I. Introduksjon
Metamaterialer kan best beskrives som kunstig utformede strukturer for å produsere visse elektromagnetiske egenskaper som ikke eksisterer naturlig. Metamaterialer med negativ permittivitet og negativ permeabilitet kalles venstrehendte metamaterialer (LHM). LHM-er har blitt grundig studert i vitenskapelige og ingeniørmiljøer. I 2003 ble LHM-er kåret til et av de ti beste vitenskapelige gjennombruddene i samtiden av magasinet Science. Nye applikasjoner, konsepter og enheter har blitt utviklet ved å utnytte de unike egenskapene til LHM-er. Transmisjonslinje (TL)-tilnærmingen er en effektiv designmetode som også kan analysere prinsippene til LHM-er. Sammenlignet med tradisjonelle TL-er, er den viktigste egenskapen til metamaterial-TL-er kontrollerbarheten til TL-parametre (utbredelseskonstant) og karakteristisk impedans. Kontrollerbarheten til metamateriale TL-parametere gir nye ideer for utforming av antennestrukturer med mer kompakt størrelse, høyere ytelse og nye funksjoner. Figur 1 (a), (b) og (c) viser tapsfrie kretsmodeller av ren høyrehendt overføringslinje (PRH), ren venstrehendt overføringslinje (PLH) og sammensatt venstre-høyrehendt overføringslinje ( CRLH), henholdsvis. Som vist i figur 1(a), er PRH TL ekvivalent kretsmodell vanligvis en kombinasjon av serieinduktans og shuntkapasitans. Som vist i figur 1(b), er PLH TL-kretsmodellen en kombinasjon av shuntinduktans og seriekapasitans. I praktiske applikasjoner er det ikke mulig å implementere en PLH-krets. Dette er på grunn av de uunngåelige induktans- og shuntkapasitanseffektene i parasittiske serier. Derfor er egenskapene til den venstrehendte overføringslinjen som kan realiseres i dag, alle sammensatte venstre- og høyrehendte strukturer, som vist i figur 1(c).
Figur 1 Ulike overføringslinjekretsmodeller
Utbredelseskonstanten (γ) til overføringslinjen (TL) beregnes som: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), hvor Y og Z representerer henholdsvis admittans og impedans. Med tanke på CRLH-TL, kan Z og Y uttrykkes som:
En enhetlig CRLH TL vil ha følgende spredningsrelasjon:
Fasekonstanten β kan være et rent reelt tall eller et rent imaginært tall. Hvis β er helt reell innenfor et frekvensområde, er det et passbånd innenfor frekvensområdet på grunn av tilstanden γ=jβ. På den annen side, hvis β er et rent imaginært tall innenfor et frekvensområde, er det et stoppbånd innenfor frekvensområdet på grunn av tilstanden γ=α. Dette stoppbåndet er unikt for CRLH-TL og finnes ikke i PRH-TL eller PLH-TL. Figurene 2 (a), (b) og (c) viser dispersjonskurvene (dvs. ω - β-forholdet) til henholdsvis PRH-TL, PLH-TL og CRLH-TL. Basert på spredningskurvene kan gruppehastigheten (vg=∂ω/∂β) og fasehastigheten (vp=ω/β) til overføringslinjen utledes og estimeres. For PRH-TL kan det også utledes fra kurven at vg og vp er parallelle (dvs. vpvg>0). For PLH-TL viser kurven at vg og vp ikke er parallelle (dvs. vpvg<0). Dispersjonskurven til CRLH-TL viser også eksistensen av LH-regionen (dvs. vpvg < 0) og RH-regionen (dvs. vpvg > 0). Som det kan sees fra figur 2(c), for CRLH-TL, hvis γ er et rent reelt tall, er det et stoppbånd.
Figur 2 Dispersjonskurver for ulike overføringslinjer
Vanligvis er serie- og parallellresonansene til en CRLH-TL forskjellige, noe som kalles en ubalansert tilstand. Imidlertid, når serie- og parallellresonansfrekvensene er de samme, kalles det en balansert tilstand, og den resulterende forenklede ekvivalente kretsmodellen er vist i figur 3(a).
