Warta - Tinjauan ngeunaan anteneu Jalur Transmisi Metamaterial

I. Pendahuluan
Metamaterials tiasa didadarkeun pangsaéna salaku struktur anu dirarancang sacara artifisial pikeun ngahasilkeun sipat éléktromagnétik anu tangtu anu henteu aya sacara alami. Metamaterials kalawan perméabilitas négatip jeung perméabilitas négatip disebut metamaterials leungeun kénca (LHMs). LHMs parantos diulik sacara éksténsif di komunitas ilmiah sareng rékayasa. Taun 2003, LHM dinobatkeun salah sahiji sapuluh terobosan ilmiah dina jaman kontemporer ku majalah Science. Aplikasi, konsép, sareng alat énggal parantos dikembangkeun ku cara ngamangpaatkeun sipat unik LHM. Pendekatan jalur transmisi (TL) mangrupikeun metode desain anu efektif anu ogé tiasa nganalisis prinsip-prinsip LHM. Dibandingkeun sareng TL tradisional, fitur anu paling penting tina TL metamaterial nyaéta kadali parameter TL (konstanta rambatan) sareng impedansi karakteristik. Kadali parameter TL metamaterial nyayogikeun ideu anyar pikeun ngarancang struktur anteneu kalayan ukuran anu langkung kompak, kinerja anu langkung luhur, sareng fungsi novél. Gambar 1 (a), (b), jeung (c) nembongkeun model sirkuit lossless tina jalur transmisi leungeun katuhu murni (PRH), jalur transmisi leungeun kénca murni (PLH), jeung jalur transmisi leungeun kénca-katuhu komposit ( CRLH), masing-masing. Ditémbongkeun saperti dina Gambar 1 (a), model sirkuit sarimbag PRH TL biasana kombinasi induktansi runtuyan jeung kapasitansi shunt. Ditémbongkeun saperti dina Gambar 1(b), modél sirkuit PLH TL mangrupakeun kombinasi antara induktansi shunt jeung kapasitansi runtuyan. Dina aplikasi praktis, teu meujeuhna pikeun nerapkeun sirkuit PLH. Ieu disababkeun ku induktansi séri parasit anu teu tiasa dihindari sareng épék kapasitansi shunt. Ku alatan éta, karakteristik jalur transmisi kénca-leungeun nu bisa direalisasikeun dina kiwari nyaéta sakabéh wangunan komposit kénca-leungeun jeung katuhu, sakumaha ditémbongkeun dina Gambar 1(c).

Angka 1 Modél sirkuit jalur transmisi anu béda

Konstanta rambatan (γ) tina jalur transmisi (TL) diitung salaku: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), dimana Y jeung Z masing-masing ngagambarkeun admittance jeung impedansi. Tempo CRLH-TL, Z jeung Y bisa ditembongkeun salaku:

CRLH TL anu seragam bakal gaduh hubungan dispersi ieu:

Konstanta fase β bisa mangrupa wilangan riil murni atawa wilangan imajiner murni. Lamun β sagemblengna nyata dina rentang frékuénsi, aya passband dina rentang frékuénsi alatan kaayaan γ=jβ. Di sisi séjén, lamun β mangrupa angka imajinér murni dina rentang frékuénsi, aya stopband dina rentang frékuénsi alatan kaayaan γ=α. Stopband ieu unik pikeun CRLH-TL sareng henteu aya dina PRH-TL atanapi PLH-TL. Gambar 2 (a), (b), jeung (c) nembongkeun kurva dispersi (ie, hubungan ω - β) tina PRH-TL, PLH-TL, jeung CRLH-TL, mungguh. Dumasar kana kurva dispersi, laju grup (vg=∂ω/∂β) jeung laju fase (vp=ω/β) tina jalur transmisi bisa diturunkeun jeung diperkirakeun. Pikeun PRH-TL, ogé tiasa disimpulkeun tina kurva yén vg sareng vp paralel (nyaéta, vpvg>0). Pikeun PLH-TL, kurva nunjukkeun yén vg sareng vp henteu paralel (nyaéta, vpvg<0). Kurva dispersi CRLH-TL ogé nunjukkeun ayana wilayah LH (nyaéta, vpvg <0) jeung wilayah RH (nyaéta, vpvg > 0). Salaku bisa ditempo ti Gambar 2(c), pikeun CRLH-TL, lamun γ mangrupa wilangan riil murni, aya pita eureun.

