Neiegkeeten - Eng Iwwerpréiwung vun Metamaterial Transmission Line Antennen

I. Aféierung
Metamateriale kënnen am beschten als kënschtlech entworf Strukture beschriwwe ginn fir verschidde elektromagnetesch Eegeschaften ze produzéieren déi net natierlech existéieren. Metamateriale mat negativer Permeabilitéit an negativ Permeabilitéit ginn lénkshand Metamaterial (LHMs) genannt. LHMs goufen extensiv an de wëssenschaftlechen an Ingenieursgemeinschaften studéiert. Am Joer 2003 goufen LHMs als ee vun den Top Ten wëssenschaftleche Duerchbréch vun der zäitgenëssescher Ära vum Science Magazin ernannt. Nei Uwendungen, Konzepter an Apparater goufen entwéckelt andeems se déi eenzegaarteg Eegeschafte vu LHMs ausnotzen. D'Transmissiounslinn (TL) Approche ass eng effektiv Designmethod déi och d'Prinzipien vun LHMs analyséiere kann. Am Verglach mat traditionelle TLs ass déi bedeitendst Feature vu metamaterial TLs d'Kontrollbarkeet vun TL Parameteren (Verbreedungskonstant) a charakteristesch Impedanz. D'Kontrollbarkeet vu metamaterial TL Parameteren bitt nei Iddien fir Antennestrukturen mat méi kompakt Gréisst, méi héijer Leeschtung an neie Funktiounen ze designen. Figure 1 (a), (b) an (c) weisen d'Verléierslos Circuitmodeller vu pure rietshandener Transmissiounslinn (PRH), pure lénkshande Transmissiounslinn (PLH) a Komposit lénks-riets-Hand Transmissiounslinn ( CRLH), respektiv. Wéi an der Figur 1(a) gewisen, ass de PRH TL gläichwäertege Circuitmodell normalerweis eng Kombinatioun vu Serieinduktanzen a Shuntkapazitéit. Wéi an der Figur 1(b) gewisen, ass de PLH TL Circuitmodell eng Kombinatioun vu Shuntinduktanzen a Seriekapazitanz. A prakteschen Uwendungen ass et net machbar fir e PLH Circuit ëmzesetzen. Dëst ass wéinst der onvermeidlecher parasitärer Serie Induktiouns- a Shuntkapazitanzeffekter. Dofir sinn d'Charakteristiken vun der lénker Hand Transmissioun Linn, déi am Moment realiséiert ginn, sinn all Komposit lénks- a riets-Hand Strukturen, wéi an der Figur 1 (c) gewisen.

Figur 1 Verschidde Transmissioun Linn Circuit Modeller

D'Verbreedungskonstant (γ) vun der Iwwerdroungslinn (TL) gëtt berechent wéi: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), wou Y an Z respektiv Admittanz an Impedanz representéieren. Bedenkt CRLH-TL, Z an Y kënnen ausgedréckt ginn als:

Eng eenheetlech CRLH TL wäert déi folgend Dispersiounsbezéiung hunn:

D'Phasekonstante β kann eng reng reell Zuel oder eng reng imaginär Zuel sinn. Wann β komplett reell an engem Frequenzberäich ass, gëtt et e Passband am Frequenzberäich wéinst der Bedingung γ=jβ. Op der anerer Säit, wann β eng reng imaginär Zuel an engem Frequenzberäich ass, gëtt et e Stoppband am Frequenzberäich wéinst der Bedingung γ=α. Dëst Stopband ass eenzegaarteg fir CRLH-TL an existéiert net an PRH-TL oder PLH-TL. Figuren 2 (a), (b) an (c) weisen d'Dispersiounskurven (dh d'ω - β Relatioun) vu PRH-TL, PLH-TL, respektiv CRLH-TL. Baséierend op d'Dispersiounskurven kënnen d'Gruppgeschwindegkeet (vg=∂ω/∂β) a Phasevitesse (vp=ω/β) vun der Iwwerdroungslinn ofgeleet a geschat ginn. Fir PRH-TL kann et och aus der Kurve ofgeleet ginn datt vg a vp parallel sinn (dh vpvg>0). Fir PLH-TL weist d'Kurve datt vg a vp net parallel sinn (dh vpvg <0). D'Dispersiounskurve vu CRLH-TL weist och d'Existenz vun der LH Regioun (dh vpvg <0) an RH Regioun (dh vpvg> 0). Wéi aus der Figur 2 (c) gesi ka ginn, fir CRLH-TL, wann γ eng reng reell Zuel ass, gëtt et eng Stopband.

