Naidheachdan - Lèirmheas air Antennas Loidhne Tar-chuir Metamaterial

I. Ro-ràdh
’S e structaran a chaidh a dhealbhadh gu saorga a th’ ann am meata-stuthan a mhìnicheas iad san dòigh as fheàrr gus feartan electromagnetic sònraichte a thoirt gu buil nach eil ann gu nàdarra. Canar meata-stuthan clì-làimheach (LHMan) ri meata-stuthan le ceadachd àicheil agus treòiteachd àicheil. Chaidh sgrùdadh farsaing a dhèanamh air LHMan anns na coimhearsnachdan saidheansail agus innleadaireachd. Ann an 2003, chaidh LHMan ainmeachadh mar aon de na deich prìomh bhriseadh saidheansail den linn cho-aimsireil le iris Science. Chaidh tagraidhean, bun-bheachdan agus innealan ùra a leasachadh le bhith a’ cleachdadh feartan sònraichte LHMan. Tha an dòigh-obrach loidhne-tar-chuir (TL) na dhòigh-dhealbhaidh èifeachdach as urrainn cuideachd prionnsapalan LHMan a sgrùdadh. An coimeas ri TLn traidiseanta, is e smachd air paramadairean TL (cunbhalach iomadachaidh) agus bacadh sònraichte am feart as cudromaiche de TLn meata-stuthan. Tha smachd air paramadairean TL meata-stuthan a’ toirt seachad beachdan ùra airson structaran antenna a dhealbhadh le meud nas dlùithe, coileanadh nas àirde, agus gnìomhan ùra. Tha Figear 1 (a), (b), agus (c) a’ sealltainn nam modailean cuairte gun chall de loidhne-sgaoilidh deas-làimh fìor-ghlan (PRH), loidhne-sgaoilidh clì-làimh fìor-ghlan (PLH), agus loidhne-sgaoilidh clì-deas-làimh co-dhèanta (CRLH), fa leth. Mar a chithear ann am Figear 1(a), mar as trice is e measgachadh de ionduchtachd sreath agus comas shunt a th’ ann am modail cuairte co-ionann PRH TL. Mar a chithear ann am Figear 1(b), is e measgachadh de ionduchtachd shunt agus comas sreath a th’ ann am modail cuairte PLH TL. Ann an tagraidhean practaigeach, chan eil e comasach cuairt PLH a chuir an gnìomh. Tha seo air sgàth nam buaidhean ionduchtachd sreath dìosganach agus comas shunt do-sheachanta. Mar sin, is e feartan na loidhne-sgaoilidh clì-làimh a ghabhas a thoirt gu buil an-dràsta structaran clì is deas-làimh co-dhèanta, mar a chithear ann am Figear 1(c).

Figear 1 Modalan cuairte loidhne tar-chuir eadar-dhealaichte

Tha an cunbhalachd iomadachaidh (γ) den loidhne-tar-chuir (TL) air a thomhas mar: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), far a bheil Y agus Z a’ riochdachadh cead agus bacadh fa leth. A’ beachdachadh air CRLH-TL, faodar Z agus Y a chur an cèill mar:

Bidh an dàimh sgapaidh a leanas aig CRLH TL aonfhoirmeil:

Faodaidh an cunbhalach ìre β a bhith na àireamh fhìor no na àireamh mac-meanmnach. Ma tha β gu tur fìor taobh a-staigh raon tricead, tha còmhlan-pas taobh a-staigh an raoin tricead air sgàth a’ chumha γ=jβ. Air an làimh eile, ma tha β na àireamh fhìor mac-meanmnach taobh a-staigh raon tricead, tha còmhlan-stad taobh a-staigh an raoin tricead air sgàth a’ chumha γ=α. Tha an còmhlan-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 nan lùban sgapaidh (ie, an dàimh ω - β) de PRH-TL, PLH-TL, agus CRLH-TL, fa leth. Stèidhichte air na lùban sgapaidh, faodar astar na buidhne (vg=∂ω/∂β) agus astar na h-ìre (vp=ω/β) den loidhne-tar-chuir a thoirt a-mach agus a mheasadh. Airson PRH-TL, faodar a thoirt a-mach bhon lùb cuideachd 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 (i.e., vpvg<0). Tha lùb sgapaidh CRLH-TL cuideachd a’ sealltainn gu bheil roinn LH ann (i.e., vpvg < 0) agus roinn RH (i.e., vpvg > 0). Mar a chithear bho Fhigear 2(c), airson CRLH-TL, ma tha γ na àireamh fhìor fhìor-ghlan, tha còmhlan-stad ann.

