Naidheachdan - Lèirmheas air Antennas Loidhne Tar-chuir Metamaterial

I. Ro-ràdh
Faodar metamaterials a mhìneachadh mar structaran air an dealbhadh gu saor-thoileach gus feartan electromagnetic sònraichte a thoirt gu buil nach eil ann gu nàdarra. Canar metamaterials le ceadachd àicheil agus permeability àicheil ris na stuthan meata-làimh chlì (LHMs). Chaidh sgrùdadh farsaing a dhèanamh air LHM anns na coimhearsnachdan saidheansail agus innleadaireachd. Ann an 2003, chaidh LHMn ainmeachadh mar aon de na deich adhartasan saidheansail as fheàrr san àm cho-aimsireil leis an iris Science. Chaidh tagraidhean, bun-bheachdan agus innealan ùra a leasachadh le bhith a’ gabhail brath air feartan sònraichte LHM. Tha an dòigh loidhne sgaoilidh (TL) na dhòigh dealbhaidh èifeachdach as urrainn cuideachd prionnsapalan LHM a sgrùdadh. An coimeas ri TLn traidiseanta, is e am feart as cudromaiche de TLan metamaterial smachd air paramadairean TL (cunbhalach iomadachaidh) agus bacadh caractar. Tha smachd air paramadairean metamaterial TL a’ toirt seachad bheachdan ùra airson dealbhadh structaran antenna le meud nas toinnte, coileanadh nas àirde, agus gnìomhan ùr-nodha. Tha Figear 1 (a), (b), agus (c) a’ sealltainn na modalan cuairteachaidh gun chall de loidhne tar-chuir fìor-ghlan air an làimh dheis (PRH), loidhne tar-chuir fìor-làimh chlì (PLH), agus loidhne tar-chuir measgaichte air an làimh chlì (PLH). CRLH), fa leth. Mar a chithear ann am Figear 1(a), mar as trice bidh am modal cuairteachaidh co-ionann PRH TL na mheasgachadh de inductance sreath agus capacitance shunt. Mar a chithear ann am Figear 1(b), tha am modal cuairteachaidh PLH TL na mheasgachadh de shunt inductance agus capacitance sreath. Ann an tagraidhean practaigeach, chan eil e do-dhèanta cuairt PLH a chuir an gnìomh. Tha seo mar thoradh air an t-sreath dìosganach inductance agus buaidhean capacitance shunt. Mar sin, tha feartan na loidhne tar-chuir air an làimh chlì a ghabhas toirt gu buil an-dràsta uile nan structaran measgaichte air an làimh chlì agus air an làimh dheis, mar a chithear ann am Figear 1(c).

Figear 1 Diofar mhodalan cuairteachaidh loidhne sgaoilidh

Tha an seasmhach iomadachaidh (γ) den loidhne sgaoilidh (TL) air a thomhas mar: γ = α + jβ = sqrt (ZY), far a bheil Y agus Z a’ riochdachadh gabhail a-steach agus bacadh fa leth. A’ beachdachadh air CRLH-TL, faodar Z agus Y a chur an cèill mar:

Bidh an dàimh sgaoilidh a leanas aig CRLH TL èideadh:

Faodaidh an seasmhach ìre β a bhith na fhìor àireamh no dìreach àireamh mac-meanmnach. Ma tha β gu tur fìor taobh a-staigh raon tricead, tha bann-pas taobh a-staigh an raon tricead air sgàth suidheachadh γ = jβ. Air an làimh eile, ma tha β na fhìor àireamh mac-meanmnach taobh a-staigh raon tricead, tha bann-stad taobh a-staigh an raon tricead air sgàth suidheachadh γ = α. Tha am bann-stad seo sònraichte do CRLH-TL agus chan eil e ann am PRH-TL no PLH-TL. Tha figearan 2 (a), (b), agus (c) a 'sealltainn na cromagan sgaoilidh (ie, an dàimh ω - β) de PRH-TL, PLH-TL, agus CRLH-TL, fa leth. Stèidhichte air na lùban sgaoilidh, faodar astar na buidhne (vg = ∂ω / ∂β) agus luaths ìre (vp = ω / β) den loidhne sgaoilidh a thoirt a-mach agus a mheasadh. Airson PRH-TL, faodar a cho-dhùnadh bhon lùb gu bheil vg agus vp co-shìnte (ie, vpvg> 0). Airson PLH-TL, tha an lùb a’ sealltainn nach eil vg agus vp co-shìnte (ie, vpvg <0). Tha an lùb sgaoilidh de CRLH-TL cuideachd a’ sealltainn gu bheil sgìre LH ann (ie, vpvg <0) agus roinn RH (ie, vpvg> 0). Mar a chithear bho Figear 2(c), airson CRLH-TL, mas e fìor àireamh a th’ ann an γ, tha còmhlan stad ann.

