I. Inngangur
Best er að lýsa metaefnum sem gervihönnuð mannvirki til að framleiða ákveðna rafsegulfræðilega eiginleika sem eru ekki til náttúrulega. Metaefni með neikvæða heimild og neikvæða gegndræpi eru kölluð örvhent metaefni (LHM). LHM hefur verið mikið rannsakað í vísinda- og verkfræðisamfélögum. Árið 2003 voru LHM útnefndir einn af tíu efstu vísindabyltingum samtímans af tímaritinu Science. Ný forrit, hugtök og tæki hafa verið þróuð með því að nýta einstaka eiginleika LHM. Flutningslínuaðferðin (TL) er áhrifarík hönnunaraðferð sem getur einnig greint meginreglur LHM. Í samanburði við hefðbundnar TLs er mikilvægasti eiginleiki TL-metaefnis stýranleiki TL-breyta (útbreiðslufasti) og einkennandi viðnám. Stýranleiki metamaterial TL breytur veitir nýjar hugmyndir um hönnun loftnetsbygginga með þéttari stærð, meiri afköstum og nýjum aðgerðum. Mynd 1 (a), (b) og (c) sýna taplausu hringrásarlíkönin af hreinni hægri handar flutningslínu (PRH), hreinni vinstri handar flutningslínu (PLH) og samsettri vinstri-hægri flutningslínu ( CRLH), í sömu röð. Eins og sýnt er á mynd 1(a), er PRH TL jafngildi hringrásarlíkanið venjulega sambland af röð inductance og shunt rýmd. Eins og sýnt er á mynd 1(b), er PLH TL hringrásarlíkanið sambland af shunt inductance og raðrýmd. Í hagnýtum forritum er ekki gerlegt að innleiða PLH hringrás. Þetta er vegna óhjákvæmilegra áhrifa sníkjudýraseríu inductance og shunt capacity. Þess vegna eru eiginleikar örvhentu flutningslínunnar sem hægt er að framkvæma um þessar mundir öll samsett örvhent og rétthent mannvirki, eins og sýnt er á mynd 1(c).
Mynd 1 Mismunandi flutningslínur hringrásarlíkön
Útbreiðslufasti (γ) flutningslínunnar (TL) er reiknaður út sem: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), þar sem Y og Z tákna viðnám og viðnám í sömu röð. Miðað við CRLH-TL, Z og Y má tjá sem:
Samræmd CRLH TL mun hafa eftirfarandi dreifingartengsl:
Fasafastinn β getur verið eingöngu rauntala eða eingöngu ímynduð tala. Ef β er algjörlega raunverulegt innan tíðnisviðs er passband innan tíðnisviðsins vegna ástandsins γ=jβ. Á hinn bóginn, ef β er eingöngu ímynduð tala innan tíðnisviðs, er stöðvunarband innan tíðnisviðsins vegna ástandsins γ=α. Þetta stöðvunarband er einstakt fyrir CRLH-TL og er ekki til í PRH-TL eða PLH-TL. Myndir 2 (a), (b) og (c) sýna dreifingarferla (þ.e. ω - β samband) PRH-TL, PLH-TL og CRLH-TL, í sömu röð. Út frá dreififerlunum er hægt að leiða út og áætla hóphraða (vg=∂ω/∂β) og fasahraða (vp=ω/β) flutningslínunnar. Fyrir PRH-TL er einnig hægt að álykta af ferilnum að vg og vp séu samsíða (þ.e. vpvg>0). Fyrir PLH-TL sýnir ferillinn að vg og vp eru ekki samsíða (þ.e. vpvg<0). Dreifingarferill CRLH-TL sýnir einnig tilvist LH svæðis (þ.e. vpvg < 0) og RH svæðis (þ.e. vpvg > 0). Eins og sést á mynd 2(c), fyrir CRLH-TL, ef γ er hrein rauntala, þá er stöðvunarband.
Mynd 2 Dreifingarferlar mismunandi flutningslína
Venjulega eru röð og samhliða ómun CRLH-TL mismunandi, sem er kallað ójafnvægi. Hins vegar, þegar rað- og samhliða ómuntíðnin er sú sama, er það kallað jafnvægisástand, og einfaldaða jafngildi hringrásarlíkanið sem myndast er sýnt á mynd 3(a).
