoj regije LH (tj. vpvg < 0) in regije RH (tj. vpvg > 0). Kot je razvidno iz slike 2(c), za CRLH-TL, če je γ čisto realno število, obstaja zaustavni pas.
Slika 2 Disperzijske krivulje različnih daljnovodov
Običajno sta zaporedni in vzporedni resonanci CRLH-TL različni, kar se imenuje neuravnoteženo stanje. Če pa sta zaporedni in vzporedni resonančni frekvenci enaki, se to imenuje uravnoteženo stanje in nastali poenostavljeni model ekvivalentnega vezja je prikazan na sliki 3(a).
Slika 3 Model vezja in disperzijska krivulja kompozitnega levega daljnovoda
Ko frekvenca narašča, se disperzijske značilnosti CRLH-TL postopoma povečujejo. To je zato, ker postaja fazna hitrost (tj. vp=ω/β) vedno bolj odvisna od frekvence. Pri nizkih frekvencah CRLH-TL prevladuje LH, medtem ko pri visokih frekvencah CRLH-TL prevladuje RH. To prikazuje dvojno naravo CRLH-TL. Ravnotežni disperzijski diagram CRLH-TL je prikazan na sliki 3(b). Kot je prikazano na sliki 3(b), se prehod iz LH v RH zgodi pri:
Kjer je ω0 prehodna frekvenca. Zato v uravnoteženem primeru pride do gladkega prehoda iz LH v RH, ker je γ povsem imaginarno število. Zato za uravnoteženo disperzijo CRLH-TL ni zavornega pasu. Čeprav je β enak nič pri ω0 (neskončen glede na vodeno valovno dolžino, tj. λg=2π/|β|), se val še vedno širi, ker vg pri ω0 ni nič. Podobno je pri ω0 fazni zamik enak nič za TL dolžine d (tj. φ= - βd=0). Fazni napredek (tj. φ>0) se pojavi v frekvenčnem območju LH (tj. ω<ω0), fazni zaostanek (tj. φ<0) pa v frekvenčnem območju RH (tj. ω>ω0). Za CRLH TL je karakteristična impedanca opisana na naslednji način:
Kjer sta ZL in ZR impedanci PLH oziroma PRH. Za neuravnotežen primer je karakteristična impedanca odvisna od frekvence. Zgornja enačba kaže, da je uravnotežen primer neodvisen od frekvence, zato se lahko ujema s široko pasovno širino. Enačba TL, izpeljana zgoraj, je podobna konstitutivnim parametrom, ki definirajo material CRLH. Konstanta širjenja TL je γ=jβ=Sqrt(ZY). Glede na konstanto širjenja materiala (β=ω x Sqrt(εμ)) je mogoče dobiti naslednjo enačbo:
Podobno je karakteristična impedanca TL, tj. Z0=Sqrt(ZY), podobna karakteristični impedanci materiala, tj. η=Sqrt(μ/ε), ki je izražena kot:
Indeks loma uravnoteženega in neuravnoteženega CRLH-TL (tj. n = cβ/ω) je prikazan na sliki 4. Na sliki 4 je lomni količnik CRLH-TL v njegovem LH območju negativen, lomni količnik v njegovem RH razpon je pozitiven.
Slika 4 Tipični lomni količniki uravnoteženih in neuravnoteženih CRLH TL.
1. LC omrežje
S kaskadnim povezovanjem pasovno prepustnih celic LC, prikazanih na sliki 5(a), je mogoče periodično ali neperiodično sestaviti tipičen CRLH-TL z učinkovito enakomernostjo dolžine d. Na splošno mora biti vezje periodično, da se zagotovi udobje izračuna in izdelave CRLH-TL. V primerjavi z modelom na sliki 1(c) celica vezja na sliki 5(a) nima velikosti in fizična dolžina je neskončno majhna (tj. Δz v metrih). Glede na njeno električno dolžino θ=Δφ (rad) lahko izrazimo fazo LC celice. Vendar pa je treba za dejansko realizacijo uporabljene induktivnosti in kapacitivnosti določiti fizično dolžino p. Izbira tehnologije uporabe (kot je mikrotrakasti, koplanarni valovod, komponente za površinsko montažo itd.) bo vplivala na fizično velikost LC celice. Celica LC na sliki 5(a) je podobna inkrementalnemu modelu na sliki 1(c) in njena meja p=Δz→0. V skladu s pogojem enakomernosti p→0 na sliki 5(b) je mogoče konstruirati TL (s kaskadnimi celicami LC), ki je enakovreden idealnemu enotnemu CRLH-TL z dolžino d, tako da je TL videti enoten za elektromagnetne valove.
Slika 5 CRLH TL na osnovi omrežja LC.
Za celico LC, ob upoštevanju periodičnih robnih pogojev (PBC), podobnih Bloch-Floquetovemu izreku, je disperzijsko razmerje celice LC dokazano in izraženo kot sledi:
Serijska impedanca (Z) in admitanca (Y) celice LC sta določeni z naslednjimi enačbami:
Ker je električna dolžina enote LC vezja zelo majhna, se lahko uporabi Taylorjev približek za pridobitev:
2. Fizična izvedba
V prejšnjem razdelku je bilo obravnavano omrežje LC za ustvarjanje CRLH-TL. Takšna omrežja LC je mogoče realizirati le s sprejetjem fizičnih komponent, ki lahko proizvedejo zahtevano kapacitivnost (CR in CL) in induktivnost (LR in LL). V zadnjih letih je uporaba komponent čipov s tehnologijo površinske montaže (SMT) ali porazdeljenih komponent pritegnila veliko zanimanja. Mikrotrakasti, trakasti, koplanarni valovod ali druge podobne tehnologije se lahko uporabljajo za realizacijo porazdeljenih komponent. Pri izbiri SMT čipov ali porazdeljenih komponent je treba upoštevati številne dejavnike. Strukture CRLH, ki temeljijo na SMT, so pogostejše in jih je lažje implementirati v smislu analize in načrtovanja. To je zaradi razpoložljivosti že pripravljenih komponent SMT čipov, ki ne zahtevajo preoblikovanja in izdelave v primerjavi s porazdeljenimi komponentami. Vendar pa je razpoložljivost komponent SMT razpršena in običajno delujejo le pri nizkih frekvencah (tj. 3–6 GHz). Zato imajo strukture CRLH na osnovi SMT omejena delovna frekvenčna območja in specifične fazne značilnosti. Na primer, pri sevalnih aplikacijah komponente čipov SMT morda niso izvedljive. Slika 6 prikazuje porazdeljeno strukturo, ki temelji na CRLH-TL. Struktura je realizirana z interdigitalno kapacitivnostjo in kratkostičnimi vodi, ki tvorijo zaporedno kapacitivnost CL oziroma vzporedno induktivnost LL LH. Predpostavlja se, da je kapacitivnost med linijo in GND kapacitivnost RH CR, induktivnost, ki jo ustvari magnetni tok, ki ga tvori tok v interdigitalni strukturi, pa induktivnost RH LR.
Slika 6 Enodimenzionalni mikrotrakasti CRLH TL, sestavljen iz interdigitalnih kondenzatorjev in kratkovodnih induktorjev.
Če želite izvedeti več o antenah, obiščite:
Čas objave: 23. avgusta 2024
