Хабарҳо - Шарҳи антеннаҳои хатти интиқоли Metamaterial

I. Муқаддима
Метамаводҳоро метавон беҳтарин ҳамчун сохторҳои сунъӣ барои тавлиди хосиятҳои муайяни электромагнитӣ, ки табиатан вуҷуд надоранд, тавсиф кард. Метамаводҳое, ки дорои диэлектрикии манфӣ ва гузариши манфӣ мебошанд, метамаводҳои чапдаст (LHM) номида мешаванд. LHM дар ҷомеаҳои илмӣ ва муҳандисӣ ба таври васеъ омӯхта шудаанд. Дар соли 2003, LHM аз ҷониби маҷаллаи Science яке аз даҳ пешрафти илмии даврони муосир номида шуд. Барномаҳо, консепсияҳо ва дастгоҳҳои нав бо истифода аз хосиятҳои беназири LHM таҳия шудаанд. Равиши хатти интиқол (TL) як усули муассири тарроҳӣ аст, ки инчунин метавонад принсипҳои LHM-ро таҳлил кунад. Дар муқоиса бо TL-ҳои анъанавӣ, хусусияти муҳимтарини TL-ҳои метамаводӣ қобилияти идорашавандагии параметрҳои TL (доимии паҳншавӣ) ва импеданси хос мебошад. Қобилияти идорашавандагии параметрҳои TL-и метамаводӣ ғояҳои навро барои тарроҳии сохторҳои антенна бо андозаи фишурдатар, иҷрои баландтар ва вазифаҳои нав фароҳам меорад. Дар расми 1 (а), (б) ва (в) моделҳои схемаҳои беталафоти хати интиқоли ростдасти холис (PRH), хати интиқоли чапдасти холис (PLH) ва хати интиқоли мураккаби чапдасти ростдасти (CRLH) мутаносибан нишон дода шудаанд. Тавре ки дар расми 1 (а) нишон дода шудааст, модели схемаи эквиваленти PRH TL одатан омезиши индуктивияти силсилавӣ ва иқтидори шунтӣ мебошад. Тавре ки дар расми 1 (б) нишон дода шудааст, модели схемаи PLH TL омезиши индуктивияти шунтӣ ва иқтидори силсилавӣ мебошад. Дар татбиқи амалӣ, татбиқи схемаи PLH имконнопазир аст. Ин аз таъсири ногузири паразитии индуктивияти силсилавӣ ва иқтидори шунтӣ вобаста аст. Аз ин рӯ, хусусиятҳои хати интиқоли чапдасти холис, ки дар айни замон амалӣ карда мешаванд, ҳама сохторҳои мураккаби чапдасти холис ва ростдасти холис мебошанд, чунон ки дар расми 1 (в) нишон дода шудааст.

Расми 1 Моделҳои гуногуни схемаҳои хатҳои интиқол

Доимии паҳншавии хати интиқол (γ) чунин ҳисоб карда мешавад: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), ки дар он Y ва Z мутаносибан вуруд ва импедансро ифода мекунанд. Бо назардошти CRLH-TL, Z ва Y-ро метавон чунин ифода кард:

CRLH TL-и якхела муносибати дисперсии зеринро хоҳад дошт:

Доимии фаза β метавонад адади комилан воқеӣ ё адади комилан хаёлӣ бошад. Агар β дар диапазони басомад комилан воқеӣ бошад, дар доираи басомад бинобар шарти γ=jβ банди гузариш мавҷуд аст. Аз тарафи дигар, агар β адади комилан хаёлӣ дар диапазони басомад бошад, дар доираи басомад бинобар шарти γ=α банди қатъкунӣ мавҷуд аст. Ин банди қатъкунӣ ба CRLH-TL хос аст ва дар PRH-TL ё PLH-TL вуҷуд надорад. Расмҳои 2 (a), (b) ва (c) каҷхатҳои дисперсияро (яъне, муносибати ω - β) мутаносибан PRH-TL, PLH-TL ва CRLH-TL нишон медиҳанд. Бар асоси каҷхатҳои дисперсия, суръати гурӯҳӣ (vg=∂ω/∂β) ва суръати фаза (vp=ω/β)-и хати интиқолро метавон ба даст овард ва арзёбӣ кард. Барои PRH-TL, инчунин аз каҷхат хулоса кардан мумкин аст, ки vg ва vp мувозӣ ҳастанд (яъне, vpvg>0). Барои PLH-TL, каҷхат нишон медиҳад, ки vg ва vp мувозӣ нестанд (яъне, vpvg<0). Каҷхати парокандагии CRLH-TL инчунин мавҷудияти минтақаи LH (яъне, vpvg <0) ва минтақаи RH (яъне, vpvg >0)-ро нишон медиҳад. Тавре ки аз расми 2(c) дида мешавад, барои CRLH-TL, агар γ адади воқеии холис бошад, банди таваққуф вуҷуд дорад.