Mynd 3 Hringrásarlíkan og dreifingarferill samsettrar örvhentrar flutningslínu
Eftir því sem tíðnin eykst aukast dreifingareiginleikar CRLH-TL smám saman. Þetta er vegna þess að fasahraðinn (þ.e. vp=ω/β) verður sífellt háðari tíðni. Við lága tíðni er CRLH-TL ríkjandi af LH, en á háum tíðnum er CRLH-TL ríkjandi af RH. Þetta sýnir tvöfalt eðli CRLH-TL. Jafnvægis CRLH-TL dreifingarmyndin er sýnd á mynd 3(b). Eins og sýnt er á mynd 3(b) eiga sér stað umskipti frá LH til RH á:
Þar sem ω0 er breytingatíðnin. Þess vegna, í jafnvægisfallinu, verða slétt umskipti frá LH til RH vegna þess að γ er eingöngu ímynduð tala. Þess vegna er ekkert stöðvunarband fyrir jafnvægi CRLH-TL dreifingarinnar. Þó að β sé núll við ω0 (óendanlegt miðað við stýrða bylgjulengd, þ.e. λg=2π/|β|), breiðist bylgjan samt út vegna þess að vg við ω0 er ekki núll. Á sama hátt, við ω0, er fasabreytingin núll fyrir TL með lengd d (þ.e. φ= - βd=0). Fasaframhlaupið (þ.e. φ>0) á sér stað á LH tíðnisviðinu (þ.e. ω<ω0), og fasaskerðingin (þ.e. φ<0) á sér stað á RH tíðnisviðinu (þ.e. ω>ω0). Fyrir CRLH TL er einkennandi viðnáminu lýst sem hér segir:
Þar sem ZL og ZR eru PLH og PRH viðnám, í sömu röð. Fyrir ójafnvægið tilvik fer einkennandi viðnám eftir tíðninni. Jafnan hér að ofan sýnir að jafnvægisfallið er óháð tíðni, svo það getur haft breitt bandbreiddarsamsvörun. TL-jöfnan sem er fengin hér að ofan er svipuð myndbreytum sem skilgreina CRLH-efnið. Útbreiðslufasti TL er γ=jβ=Sqrt(ZY). Miðað við útbreiðslufasta efnisins (β=ω x Sqrt(εμ)), er hægt að fá eftirfarandi jöfnu:
Á sama hátt er einkennandi viðnám TL, þ.e. Z0=Sqrt(ZY), svipað og einkennandi viðnám efnisins, þ.e. η=Sqrt(μ/ε), sem er gefið upp sem:
Brotstuðull jafnvægis og ójafnvægs CRLH-TL (þ.e. n = cβ/ω) er sýndur á mynd 4. Á mynd 4 er brotstuðull CRLH-TL á LH-sviði þess neikvæður og brotstuðull í RH þess svið er jákvætt.
Mynd 4 Dæmigert brotstuðul fyrir jafnvægi og ójafnvægi CRLH TLs.
1. LC net
Með því að fella bandpass LC frumurnar sem sýndar eru á mynd 5(a), er hægt að smíða dæmigerðan CRLH-TL með virkri einsleitni af lengd d reglulega eða óreglubundið. Almennt, til að tryggja þægindi við útreikning og framleiðslu á CRLH-TL, þarf hringrásin að vera reglubundin. Í samanburði við líkanið á mynd 1(c), hefur hringrásarfruman á mynd 5(a) enga stærð og líkamleg lengd er óendanlega lítil (þ.e. Δz í metrum). Miðað við rafmagnslengd þess θ=Δφ (rad) er hægt að tjá fasa LC frumunnar. Hins vegar, til þess að átta sig á beittum inductance og rýmd, þarf að koma á líkamlegri lengd p. Val á notkunartækni (eins og örstrip, samplanar bylgjuleiðari, yfirborðsfestingarhlutir osfrv.) mun hafa áhrif á líkamlega stærð LC frumunnar. LC fruman á mynd 5(a) er svipuð stigvaxandi líkaninu á mynd 1(c), og takmörk þess p=Δz→0. Samkvæmt einsleitniskilyrðinu p→0 á mynd 5(b) er hægt að smíða TL (með því að skipta um LC frumur) sem jafngildir ákjósanlegu samræmdu CRLH-TL með lengd d, þannig að TL virðist einsleitt fyrir rafsegulbylgjur.
Mynd 5 CRLH TL byggt á LC neti.
Fyrir LC frumuna, með hliðsjón af reglubundnum jaðarskilyrðum (PBC) svipuðum Bloch-Floquet setningunni, er dreifingartengsl LC frumunnar sannað og gefið upp sem hér segir:
Röðviðnám (Z) og shuntaðgengi (Y) LC frumunnar eru ákvörðuð með eftirfarandi jöfnum:
Þar sem rafmagnslengd LC hringrásar einingarinnar er mjög lítil er hægt að nota Taylor nálgun til að fá:
2. Líkamleg útfærsla
Í fyrri hlutanum hefur LC netið til að búa til CRLH-TL verið rætt. Slík LC net er aðeins hægt að veruleika með því að samþykkja líkamlega íhluti sem geta framleitt nauðsynlega rýmd (CR og CL) og inductance (LR og LL). Á undanförnum árum hefur notkun yfirborðsfestingartækni (SMT) flíshluta eða dreifðra íhluta vakið mikinn áhuga. Hægt er að nota microstrip, stripline, coplanar waveguide eða aðra svipaða tækni til að átta sig á dreifðum íhlutum. Það eru margir þættir sem þarf að hafa í huga þegar þú velur SMT flís eða dreifða íhluti. SMT-undirstaða CRLH mannvirki eru algengari og auðveldari í framkvæmd hvað varðar greiningu og hönnun. Þetta er vegna þess að fáanlegir SMT flísíhlutir eru tiltækir, sem þurfa ekki endurgerð og framleiðslu samanborið við dreifða íhluti. Hins vegar er framboð á SMT íhlutum á víð og dreif og þeir virka venjulega aðeins á lágri tíðni (þ.e. 3-6GHz). Þess vegna hafa SMT-undirstaða CRLH mannvirki takmarkað tíðnisvið og sérstaka fasaeiginleika. Til dæmis, í útgeislunarforritum, gætu SMT flíshlutar ekki verið framkvæmanlegir. Mynd 6 sýnir dreifða uppbyggingu byggða á CRLH-TL. Uppbyggingin er að veruleika með interstafrænum rýmd og skammhlaupslínum, sem mynda röð rýmd CL og samhliða inductance LL LH í sömu röð. Gert er ráð fyrir að rafrýmd milli línunnar og GND sé RH rafrýmd CR, og sprautan sem myndast af segulflæðinu sem myndast af straumflæðinu í interstafrænu uppbyggingunni er talin vera RH inductance LR.
Mynd 6 Einvídd örræma CRLH TL sem samanstendur af interstafrænum þéttum og stuttlínuspólum.
Til að læra meira um loftnet skaltu fara á:
Birtingartími: 23. ágúst 2024