Figear 2 Cromagan sgaoilidh de dhiofar loidhnichean sgaoilidh

Mar as trice, tha an t-sreath agus ath-shuidheachadh co-shìnte de CRLH-TL eadar-dhealaichte, ris an canar staid neo-chothromach. Ach, nuair a tha an t-sreath agus tricead ath-shuidheachadh co-shìnte mar an ceudna, canar staid chothromach ris, agus tha am modal cuairteachaidh simplichte co-ionann ri fhaicinn ann am Figear 3(a).

Figear 3 Modail cuairteachaidh agus lùb sgaoilidh de loidhne tar-chuir measgaichte air an làimh chlì

Mar a bhios tricead ag àrdachadh, bidh feartan sgaoilidh CRLH-TL ag àrdachadh mean air mhean. Tha seo air sgàth gu bheil an luaths ìre (ie, vp = ω / β) a’ sìor fhàs an urra ri tricead. Aig triceadan ìosal, tha LH fo smachd CRLH-TL, agus aig triceadan àrd, tha CRLH-TL fo smachd RH. Tha seo a’ sealltainn nàdar dùbailte CRLH-TL. Tha an diagram sgaoilidh cothromachaidh CRLH-TL ri fhaicinn ann am Figear 3(b). Mar a chithear ann am Figear 3(b), tha an gluasad bho LH gu RH a’ tachairt aig:

Far a bheil ω0 na tricead gluasaid. Mar sin, anns a’ chùis chothromach, tha gluasad rèidh a’ tachairt bho LH gu RH leis gur e àireamh mac-meanmnach a th’ ann an γ. Mar sin, chan eil bann-stad ann airson an sgapadh cothromach CRLH-TL. Ged a tha β neoni aig ω0 (neo-chrìochnach an coimeas ris an tonn-tonn treòraichte, ie, λg = 2π/ | β|), tha an tonn fhathast a’ sgaoileadh leis nach eil vg aig ω0 neoni. San aon dòigh, aig ω0, tha an gluasad ìre neoni airson TL de dh'fhaid d (ie, φ = - βd = 0). Tha an ìre adhartais ìre (ie, φ> 0) a’ tachairt anns an raon tricead LH (ie, ω <ω0), agus tha an dàil ìre (ie, φ <0) a’ tachairt anns an raon tricead RH (ie, ω>ω0). Airson CRLH TL, thathas a’ mìneachadh a’ bhacadh caractar mar a leanas:

Far a bheil ZL agus ZR nan cnapan-starra PLH agus PRH, fa leth. Airson a ‘chùis neo-chothromach, tha an bacadh caractar an urra ri tricead. Tha an co-aontar gu h-àrd a 'sealltainn gu bheil a' chùis chothromach neo-eisimeileach bho tricead, agus mar sin faodaidh e maids leud-bann farsaing a bhith aige. Tha an co-aontar TL a thàinig gu h-àrd coltach ris na paramadairean bun-reachdail a tha a’ mìneachadh an stuth CRLH. Is e an seasmhach iomadachaidh aig TL γ=jβ=Sqrt(ZY). Leis cho seasmhach sa tha an stuth (β = ω x Sqrt (εμ)), gheibhear an co-aontar a leanas:

San aon dòigh, tha bacadh sònraichte TL, ie, Z0 = sqrt(ZY), coltach ri bacadh sònraichte an stuth, ie, η = Sqrt (μ / ε), a tha air a chuir an cèill mar:

Tha an clàr-amais ath-bheothachail de CRLH-TL cothromach agus neo-chothromach (ie, n = cβ/ω) ri fhaicinn ann am Figear 4. Ann am Figear 4, tha clàr-amais ath-bheothachail an CRLH-TL anns an raon LH aige àicheil agus an clàr-amais ath-tharraingeach san RH aige. tha an raon adhartach.

Fig. 4 Clàr-innse ath-bheothachail àbhaisteach de CRLH TLs cothromach agus neo-chothromach.

