Nûçe - Vekolîna Antênên Xeta Veguhastina Metamaterial

I. Destpêk
Metamaterial dikarin çêtirîn wekî strukturên çêkirî yên sêwirandî werin binav kirin da ku hin taybetmendiyên elektromagnetîk ên ku bi xwezayî tune ne hilberînin. Metamateryalên ku bi destûrbûna neyînî û permeabiliya neyînî re metamaterialên çepgir (LHM) têne gotin. LHM di civakên zanistî û endezyariyê de bi berfirehî hatine lêkolîn kirin. Di sala 2003-an de, LHM ji hêla kovara Science ve wekî yek ji deh pêşkeftinên zanistî yên serdema hemdem hate binav kirin. Serîlêdanên nû, têgeh û amûrên nû bi karanîna taybetmendiyên bêhempa yên LHM-an hatine pêşve xistin. Nêzîkatiya xeta veguhestinê (TL) rêbazek sêwiranê ya bi bandor e ku dikare prensîbên LHM-an jî analîz bike. Li gorî TL-yên kevneşopî, taybetmendiya herî girîng a TL-yên metamaterial kontrolkirina parametreyên TL (berdewamiya belavbûnê) û impedansa taybetmendiyê ye. Kontrolkirina parametreyên TL yên metamaterial ji bo sêwirana strukturên antenna bi qebareya tevlihev, performansa bilind û fonksiyonên nû ramanên nû peyda dike. Wêneyê 1 (a), (b), û (c) modelên çerxa bê windabûnê yên xeta veguheztina destê rastê ya safî (PRH), xeta veguheztina destê çepê ya safî (PLH), û xeta ragihandinê ya çep-rast-rast a pêkhatî nîşan dide ( CRLH), bi rêzê ve. Wekî ku di xêza 1 (a) de tê xuyang kirin, modela hevkêşeya PRH TL bi gelemperî berhevokek induktansa rêzê û kapasîteya şuntê ye. Wekî ku di xêza 1 (b) de tê xuyang kirin, modela çerxa PLH TL berhevokek induktansa şunt û kapasîteya rêzê ye. Di serîlêdanên pratîkî de, ne pêkan e ku meriv pêvekek PLH bicîh bîne. Ev ji ber bandora induktansa rêza parazît a neçar û kapasîteya şuntê ye. Ji ber vê yekê, taybetmendiyên xeta veguheztina çepgir a ku niha dikare were fêhm kirin hemî avahiyên çepgir û rastgir ên pêkhatî ne, wekî ku di Figure 1 (c) de têne xuyang kirin.

Figure 1 Modelên cîhêreng ên xeta veguhestinê

Berdewama belavbûna (γ) ya xeta veguheztinê (TL) wekî: γ=α+jβ=Sqrt(ZY) tê hesabkirin, li wir Y û Z bi rêzê pejirandinê û impedansê temsîl dikin. Dema ku CRLH-TL dihesibînin, Z û Y dikare wekî:

CRLH TL ya yekgirtî dê têkiliya belavbûna jêrîn hebe:

Qonaxa domdar β dikare bibe jimareyek rastîn an jimareyek bi tevahî xeyalî. Heke β di nav rêzek frekansê de bi tevahî rast be, ji ber şerta γ=jβ di nav rêza frekansê de bendek derbasbûnê heye. Ji hêla din ve, heke β di nav rêzek frekansê de jimareyek bi tevahî xeyalî be, ji ber şerta γ=α di nav rêza frekansê de bendek rawestan heye. Ev rawestgeh ji bo CRLH-TL-ê yekta ye û di PRH-TL an PLH-TL de tune. Wêneyên 2 (a), (b), û (c) bi rêzê ve girêkên belavbûnê (ango têkiliya ω - β) yên PRH-TL, PLH-TL, û CRLH-TL nîşan didin. Li ser bingeha kelûpelên belavbûnê, leza komê (vg=∂ω/∂β) û leza qonaxê (vp=ω/β) ya xeta veguheztinê dikare were derxistin û texmîn kirin. Ji bo PRH-TL jî dikare ji kêşanê were destnîşankirin ku vg û vp paralel in (ango, vpvg>0). Ji bo PLH-TL, xêz nîşan dide ku vg û vp ne paralel in (ango, vpvg<0). Kûreya belavbûna CRLH-TL jî hebûna herêma LH (ango, vpvg < 0) û herêma RH (ango, vpvg > 0) nîşan dide. Wekî ku ji jimar 2(c) tê dîtin, ji bo CRLH-TL, heke γ jimareyek rastîn a paqij be, bendek rawestanê heye.

