I. Bevezetés
A metaanyagokat leginkább mesterségesen tervezett szerkezetekként írhatjuk le, amelyek bizonyos, természetesen nem létező elektromágneses tulajdonságokat hoznak létre. A negatív permittivitású és negatív permeabilitású metaanyagokat balkezes metaanyagoknak (LHM) nevezzük. Az LHM-eket alaposan tanulmányozták a tudományos és mérnöki közösségekben. 2003-ban a Science magazin az LHM-eket a mai kor tíz legnagyobb tudományos áttörése közé sorolta. Az LHM-ek egyedi tulajdonságait kihasználva új alkalmazásokat, koncepciókat és eszközöket fejlesztettek ki. Az átviteli vonal (TL) megközelítés egy hatékony tervezési módszer, amely az LHM-ek alapelveit is elemzi. A hagyományos TL-ekhez képest a metaanyag TL-ek legfontosabb jellemzője a TL paraméterek (terjedési állandó) és a karakterisztikus impedancia szabályozhatósága. A metaanyag TL paramétereinek szabályozhatósága új ötleteket ad kompaktabb méretű, nagyobb teljesítményű és újszerű funkciókkal rendelkező antennaszerkezetek tervezéséhez. Az 1. (a), (b) és (c) ábra a tiszta jobboldali átviteli vonal (PRH), a tiszta bal oldali átviteli vonal (PLH) és a kompozit bal-jobbos távvezeték veszteségmentes áramköri modelljeit mutatja. CRLH), ill. Amint az 1(a) ábrán látható, a PRH TL egyenértékű áramköri modell általában a soros induktivitás és a sönt kapacitás kombinációja. Amint az 1(b) ábrán látható, a PLH TL áramkör modellje a sönt induktivitás és a soros kapacitás kombinációja. A gyakorlati alkalmazásokban nem kivitelezhető a PLH áramkör. Ez az elkerülhetetlen parazita soros induktivitás és sönt kapacitás hatásoknak köszönhető. Ezért a baloldali távvezeték jelenleg megvalósítható jellemzői mind kompozit bal- és jobbkezes szerkezetek, amint az 1(c) ábrán látható.
1. ábra Különböző távvezeték-áramköri modellek
Az átviteli vonal (TL) terjedési állandóját (γ) a következőképpen számítjuk ki: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), ahol Y és Z az átengedést, illetve az impedanciát jelenti. Figyelembe véve a CRLH-TL-t, Z és Y a következőképpen fejezhető ki:
Egy egységes CRLH TL a következő diszperziós relációval rendelkezik:
A β fázisállandó lehet tisztán valós szám vagy tisztán képzeletbeli szám. Ha egy frekvenciatartományon belül β teljesen valós, akkor a γ=jβ feltétel miatt a frekvenciatartományon belül van egy áteresztősáv. Másrészt, ha β egy tisztán képzeletbeli szám egy frekvenciatartományon belül, akkor a γ=α feltétel miatt a frekvenciatartományon belül van egy stopsáv. Ez a stopsáv a CRLH-TL egyedi jellemzője, és nem létezik a PRH-TL vagy PLH-TL esetében. A 2. (a), (b) és (c) ábra a PRH-TL, PLH-TL és CRLH-TL diszperziós görbéit (vagyis az ω-β összefüggést) mutatja. A diszperziós görbék alapján a távvezeték csoportsebessége (vg=∂ω/∂β) és fázissebessége (vp=ω/β) származtatható és becsülhető. PRH-TL esetén a görbéből arra is következtethetünk, hogy vg és vp párhuzamosak (vagyis vpvg>0). A PLH-TL esetén a görbe azt mutatja, hogy a vg és a vp nem párhuzamosak (vagyis vpvg<0). A CRLH-TL diszperziós görbéje az LH régió (vagyis vpvg < 0) és RH régió (azaz vpvg > 0) létezését is mutatja. Amint a 2(c) ábrából látható, a CRLH-TL esetében, ha γ egy tiszta valós szám, van egy stopsáv.
2. ábra Különböző távvezetékek diszperziós görbéi
Általában a CRLH-TL soros és párhuzamos rezonanciái eltérőek, ezt nevezzük kiegyensúlyozatlan állapotnak. Ha azonban a soros és a párhuzamos rezonanciafrekvencia azonos, akkor ezt kiegyensúlyozott állapotnak nevezzük, és az így kapott egyszerűsített ekvivalens áramköri modellt a 3(a) ábra mutatja.