Расми 2. Каҷхатҳои парокандагии хатҳои гуногуни интиқол

Одатан, резонансҳои силсилавӣ ва параллелии CRLH-TL гуногунанд, ки онро ҳолати номутавозин меноманд. Аммо, вақте ки басомадҳои резонанси силсилавӣ ва параллелӣ якхелаанд, онро ҳолати мутавозин меноманд ва модели схемаи эквивалентии соддакардашудаи ҳосилшуда дар расми 3(a) нишон дода шудааст.

Расми 3 Модели схема ва каҷи парокандагии хати интиқоли чапдасти мураккаб

Бо афзоиши басомад, хусусиятҳои парокандагии CRLH-TL тадриҷан меафзояд. Ин аз он сабаб аст, ки суръати фаза (яъне vp=ω/β) ба басомад вобастагии бештар пайдо мекунад. Дар басомадҳои паст, CRLH-TL аз ҷониби LH ва дар басомадҳои баланд, CRLH-TL аз ҷониби RH бартарӣ дорад. Ин хусусияти дугонаи CRLH-TL-ро нишон медиҳад. Диаграммаи парокандагии мувозинати CRLH-TL дар расми 3(b) нишон дода шудааст. Тавре ки дар расми 3(b) нишон дода шудааст, гузариш аз LH ба RH дар ин ҳолат ба амал меояд:

Дар ин ҷо ω0 басомади гузариш аст. Аз ин рӯ, дар ҳолати мутавозин, гузариши ҳамвор аз LH ба RH ба амал меояд, зеро γ як адади комилан хаёлӣ аст. Аз ин рӯ, барои дисперсияи мутавозини CRLH-TL ягон банди қатъӣ вуҷуд надорад. Гарчанде ки β дар ω0 сифр аст (нисбат ба дарозии мавҷи роҳнамо, яъне λg=2π/|β|), мавҷ ҳанӯз ҳам паҳн мешавад, зеро vg дар ω0 сифр нест. Ба ҳамин монанд, дар ω0, тағйири фаза барои TL бо дарозии d сифр аст (яъне, φ= - βd=0). Пешрафти фаза (яъне, φ>0) дар диапазони басомади LH (яъне, ω<ω0) ва таъхири фаза (яъне, φ<0) дар диапазони басомади RH (яъне, ω>ω0) ба амал меояд. Барои TL CRLH, импеданси хос чунин тавсиф карда мешавад:

Дар ин ҷо ZL ва ZR мутаносибан импедансҳои PLH ва PRH мебошанд. Барои ҳолати номутавозин, импеданси хос аз басомад вобаста аст. Муодилаи дар боло овардашуда нишон медиҳад, ки ҳолати мутавозин аз басомад мустақил аст, аз ин рӯ он метавонад мувофиқати паҳнои банд дошта бошад. Муодилаи TL, ки дар боло оварда шудааст, ба параметрҳои конститутсионӣ, ки маводи CRLH-ро муайян мекунанд, монанд аст. Константаи паҳншавии TL γ=jβ=Sqrt(ZY) аст. Бо назардошти константаи паҳншавии мавод (β=ω x Sqrt(εμ)), муодилаи зеринро ба даст овардан мумкин аст:

Ба ҳамин монанд, импеданси хоси TL, яъне Z0=Sqrt(ZY), ба импеданси хоси мавод, яъне η=Sqrt(μ/ε), монанд аст, ки чунин ифода карда мешавад:

Нишондиҳандаи шикасти CRLH-TL-и мутавозин ва номутавозин (яъне, n = cβ/ω) дар расми 4 нишон дода шудааст. Дар расми 4, нишондиҳандаи шикасти CRLH-TL дар диапазони LH-и он манфӣ ва нишондиҳандаи шикаст дар диапазони RH-и он мусбат аст.

Расми 4 Нишондиҳандаҳои маъмулии шикастани TL-ҳои мутавозин ва номутавозини CRLH.

