Nûçe - Nirxandinek li ser Antenên Xeta Veguhestinê yên Metamateryal

I. Pêşgotin
Metamateryal dikarin çêtirîn wekî avahiyên çêkirî yên hatine sêwirandin werin wesifandin da ku hin taybetmendiyên elektromagnetîk ên ku bi xwezayî tune ne hilberînin. Metamateryalên bi destûrnameya neyînî û derbasbûna neyînî wekî metamateryalên çepgir (LHM) têne binavkirin. 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 pêşketinên zanistî yên serdema hemdem hatin binav kirin. Bi karanîna taybetmendiyên bêhempa yên LHM-an, serîlêdan, têgeh û cîhazên nû hatine pêşve xistin. Nêzîkatiya xeta veguhastinê (TL) rêbazek sêwirana bi bandor e ku dikare prensîbên LHM-an jî analîz bike. Li gorî TL-yên kevneşopî, taybetmendiya herî girîng a TL-yên metamatery kontrolkirina parametreyên TL (sabîta belavbûnê) û împedansa taybetmendî ye. Kontrolkirina parametreyên TL-yên metamatery ramanên nû ji bo sêwirandina avahiyên antenna bi mezinahiya kompakttir, performansa bilindtir û fonksiyonên nû peyda dike. Wêne 1 (a), (b), û (c) modelên devreyên bê windahî yên xeta veguhestinê ya destê rastê ya saf (PRH), xeta veguhestinê ya destê çepê ya saf (PLH), û xeta veguhestinê ya destê çepê-rastê ya kompozît (CRLH) nîşan didin, bi rêzê ve. Wekî ku di Wêne 1 (a) de tê xuyang kirin, modela devreya hevseng a PRH TL bi gelemperî tevlîheviyek ji înduktansa rêze û kapasîteya şunt e. Wekî ku di Wêne 1 (b) de tê xuyang kirin, modela devreya PLH TL tevlîheviyek ji înduktansa şunt û kapasîteya rêze ye. Di sepanên pratîkî de, pêkanîna devreyek PLH ne gengaz e. Ev ji ber bandorên înduktansa rêze parazît ên neçar û kapasîteya şunt e. Ji ber vê yekê, taybetmendiyên xeta veguhestinê ya destê çepê ku niha dikarin werin pêkanîn hemî avahiyên kompozît ên destê çep û destê rastê ne, wekî ku di Wêne 1 (c) de tê xuyang kirin.

Wêne 1 Modelên çerxeya xeta veguhestinê yên cuda

Sabîta belavbûnê (γ) ya xeta veguhestinê (TL) wiha tê hesibandin: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), ku Y û Z bi rêzê ve admitsyon û împedansê temsîl dikin. Dema ku CRLH-TL tê hesibandin, Z û Y dikarin wiha werin îfade kirin:

CRLH TL-yek yekreng dê xwediyê têkiliya belavbûna jêrîn be:

Sabîta qonaxê β dikare hejmareke bi tevahî rastîn an hejmareke bi tevahî xeyalî be. Ger β di nav rêza frekansê de bi tevahî rastîn be, di nav rêza frekansê de ji ber şerta γ=jβ bendek derbasbûnê heye. Ji hêla din ve, heke β di nav rêza frekansê de hejmareke bi tevahî xeyalî be, di nav rêza frekansê de ji ber şerta γ=α bendek rawestandinê heye. Ev benda rawestandinê tenê ji bo CRLH-TL ye û di PRH-TL an PLH-TL de tune ye. Wêneyên 2 (a), (b), û (c) xêzên belavbûnê (ango, têkiliya ω - β) ya PRH-TL, PLH-TL, û CRLH-TL, bi rêzê ve nîşan didin. Li gorî xêzên belavbûnê, leza komê (vg=∂ω/∂β) û leza qonaxê (vp=ω/β) ya xeta veguhestinê dikarin werin derxistin û texmîn kirin. Ji bo PRH-TL, ji xêzê jî dikare were texmîn kirin 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). Xêza belavbûna CRLH-TL hebûna herêma LH (ango, vpvg < 0) û herêma RH (ango, vpvg > 0) jî nîşan dide. Wekî ku ji Şekil 2(c) tê dîtin, ji bo CRLH-TL, heke γ hejmareke rastîn a saf be, bendeke rawestandinê heye.