3. ábra Kompozit baloldali távvezeték áramköri modellje és diszperziós görbéje
A frekvencia növekedésével a CRLH-TL diszperziós jellemzői fokozatosan nőnek. Ennek az az oka, hogy a fázissebesség (azaz vp=ω/β) egyre inkább a frekvenciától függ. Alacsony frekvenciákon a CRLH-TL-t az LH, míg a magas frekvenciákon a CRLH-TL-t az RH uralja. Ez a CRLH-TL kettős természetét mutatja be. Az egyensúlyi CRLH-TL diszperziós diagram a 3(b) ábrán látható. Amint a 3(b) ábrán látható, az LH-ból az RH-ba való átmenet a következő helyen történik:
Ahol ω0 az átmeneti frekvencia. Ezért a kiegyensúlyozott esetben zökkenőmentes átmenet megy végbe az LH-ból az RH-ba, mivel γ egy tisztán képzeletbeli szám. Ezért a kiegyensúlyozott CRLH-TL diszperzióhoz nincs ütközősáv. Bár β nulla ω0-nál (a vezetett hullámhosszhoz képest végtelen, azaz λg=2π/|β|), a hullám mégis terjed, mert ω0-nál a vg nem nulla. Hasonlóképpen, ω0-nál a fáziseltolás nulla egy d hosszúságú TL esetén (azaz φ= - βd=0). A fáziselőrelépés (azaz φ>0) az LH frekvenciatartományban (azaz ω<ω0), a fáziskésleltetés (azaz φ<0) pedig az RH frekvenciatartományban (azaz ω>ω0) történik. CRLH TL esetén a karakterisztikus impedancia leírása a következő:
Ahol ZL és ZR a PLH és PRH impedanciák. Kiegyensúlyozatlan esetben a jellemző impedancia a frekvenciától függ. A fenti egyenlet azt mutatja, hogy a kiegyensúlyozott eset független a frekvenciától, így széles sávszélességű lehet. A fent levezetett TL-egyenlet hasonló a CRLH-anyagot meghatározó konstitutív paraméterekhez. A TL terjedési állandója γ=jβ=Sqrt(ZY). Adott az anyag terjedési állandója (β=ω x Sqrt(εμ)), a következő egyenlet kapható:
Hasonlóképpen, a TL karakterisztikus impedanciája, azaz Z0=Sqrt(ZY), hasonló az anyag karakterisztikus impedanciájához, azaz η=Sqrt(μ/ε), amelyet a következőképpen fejezünk ki:
A kiegyensúlyozott és kiegyensúlyozatlan CRLH-TL törésmutatója (azaz n = cβ/ω) a 4. ábrán látható. A 4. ábrán a CRLH-TL törésmutatója az LH tartományában negatív, a törésmutatója pedig az RH tartományában tartomány pozitív.
4. ábra Kiegyensúlyozott és kiegyensúlyozatlan CRLH TL-ek tipikus törésmutatói.
1. LC hálózat
Az 5(a) ábrán látható sáváteresztő LC cellák kaszkádolásával egy tipikus CRLH-TL állítható elő effektív d hosszúságú egyenletességgel periodikusan vagy nem periodikusan. Általánosságban elmondható, hogy a CRLH-TL kiszámításának és gyártásának kényelmének biztosítása érdekében az áramkörnek periodikusnak kell lennie. Az 1(c) ábra modelljéhez képest az 5(a) ábra áramköri cellájának nincs mérete, és a fizikai hossza végtelenül kicsi (azaz Δz méterben). A θ=Δφ (rad) elektromos hosszát figyelembe véve az LC cella fázisa kifejezhető. Az alkalmazott induktivitás és kapacitás tényleges megvalósításához azonban meg kell határozni egy p fizikai hosszúságot. Az alkalmazási technológia megválasztása (például mikroszalag, koplanáris hullámvezető, felületre szerelhető alkatrészek stb.) befolyásolja az LC-cella fizikai méretét. Az 5(a) ábra LC cellája hasonló az 1(c) ábra inkrementális modelljéhez, határértéke p=Δz→0. Az 5(b) ábrán látható p → 0 egyenletességi feltétel szerint (LC-cellák kaszkádolásával) olyan TL állítható elő, amely ekvivalens egy d hosszúságú ideális egyenletes CRLH-TL-lel, így a TL egységesnek tűnik az elektromágneses hullámokra.
5. ábra CRLH TL LC hálózat alapján.
Az LC-cella esetében a Bloch-Floquet-tételhez hasonló periodikus peremfeltételek (PBC-k) figyelembevételével az LC-cella diszperziós összefüggését a következőképpen igazoljuk és fejezzük ki:
Az LC-cella soros impedanciáját (Z) és sönt beléptetését (Y) a következő egyenletek határozzák meg:
Mivel az egység LC áramkörének elektromos hossza nagyon kicsi, a Taylor-közelítés felhasználható a következők meghatározásához:
2. Fizikai megvalósítás
Az előző részben a CRLH-TL generálására szolgáló LC hálózatról volt szó. Az ilyen LC hálózatok csak a szükséges kapacitást (CR és CL) és induktivitást (LR és LL) előállító fizikai komponensek átvételével valósíthatók meg. Az elmúlt években nagy érdeklődést váltott ki a felületre szerelhető technológia (SMT) chip-komponensek vagy elosztott komponensek alkalmazása. Mikroszalag, szalagvezeték, koplanáris hullámvezető vagy más hasonló technológia használható elosztott komponensek megvalósítására. Az SMT chipek vagy elosztott komponensek kiválasztásakor számos tényezőt figyelembe kell venni. Az SMT-alapú CRLH struktúrák elterjedtebbek és könnyebben megvalósíthatók az elemzés és a tervezés szempontjából. Ennek oka a kész SMT chip komponensek elérhetősége, amelyek nem igényelnek átalakítást és gyártást az elosztott alkatrészekhez képest. Az SMT komponensek elérhetősége azonban szétszórt, és általában csak alacsony frekvencián (azaz 3-6 GHz-en) működnek. Ezért az SMT-alapú CRLH struktúrák korlátozott működési frekvenciatartományokkal és specifikus fázisjellemzőkkel rendelkeznek. Például sugárzó alkalmazásokban előfordulhat, hogy az SMT chip komponensek nem megvalósíthatók. A 6. ábra egy CRLH-TL-en alapuló elosztott struktúrát mutat be. A struktúra interdigitális kapacitás- és rövidzárlati vonalakkal valósul meg, amelyek rendre az LH CL soros kapacitását, illetve LL párhuzamos induktivitását alkotják. A vezeték és a GND közötti kapacitást a CR RH kapacitásnak, az interdigitális szerkezetben folyó áram által létrehozott mágneses fluxus által generált induktivitást pedig az LR RH induktivitásnak.
6. ábra Interdigitális kondenzátorokból és rövid vonalú induktorokból álló egydimenziós mikroszalagos CRLH TL.
Ha többet szeretne megtudni az antennákról, látogasson el a következő oldalra:
Feladás időpontja: 2024. augusztus 23