Figear 2 Lùban sgapaidh diofar loidhnichean tar-chuir

Mar as trice, bidh na triceadan ath-shonnrachaidh sreath is co-shìnte aig CRLH-TL eadar-dhealaichte, agus canar staid neo-chothromach ris an seo. Ach, nuair a tha na triceadan ath-shonnrachaidh sreath is co-shìnte mar an ceudna, canar staid chothromach ris, agus chithear am modail cuairte co-ionann sìmplichte a thig às a sin ann am Figear 3(a).

Figear 3 Modail cuairte agus lùb sgaoilidh loidhne tar-chuir clì-làimhe co-dhèanta

Mar a bhios an tricead ag àrdachadh, bidh feartan sgapaidh CRLH-TL ag àrdachadh mean air mhean. Tha seo air sgàth gu bheil astar na h-ìre (ie, vp=ω/β) a’ sìor fhàs an urra ri tricead. Aig triceadan ìosal, tha CRLH-TL air a stiùireadh le LH, agus aig triceadan àrda, tha RH air a stiùireadh le CRLH-TL. Tha seo a’ sealltainn nàdar dùbailte CRLH-TL. Tha diagram sgapaidh cothromachaidh CRLH-TL air a shealltainn 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, bidh gluasad rèidh a’ tachairt bho LH gu RH leis gur e àireamh mac-meanmnach a th’ ann an γ. Mar sin, chan eil còmhlan-stad ann airson an sgapadh CRLH-TL cothromach. Ged a tha β neoni aig ω0 (neo-chrìochnach an coimeas ris an tonn-fhaid threòraichte, i.e., 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 (i.e., φ= - βd=0). Bidh an adhartas ìre (i.e., φ>0) a’ tachairt anns an raon tricead LH (i.e., ω<ω0), agus bidh an dàil ìre (i.e., φ<0) a’ tachairt anns an raon tricead RH (i.e., ω>ω0). Airson TL CRLH, tha an impedance sònraichte air a mhìneachadh mar a leanas:

Far a bheil ZL agus ZR nan impedances PLH agus PRH, fa leth. Airson a’ chùis neo-chothromach, tha an impedance sònraichte an urra ris an tricead. Tha an co-aontar gu h-àrd a’ sealltainn gu bheil a’ chùis chothromach neo-eisimeileach bho tricead, agus mar sin faodaidh maidseadh leud-bann farsaing a bhith aige. Tha an co-aontar TL a chaidh a thoirt a-mach gu h-àrd coltach ris na paramadairean bun-reachdail a mhìnicheas an stuth CRLH. Is e γ=jβ=Sqrt(ZY) an cunbhalach iomadachaidh de TL. Leis gu bheil an cunbhalach iomadachaidh den stuth (β=ω x Sqrt(εμ)) ann, gheibhear an co-aontar a leanas:

San aon dòigh, tha an impedance sònraichte aig TL, i.e., Z0=Sqrt(ZY), coltach ri impedance sònraichte an stuth, i.e., η=Sqrt(μ/ε), a tha air a chur an cèill mar:

Tha clàr-amais ath-tharraingeach CRLH-TL cothromach agus neo-chothromach (ie, n = cβ/ω) air a shealltainn ann am Figear 4. Ann am Figear 4, tha clàr-amais ath-tharraingeach an CRLH-TL na raon LH àicheil agus tha an clàr-amais ath-tharraingeach na raon RH deimhinneach.

Figear 4 Clàr-amais ath-tharraingeach àbhaisteach de TLn CRLH cothromach agus neo-chothromach.