1. LC lìonra
Le bhith a’ sgaoileadh nan ceallan bann-leathann LC a chithear ann am Figear 5(a), faodar CRLH-TL àbhaisteach le èideadh èifeachdach de dh’fhaid d a thogail bho àm gu àm no gu neo-ùine. San fharsaingeachd, gus dèanamh cinnteach à goireasachd àireamhachadh agus saothrachadh CRLH-TL, feumaidh an cuairteachadh a bhith bho àm gu àm. An coimeas ris a’ mhodail ann am Figear 1(c), chan eil meud sam bith aig cealla cuairteachaidh Figear 5(a) agus tha an fhaid fiosaigeach gu tur beag (ie, Δz ann am meatairean). A’ beachdachadh air an fhaid dealain aige θ = Δφ (rad), faodar ìre na cealla LC a chuir an cèill. Ach, gus an inductance gnìomhaichte agus an capacitance a thoirt gu buil, feumar fad corporra p a stèidheachadh. Bheir an roghainn de theicneòlas tagraidh (leithid microstrip, stiùireadh tonn coplanar, pàirtean sreap uachdar, msaa) buaidh air meud fiosaigeach cealla LC. Tha an cealla LC ann am Figear 5(a) coltach ris a’ mhodail mean air mhean ann am Figear 1(c), agus a chrìoch p = Δz→0. A rèir suidheachadh èideadh p → 0 ann am Figear 5(b), faodar TL a thogail (le bhith a’ sgaoileadh cheallan LC) a tha co-ionann ri CRLH-TL air leth freagarrach le fad d, gus am bi an TL a’ nochdadh èideadh ri tonnan electromagnetic.

Figear 5 CRLH TL stèidhichte air lìonra LC.

Airson cealla LC, a’ beachdachadh air suidheachaidhean crìche bho àm gu àm (PBCn) coltach ri teòirim Bloch-Floquet, tha dàimh sgaoilidh cealla LC air a dhearbhadh agus air a chuir an cèill mar a leanas:

Tha an t-sreath bacaidh (Z) agus gabhail shunt (Y) den chill LC air a dhearbhadh leis na co-aontaran a leanas:

Leis gu bheil fad dealain cuairteachaidh an aonaid LC glè bheag, faodar tuairmse Taylor a chleachdadh gus:

2. Buileachadh Corporra
Anns an earrainn roimhe seo, chaidh bruidhinn air lìonra LC gus CRLH-TL a ghineadh. Chan urrainnear lìonraidhean LC mar seo a thoirt gu buil ach le bhith a’ gabhail ri co-phàirtean fiosaigeach as urrainn an comas riatanach (CR agus CL) agus inductance (LR agus LL) a thoirt gu buil. Anns na beagan bhliadhnaichean a dh ’fhalbh, tha ùidh mhòr air a bhith ann a bhith a’ cleachdadh teicneòlas sreap uachdar (SMT) co-phàirtean chip no pàirtean sgaoilte. Faodar microstrip, stiall-loidhne, stiùireadh tonn coplanar no teicneòlasan eile den aon seòrsa a chleachdadh gus co-phàirtean sgaoilte a thoirt gu buil. Tha mòran fhactaran ri beachdachadh nuair a thaghas tu sgoltagan SMT no pàirtean sgaoilte. Tha structaran CRLH stèidhichte air SMT nas cumanta agus nas fhasa an cur an gnìomh a thaobh mion-sgrùdadh agus dealbhadh. Tha seo air sgàth gu bheil co-phàirtean chip SMT far-na-sgeilp rim faighinn, nach eil feumach air ath-dhealbhadh agus saothrachadh an taca ri co-phàirtean sgaoilte. Ach, tha na tha ri fhaighinn de cho-phàirtean SMT sgapte, agus mar as trice chan obraich iad ach aig triceadan ìosal (ie, 3-6GHz). Mar sin, tha raointean tricead obrachaidh cuibhrichte agus feartan ìre sònraichte aig structaran CRLH stèidhichte air SMT. Mar eisimpleir, ann an tagraidhean radiating, is dòcha nach bi co-phàirtean chip SMT ion-dhèanta. Tha Figear 6 a’ sealltainn structar sgaoilte stèidhichte air CRLH-TL. Tha an structar air a thoirt gu buil le capacitance eadar-didseatach agus loidhnichean cuairt ghoirid, a’ cruthachadh capacitance sreath CL agus inductance co-shìnte LL de LH fa leth. Thathas den bheachd gur e an capacitance eadar an loidhne agus GND an RH capacitance CR, agus thathas a’ gabhail ris gur e an inductance a th’ air a chruthachadh leis an t-sruth magnatach a tha air a chruthachadh leis an t-sruth sruth san structar eadar-didseatach an RH inductance LR.