Figure 2 Kevirên belavkirina xetên veguheztinê yên cihêreng

Bi gelemperî rêze û rezonansên paralel ên CRLH-TL cûda ne, ku jê re rewşek bêhevseng tê gotin. Lêbelê, dema ku rêzik û frekansên rezonansê yên paralel yek in, jê re rewşek hevseng tê gotin, û modela dorhêla hevkêş a hêsankirî ya encam di Figure 3(a) de tê xuyang kirin.

Figure 3 Modela danûstendinê û kurba belavbûna xeta veguheztina çepgir a pêkhatî

Her ku frekansa zêde dibe, taybetmendiyên belavbûna CRLH-TL hêdî hêdî zêde dibin. Ji ber ku leza qonaxê (ango, vp=ω/β) her ku diçe bi frekansê ve girêdayî dibe. Di frekansên nizm de, CRLH-TL ji hêla LH ve, lê di frekansên bilind de, CRLH-TL ji hêla RH ve serdest e. Ev cewhera dualî ya CRLH-TL nîşan dide. Diyagrama belavbûna hevsengiya CRLH-TL di jimar 3(b) de hatiye nîşandan. Wekî ku di Figure 3 (b) de tê xuyang kirin, veguheztina ji LH berbi RH li vir pêk tê:

Li ku derê ω0 frekansa derbasbûnê ye. Ji ber vê yekê, di rewşa hevseng de, veguheztinek nerm ji LH berbi RH pêk tê ji ber ku γ jimarek bi tevahî xeyalî ye. Ji ber vê yekê, ji bo belavbûna hevseng a CRLH-TL bendek rawestanê tune. Her çend β li ω0 sifir e (li gorî dirêjahiya pêlê rênîşandanî bêsînor, ango λg=2π/|β|), pêl dîsa jî belav dibe ji ber ku vg li ω0 ne sifir e. Bi heman awayî, li ω0, veguhertina qonaxê ji bo TL ya dirêjahiya d sifir e (ango, φ= - βd=0). Pêşveçûna qonaxê (ango, φ>0) di rêza frekansa LH de (ango, ω<ω0), û paşketina qonaxê (ango, φ<0) di rêza frekansa RH de pêk tê (ango, ω>ω0). Ji bo CRLH TL, impedansa taybetmendiyê bi vî rengî tête diyar kirin:

Li ku derê ZL û ZR, bi rêzdarî, impedansên PLH û PRH ne. Ji bo rewşa bêhevseng, impedansiya taybetmendiyê bi frekansê ve girêdayî ye. Hevkêşana jorîn nîşan dide ku doza hevseng ji frekansê serbixwe ye, ji ber vê yekê ew dikare xwedan hevrêzek berfê ya berfireh be. Wekheviya TL ya ku li jor hatî derxistin dişibihe pîvanên damezrîner ên ku materyalê CRLH diyar dikin. Berdewama belavbûna TL-ê γ=jβ=Sqrt(ZY) ye. Ji ber berdewamiya belavbûna materyalê (β=ω x Sqrt(εμ)), hevkêşana jêrîn dikare were bidestxistin:

Bi heman awayî, împedansa taybetmendiya TL, ango, Z0=Sqrt(ZY), dişibihe impedansê taybetmendiya materyalê, ango, η=Sqrt(μ/ε), ku bi vî rengî tê diyar kirin:

Endeksa vekêşanê ya CRLH-TL-ya hevseng û bêhevseng (ango, n = cβ/ω) di jimareya 4-ê de tê xuyang kirin. Di xêza 4-ê de, nîşaneya refraksiyonê ya CRLH-TL di rêza LH-ya wê de neyînî ye û endeksa refaksiyonê di RH-ya wê de negatîf e. range erênî ye.

Hêjê 4 Nîşaneyên refraksiyonê yên tîpîk ên CRLH TL-yên hevseng û nehevseng.