1. Lìonra LC
Le bhith a’ sgaoileadh nan ceallan LC bandpass a chithear ann am Figear 5(a), faodar CRLH-TL àbhaisteach le cunbhalachd èifeachdach de dh’fhaid d a thogail gu cunbhalach no gu neo-sheasmhach. San fharsaingeachd, gus dèanamh cinnteach à goireasachd àireamhachadh agus saothrachadh CRLH-TL, feumaidh an cuairt a bhith cunbhalach. An coimeas ri modail Figear 1(c), chan eil meud sam bith aig cealla cuairte Figear 5(a) agus tha an fhaid fiosaigeach gun chrìoch 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 ionduchtachd agus an comas a chaidh a chur an sàs a thoirt gu buil, feumar fad fiosaigeach p a stèidheachadh. Bheir roghainn teicneòlais tagraidh (leithid microstrip, tonn-stiùiridh coplanar, co-phàirtean uachdar-suidhe, msaa.) buaidh air meud fiosaigeach na cealla LC. Tha cealla LC Figear 5(a) coltach ris a’ mhodail mean air mhean ann am Figear 1(c), agus tha a chrìoch p=Δz→0. A rèir a’ chumha aonfhoirmeileachd p→0 ann am Figear 5(b), faodar TL a thogail (le bhith a’ sgaoileadh cheallan LC) a tha co-ionann ri CRLH-TL aonfhoirmeil air leth le fad d, gus am bi an TL a’ nochdadh aonfhoirmeil do thonnan electromagnetic.

Figear 5 CRLH TL stèidhichte air lìonra LC.

Airson cealla LC, a’ beachdachadh air cumhaichean crìche ùineil (PBCn) coltach ri teòirim Bloch-Floquet, tha dàimh sgapaidh cealla LC air a dhearbhadh agus air a chur an cèill mar a leanas:

Tha an impedance sreath (Z) agus an admittance shunt (Y) den chealla LC air an dearbhadh leis na co-aontaran a leanas:

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

2. Cur an Gnìomh Corporra
Anns an earrann roimhe, chaidh beachdachadh air an lìonra LC gus CRLH-TL a ghineadh. Chan urrainnear lìonraidhean LC mar sin a thoirt gu buil ach le bhith a’ gabhail ri co-phàirtean corporra as urrainn an comas (CR agus CL) agus an ionduchtachd (LR agus LL) a tha a dhìth a thoirt gu buil. Anns na bliadhnachan mu dheireadh, tha ùidh mhòr air a bhith ann an cleachdadh cho-phàirtean sliseagan teicneòlas uachdar-suidhe (SMT) no co-phàirtean sgaoilte. Faodar microstrip, stiall-loidhne, treòraiche tonn co-phlanach no teicneòlasan coltach ris a chleachdadh gus co-phàirtean sgaoilte a thoirt gu buil. Tha mòran nithean ri bheachdachadh nuair a thaghas tu sliseagan SMT no co-phàirtean sgaoilte. Tha structaran CRLH stèidhichte air SMT nas cumanta agus nas fhasa an cur an gnìomh a thaobh mion-sgrùdadh agus dealbhaidh. Tha seo air sgàth cho furasta ‘s a tha co-phàirtean sliseagan SMT ri fhaighinn, nach eil feumach air ath-dhealbhadh agus saothrachadh an taca ri co-phàirtean sgaoilte. Ach, tha ruigsinneachd cho-phàirtean SMT sgapte, agus mar as trice chan eil iad ag obair 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 rèididheachd, is dòcha nach bi co-phàirtean sliseagan SMT comasach. Tha Figear 6 a’ sealltainn structar sgaoilte stèidhichte air CRLH-TL. Tha an structar air a thoirt gu buil le loidhnichean comas eadar-dhigiteach agus geàrr-chuairt, a’ cruthachadh comas sreath CL agus ionduchtachd co-shìnte LL de LH fa leth. Thathar a’ gabhail ris gur e comas RH CR an comas eadar an loidhne agus GND, agus thathar a’ gabhail ris gur e ionduchtachd RH LR an ionduchtachd a ghineas an t-sruth magnetach a chruthaicheas an sruth-shrutha anns an structar eadar-dhigiteach.