Fréttir - Yfirlit yfir loftnet úr flutningslínum úr málmefni

I. Inngangur
Meðferðarefni má best lýsa sem tilbúnum mannvirkjum til að framleiða ákveðna rafsegulfræðilega eiginleika sem eru ekki til staðar náttúrulega. Meðferðarefni með neikvæða gegndræpi og neikvæða rafsegulbylgju eru kölluð vinstri handar meðferðarefni (e. left handed metamaterials, LHMs). LHM hafa verið rannsökuð ítarlega í vísinda- og verkfræðisamfélaginu. Árið 2003 voru LHM nefnd ein af tíu helstu vísindabyltingum samtímans af tímaritinu Science. Ný notkun, hugtök og tæki hafa verið þróuð með því að nýta sér einstaka eiginleika LHM. Aðferðin með flutningslínum (TL) er áhrifarík hönnunaraðferð sem getur einnig greint meginreglur LHM. Í samanburði við hefðbundnar TL er mikilvægasti eiginleiki TL úr meðferðarefnum stjórnanleiki TL breytna (útbreiðslustuðull) og einkennandi viðnáms. Stjórnanleiki TL breytna úr meðferðarefnum veitir nýjar hugmyndir um hönnun loftnetsmannvirkja með minni stærð, meiri afköstum og nýstárlegum aðgerðum. Mynd 1 (a), (b) og (c) sýna taplausar rásarlíkön fyrir hreina hægri handar flutningslínu (PRH), hreina vinstri handar flutningslínu (PLH) og samsetta vinstri-hægri handar flutningslínu (CRLH), talið í sömu röð. Eins og sést á mynd 1(a) er PRH TL jafngildisrásarlíkanið venjulega samsetning af raðspönum og sköntunarrýmd. Eins og sést á mynd 1(b) er PLH TL rásarlíkanið samsetning af sköntunarspönum og raðrýmd. Í hagnýtum forritum er ekki mögulegt að útfæra PLH rás. Þetta er vegna óhjákvæmilegra áhrifa sníkjudýraraðspöns og sköntunarrýmdar. Þess vegna eru eiginleikar vinstri handar flutningslínunnar sem hægt er að útfæra í dag allir samsettir vinstri og hægri handar uppbyggingar, eins og sýnt er á mynd 1(c).

Mynd 1 Mismunandi gerðir af flutningslínum

Útbreiðslustuðullinn (γ) flutningslínunnar (TL) er reiknaður sem: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), þar sem Y og Z tákna aðgengi og viðnám, talið í sömu röð. Miðað við CRLH-TL, má tákna Z og Y sem:

Einsleitt CRLH TL mun hafa eftirfarandi dreifingartengsl:

Fasastuðullinn β getur verið bæði rauntala og ímynduð tala. Ef β er alveg rauntala innan tíðnibils, þá er til staðar tíðniband vegna skilyrðisins γ=jβ. Hins vegar, ef β er ímynduð tala innan tíðnibils, þá er til staðar stöðvunarband innan tíðnibilsins vegna skilyrðisins 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 dreifingarferlana (þ.e. ω - β sambandið) fyrir PRH-TL, PLH-TL og CRLH-TL, talið í sömu röð. Byggt á dreifingarferlunum er hægt að leiða út og áætla hóphraðann (vg=∂ω/∂β) og fasahraðann (vp=ω/β) flutningslínunnar. Fyrir PRH-TL er einnig hægt að álykta út frá ferlinum 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). Dreifingarferillinn fyrir CRLH-TL sýnir einnig tilvist LH svæðis (þ.e. vpvg < 0) og RH svæðis (þ.e. vpvg > 0). Eins og sjá má á mynd 2(c), fyrir CRLH-TL, ef γ er hrein rauntala, þá er til stöðvunarsvið.

Mynd 2 Dreifingarferlar mismunandi flutningslína

Venjulega eru rað- og samsíða ómsveiflur CRLH-TL mismunandi, sem kallast ójafnvægisástand. Hins vegar, þegar rað- og samsíða ómsveiflutíðnin eru þau sömu, kallast það jafnvægisástand, og einfaldaða jafngildisrásarlíkanið sem myndast er sýnt á mynd 3(a).

Mynd 3 Rásarlíkan og dreifingarkúrfa fyrir samsetta vinstri handar flutningslínu

Þegar tíðnin eykst aukast dreifingareiginleikar CRLH-TL smám saman. Þetta er vegna þess að fasahraði (þ.e. vp=ω/β) verður sífellt háðari tíðni. Við lágar tíðnir er CRLH-TL undir stjórn LH, en við háar tíðnir er CRLH-TL undir stjórn RH. Þetta sýnir tvíþætta eðli CRLH-TL. Jafnvægisdreifingarrit CRLH-TL er sýnt á mynd 3(b). Eins og sést á mynd 3(b) á sér stað umskipti frá LH til RH við:

Þar sem ω0 er umbreytingartíðnin. Þess vegna, í jafnvægistilvikinu, á sér stað mjúk umskipti frá LH til RH þar sem γ er hrein ímynduð tala. Þess vegna er ekkert stöðvunarband fyrir jafnvægi CRLH-TL dreifinguna. Þó að β sé núll við ω0 (óendanlegt miðað við stýrða bylgjulengdina, þ.e. λg=2π/|β|), þá breiðist bylgjan samt út þar sem vg við ω0 er ekki núll. Á sama hátt, við ω0, er fasabreytingin núll fyrir TL af lengd d (þ.e. φ= - βd=0). Fasaframvindan (þ.e. φ>0) á sér stað á LH tíðnibilinu (þ.e. ω<ω0), og fasahömlunin (þ.e. φ<0) á sér stað á RH tíðnibilinu (þ.e. ω>ω0). Fyrir CRLH TL er einkennandi viðnám lýst sem hér segir:

