I. Ynlieding
Metamaterialen kinne it bêste omskreaun wurde as keunstmjittich ûntworpen struktueren om bepaalde elektromagnetyske eigenskippen te produsearjen dy't net natuerlik besteane. Metamaterialen mei negative permittiviteit en negative permeabiliteit wurde loftshandige metamaterialen (LHM's) neamd. LHM's binne wiidweidich bestudearre yn 'e wittenskiplike en yngenieursmienskippen. Yn 2003 waarden LHM's troch it tydskrift Science neamd as ien fan 'e tsien bêste wittenskiplike trochbraken fan it hjoeddeiske tiidrek. Nije tapassingen, konsepten en apparaten binne ûntwikkele troch it eksploitearjen fan 'e unike eigenskippen fan LHM's. De transmissieline (TL)-oanpak is in effektive ûntwerpmetoade dy't ek de prinsipes fan LHM's kin analysearje. Yn ferliking mei tradisjonele TL's is it wichtichste skaaimerk fan metamateriaal-TL's de kontrolearberens fan TL-parameters (propagaasjekonstante) en karakteristike impedânsje. De kontrolearberens fan metamateriaal-TL-parameters biedt nije ideeën foar it ûntwerpen fan antennestrukturen mei kompaktere grutte, hegere prestaasjes en nije funksjes. Figuer 1 (a), (b), en (c) litte de ferliesleaze sirkwymodellen sjen fan respektivelik suvere rjochtshandige transmissieline (PRH), suvere loftshandige transmissieline (PLH), en gearstalde lofts-rjochtshandige transmissieline (CRLH). Lykas te sjen is yn figuer 1 (a), is it PRH TL-lykweardige sirkwymodel meastentiids in kombinaasje fan searje-induktânsje en shuntkapasitânsje. Lykas te sjen is yn figuer 1 (b), is it PLH TL-sirkwymodel in kombinaasje fan shunt-induktânsje en searjekapasitânsje. Yn praktyske tapassingen is it net mooglik om in PLH-sirkwy te ymplementearjen. Dit komt troch de ûnûntkomber parasitêre searje-induktânsje- en shuntkapasitânsje-effekten. Dêrom binne de skaaimerken fan 'e loftshandige transmissieline dy't op it stuit realisearre wurde kinne allegear gearstalde loftshandige en rjochtshandige struktueren, lykas te sjen is yn figuer 1 (c).
Figuer 1 Ferskillende modellen fan transmissielinesirkwy
De ferspriedingskonstante (γ) fan 'e transmissieline (TL) wurdt berekkene as: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), wêrby't Y en Z respektivelik admittânsje en impedânsje fertsjintwurdigje. Mei it each op CRLH-TL kinne Z en Y útdrukt wurde as:
In unifoarme CRLH TL sil de folgjende ferspriedingsrelaasje hawwe:
De fazekonstante β kin in suver reëel getal of in suver imaginêr getal wêze. As β folslein reëel is binnen in frekwinsjeberik, is der in trochlaatbân binnen it frekwinsjeberik fanwegen de betingst γ=jβ. Oan 'e oare kant, as β in suver imaginêr getal is binnen in frekwinsjeberik, is der in stopbân binnen it frekwinsjeberik fanwegen de betingst γ=α. Dizze stopbân is unyk foar CRLH-TL en bestiet net yn PRH-TL of PLH-TL. Figueren 2 (a), (b) en (c) litte de ferspriedingskurven sjen (d.w.s. de ω - β-relaasje) fan PRH-TL, PLH-TL en CRLH-TL, respektivelik. Op basis fan 'e ferspriedingskurven kinne de groepsnelheid (vg=∂ω/∂β) en fazesnelheid (vp=ω/β) fan 'e transmissieline ôflaat en skatte wurde. Foar PRH-TL kin ek út 'e kurve ôflaat wurde dat vg en vp parallel binne (d.w.s. vpvg>0). Foar PLH-TL lit de kromme sjen dat vg en vp net parallel binne (d.w.s. vpvg<0). De ferspriedingskromme fan CRLH-TL lit ek it bestean sjen fan in LH-regio (d.w.s. vpvg < 0) en in RH-regio (d.w.s. vpvg > 0). Lykas te sjen is yn figuer 2(c), is der foar CRLH-TL in stopbân, as γ in suver reëel getal is.