1. Шабакаи LC
Бо роҳи каскад кардани ҳуҷайраҳои LC-и бандии дар расми 5(a) нишондодашуда, як CRLH-TL-и маъмулӣ бо якрангии муассири дарозии d метавонад давра ба давра ё ғайридаврӣ сохта шавад. Умуман, барои таъмини қулайии ҳисоб ва истеҳсоли CRLH-TL, схема бояд даврӣ бошад. Дар муқоиса бо модели расми 1(c), ҳуҷайраи схемаи расми 5(a) андоза надорад ва дарозии физикӣ бениҳоят хурд аст (яъне Δz бо метр). Бо назардошти дарозии электрикии он θ=Δφ (rad), фазаи ҳуҷайраи LC-ро метавон ифода кард. Аммо, барои амалӣ кардани индуктивият ва иқтидори татбиқшуда, дарозии физикии p бояд муқаррар карда шавад. Интихоби технологияи татбиқ (ба монанди микротасма, роҳнамои мавҷҳои ҳампаҳлӯ, ҷузъҳои васлкунии сатҳӣ ва ғайра) ба андозаи физикии ҳуҷайраи LC таъсир мерасонад. Ҳуҷайраи LC-и расми 5(a) ба модели инкременталии расми 1(c) монанд аст ва ҳадди он p=Δz→0 аст. Мувофиқи шарти якрангии p→0 дар расми 5(b), метавон TL-ро (бо роҳи каскад кардани ҳуҷайраҳои LC) сохт, ки ба CRLH-TL-и ягонаи идеалӣ бо дарозии d баробар бошад, то TL барои мавҷҳои электромагнитӣ якранг ба назар расад.

Расми 5 CRLH TL, ки бар асоси шабакаи LC сохта шудааст.

Барои ҳуҷайраи LC, бо назардошти шароити марзии даврӣ (ШМП), ки ба теоремаи Блох-Флок монанданд, муносибати дисперсии ҳуҷайраи LC исбот ва чунин ифода карда мешавад:

Импеданси силсилавӣ (Z) ва қабули шунт (Y)-и ҳуҷайраи LC бо муодилаҳои зерин муайян карда мешаванд:

Азбаски дарозии электрикии занҷири LC-и воҳид хеле хурд аст, тақриби Тейлорро барои ба даст овардани инҳо истифода бурдан мумкин аст:

2. Татбиқи ҷисмонӣ
Дар бахши қаблӣ, шабакаи LC барои тавлиди CRLH-TL баррасӣ шуда буд. Чунин шабакаҳои LC танҳо бо роҳи қабули ҷузъҳои физикие, ки метавонанд иқтидори зарурӣ (CR ва CL) ва индуктивӣ (LR ва LL)-ро тавлид кунанд, амалӣ карда мешаванд. Дар солҳои охир, истифодаи ҷузъҳои чипи технологияи васлкунии рӯизаминӣ (SMT) ё ҷузъҳои тақсимшуда таваҷҷӯҳи зиёдро ба худ ҷалб кардааст. Барои амалӣ кардани ҷузъҳои тақсимшуда аз микротасма, рахи рахдор, мавҷгири копланарӣ ё дигар технологияҳои монанд истифода бурдан мумкин аст. Ҳангоми интихоби чипҳои SMT ё ҷузъҳои тақсимшуда омилҳои зиёдеро бояд ба назар гирифт. Сохторҳои CRLH дар асоси SMT аз ҷиҳати таҳлил ва тарҳрезӣ маъмултаранд ва татбиқашон осонтар аст. Ин аз сабаби мавҷудияти ҷузъҳои чипи SMT-и омода мебошад, ки дар муқоиса бо ҷузъҳои тақсимшуда аз навсозӣ ва истеҳсолро талаб намекунанд. Аммо, дастрасии ҷузъҳои SMT пароканда аст ва онҳо одатан танҳо дар басомадҳои паст (яъне 3-6 ГГц) кор мекунанд. Аз ин рӯ, сохторҳои CRLH дар асоси SMT диапазонҳои маҳдуди басомади корӣ ва хусусиятҳои фазаи мушаххас доранд. Масалан, дар барномаҳои радиатсионӣ, ҷузъҳои чипи SMT метавонанд амалӣ набошанд. Дар расми 6 сохтори тақсимшуда дар асоси CRLH-TL нишон дода шудааст. Ин сохтор тавассути хатҳои иқтидори байнирақамӣ ва кӯтоҳмуддат амалӣ карда мешавад, ки мутаносибан иқтидори силсилавии CL ва индуктивияти параллелии LL-и LH-ро ташкил медиҳад. Иқтидори байни хат ва GND иқтидори RH CR ва индуктивияти тавлидшуда аз ҷониби ҷараёни магнитӣ, ки аз ҷараёни ҷараён дар сохтори байнирақамӣ ба вуҷуд омадааст, индуктивияти RH LR фарз карда мешавад.