Ахбор - Баррасии мавҷгирҳои хати интиқоли метаматериал

I. Муқаддима
Метаматериалҳоро беҳтар метавон ҳамчун сохторҳои ба таври сунъӣ тарҳрезӣшуда тавсиф кард, то хосиятҳои муайяни электромагнитиро ба вуҷуд оранд, ки табиатан вуҷуд надоранд. Метаматериалҳое, ки дорои гузариши манфӣ ва гузариши манфӣ доранд, метаматериалҳои чапдаст (LHMs) номида мешаванд. LHM-ҳо дар ҷомеаҳои илмӣ ва муҳандисӣ васеъ омӯхта шудаанд. Дар соли 2003, LHM аз ҷониби маҷаллаи Science яке аз даҳ дастовардҳои беҳтарини илмии даврони муосир номида шуд. Барномаҳо, консепсияҳо ва дастгоҳҳои нав тавассути истифодаи хосиятҳои беназири LHM таҳия карда шуданд. Равиши хати интиқоли барқ (TL) як усули самараноки тарҳрезӣ мебошад, ки инчунин метавонад принсипҳои LHM-ро таҳлил кунад. Дар муқоиса бо TL-ҳои анъанавӣ, хусусияти муҳимтарини TL-ҳои метаматериалӣ назорати параметрҳои TL (константи паҳншавӣ) ва импеданси хос мебошад. Идоракунии параметрҳои метаматериалии TL ғояҳои навро барои тарҳрезии сохторҳои мавҷгир бо андозаи зичтар, иҷрои баландтар ва функсияҳои нав таъмин мекунад. Дар расми 1 (а), (б) ва (в) моделҳои схемаҳои бе талафоти хати интиқоли рости рост (PRH), хати поки интиқоли чапи чап (PLH) ва хати таркибии интиқоли чапи рост ( CRLH), мутаносибан. Тавре ки дар расми 1(а) нишон дода шудааст, модели схемаи эквивалентии PRH TL одатан маҷмӯи индуктивии силсила ва зарфияти шунт мебошад. Тавре ки дар расми 1(b) нишон дода шудааст, модели схемаи PLH TL маҷмӯи индуктивии шунт ва иқтидори силсилавӣ мебошад. Дар барномаҳои амалӣ татбиқи схемаи PLH ғайриимкон аст. Ин аз сабаби ногузир будани силсилаи паразитӣ индуктивӣ ва таъсири иқтидори шунт мебошад. Аз ин рӯ, хусусиятҳои хатти интиқоли чапдаст, ки дар айни замон амалӣ карда мешаванд, ҳама сохторҳои таркибӣ аз чапдаст ва рост мебошанд, ки дар расми 1(в) нишон дода шудааст.

Расми 1 Моделҳои гуногуни схемаҳои хати интиқол

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

Якхелаи CRLH TL муносибати дисперсионии зеринро дорад:

Собити фаза β метавонад адади соф воқеӣ ё адади хаёлӣ бошад. Агар β дар доираи басомад комилан воқеӣ бошад, дар доираи басомад бо сабаби шарти γ=jβ гузаргоҳ мавҷуд аст. Аз тарафи дигар, агар β адади сирф хаёлӣ дар доираи басомад бошад, дар доираи басомад бо сабаби шарти γ=α банди қатъ вуҷуд дорад. Ин таваққуф барои CRLH-TL беназир аст ва дар PRH-TL ё PLH-TL вуҷуд надорад. Дар расмҳои 2 (a), (b) ва (c) хатҳои дисперсионии (яъне, муносибати ω - β) PRH-TL, PLH-TL ва CRLH-TL мутаносибан нишон дода шудаанд. Дар асоси каҷҳои дисперсия суръати гурӯҳӣ (vg=∂ω/∂β) ва суръати марҳилаи (vp=ω/β) хати интиқолро метавон ба даст овард ва ҳисоб кард. Барои PRH-TL, инчунин метавон аз хати каҷ хулоса кард, ки vg ва vp параллеланд (яъне, vpvg>0). Барои PLH-TL хатти каҷ нишон медиҳад, ки vg ва vp параллел нестанд (яъне vpvg<0). Хати каҷи паҳншавии CRLH-TL инчунин мавҷудияти минтақаи LH (яъне, vpvg < 0) ва минтақаи RH (яъне, vpvg > 0) -ро нишон медиҳад. Тавре ки аз расми 2(в) дида мешавад, барои CRLH-TL, агар γ адади холис бошад, банди таваққуф мавҷуд аст.

