Vijesti - Pregled metamaterijalnih dalekovodnih antena

I. Uvod
Metamaterijal se najbolje može opisati kao umjetno dizajnirane strukture za proizvodnju određenih elektromagnetnih svojstava koja ne postoje u prirodi. Metamaterijal sa negativnom permitivnošću i negativnom permeabilnosti nazivaju se levoruki metamaterijali (LHM). LHM su opsežno proučavani u naučnim i inženjerskim zajednicama. Godine 2003. časopis Science proglasio je LHM jednim od deset najboljih naučnih otkrića savremene ere. Nove aplikacije, koncepti i uređaji su razvijeni iskorištavanjem jedinstvenih svojstava LHM-a. Pristup dalekovoda (TL) je efikasan metod projektovanja koji takođe može analizirati principe LHM-a. U poređenju sa tradicionalnim TL-ovima, najznačajnija karakteristika TL-ova od metamaterijala je upravljivost TL parametara (konstanta propagacije) i karakteristične impedanse. Mogućnost kontrole TL parametara metamaterijala pruža nove ideje za projektovanje antenskih struktura sa kompaktnijom veličinom, većim performansama i novim funkcijama. Slika 1 (a), (b) i (c) prikazuje modele kola bez gubitaka čistog desnog dalekovoda (PRH), čistog lijevog dalekovoda (PLH) i kompozitnog lijevo desnog dalekovoda ( CRLH), respektivno. Kao što je prikazano na slici 1(a), model ekvivalentnog kola PRH TL je obično kombinacija serijske induktivnosti i kapacitivnosti šanta. Kao što je prikazano na slici 1(b), model PLH TL kola je kombinacija induktivnosti šanta i serijske kapacitivnosti. U praktičnim aplikacijama, nije izvodljivo implementirati PLH kolo. To je zbog neizbježnih efekata parazitske serije induktivnosti i kapacitivnosti šanta. Dakle, karakteristike lijevog dalekovoda koje se trenutno mogu realizovati su sve kompozitne ljevoruke i dešnjake strukture, kao što je prikazano na slici 1(c).

Slika 1 Različiti modeli kola dalekovoda

Konstanta propagacije (γ) dalekovoda (TL) se izračunava kao: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), gdje Y i Z predstavljaju admitansu i impedanciju respektivno. Uzimajući u obzir CRLH-TL, Z i Y se mogu izraziti kao:

Ujednačeni CRLH TL imat će sljedeći odnos disperzije:

Fazna konstanta β može biti čisto realan ili čisto imaginarni broj. Ako je β potpuno realan unutar frekventnog opsega, postoji propusni opseg unutar frekvencijskog opsega zbog uslova γ=jβ. S druge strane, ako je β čisto imaginarni broj unutar frekvencijskog opsega, postoji zaustavni pojas unutar frekvencijskog opsega zbog uvjeta γ=α. Ovaj zaustavni pojas je jedinstven za CRLH-TL i ne postoji u PRH-TL ili PLH-TL. Slike 2 (a), (b) i (c) prikazuju krivulje disperzije (tj. odnos ω - β) PRH-TL, PLH-TL i CRLH-TL, respektivno. Na osnovu krivulja disperzije, grupna brzina (vg=∂ω/∂β) i fazna brzina (vp=ω/β) dalekovoda se mogu izvesti i procijeniti. Za PRH-TL, takođe se iz krive može zaključiti da su vg i vp paralelni (tj. vpvg>0). Za PLH-TL, kriva pokazuje da vg i vp nisu paralelni (tj. vpvg<0). Kriva disperzije CRLH-TL takođe pokazuje postojanje LH regiona (tj. vpvg < 0) i RH regiona (tj. vpvg > 0). Kao što se može vidjeti na slici 2(c), za CRLH-TL, ako je γ čisti realan broj, postoji zaustavni pojas.

Slika 2 Disperzione krive različitih dalekovoda

Obično su serijske i paralelne rezonancije CRLH-TL različite, što se naziva neuravnoteženo stanje. Međutim, kada su serijska i paralelna rezonantna frekvencija iste, to se naziva balansirano stanje, a rezultirajući pojednostavljeni model ekvivalentnog kola prikazan je na slici 3(a).

Slika 3. Model kola i disperziona kriva kompozitnog lijevog dalekovoda

Kako frekvencija raste, disperzione karakteristike CRLH-TL se postepeno povećavaju. To je zato što fazna brzina (tj. vp=ω/β) postaje sve više zavisna od frekvencije. Na niskim frekvencijama, CRLH-TL dominira LH, dok na visokim frekvencijama, CRLH-TL dominira RH. Ovo oslikava dvostruku prirodu CRLH-TL. Dijagram disperzije ravnoteže CRLH-TL prikazan je na slici 3(b). Kao što je prikazano na slici 3(b), prijelaz iz LH u RH se događa na:

Gdje je ω0 prelazna frekvencija. Stoga, u balansiranom slučaju, dolazi do glatke tranzicije iz LH u RH jer je γ čisto imaginarni broj. Stoga, ne postoji zaustavni pojas za balansiranu CRLH-TL disperziju. Iako je β nula na ω0 (beskonačno u odnosu na vođenu talasnu dužinu, tj. λg=2π/|β|), talas se i dalje širi jer vg na ω0 nije nula. Slično, pri ω0, fazni pomak je nula za TL dužine d (tj. φ= - βd=0). Fazno napredovanje (tj. φ>0) se javlja u LH frekvencijskom opsegu (tj. ω<ω0), a fazno usporavanje (tj. φ<0) se javlja u opsegu RH frekvencije (tj. ω>ω0). Za CRLH TL, karakteristična impedancija je opisana kako slijedi:

Gdje su ZL i ZR PLH i PRH impedanse, respektivno. Za nebalansirani slučaj, karakteristična impedansa ovisi o frekvenciji. Gornja jednadžba pokazuje da je balansirani slučaj nezavisan od frekvencije, tako da može imati široki propusni opseg. Gore izvedena TL jednadžba je slična konstitutivnim parametrima koji definiraju CRLH materijal. Konstanta propagacije TL je γ=jβ=Sqrt(ZY). S obzirom na konstantu širenja materijala (β=ω x Sqrt(εμ)), može se dobiti sljedeća jednačina:

Slično, karakteristična impedansa TL, tj. Z0=Sqrt(ZY), slična je karakterističnoj impedansi materijala, tj. η=Sqrt(μ/ε), koja se izražava kao:

Indeks loma balansiranog i neuravnoteženog CRLH-TL (tj. n = cβ/ω) prikazan je na slici 4. Na slici 4, indeks loma CRLH-TL u njegovom LH opsegu je negativan, a indeks loma u njegovom RH raspon je pozitivan.

Slika 4 Tipični indeksi prelamanja balansiranih i neuravnoteženih CRLH TL-ova.

1. LC mreža
Kaskadom propusnih LC ćelija prikazanih na slici 5(a), tipičan CRLH-TL sa efektivnom uniformnošću dužine d može se konstruisati periodično ili neperiodično. Općenito, kako bi se osigurala pogodnost izračunavanja i proizvodnje CRLH-TL, krug mora biti periodičan. U poređenju sa modelom sa slike 1(c), ćelija kola sa slike 5(a) nema veličinu i fizička dužina je beskonačno mala (tj. Δz u metrima). Uzimajući u obzir njegovu električnu dužinu θ=Δφ (rad), može se izraziti faza LC ćelije. Međutim, da bi se stvarno realizovala primijenjena induktivnost i kapacitivnost, potrebno je uspostaviti fizičku dužinu p. Izbor tehnologije primjene (kao što su mikrotrakasta, komplanarni valovod, komponente za površinsku montažu, itd.) će utjecati na fizičku veličinu LC ćelije. LC ćelija sa slike 5(a) je slična inkrementalnom modelu sa slike 1(c), i njena granica p=Δz→0. U skladu sa uslovom uniformnosti p→0 na slici 5(b), TL se može konstruisati (kaskadom LC ćelija) koji je ekvivalentan idealnom uniformnom CRLH-TL dužine d, tako da TL izgleda uniformno za elektromagnetne talase.

Slika 5 CRLH TL baziran na LC mreži.

Za LC ćeliju, uzimajući u obzir periodične granične uslove (PBC) slične Bloch-Floquet teoremi, odnos disperzije LC ćelije je dokazan i izražen na sljedeći način:

Serijska impedansa (Z) i šanta (Y) LC ćelije određuju se sljedećim jednadžbama:

Budući da je električna dužina jediničnog LC kola vrlo mala, Taylorova aproksimacija se može koristiti za dobijanje:

2. Fizička implementacija
U prethodnom dijelu raspravljalo se o LC mreži za generiranje CRLH-TL. Takve LC mreže mogu se realizovati samo usvajanjem fizičkih komponenti koje mogu proizvesti potrebnu kapacitivnost (CR i CL) i induktivnost (LR i LL). Posljednjih godina, primjena komponenti čipa ili distribuiranih komponenti tehnologije površinske montaže (SMT) privukla je veliko interesovanje. Za realizaciju distribuiranih komponenti mogu se koristiti mikrotrakasta, trakasta, komplanarni talasovod ili druge slične tehnologije. Postoji mnogo faktora koje treba uzeti u obzir pri odabiru SMT čipova ili distribuiranih komponenti. CRLH strukture zasnovane na SMT-u su češće i lakše se implementiraju u smislu analize i dizajna. To je zbog dostupnosti gotovih komponenti SMT čipa, koje ne zahtijevaju remodeliranje i proizvodnju u poređenju s distribuiranim komponentama. Međutim, dostupnost SMT komponenti je raštrkana i one obično rade samo na niskim frekvencijama (tj. 3-6GHz). Stoga, CRLH strukture zasnovane na SMT imaju ograničene radne frekvencijske opsege i specifične fazne karakteristike. Na primjer, u aplikacijama za zračenje, komponente SMT čipa možda neće biti izvodljive. Slika 6 prikazuje distribuiranu strukturu zasnovanu na CRLH-TL. Struktura je realizovana interdigitalnim kapacitivnim i kratkospojnim linijama, formirajući serijski kapacitet CL i paralelnu induktivnost LL LH respektivno. Pretpostavlja se da je kapacitivnost između linije i GND RH kapacitivnost CR, a induktivnost koju generiše magnetni tok formiran protokom struje u interdigitalnoj strukturi pretpostavlja se da je RH induktivitet LR.