Figur 2 Dispersioun Kéiren vun verschidden Transmissioun Linnen

Normalerweis sinn d'Serie a parallele Resonanze vun engem CRLH-TL anescht, wat en onbalancéierten Zoustand genannt gëtt. Wéi och ëmmer, wann d'Serie- a Parallelresonanzfrequenzen d'selwecht sinn, gëtt et e equilibréierte Staat genannt, an déi resultéierend vereinfacht gläichwäerteg Circuitmodell gëtt an der Figur 3 (a) gewisen.

Figur 3 Circuit Modell an Dispersiounskurve vun Komposit lénkshand Transmissioun Linn

Wéi d'Frequenz eropgeet, ginn d'Dispersiounseigenschaften vum CRLH-TL graduell erop. Dëst ass well d'Phasvitesse (dh vp=ω/β) ëmmer méi vun der Frequenz ofhängeg gëtt. Bei nidderegen Frequenzen gëtt CRLH-TL vu LH dominéiert, wärend op héije Frequenzen CRLH-TL vun RH dominéiert gëtt. Dëst weist d'duebel Natur vun CRLH-TL. D'Gläichgewiicht CRLH-TL Dispersioun Diagramm ass an Dorënner 3 (b) gewisen. Wéi an der Figur 3(b) gewisen, geschitt den Iwwergang vu LH op RH bei:

Wou ω0 d'Iwwergangsfrequenz ass. Dofir, am equilibréierte Fall, geschitt e glaten Iwwergang vu LH op RH well γ eng reng imaginär Zuel ass. Dofir gëtt et kee Stopband fir déi equilibréiert CRLH-TL Dispersioun. Obwuel β bei ω0 null ass (onendlech relativ zu der guidéierter Wellelängt, dh λg=2π/|β|), propagéiert d'Welle nach ëmmer well vg bei ω0 net null ass. Ähnlech, bei ω0, ass d'Phaseverschiebung null fir en TL vun der Längt d (dh φ= - βd=0). De Phasevirgang (dh φ>0) geschitt am LH Frequenzberäich (dh ω<ω0), an d'Phasretardatioun (dh φ<0) geschitt am RH Frequenzberäich (dh ω>ω0). Fir e CRLH TL gëtt déi charakteristesch Impedanz wéi follegt beschriwwen:

Wou ZL an ZR d'PLH- a PRH-Impedanze sinn, respektiv. Fir den onbalancéierten Fall hänkt d'charakteristesch Impedanz vun der Frequenz of. Déi uewe genannte Equatioun weist datt de equilibréierte Fall onofhängeg vun der Frequenz ass, sou datt et e breet Bandbreed Match kann hunn. D'TL Equatioun hei uewen ofgeleet ass ähnlech wéi déi konstitutiv Parameteren déi d'CRLH Material definéieren. D'Verbreedungskonstant vum TL ass γ=jβ=Sqrt(ZY). Mat der Ausbreedungskonstant vum Material (β=ω x Sqrt(εμ)), kann déi folgend Equatioun kritt ginn:

Ähnlech ass déi charakteristesch Impedanz vum TL, dh Z0=Sqrt(ZY), ähnlech wéi déi charakteristesch Impedanz vum Material, dh η=Sqrt(μ/ε), déi ausgedréckt gëtt wéi:

De Brechungsindex vu equilibréierten an onbalancéierten CRLH-TL (dh n = cβ/ω) gëtt an der Figur 4 gewisen. An der Figur 4 ass de Brechungsindex vun der CRLH-TL a sengem LH-Beräich negativ an de Brechungsindex a senger RH Gamme ass positiv.

Fig. 4 Typesch refractive Indizes vun equilibréiert an onbalancéiert CRLH TLs.