Wêne 2 Xêzên belavbûnê yên xetên veguhestinê yên cûda

Bi gelemperî, rezonansên rêze û paralel ên CRLH-TL-ê ji hev cuda ne, ku jê re rewşa nehevseng tê gotin. Lêbelê, dema ku frekansên rezonansa rêze û paralel yek bin, jê re rewşa hevseng tê gotin, û modela çerxa hevseng a hêsankirî ya encam di Wêne 3(a) de tê nîşandan.

Wêne 3 Modela devreyê û xêza belavbûna xeta veguhestinê ya çepgir a pêkhatî

Her ku frekans zêde dibe, taybetmendiyên belavbûna CRLH-TL hêdî hêdî zêde dibin. Ev ji ber ku leza qonaxê (ango, vp=ω/β) bi frekansê ve girêdayîtir dibe. Di frekansên nizm de, CRLH-TL ji hêla LH ve serdest e, lê di frekansên bilind de, CRLH-TL ji hêla RH ve serdest e. Ev xwezaya dualî ya CRLH-TL nîşan dide. Diyagrama belavbûna hevsengiya CRLH-TL di Wêne 3(b) de tê nîşandan. Wekî ku di Wêne 3(b) de tê nîşandan, veguherîna ji LH ber bi RH di van rewşan de çêdibe:

Li ku derê ω0 frekansa veguherînê ye. Ji ber vê yekê, di rewşa hevseng de, veguherînek nerm ji LH ber bi RH çêdibe ji ber ku γ hejmareke bi tevahî xeyalî ye. Ji ber vê yekê, ji bo belavbûna CRLH-TL ya hevseng ti benda rawestandinê tune. Her çend β li ω0 sifir be (li gorî dirêjahiya pêlê ya rêberkirî bêdawî ye, ango, λg=2π/|β|), pêl hîn jî belav dibe ji ber ku vg li ω0 ne sifir e. Bi heman awayî, li ω0, guheztina qonaxê ji bo TL-yek bi dirêjahiya d sifir e (ango, φ= - βd=0). Pêşveçûna qonaxê (ango, φ>0) di rêza frekansa LH de çêdibe (ango, ω<ω0), û paşketina qonaxê (ango, φ<0) di rêza frekansa RH de çêdibe (ango, ω>ω0). Ji bo TL-yek CRLH, împedansa taybetmendî wiha tê vegotin:

Li ku derê ZL û ZR bi rêzê ve împedansên PLH û PRH ne. Ji bo rewşa nehevseng, împedansa taybetmendî bi frekansê ve girêdayî ye. Hevkêşeya jorîn nîşan dide ku rewşa hevseng serbixwe ji frekansê ye, ji ber vê yekê dikare lihevhatina fireh a bandfireh hebe. Hevkêşeya TL ya ku li jor hatî derxistin dişibihe parametreyên damezrîner ên ku materyalê CRLH diyar dikin. Sabîta belavbûnê ya TL γ=jβ=Sqrt(ZY) ye. Bi sabîta belavbûnê ya materyalê (β=ω x Sqrt(εμ)), hevkêşeya jêrîn dikare were bidestxistin:

Bi heman awayî, împedansa taybetmendî ya TL, ango Z0=Sqrt(ZY), dişibihe împedansa taybetmendî ya materyalê, ango η=Sqrt(μ/ε), ku wiha tê îfadekirin:

Indeksa şikestinê ya CRLH-TL ya hevseng û nehevseng (ango, n = cβ/ω) di Wêne 4 de tê nîşandan. Di Wêne 4 de, indeksa şikestinê ya CRLH-TL di rêza LH ya wê de neyînî ye û indeksa şikestinê di rêza RH ya wê de erênî ye.

Wêne 4 Endeksên şikestinê yên tîpîk ên TL-yên CRLH yên hevseng û nehevseng.