Þar sem ZL og ZR eru PLH og PRH impedansarnir, talið í sömu röð. Fyrir ójafnvægið er einkennandi impedansinn háður tíðninni. Ofangreind jafna sýnir að jafnvægis-tilvikið er óháð tíðni, þannig að það getur haft breitt bandbreiddarsamsvörun. TL jafnan sem fengin er hér að ofan er svipuð þeim eðlisfræðilegu breytum sem skilgreina CRLH efnið. Útbreiðslustuðull TL er γ=jβ=Sqrt(ZY). Miðað við útbreiðslustuðul 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 táknað sem:

Brotstuðull jafnvægis- og ójafnvægis CRLH-TL (þ.e. n = cβ/ω) er sýndur á mynd 4. Á mynd 4 er brotstuðull CRLH-TL á vinstri hæðarsviðinu neikvæður og brotstuðullinn á hægri hæðarsviðinu jákvæður.

Mynd 4. Dæmigert ljósbrotsvísitala jafnvægis- og ójafnvægis CRLH TL.

1. LC net
Með því að tengja saman bandpass LC frumurnar sem sýndar eru á mynd 5(a) er hægt að smíða dæmigerða CRLH-TL rafrás með virkri einsleitni lengdar d með reglulegu eða óreglulegu millibili. Almennt séð, til að tryggja þægindi við útreikning og framleiðslu á CRLH-TL, þarf rafrásin að vera regluleg. Í samanburði við líkanið á mynd 1(c) er rafrásarfruman á mynd 5(a) stærðlaus og efnisleg lengd er óendanlega lítil (þ.e. Δz í metrum). Miðað við raflengdina θ=Δφ (rad) er hægt að tákna fasa LC frumunnar. Hins vegar, til að raunverulega ná fram beittum spanstuðli og rafrýmd, þarf að ákvarða efnislega lengd p. Val á notkunartækni (eins og örræmu, samhliða bylgjuleiðara, yfirborðsfestingaríhlutum o.s.frv.) mun hafa áhrif á efnislega stærð LC frumunnar. LC fruman á mynd 5(a) er svipuð stigvaxandi líkaninu á mynd 1(c) og takmörk hennar p=Δz→0. Samkvæmt einsleitniskilyrðinu p→0 á mynd 5(b) er hægt að smíða TL (með því að kaskadsetja LC-frumur) sem jafngildir hugsjón einsleitri CRLH-TL með lengd d, þannig að TL virðist einsleit fyrir rafsegulbylgjur.

Mynd 5 CRLH TL byggt á LC neti.

Fyrir LC-frumuna, með hliðsjón af reglubundnum jaðarskilyrðum (PBC) svipuðum og í Bloch-Floquet-setningunni, er dreifingartengslin í LC-frumunni sannað og tjáð á eftirfarandi hátt:

Raðviðnám (Z) og skansaðgangur (Y) LC-sellunnar eru ákvörðuð með eftirfarandi jöfnum:

Þar sem rafmagnslengd LC-rásarinnar er mjög lítil er hægt að nota Taylor-nálgun til að fá:

2. Efnisleg framkvæmd
Í fyrri hlutanum var rætt um LC net til að búa til CRLH-TL. Slík LC net er aðeins hægt að útfæra með því að nota efnislega íhluti sem geta framleitt nauðsynlega rafrýmd (CR og CL) og spanstuðul (LR og LL). Á undanförnum árum hefur notkun yfirborðsfestingartækni (SMT) fyrir flísíhluti eða dreifða íhluti vakið mikinn áhuga. Hægt er að nota örstrip, ræmulínu, samhliða bylgjuleiðara eða aðra svipaða tækni til að útfæra dreifða íhluti. Það eru margir þættir sem þarf að hafa í huga þegar SMT flísar eða dreifðir íhlutir eru valdir. SMT-byggðar CRLH uppbyggingar eru algengari og auðveldari í framkvæmd hvað varðar greiningu og hönnun. Þetta er vegna framboðs á tilbúnum SMT flísíhlutum, sem þurfa ekki endurbætur og framleiðslu samanborið við dreifða íhluti. Hins vegar er framboð á SMT íhlutum dreifð og þeir virka venjulega aðeins við lágar tíðnir (þ.e. 3-6 GHz). Þess vegna hafa SMT-byggðar CRLH uppbyggingar takmarkað rekstrartíðnisvið og sérstaka fasaeiginleika. Til dæmis, í geislunarforritum, gætu SMT flísíhlutir ekki verið framkvæmanlegir. Mynd 6 sýnir dreifða uppbyggingu byggða á CRLH-TL. Uppbyggingin er gerð með millistafa rafrýmdar- og skammhlaupslínum, sem mynda raðrýmdina CL og samsíða spannið LL fyrir LH, talið í sömu röð. Rýmdina milli línunnar og GND er gert ráð fyrir að vera RH rafrýmdin CR, og spannið sem myndast við segulflæði sem myndast við strauminn í millistafauppbyggingunni er gert ráð fyrir að vera RH spannið LR.