1. LC Reseau
Andeems d'Bandpass LC Zellen, déi an der Figur 5 (a) gewisen ginn, kaskaden, kann eng typesch CRLH-TL mat effektiver Uniformitéit vun der Längt d periodesch oder net periodesch gebaut ginn. Am Allgemengen, fir d'Kamoudheet vun der Berechnung an der Fabrikatioun vu CRLH-TL ze garantéieren, muss de Circuit periodesch sinn. Am Verglach mam Modell vun der Figur 1(c), huet d'Circuitzell vun der Figur 5(a) keng Gréisst an déi kierperlech Längt ass onendlech kleng (dh Δz a Meter). Bedenkt seng elektresch Längt θ=Δφ (rad), kann d'Phas vun der LC Zell ausgedréckt ginn. Wéi och ëmmer, fir déi applizéiert Induktioun a Kapazitéit tatsächlech ze realiséieren, muss eng kierperlech Längt p etabléiert ginn. D'Wiel vun Applikatioun Technologie (wéi microstrip, coplanar waveguide, Uewerfläch Montéierung Komponente, etc.) Afloss der kierperlech Gréisst vun der LC Zell. D'LC Zell vun der Figur 5(a) ass ähnlech wéi den inkrementelle Modell vun der Figur 1(c), a seng Limit p=Δz→0. Laut der Uniformitéitskonditioun p→0 an der Figur 5(b), kann en TL konstruéiert ginn (duerch Kaskadéierung vun LC Zellen) déi gläichwäerteg ass mat enger idealer Uniform CRLH-TL mat Längt d, sou datt den TL eenheetlech fir elektromagnetesch Wellen erschéngt.

Figur 5 CRLH TL baséiert op LC Reseau.

Fir d'LC Zell, berécksiichtegt periodesch Grenzbedéngungen (PBCs) ähnlech wéi de Bloch-Floquet Theorem, gëtt d'Dispersiounsbezéiung vun der LC Zell bewisen an ausgedréckt wéi follegt:

D'Serieimpedanz (Z) an d'Shuntadmittanz (Y) vun der LC Zell ginn duerch déi folgend Equatioune bestëmmt:

Well d'elektresch Längt vum Eenheet LC Circuit ganz kleng ass, kann d'Taylor Approximatioun benotzt ginn fir ze kréien:

2. Kierperlech Ëmsetzung
An der viregter Sektioun ass de LC Netz fir CRLH-TL ze generéieren diskutéiert ginn. Esou LC Netzwierker kënnen nëmme realiséiert ginn andeems physesch Komponenten adoptéiert ginn, déi déi erfuerderlech Kapazitéit (CR an CL) an Induktioun (LR an LL) produzéiere kënnen. An de leschte Joeren huet d'Applikatioun vun Surface Mount Technologie (SMT) Chip Komponenten oder verdeelt Komponenten e groussen Interessi ugezunn. Microstrip, Stripline, coplanar waveguide oder aner ähnlech Technologien kënne benotzt ginn fir verdeelt Komponenten ze realiséieren. Et gi vill Faktore fir ze berücksichtegen wann Dir SMT Chips oder verdeelt Komponenten auswielt. SMT-baséiert CRLH Strukture si méi heefeg a méi einfach ze implementéieren a punkto Analyse an Design. Dëst ass wéinst der Disponibilitéit vun off-the-shelf SMT Chip Komponenten, déi keng Remodeling a Fabrikatioun erfuerderen am Verglach mat verdeelt Komponenten. Wéi och ëmmer, d'Disponibilitéit vu SMT Komponenten ass verspreet, a si funktionnéieren normalerweis nëmme bei niddrege Frequenzen (dh 3-6GHz). Dofir hunn SMT-baséiert CRLH Strukturen limitéiert Operatiounsfrequenzbereich a spezifesch Phasecharakteristiken. Zum Beispill, bei Stralungsapplikatiounen, kënnen SMT Chipkomponenten net machbar sinn. Figur 6 weist eng verdeelt Struktur baséiert op CRLH-TL. D'Struktur gëtt duerch interdigital Kapazitéit a Kuerzschlusslinnen realiséiert, déi d'Seriekapazitanz CL an d'parallel Induktioun LL vum LH resp. D'Kapazitéit tëscht der Linn an der GND gëtt ugeholl datt d'RH Kapazitéit CR ass, an d'Induktioun generéiert vum magnetesche Flux deen duerch de Stroum an der interdigitaler Struktur geformt gëtt, gëtt ugeholl datt d'RH Induktioun LR ass.