Gambar 2 Kurva dispersi tina jalur transmisi anu béda

Biasana, séri sareng résonansi paralel CRLH-TL béda, anu disebut kaayaan henteu saimbang. Sanajan kitu, lamun runtuyan jeung frékuénsi résonansi paralel anu sarua, mangka disebut kaayaan saimbang, sarta hasilna disederhanakeun modél circuit sarimbag ditémbongkeun dina Gambar 3 (a).

Angka 3 Modél sirkuit sareng kurva dispersi tina jalur transmisi leungeun kénca komposit

Nalika frékuénsi ningkat, karakteristik dispersi CRLH-TL laun-laun ningkat. Ieu alatan laju fase (ie, vp=ω/β) jadi beuki gumantung kana frékuénsi. Dina frékuénsi handap, CRLH-TL didominasi ku LH, sedengkeun dina frékuénsi luhur, CRLH-TL didominasi ku RH. Ieu ngagambarkeun sipat ganda CRLH-TL. Diagram dispersi kasatimbangan CRLH-TL dipidangkeun dina Gambar 3(b). Ditémbongkeun saperti dina Gambar 3(b), transisi tina LH ka RH lumangsung dina:

Dimana ω0 nyaéta frékuénsi transisi. Ku alatan éta, dina kasus saimbang, transisi lemes lumangsung ti LH ka RH sabab γ mangrupakeun angka imajinér murni. Ku alatan éta, euweuh stopband pikeun dispersi CRLH-TL saimbang. Sanajan β nol dina ω0 (relatif taya wates jeung panjang gelombang dipandu, nyaéta, λg=2π/|β|), gelombang tetep rambatan sabab vg di ω0 teu nol. Nya kitu, dina ω0, shift fase nyaeta nol pikeun TL panjangna d (ie, φ= - βd=0). Fase kamajuan (ie, φ>0) lumangsung dina rentang frékuénsi LH (ie, ω<ω0), jeung retardation fase (ie, φ<0) lumangsung dina rentang frékuénsi RH (ie, ω>ω0). Pikeun CRLH TL, impedansi karakteristik digambarkeun saperti kieu:

Dimana ZL sareng ZR nyaéta impedansi PLH sareng PRH masing-masing. Pikeun kasus teu saimbang, impedansi karakteristik gumantung kana frékuénsi. Persamaan di luhur nunjukeun yen kasus saimbang bebas tina frékuénsi, ku kituna bisa mibanda patandingan rubakpita lega. Persamaan TL anu diturunkeun di luhur sami sareng parameter konstitutif anu nangtukeun bahan CRLH. Konstanta rambatan TL nyaéta γ=jβ=Sqrt(ZY). Dibikeun konstanta rambatan bahan (β=ω x Sqrt(εμ)), persamaan di handap ieu tiasa dicandak:

Nya kitu, impedansi karakteristik TL, nyaéta, Z0=Sqrt(ZY), sarua jeung impedansi karakteristik bahan, nyaéta, η=Sqrt(μ/ε), nu dinyatakeun salaku:

Indéks réfraktif CRLH-TL saimbang sareng henteu saimbang (nyaéta, n = cβ/ω) dipidangkeun dina Gambar 4. Dina Gambar 4, indéks réfraktif CRLH-TL dina rentang LH na négatip sareng indéks réfraktif dina RH na. rentang nyaeta positif.

Gbr. 4 indéks réfraktif has saimbang jeung teu saimbang CRLH TLs.