1. Tora LC
Bi rêya kaskadkirina şaneyên LC yên derbasbûna bandê yên ku di Şekil 5(a) de hatine nîşandan, CRLH-TL-yeke tîpîk bi yekrengiya bi bandor a dirêjahiya d dikare bi awayekî periyodîk an ne-periyodîk were çêkirin. Bi gelemperî, ji bo ku rehetiya hesabkirin û çêkirina CRLH-TL were misogerkirin, divê devre periyodîk be. Li gorî modela Şekil 1(c), şaneya devreyê ya Şekil 5(a) xwedî mezinahiyek nîne û dirêjahiya fîzîkî bêdawî piçûk e (ango, Δz bi metreyan). Dema ku dirêjahiya wê ya elektrîkê θ=Δφ (rad) tê hesibandin, qonaxa şaneya LC dikare were îfadekirin. Lêbelê, ji bo ku bi rastî înduktans û kapasîtansa sepandî were pêkanîn, divê dirêjahiyek fîzîkî p were saz kirin. Hilbijartina teknolojiya sepanê (wek mîkroşîrît, rêberê pêlê yê hevplanar, pêkhateyên çiyakirina rûvî, hwd.) dê bandorê li mezinahiya fîzîkî ya şaneya LC bike. Şaneya LC ya Şekil 5(a) dişibihe modela zêdekirî ya Şekil 1(c), û sînorê wê p=Δz→0 e. Li gorî şerta yekrengiyê p→0 di Şekil 5(b) de, TL dikare were çêkirin (bi rêya şaneyên LC yên kaskadî) ku wekhevî CRLH-TL-yeke yekreng a îdeal bi dirêjahiya d be, da ku TL li hember pêlên elektromagnetîk yekreng xuya bike.

Wêne 5 CRLH TL li ser bingeha tora LC.

Ji bo xaneya LC, bi berçavgirtina şert û mercên sînorî yên periyodîk (PBC) yên dişibin teorema Bloch-Floquet, têkiliya belavbûna xaneya LC tê îspatkirin û wiha tê îfadekirin:

Impedanca rêzeyî (Z) û admitsyona şantê (Y) ya xaneya LC ji hêla hevkêşeyên jêrîn ve têne destnîşankirin:

Ji ber ku dirêjahiya elektrîkî ya çerxa yekîneya LC pir piçûk e, nêzîkbûna Taylor dikare were bikar anîn da ku were bidestxistin:

2. Bicîhanîna Fizîkî
Di beşa berê de, tora LC ji bo çêkirina CRLH-TL hate nîqaş kirin. Torên LC yên weha tenê dikarin bi pejirandina pêkhateyên fîzîkî yên ku dikarin kapasîtansa pêwîst (CR û CL) û înduktansa (LR û LL) hilberînin, werin pêkanîn. Di salên dawî de, sepandina pêkhateyên çîpê yên teknolojiya çiyakirina rû (SMT) an pêkhateyên belavkirî eleqeyek mezin kişandiye. Mîkropêl, xeta şerîtê, rêberê pêlên hevplanar an teknolojiyên din ên wekhev dikarin ji bo pêkanîna pêkhateyên belavkirî werin bikar anîn. Dema ku çîpên SMT an pêkhateyên belavkirî têne hilbijartin, gelek faktor hene ku divê werin hesibandin. Avahiyên CRLH-ê yên li ser bingeha SMT-ê di warê analîz û sêwiranê de gelemperîtir û hêsantir têne bicîh kirin. Ev ji ber hebûna pêkhateyên çîpa SMT-ê yên amade ye, ku li gorî pêkhateyên belavkirî hewceyê nûvekirin û çêkirinê nakin. Lêbelê, hebûna pêkhateyên SMT belavbûyî ye, û ew bi gelemperî tenê di frekansên nizm de dixebitin (ango, 3-6GHz). Ji ber vê yekê, avahiyên CRLH-ê yên li ser bingeha SMT-ê xwedî rêzeyên frekansên xebitandinê yên sînorkirî û taybetmendiyên qonaxa taybetî ne. Mînakî, di sepanên tîrêjkirinê de, pêkhateyên çîpa SMT-ê dibe ku ne gengaz bin. Wêne 6 avahiyek belavkirî nîşan dide ku li ser bingeha CRLH-TL ye. Ev avahî ji hêla kapasîtasyona navbera dîjîtal û xetên kurteçûnê ve tê pêkanîn, ku bi rêzê ve kapasîtasyona rêze CL û înduktansa paralel LL ya LH pêk tînin. Kapasîtasyona di navbera xetê û GND de wekî kapasîtasyona RH CR tê hesibandin, û înduktansa ku ji hêla herikîna magnetîkî ya ku ji hêla herikîna herikê ve di avahiya navbera dîjîtal de çêdibe ve hatî çêkirin wekî înduktansa RH LR tê hesibandin.