Figur 3 Kretsmodell og spredningskurve for kompositt venstrehendt overføringslinje
Ettersom frekvensen øker, øker spredningsegenskapene til CRLH-TL gradvis. Dette er fordi fasehastigheten (dvs. vp=ω/β) blir stadig mer avhengig av frekvens. Ved lave frekvenser er CRLH-TL dominert av LH, mens ved høye frekvenser er CRLH-TL dominert av RH. Dette skildrer den doble naturen til CRLH-TL. Likevekts CRLH-TL dispersjonsdiagram er vist i figur 3(b). Som vist i figur 3(b), skjer overgangen fra LH til RH ved:
Hvor ω0 er overgangsfrekvensen. Derfor, i det balanserte tilfellet, skjer en jevn overgang fra LH til RH fordi γ er et rent imaginært tall. Derfor er det ikke noe stoppbånd for den balanserte CRLH-TL-dispersjonen. Selv om β er null ved ω0 (uendelig i forhold til den guidede bølgelengden, dvs. λg=2π/|β|), forplanter bølgen seg fortsatt fordi vg ved ω0 ikke er null. Tilsvarende, ved ω0, er faseforskyvningen null for en TL med lengde d (dvs. φ= - βd=0). Fasefremgangen (dvs. φ>0) skjer i LH-frekvensområdet (dvs. ω<ω0), og faseretardasjonen (dvs. φ<0) skjer i RH-frekvensområdet (dvs. ω>ω0). For en CRLH TL er den karakteristiske impedansen beskrevet som følger:
Der ZL og ZR er henholdsvis PLH- og PRH-impedansene. For det ubalanserte tilfellet avhenger den karakteristiske impedansen av frekvensen. Ovenstående ligning viser at det balanserte tilfellet er uavhengig av frekvens, så det kan ha en bred båndbreddematch. TL-ligningen utledet ovenfor er lik de konstitutive parameterne som definerer CRLH-materialet. Utbredelseskonstanten til TL er γ=jβ=Sqrt(ZY). Gitt forplantningskonstanten til materialet (β=ω x Sqrt(εμ)), kan følgende ligning oppnås:
På samme måte er den karakteristiske impedansen til TL, dvs. Z0=Sqrt(ZY), lik den karakteristiske impedansen til materialet, dvs. η=Sqrt(μ/ε), som uttrykkes som:
Brytningsindeksen til balansert og ubalansert CRLH-TL (dvs. n = cβ/ω) er vist i figur 4. I figur 4 er brytningsindeksen til CRLH-TL i dens LH-område negativ og brytningsindeksen i dens RH rekkevidden er positiv.
Fig. 4 Typiske brytningsindekser for balanserte og ubalanserte CRLH TL-er.
1. LC-nettverk
Ved å kaskadere båndpass-LC-cellene vist i figur 5(a), kan en typisk CRLH-TL med effektiv ensartethet av lengden d konstrueres periodisk eller ikke-periodisk. Generelt, for å sikre bekvemmeligheten av beregning og produksjon av CRLH-TL, må kretsen være periodisk. Sammenlignet med modellen i figur 1(c), har kretscellen i figur 5(a) ingen størrelse og den fysiske lengden er uendelig liten (dvs. Δz i meter). Tatt i betraktning dens elektriske lengde θ=Δφ (rad), kan fasen til LC-cellen uttrykkes. Imidlertid, for å faktisk realisere den påførte induktansen og kapasitansen, må en fysisk lengde p etableres. Valget av applikasjonsteknologi (som mikrostrip, koplanar bølgeleder, overflatemonterte komponenter osv.) vil påvirke den fysiske størrelsen på LC-cellen. LC-cellen i figur 5(a) er lik den inkrementelle modellen i figur 1(c), og dens grense p=Δz→0. I henhold til uniformitetsbetingelsen p→0 i figur 5(b), kan en TL konstrueres (ved å kaskadere LC-celler) som tilsvarer en ideell uniform CRLH-TL med lengde d, slik at TL fremstår som ensartet for elektromagnetiske bølger.
Figur 5 CRLH TL basert på LC-nettverk.
For LC-cellen, med tanke på periodiske grensebetingelser (PBC) som ligner Bloch-Floquet-teoremet, er spredningsforholdet til LC-cellen bevist og uttrykt som følger:
Serieimpedansen (Z) og shuntadmittansen (Y) til LC-cellen bestemmes av følgende ligninger:
Siden den elektriske lengden på enhetens LC-krets er veldig liten, kan Taylor-tilnærming brukes til å oppnå:
2. Fysisk implementering
I forrige avsnitt har LC-nettverket for å generere CRLH-TL blitt diskutert. Slike LC-nettverk kan bare realiseres ved å ta i bruk fysiske komponenter som kan produsere nødvendig kapasitans (CR og CL) og induktans (LR og LL). De siste årene har bruken av overflatemonteringsteknologi (SMT) brikkekomponenter eller distribuerte komponenter tiltrukket seg stor interesse. Microstrip, stripline, coplanar waveguide eller andre lignende teknologier kan brukes til å realisere distribuerte komponenter. Det er mange faktorer å vurdere når du velger SMT-brikker eller distribuerte komponenter. SMT-baserte CRLH-strukturer er mer vanlige og enklere å implementere når det gjelder analyse og design. Dette er på grunn av tilgjengeligheten av hyllevare SMT-brikkekomponenter, som ikke krever ombygging og produksjon sammenlignet med distribuerte komponenter. Tilgjengeligheten av SMT-komponenter er imidlertid spredt, og de fungerer vanligvis bare ved lave frekvenser (dvs. 3-6GHz). Derfor har SMT-baserte CRLH-strukturer begrensede driftsfrekvensområder og spesifikke fasekarakteristikk. For eksempel, i utstrålingsapplikasjoner, kan det hende at SMT-brikkekomponenter ikke er gjennomførbare. Figur 6 viser en distribuert struktur basert på CRLH-TL. Strukturen er realisert av interdigital kapasitans og kortslutningslinjer, som danner henholdsvis seriekapasitansen CL og parallellinduktansen LL til LH. Kapasitansen mellom linjen og GND antas å være RH-kapasitansen CR, og induktansen generert av den magnetiske fluksen dannet av strømmen i den interdigitale strukturen antas å være RH-induktansen LR.
Figur 6 Endimensjonal mikrostrip CRLH TL bestående av interdigitale kondensatorer og kortlinjeinduktorer.
For å lære mer om antenner, vennligst besøk:
Innleggstid: 23. august 2024