1. Jaringan LC
Ku cascading sél LC bandpass ditémbongkeun dina Gambar 5 (a), a CRLH-TL has kalawan uniformity éféktif panjangna d bisa diwangun périodik atawa non-périodik. Sacara umum, pikeun mastikeun genah itungan sareng manufaktur CRLH-TL, sirkuit kedah périodik. Dibandingkeun jeung modél Gambar 1(c), sél sirkuit Gambar 5(a) teu boga ukuran sarta panjang fisik infinitely leutik (ie, Δz dina méter). Ditilik panjangna listrikna θ=Δφ (rad), fase sél LC bisa dikedalkeun. Nanging, supados leres-leres ngawujudkeun induktansi sareng kapasitansi anu diterapkeun, panjang fisik p kedah didamel. Pilihan téknologi aplikasi (sapertos microstrip, coplanar waveguide, komponén permukaan gunung, jsb) bakal mangaruhan ukuran fisik sél LC. Sél LC dina Gambar 5(a) sarua jeung modél incremental Gambar 1(c), jeung watesna p=Δz→0. Numutkeun kaayaan uniformity p → 0 dina Gambar 5(b), hiji TL bisa diwangun (ku cascading sél LC) nu sarua jeung hiji seragam idéal CRLH-TL kalayan panjang d, ku kituna TL mucunghul seragam jeung gelombang éléktromagnétik.

Gambar 5 CRLH TL dumasar kana jaringan LC.

Pikeun sél LC, tempo periodic boundary conditions (PBCs) sarupa jeung téoréma Bloch-Floquet, hubungan dispersi sél LC dibuktikeun jeung ditembongkeun saperti kieu:

Runtuyan impedansi (Z) jeung asupan shunt (Y) sél LC ditangtukeun ku persamaan di handap ieu:

Kusabab panjang listrik sirkuit LC unit leutik pisan, perkiraan Taylor tiasa dianggo pikeun kéngingkeun:

2. Palaksanaan Fisik
Dina bagian saméméhna, jaringan LC keur ngahasilkeun CRLH-TL geus dibahas. Jaringan LC sapertos kitu ngan tiasa diwujudkeun ku ngadopsi komponén fisik anu tiasa ngahasilkeun kapasitansi anu diperyogikeun (CR sareng CL) sareng induktansi (LR sareng LL). Dina taun-taun ayeuna, aplikasi téknologi permukaan gunung (SMT) komponén chip atanapi komponén anu disebarkeun parantos narik minat. Microstrip, stripline, coplanar waveguide atawa téknologi sarupa lianna bisa dipaké pikeun ngawujudkeun komponén disebarkeun. Aya seueur faktor anu kedah dipertimbangkeun nalika milih chip SMT atanapi komponén anu disebarkeun. Struktur CRLH basis SMT langkung umum sareng langkung gampang dilaksanakeun dina hal analisa sareng desain. Ieu kusabab kasadiaan kaluar-nu-rak komponén chip SMT, nu teu merlukeun remodeling jeung manufaktur dibandingkeun komponén disebarkeun. Sanajan kitu, kasadiaan komponén SMT sumebar, sarta aranjeunna biasana ngan dianggo dina frékuénsi low (ie, 3-6GHz). Ku alatan éta, struktur CRLH basis SMT boga rentang frékuénsi operasi kawates sarta ciri fase husus. Contona, dina aplikasi radiating, komponén chip SMT bisa jadi teu meujeuhna. angka 6 nembongkeun struktur disebarkeun dumasar kana CRLH-TL. Strukturna diwujudkeun ku kapasitansi interdigital sareng garis sirkuit pondok, ngabentuk séri capacitance CL sareng induktansi paralel LL LH masing-masing. Kapasitas antara garis sareng GND dianggap RH kapasitansi CR, sareng induktansi anu dihasilkeun ku fluks magnét anu dibentuk ku aliran arus dina struktur interdigital dianggap RH induktansi LR.