Вести - Преглед антена за преносне линије од метаматеријала

I. Увод
Метаматеријали се најбоље могу описати као вештачки дизајниране структуре за производњу одређених електромагнетних својстава која не постоје природно. Метаматеријали са негативном пермитивношћу и негативном пермеабилношћу називају се леворуки метаматеријали (ЛМ). ЛМ су опширно проучавани у научним и инжењерским заједницама. Године 2003, часопис „Science“ прогласио је ЛМ једним од десет највећих научних открића савремене ере. Нове примене, концепти и уређаји су развијени искоришћавањем јединствених својстава ЛМ. Приступ преносних линија (ПЛ) је ефикасна метода пројектовања која такође може анализирати принципе ЛМ. У поређењу са традиционалним ПЛ, најзначајнија карактеристика метаматеријалних ПЛ је контрола параметара ПЛ (константа пропагације) и карактеристична импеданса. Контрола параметара ПЛ метаматеријала пружа нове идеје за пројектовање антенских структура са компактнијом величином, већим перформансама и новим функцијама. Слика 1 (а), (б) и (ц) приказује моделе кола без губитака чисто деснорке преносне линије (PRH), чисто леворке преносне линије (PLH) и композитне лево-деснорепрезентативне преносне линије (CRLH), респективно. Као што је приказано на слици 1(а), еквивалентни модел кола PRH TL је обично комбинација серијске индуктивности и шантне капацитивности. Као што је приказано на слици 1(б), модел кола PLH TL је комбинација шантне индуктивности и серијске капацитивности. У практичним применама, није изводљиво имплементирати PLH коло. То је због неизбежних паразитских ефеката серијске индуктивности и шантне капацитивности. Стога, карактеристике леворке преносне линије које се тренутно могу реализовати су све композитне леворке и деснорке структуре, као што је приказано на слици 1(ц).

Слика 1 Различити модели кола далековода

Константа пропагације (γ) преносне линије (TL) израчунава се као: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), где Y и Z представљају адмитансу и импедансу, респективно. Узимајући у обзир CRLH-TL, Z и Y се могу изразити као:

Униформни CRLH TL ће имати следећу дисперзиону релацију:

Фазна константа β може бити чисто реални број или чисто имагинарни број. Ако је β потпуно реални унутар фреквентног опсега, постоји пропусни опсег унутар фреквентног опсега због услова γ=jβ. С друге стране, ако је β чисто имагинарни број унутар фреквентног опсега, постоји пропусни опсег унутар фреквентног опсега због услова γ=α. Овај пропусни опсег је јединствен за CRLH-TL и не постоји у PRH-TL или PLH-TL. Слике 2 (а), (б) и (ц) приказују криве дисперзије (тј. однос ω - β) PRH-TL, PLH-TL и CRLH-TL, респективно. На основу кривих дисперзије, могу се извести и проценити групна брзина (vg=∂ω/∂β) и фазна брзина (vp=ω/β) далековода. За PRH-TL, из криве се такође може закључити да су vg и vp паралелни (тј. vpvg>0). За PLH-TL, крива показује да vg и vp нису паралелни (тј. vpvg < 0). Дисперзиона крива CRLH-TL такође показује постојање LH региона (тј. vpvg < 0) и RH региона (тј. vpvg > 0). Као што се може видети на слици 2(c), за CRLH-TL, ако је γ чисти реални број, постоји стоп-зона.

Слика 2 Криве дисперзије различитих преносних линија

Обично су серијске и паралелне резонанције CRLH-TL различите, што се назива неуравнотежено стање. Међутим, када су серијске и паралелне резонантне фреквенције исте, то се назива уравнотежено стање, а резултујући поједностављени модел еквивалентног кола приказан је на слици 3(а).

Слика 3 Модел кола и дисперзиона крива композитног леворуког далековода

Како се фреквенција повећава, карактеристике дисперзије CRLH-TL постепено се повећавају. То је зато што фазна брзина (тј. vp=ω/β) постаје све више зависна од фреквенције. На ниским фреквенцијама, CRLH-TL је доминиран LH, док је на високим фреквенцијама CRLH-TL доминиран RH. Ово приказује двоструку природу CRLH-TL. Дијаграм дисперзије CRLH-TL у равнотежи је приказан на слици 3(б). Као што је приказано на слици 3(б), прелаз из LH у RH се дешава на:

Где је ω0 фреквенција прелаза. Стога, у балансираном случају, долази до глатког прелаза из левог у десни опсег (LH) јер је γ чисто имагинаран број. Стога, не постоји зауставна зона за балансирану дисперзију CRLH-TL. Иако је β једнако нули код ω0 (бесконачно у односу на вођену таласну дужину, тј. λg=2π/|β|), талас се и даље шири јер vg код ω0 није нула. Слично, код ω0, фазни помак је нула за TL дужине d (тј. φ= - βd=0). Фазно напредовање (тј. φ>0) се јавља у фреквентном опсегу левог опсега (тј. ω<ω0), а фазно успоравање (тј. φ<0) се јавља у фреквентном опсегу десног опсега (тј. ω>ω0). За CRLH TL, карактеристична импеданса је описана на следећи начин:

Где су ZL и ZR импедансе PLH и PRH, респективно. За небалансирани случај, карактеристична импеданса зависи од фреквенције. Горња једначина показује да је балансирани случај независан од фреквенције, тако да може имати широко подударање пропусног опсега. TL једначина изведена горе је слична конститутивним параметрима који дефинишу CRLH материјал. Константа пропагације TL је γ=jβ=Sqrt(ZY). С обзиром на константу пропагације материјала (β=ω x Sqrt(εμ)), може се добити следећа једначина:

Слично томе, карактеристична импеданса TL, тј. Z0=Sqrt(ZY), слична је карактеристичној импеданси материјала, тј. η=Sqrt(μ/ε), која се изражава као:

Индекс преламања уравнотеженог и неуравнотеженог CRLH-TL (тј. n = cβ/ω) приказан је на слици 4. На слици 4, индекс преламања CRLH-TL у његовом левом (LH) опсегу је негативан, а индекс преламања у његовом десном (RH) опсегу је позитиван.

Сл. 4 Типични индекси преламања уравнотежених и неуравнотежених CRLH TL.

1. Мрежа ЛЦ-а
Каскадирањем LC ћелија пропусног опсега приказаних на слици 5(а), типичан CRLH-TL са ефективном униформношћу дужине d може се конструисати периодично или непериодично. Генерално, да би се осигурала погодност прорачуна и производње CRLH-TL, коло мора бити периодично. У поређењу са моделом са слике 1(ц), ћелија кола са слике 5(а) нема величину и физичка дужина је бесконачно мала (тј. Δz у метрима). Узимајући у обзир њену електричну дужину θ=Δφ (рад), фаза LC ћелије може се изразити. Међутим, да би се заиста реализовала примењена индуктивност и капацитивност, потребно је утврдити физичку дужину p. Избор технологије примене (као што су микротракаста ћелија, копланарни таласовод, компоненте за површинску монтажу итд.) утицаће на физичку величину LC ћелије. LC ћелија са слике 5(а) је слична инкременталном моделу са слике 1(ц), а њена граница је p=Δz→0. Према услову униформности p→0 на слици 5(б), може се конструисати TL (каскадним повезивањем LC ћелија) који је еквивалентан идеалном униформном CRLH-TL дужине d, тако да TL изгледа униформно за електромагнетне таласе.

Слика 5 CRLH TL базиран на LC мрежи.

За LC ћелију, узимајући у обзир периодичне граничне услове (PBC) сличне Блох-Флокеовој теореми, дисперзиона релација LC ћелије је доказана и изражена на следећи начин:

Серијска импеданса (Z) и шантна адмитанса (Y) LC ћелије одређују се следећим једначинама:

Пошто је електрична дужина јединичног LC кола веома мала, Тејлорова апроксимација се може користити да би се добило:

2. Физичка имплементација
У претходном одељку је разматрана LC мрежа за генерисање CRLH-TL. Такве LC мреже могу се реализовати само усвајањем физичких компоненти које могу да произведу потребну капацитивност (CR и CL) и индуктивност (LR и LL). Последњих година, примена чип компоненти технологије површинске монтаже (SMT) или дистрибуираних компоненти привукла је велико интересовање. Микротракасте, стриплајнске, копланарне таласоводне или друге сличне технологије могу се користити за реализацију дистрибуираних компоненти. Постоји много фактора које треба узети у обзир при избору SMT чипова или дистрибуираних компоненти. CRLH структуре засноване на SMT-у су чешће и лакше се имплементирају у смислу анализе и дизајна. То је због доступности готових SMT чип компоненти, које не захтевају преправку и производњу у поређењу са дистрибуираним компонентама. Међутим, доступност SMT компоненти је раштркана и оне обично раде само на ниским фреквенцијама (тј. 3-6 GHz). Стога, CRLH структуре засноване на SMT-у имају ограничене опсеге радних фреквенција и специфичне фазне карактеристике. На пример, у апликацијама зрачења, SMT чип компоненте можда неће бити изводљиве. Слика 6 приказује дистрибуирану структуру засновану на CRLH-TL. Структура је реализована интердигиталним капацитивним и краткоспојним линијама, формирајући серијски капацитивни систем CL и паралелну индуктивност LL линије LH, респективно. Претпоставља се да је капацитивност између линије и GND десна капацитивност CR, а индуктивност генерисана магнетним флуксом формираним протоком струје у интердигиталној структури претпоставља се да је десна индуктивност LR.