Figuer 2 Ferspriedingskrommen fan ferskate transmissielinen
Gewoanlik binne de searje- en parallelle resonânsjes fan in CRLH-TL ferskillend, wat in ûnbalansearre steat neamd wurdt. As de searje- en parallelle resonânsjefrekwinsjes lykwols itselde binne, wurdt it in balansearre steat neamd, en it resultearjende ferienfâldige lykweardige sirkwymodel wurdt werjûn yn figuer 3(a).
Figuer 3 Skaalmodel en ferspriedingskromme fan gearstalde loftshandige transmissieline
As de frekwinsje tanimt, nimme de ferspriedingskarakteristiken fan CRLH-TL stadichoan ta. Dit komt om't de fazesnelheid (d.w.s. vp=ω/β) hieltyd mear ôfhinklik wurdt fan 'e frekwinsje. By lege frekwinsjes wurdt CRLH-TL dominearre troch LH, wylst by hege frekwinsjes CRLH-TL dominearre wurdt troch RH. Dit lit de dûbele aard fan CRLH-TL sjen. It lykwichts-CRLH-TL-ferspriedingsdiagram wurdt werjûn yn figuer 3(b). Lykas te sjen is yn figuer 3(b), fynt de oergong fan LH nei RH plak by:
Wêrby't ω0 de oergongsfrekwinsje is. Dêrom, yn it lykwichtige gefal, komt in glêde oergong foar fan LH nei RH, om't γ in suver imaginêr getal is. Dêrom is der gjin stopbân foar de lykwichtige CRLH-TL-fersprieding. Hoewol β nul is by ω0 (ûneinich relatyf oan de begeliede golflingte, d.w.s. λg=2π/|β|), ferspriedt de golf him noch altyd, om't vg by ω0 net nul is. Op deselde wize is by ω0 de fazeferskowing nul foar in TL fan lingte d (d.w.s. φ= - βd=0). De fazefoarútgong (d.w.s. φ>0) komt foar yn it LH-frekwinsjeberik (d.w.s. ω<ω0), en de fazefertraging (d.w.s. φ<0) komt foar yn it RH-frekwinsjeberik (d.w.s. ω>ω0). Foar in CRLH TL wurdt de karakteristike impedânsje as folget beskreaun:
Wêrby't ZL en ZR respektivelik de PLH- en PRH-impedânsjes binne. Foar it ûnbalansearre gefal hinget de karakteristike impedânsje ôf fan 'e frekwinsje. De boppesteande fergeliking lit sjen dat it balansearre gefal ûnôfhinklik is fan frekwinsje, sadat it in brede bânbreedte-oerienkomst hawwe kin. De hjirboppe ôflaatte TL-fergeliking is fergelykber mei de konstitutive parameters dy't it CRLH-materiaal definiearje. De ferspriedingskonstante fan TL is γ=jβ=Sqrt(ZY). Mei de ferspriedingskonstante fan it materiaal (β=ω x Sqrt(εμ)), kin de folgjende fergeliking krigen wurde:
Op deselde wize is de karakteristike impedânsje fan TL, d.w.s. Z0=Sqrt(ZY), fergelykber mei de karakteristike impedânsje fan it materiaal, d.w.s. η=Sqrt(μ/ε), dy't útdrukt wurdt as:
De brekingsyndeks fan lykwichtige en ûnlykwichtige CRLH-TL (d.w.s. n = cβ/ω) wurdt werjûn yn figuer 4. Yn figuer 4 is de brekingsyndeks fan 'e CRLH-TL yn syn LH-berik negatyf en de brekingsyndeks yn syn RH-berik posityf.
Fig. 4 Typyske brekingsyndeksen fan lykwichtige en ûnlykwichtige CRLH TL's.