Расми 2 Каҷҳои парокандаи хатҳои гуногуни интиқол

Одатан, резонансҳои силсила ва параллели CRLH-TL гуногунанд, ки онро ҳолати номутавозунӣ меноманд. Аммо, ваќте ки басомадњои резонансњои силсила ва параллелї якхела бошанд, онро њолати мутавозин меноманд ва модели схемаи эквивалентии соддашуда дар расми 3(а) нишон дода шудааст.

Расми 3 Модели схема ва хатти дисперсионии хатти интиқоли таркибии чапдаст

Бо зиёд шудани басомад, хусусиятҳои дисперсионии CRLH-TL тадриҷан зиёд мешаванд. Ин аз он сабаб аст, ки суръати фаза (яъне, vp=ω/β) аз басомад бештар вобастагӣ дорад. Дар басомадҳои паст, CRLH-TL бо LH бартарӣ дорад, дар ҳоле ки дар басомадҳои баланд CRLH-TL бо RH бартарӣ дорад. Ин хусусияти дугонаи CRLH-TL-ро нишон медиҳад. Диаграммаи дисперсионии мувозинати CRLH-TL дар расми 3(б) нишон дода шудааст. Тавре ки дар расми 3(б) нишон дода шудааст, гузариш аз LH ба RH дар:

Дар куҷо ω0 басомади гузариш аст. Аз ин рӯ, дар ҳолати мутавозин, гузариши ҳамвор аз LH ба RH ба амал меояд, зеро γ адади сирф хаёлӣ мебошад. Аз ин рӯ, барои паҳншавии мутавозуни CRLH-TL ягон таваққуф вуҷуд надорад. Гарчанде ки β дар ω0 сифр аст (нисбат ба дарозии мавҷи роҳнамоӣ беохир, яъне λg=2π/|β|), мавҷ ҳанӯз ҳам паҳн мешавад, зеро vg дар ω0 сифр нест. Ба ҳамин монанд, дар ω0, тағирёбии фаза барои TL-и дарозии d (яъне, φ= - βd=0) ба сифр баробар аст. Пешравии 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 CRLH TL, муқовимати хос ба таври зерин тавсиф карда мешавад:

Дар куҷо ZL ва ZR мутаносибан импедансҳои PLH ва PRH мебошанд. Барои ҳолати номутаносиб, импеданси хос аз басомад вобаста аст. Муодилаи дар боло зикршуда нишон медиҳад, ки ҳолати мутавозин аз басомад новобаста аст, бинобар ин он метавонад мувофиқати фарохмаҷрои васеъ дошта бошад. Муодилаи TL, ки дар боло гирифта шудааст, ба параметрҳои конститутсионӣ, ки маводи CRLH-ро муайян мекунанд, монанд аст. Константаи паҳншавии TL γ=jβ=Sqrt(ZY) аст. Бо назардошти доимии паҳншавии мавод (β=ω x Sqrt(εμ)), муодилаи зеринро ба даст овардан мумкин аст:

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

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

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

1. Шабакаи LC
Бо каскад кардани ҳуҷайраҳои маҷрои LC, ки дар расми 5(а) нишон дода шудааст, CRLH-TL-и маъмулӣ бо якрангии самараноки дарозии d метавонад давра ба давра ё ғайридавлатӣ сохта шавад. Умуман, барои таъмини қулайи ҳисоб ва истеҳсоли CRLH-TL, схема бояд давра ба давра бошад. Дар муқоиса бо модели расми 1(в) ҳуҷайраи схемаи расми 5(а) андоза надорад ва дарозии физикӣ беохир хурд аст (яъне Δz дар метр). Бо назардошти дарозии электрикии он θ=Δφ (рад), фазаи ҳуҷайраи LC метавонад ифода карда шавад. Аммо, барои воқеан амалӣ кардани индуктивӣ ва зарфияти татбиқшаванда, дарозии физикии p бояд муқаррар карда шавад. Интихоби технологияи татбиқ (ба монанди микрострип, мавҷи копланарӣ, ҷузъҳои васлшаванда ва ғ.) ба андозаи физикии ҳуҷайраи LC таъсир мерасонад. Ячейкаи LC дар расми 5(а) ба модели афзояндаи расми 1(в) шабоҳат дорад ва лимити он p=Δz→0. Мувофиқи шарти якрангии p→0 дар расми 5(б), TL-ро сохтан мумкин аст (бо роҳи каскади ҳуҷайраҳои LC), ки ба якхелаи идеалии CRLH-TL бо дарозии d баробар аст, то ки TL ба мавҷҳои электромагнитӣ яксон ба назар расад.

Тасвири 5 CRLH TL дар асоси шабакаи LC.

Барои ҳуҷайраи LC, бо назардошти шароити даврии сарҳадӣ (PBCs), ки ба теоремаи Блох-Флокет монанд аст, муносибати дисперсионии ҳуҷайраи LC исбот ва ба таври зерин ифода карда мешавад:

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

Азбаски дарозии электрикии схемаи LC хеле хурд аст, тахминии Тейлорро метавон барои ба даст овардани:

2. Иҷрои ҷисмонӣ
Дар фасли қаблӣ, шабакаи LC барои тавлиди CRLH-TL муҳокима карда шуд. Чунин шабакаҳои LC-ро танҳо тавассути қабули ҷузъҳои физикӣ амалӣ кардан мумкин аст, ки метавонанд иқтидори заруриро (CR ва CL) ва индуктивиро (LR ва LL) тавлид кунанд. Дар солҳои охир, истифодаи ҷузъҳои чипи технологияи рӯизаминӣ (SMT) ё ҷузъҳои тақсимшуда таваҷҷӯҳи зиёдро ҷалб кард. Барои амалӣ намудани ҷузъҳои тақсимшуда микрострип, рахи хатти, мавҷи копланарӣ ё дигар технологияҳои шабеҳро метавон истифода бурд. Ҳангоми интихоби микросхемаҳои SMT ё ҷузъҳои тақсимшуда омилҳои зиёде мавҷуданд. Сохторҳои CRLH дар асоси SMT бештар маъмуланд ва аз ҷиҳати таҳлил ва тарҳрезӣ татбиқ кардан осонтаранд. Ин сабаби мавҷудияти ҷузъҳои чипи SMT дар раф аст, ки дар муқоиса бо ҷузъҳои тақсимшуда таҷдид ва истеҳсолро талаб намекунанд. Аммо, мавҷудияти 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 дорои диапазони маҳдуди басомади корӣ ва хусусиятҳои мушаххаси марҳила мебошанд. Масалан, дар замимаҳои радиатсионӣ ҷузъҳои чипи SMT мумкин нест. Дар расми 6 сохтори тақсимшуда дар асоси CRLH-TL нишон дода шудааст. Сохтор тавассути иқтидори байнирақамӣ ва хатҳои кӯтоҳи ноқил амалӣ карда мешавад, ки мутаносибан CL иқтидори силсилавӣ ва индуктивии параллелӣ LL-ро ташкил медиҳанд. Иқтидори байни хат ва GND ҳамчун CR иқтидори RH ва индуктивие, ки тавассути ҷараёни магнитӣ, ки тавассути ҷараёни ҷорӣ дар сохтори байнирақамӣ ба вуҷуд омадааст, индуктивии RH LR ҳисобида мешавад.