1. tora LC
Bi avêtina hucreyên LC yên bandpassê yên ku di jimar 5 (a) de têne xuyang kirin, CRLH-TL-ya tîpîk bi yekrengiya bi bandor a dirêjahiya d dikare bi periyodîk an ne-periyodîk were çêkirin. Bi gelemperî, ji bo ku rehetiya hesabkirin û çêkirina CRLH-TL were misoger kirin, pêdivî ye ku çerxeyek periyodîk be. Li gorî modela jimar 1(c), şaneya şebeka jimar 5(a) bê mezinahî ye û dirêjahiya fizîkî bêsînor piçûk e (ango, Δz bi metre). Bi dirêjahiya wê ya elektrîkî θ=Δφ (rad), qonaxa şaneya LC dikare were diyar kirin. Lêbelê, ji bo ku meriv bi rastî înduktans û kapasîteya serîlêdanê were fêhm kirin, pêdivî ye ku p dirêjahîyek laşî were saz kirin. Hilbijartina teknolojiya serîlêdanê (wek mîkroşûra, pêlêkêşê coplanar, hêmanên çîyayê rûkal, hwd.) dê bandorê li mezinahiya laşî ya hucreya LC bike. Xaneya LC ya jimar 5(a) dişibihe modela zêdebûyî ya jimar 1(c), û sînorê wê p=Δz→0. Li gorî şerta yekrengiyê p→0 di xêza 5(b) de, TL dikare were çêkirin (bi şaneyên LC-yê kaskadî) ku bi dirêjahiya d-yê yekreng CRLH-TL-ya îdeal wekhev e, wusa ku TL ji pêlên elektromagnetîk re yekreng xuya dike.

Figure 5 CRLH TL li ser bingeha tora LC.

Ji bo şaneya LC, şert û mercên tixûbê periyodîk (PBC) yên mîna teorema Bloch-Floquet têne hesibandin, têkiliya belavbûna hucreya LC wekî jêrîn tê îsbat kirin û diyar kirin:

Hêza rêzê (Z) û pejirandina şuntê (Y) ya hucreya LC ji hêla hevkêşeyên jêrîn ve têne destnîşankirin:

Ji ber ku dirêjahiya elektrîkê ya yekîneya LC-ê pir piçûk e, nêzîkbûna Taylor dikare were bikar anîn da ku bi dest bixe:

2. Pêkanîna Fîzîkî
Di beşa berê de, tora LC ya ji bo hilberîna CRLH-TL hate nîqaş kirin. Tora LC-ya wusa tenê bi pejirandina hêmanên laşî yên ku dikarin kapasîteya hewce (CR û CL) û induktansê (LR û LL) hilberînin, werin fêm kirin. Di van salên dawî de, serîlêdana pêkhateyên çîpê yên teknolojiya mountê (SMT) an jî pêkhateyên belavbûyî eleqeyek mezin kişandiye. Microstrip, stripline, waveguide coplanar an teknolojiyên din ên mîna wan dikarin werin bikar anîn da ku pêkhateyên belavkirî bicîh bînin. Gelek faktor hene ku meriv dema ku çîpên SMT an hêmanên belavkirî hilbijêrin bifikirin. Strukturên CRLH-ê yên SMT-ê di warê analîz û sêwiranê de bi gelemperî û hêsantir têne bicîh kirin. Ev ji ber hebûna hêmanên çîpê SMT-ê yên li ser-hilweşînê ye, ku li gorî hêmanên belavbûyî ne hewceyê nûvekirin û çêkirinê ne. Lêbelê, hebûna pêkhateyên SMT-ê belav e, û ew bi gelemperî tenê li frekansên nizm (ango, 3-6GHz) dixebitin. Ji ber vê yekê, strukturên CRLH-ya-based SMT xwedan rêzikên frekansa xebitandinê û taybetmendiyên qonaxa taybetî ne. Mînakî, di serîlêdanên radyasyonê de, dibe ku pêkhateyên çîpê SMT ne pêkan bin. Xiflteya 6 avahiyek belavkirî li ser bingeha CRLH-TL nîşan dide. Avahî ji hêla kapasîteya navdîjîtal û xetên dorhêla kurt ve tê fêm kirin, ku bi rêzê ve kapasîteya rêzê CL û induksiyona paralel LL ya LH pêk tîne. Kapasîteya di navbera xêz û GND de wekî kapasîteya RH CR tête hesibandin, û înduktasyona ku ji hêla herikîna magnetîkî ve hatî çêkirin ji hêla herikîna heyî ya di avahiya navdîjîtal de hatî çêkirin tê texmîn kirin ku înduktasyona RH LR ye.