1. LC-netwurk
Troch it kaskadearjen fan 'e bandpass LC-sellen werjûn yn figuer 5(a), kin in typyske CRLH-TL mei effektive uniformiteit fan lingte d periodyk of net-periodyk konstruearre wurde. Yn 't algemien, om it gemak fan berekkening en produksje fan CRLH-TL te garandearjen, moat it sirkwy periodyk wêze. Yn ferliking mei it model fan figuer 1(c) hat de sirkwysel fan figuer 5(a) gjin grutte en is de fysike lingte ûneinich lyts (d.w.s. Δz yn meters). Mei it each op syn elektryske lingte θ=Δφ (rad), kin de faze fan 'e LC-sel útdrukt wurde. Om de tapaste induktânsje en kapasitânsje eins te realisearjen, moat lykwols in fysike lingte p fêststeld wurde. De kar fan tapassingstechnology (lykas mikrostrip, koplanêre golflieder, oerflakmontagekomponinten, ensfh.) sil ynfloed hawwe op 'e fysike grutte fan' e LC-sel. De LC-sel fan figuer 5(a) is fergelykber mei it ynkrementele model fan figuer 1(c), en syn limyt p=Δz→0. Neffens de uniformiteitsbetingst p→0 yn figuer 5(b) kin in TL konstruearre wurde (troch LC-sellen yn kaskaden te setten) dy't lykweardich is oan in ideale uniforme CRLH-TL mei lingte d, sadat de TL uniform liket op elektromagnetyske weagen.
Figuer 5 CRLH TL basearre op LC-netwurk.
Foar de LC-sel, rekken hâldend mei periodike grinsbetingsten (PBC's) fergelykber mei de Bloch-Floquet-stelling, wurdt de ferspriedingsrelaasje fan 'e LC-sel bewiisd en útdrukt as folget:
De searjeimpedânsje (Z) en shunt-admittânsje (Y) fan 'e LC-sel wurde bepaald troch de folgjende fergelikingen:
Omdat de elektryske lingte fan it LC-sirkwy fan 'e ienheid tige lyts is, kin Taylor-benadering brûkt wurde om te krijen:
2. Fysike ymplemintaasje
Yn 'e foarige seksje is it LC-netwurk om CRLH-TL te generearjen besprutsen. Sokke LC-netwurken kinne allinich realisearre wurde troch it oannimmen fan fysike komponinten dy't de fereaske kapasitânsje (CR en CL) en induktânsje (LR en LL) kinne produsearje. Yn 'e lêste jierren hat de tapassing fan oerflakmontagetechnology (SMT) chipkomponinten of ferspraat komponinten grutte belangstelling lutsen. Mikrostrip, stripline, koplanêre golflieder of oare ferlykbere technologyen kinne brûkt wurde om ferspraat komponinten te realisearjen. D'r binne in protte faktoaren om te beskôgjen by it kiezen fan SMT-chips of ferspraat komponinten. SMT-basearre CRLH-strukturen binne faker en makliker te ymplementearjen yn termen fan analyze en ûntwerp. Dit komt troch de beskikberens fan standert SMT-chipkomponinten, dy't gjin ferbouwing en produksje nedich binne yn ferliking mei ferspraat komponinten. De beskikberens fan SMT-komponinten is lykwols ferspraat, en se wurkje meastentiids allinich by lege frekwinsjes (d.w.s. 3-6 GHz). Dêrom hawwe SMT-basearre CRLH-strukturen beheinde wurkfrekwinsjeberik en spesifike fazekarakteristiken. Bygelyks, yn strieljende tapassingen binne SMT-chipkomponinten miskien net mooglik. Figuer 6 lit in ferspraat struktuer sjen basearre op CRLH-TL. De struktuer wurdt realisearre troch ynterdigitale kapasitans- en koartslutingslinen, dy't respektivelik de searjekapasitans CL en parallelle induktans LL fan LH foarmje. De kapasitans tusken de line en GND wurdt oannommen as de RH-kapasitans CR, en de induktans generearre troch de magnetyske flux foarme troch de stroomstream yn 'e ynterdigitale struktuer wurdt oannommen as de RH-induktans LR.
Figuer 6 Iendiminsjonale mikrostrip CRLH TL besteande út ynterdigitale kondensatoren en koarte-line induktors.
Om mear te learen oer antennes, kinne jo terecht op:
Pleatsingstiid: 23 augustus 2024
