ฉัน. บทนำ
เมตาแมทีเรียลสามารถอธิบายได้ดีที่สุดว่าเป็นโครงสร้างที่ออกแบบขึ้นโดยเทียมเพื่อผลิตคุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าบางประการที่ไม่มีอยู่ตามธรรมชาติ เมตาแมทีเรียลที่มีค่าการอนุญาตการผ่านเข้าออกเชิงลบและค่าการซึมผ่านเชิงลบเรียกว่าเมตาแมทีเรียลแบบถนัดซ้าย (LHM) LHM ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในชุมชนวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม ในปี 2003 นิตยสาร Science ได้เสนอชื่อ LHM ให้เป็นหนึ่งในสิบความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ครั้งสำคัญในยุคปัจจุบัน แอปพลิเคชัน แนวคิด และอุปกรณ์ใหม่ๆ ได้รับการพัฒนาโดยใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเฉพาะตัวของ LHM แนวทางเส้นส่ง (TL) เป็นวิธีการออกแบบที่มีประสิทธิภาพซึ่งสามารถวิเคราะห์หลักการของ LHM ได้เช่นกัน เมื่อเปรียบเทียบกับ TL แบบดั้งเดิม คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของ TL เมตาแมทีเรียลคือความสามารถในการควบคุมพารามิเตอร์ TL (ค่าคงที่การแพร่กระจาย) และอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ ความสามารถในการควบคุมพารามิเตอร์ TL เมตาแมทีเรียลให้แนวคิดใหม่ๆ สำหรับการออกแบบโครงสร้างเสาอากาศที่มีขนาดกะทัดรัดขึ้น ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น และฟังก์ชันใหม่ๆ รูปที่ 1 (a), (b) และ (c) แสดงแบบจำลองวงจรไร้การสูญเสียของสายส่งแบบขวามือล้วน (PRH), สายส่งแบบซ้ายมือล้วน (PLH) และสายส่งแบบซ้าย-ขวาผสม (CRLH) ตามลำดับ ตามที่แสดงในรูปที่ 1(a) แบบจำลองวงจรเทียบเท่า PRH TL มักเป็นการผสมผสานระหว่างความเหนี่ยวนำแบบอนุกรมและความจุแบบชันท์ ตามที่แสดงในรูปที่ 1(b) แบบจำลองวงจร TL PLH เป็นการผสมผสานระหว่างความเหนี่ยวนำแบบอนุกรมและความจุแบบอนุกรม ในการใช้งานจริง ไม่สามารถนำมาใช้วงจร PLH ได้ เนื่องจากความเหนี่ยวนำแบบอนุกรมและความจุแบบอนุกรมที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้น ลักษณะเฉพาะของสายส่งแบบซ้ายมือที่สามารถทำได้ในปัจจุบันจึงเป็นโครงสร้างแบบผสมแบบซ้ายมือและขวามือทั้งหมด ดังที่แสดงในรูปที่ 1(c)
รูปที่ 1 แบบจำลองวงจรสายส่งที่แตกต่างกัน
ค่าคงที่การแพร่กระจาย (γ) ของสายส่ง (TL) คำนวณได้จาก: γ=α+jβ=Sqrt(ZY) โดยที่ Y และ Z แทนค่าการรับสัญญาณและค่าอิมพีแดนซ์ตามลำดับ เมื่อพิจารณา CRLH-TL แล้ว Z และ Y สามารถแสดงได้ดังนี้:
CRLH TL ที่สม่ำเสมอจะมีความสัมพันธ์แบบกระจายดังต่อไปนี้:
ค่าคงที่เฟส β อาจเป็นจำนวนจริงล้วนๆ หรือจำนวนจินตภาพล้วนๆ หาก β เป็นจำนวนจริงโดยสมบูรณ์ภายในช่วงความถี่ จะมีแถบผ่านภายในช่วงความถี่เนื่องจากเงื่อนไข γ=jβ ในทางกลับกัน หาก β เป็นจำนวนจินตภาพล้วนภายในช่วงความถี่ จะมีแถบหยุดภายในช่วงความถี่เนื่องจากเงื่อนไข γ=α แถบหยุดนี้มีเฉพาะใน CRLH-TL และไม่มีอยู่ใน PRH-TL หรือ PLH-TL รูปที่ 2 (a), (b) และ (c) แสดงเส้นโค้งการกระจาย (กล่าวคือ ความสัมพันธ์ ω - β) ของ PRH-TL, PLH-TL และ CRLH-TL ตามลำดับ จากเส้นโค้งการกระจาย เราสามารถหาและประมาณความเร็วกลุ่ม (vg=∂ω/∂β) และความเร็วเฟส (vp=ω/β) ของสายส่งสัญญาณได้ สำหรับ PRH-TL สามารถอนุมานได้จากเส้นโค้งว่า vg และ vp ขนานกัน (กล่าวคือ vpvg>0) สำหรับ PLH-TL เส้นโค้งแสดงว่า vg และ vp ไม่ขนานกัน (กล่าวคือ vpvg<0) เส้นโค้งการกระจายของ CRLH-TL ยังแสดงให้เห็นการมีอยู่ของบริเวณ LH (กล่าวคือ vpvg < 0) และบริเวณ RH (กล่าวคือ vpvg > 0) ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 2(c) สำหรับ CRLH-TL หาก γ เป็นจำนวนจริงอย่างแท้จริง จะมีแถบหยุด
รูปที่ 2 เส้นโค้งการกระจายของสายส่งไฟฟ้าต่างๆ
โดยทั่วไปแล้วความถี่เรโซแนนซ์แบบอนุกรมและขนานของ CRLH-TL จะแตกต่างกัน ซึ่งเรียกว่าสถานะไม่สมดุล อย่างไรก็ตาม เมื่อความถี่เรโซแนนซ์แบบอนุกรมและขนานเท่ากัน จะเรียกว่าสถานะสมดุล และแบบจำลองวงจรสมมูลแบบง่ายที่ได้จะแสดงในรูปที่ 3(a)
รูปที่ 3 แบบจำลองวงจรและเส้นโค้งการกระจายของสายส่งไฟฟ้าแบบคอมโพสิตมือซ้าย
เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ลักษณะการกระจายของ CRLH-TL จะค่อยๆ เพิ่มขึ้น เนื่องจากความเร็วเฟส (กล่าวคือ vp=ω/β) ขึ้นอยู่กับความถี่มากขึ้น ที่ความถี่ต่ำ CRLH-TL จะถูกควบคุมโดย LH ในขณะที่ที่ความถี่สูง CRLH-TL จะถูกควบคุมโดย RH สิ่งนี้แสดงถึงลักษณะคู่ขนานของ CRLH-TL ไดอะแกรมการกระจายของ CRLH-TL ในสภาวะสมดุลแสดงอยู่ในรูปที่ 3(b) ตามที่แสดงในรูปที่ 3(b) การเปลี่ยนจาก LH ไปเป็น RH จะเกิดขึ้นที่:
โดยที่ ω0 คือความถี่การเปลี่ยนผ่าน ดังนั้น ในกรณีที่สมดุล การเปลี่ยนผ่านที่ราบรื่นจะเกิดขึ้นจาก LH ไปยัง RH เนื่องจาก γ เป็นจำนวนจินตภาพล้วนๆ ดังนั้น จึงไม่มีแถบหยุดสำหรับการกระจาย CRLH-TL ที่สมดุล แม้ว่า β จะเป็นศูนย์ที่ ω0 (อนันต์เมื่อเทียบกับความยาวคลื่นที่นำทาง กล่าวคือ λg=2π/|β|) คลื่นยังคงแพร่กระจายเนื่องจาก vg ที่ ω0 ไม่ใช่ศูนย์ ในทำนองเดียวกัน ที่ ω0 การเลื่อนเฟสจะเป็นศูนย์สำหรับ TL ที่มีความยาว d (กล่าวคือ φ= - βd=0) การเคลื่อนเฟสไปข้างหน้า (กล่าวคือ φ>0) เกิดขึ้นในช่วงความถี่ LH (กล่าวคือ ω<ω0) และการหน่วงเฟส (กล่าวคือ φ<0) เกิดขึ้นในช่วงความถี่ RH (กล่าวคือ ω>ω0) สำหรับ CRLH TL อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะจะอธิบายได้ดังนี้:
โดยที่ ZL และ ZR คือค่าอิมพีแดนซ์ PLH และ PRH ตามลำดับ สำหรับกรณีที่ไม่สมดุล ค่าอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะจะขึ้นอยู่กับความถี่ สมการด้านบนแสดงให้เห็นว่ากรณีสมดุลนั้นไม่ขึ้นอยู่กับความถี่ ดังนั้นจึงสามารถมีแบนด์วิดท์ที่ตรงกันได้กว้าง สมการ TL ที่ได้มาข้างต้นนั้นคล้ายคลึงกับพารามิเตอร์ที่กำหนดวัสดุ CRLH ค่าคงที่การแพร่กระจายของ TL คือ γ=jβ=Sqrt(ZY) เมื่อกำหนดค่าคงที่การแพร่กระจายของวัสดุ (β=ω x Sqrt(εμ)) จะสามารถหาสมการต่อไปนี้ได้:
ในทำนองเดียวกัน อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของ TL นั่นคือ Z0=Sqrt(ZY) จะคล้ายกับอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของวัสดุ นั่นคือ η=Sqrt(μ/ε) ซึ่งแสดงเป็น:
ดัชนีการหักเหของ CRLH-TL ที่สมดุลและไม่สมดุล (กล่าวคือ n = cβ/ω) แสดงอยู่ในรูปที่ 4 ในรูปที่ 4 ดัชนีการหักเหของ CRLH-TL ในช่วง LH จะเป็นค่าลบ และดัชนีการหักเหของ CRLH ในช่วง RH จะเป็นค่าบวก
รูปที่ 4 ดัชนีการหักเหแสงทั่วไปของ CRLH TL ที่สมดุลและไม่สมดุล
1.เครือข่ายแอลซี
โดยการต่อเซลล์ LC แบบแบนด์พาสดังที่แสดงในรูปที่ 5(a) เข้าด้วยกัน สามารถสร้าง CRLH-TL ทั่วไปที่มีความสม่ำเสมอของความยาว d ได้อย่างเป็นช่วงๆ หรือแบบไม่เป็นช่วงๆ โดยทั่วไป เพื่อให้การคำนวณและการผลิต CRLH-TL สะดวกขึ้น วงจรจะต้องเป็นแบบเป็นช่วงๆ เมื่อเปรียบเทียบกับแบบจำลองในรูปที่ 1(c) เซลล์วงจรในรูปที่ 5(a) ไม่มีขนาดและความยาวทางกายภาพนั้นเล็กมาก (เช่น Δz เป็นเมตร) เมื่อพิจารณาความยาวไฟฟ้า θ=Δφ (rad) จะสามารถแสดงเฟสของเซลล์ LC ได้ อย่างไรก็ตาม เพื่อให้สามารถรับรู้ค่าเหนี่ยวนำและความจุที่ใช้ได้จริง จำเป็นต้องกำหนดความยาวทางกายภาพ p การเลือกเทคโนโลยีการใช้งาน (เช่น ไมโครสตริป ท่อนำคลื่นโคพลานาร์ ส่วนประกอบแบบติดตั้งบนพื้นผิว ฯลฯ) จะส่งผลต่อขนาดทางกายภาพของเซลล์ LC เซลล์ LC ในรูปที่ 5(a) มีลักษณะคล้ายกับแบบจำลองเชิงเพิ่มในรูปที่ 1(c) และขีดจำกัด p=Δz→0 ตามเงื่อนไขความสม่ำเสมอ p→0 ในรูปที่ 5(b) สามารถสร้าง TL ได้ (โดยเซลล์ LC แบบเรียงซ้อน) ซึ่งเทียบเท่ากับ CRLH-TL ที่สม่ำเสมอในอุดมคติ โดยมีความยาว d ทำให้ TL ดูสม่ำเสมอต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
รูปที่ 5 CRLH TL ที่ใช้เครือข่าย LC
สำหรับเซลล์ LC เมื่อพิจารณาเงื่อนไขขอบเขตเป็นระยะ (PBCs) คล้ายกับทฤษฎีบท Bloch-Floquet ความสัมพันธ์การกระจายตัวของเซลล์ LC ได้รับการพิสูจน์และแสดงดังนี้:
ค่าอิมพีแดนซ์แบบอนุกรม (Z) และค่าการยอมรับชันท์ (Y) ของเซลล์ LC ได้รับการกำหนดโดยสมการต่อไปนี้:
เนื่องจากความยาวไฟฟ้าของวงจร LC ของหน่วยมีขนาดเล็กมาก จึงสามารถใช้การประมาณของเทย์เลอร์เพื่อหาสิ่งต่อไปนี้:
2. การดำเนินการทางกายภาพ
ในส่วนก่อนหน้านี้ได้มีการกล่าวถึงเครือข่าย LC เพื่อสร้าง CRLH-TL แล้ว เครือข่าย LC ดังกล่าวสามารถทำได้โดยการนำเอาส่วนประกอบทางกายภาพที่สามารถผลิตความจุ (CR และ CL) และความเหนี่ยวนำ (LR และ LL) ที่ต้องการมาใช้เท่านั้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การนำส่วนประกอบชิปเทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว (SMT) หรือส่วนประกอบแบบกระจายมาใช้ได้รับความสนใจอย่างมาก สามารถใช้ไมโครสตริป สตริปไลน์ เวฟไกด์แบบโคพลานาร์ หรือเทคโนโลยีที่คล้ายคลึงกันอื่นๆ เพื่อสร้างส่วนประกอบแบบกระจายได้ มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกชิป SMT หรือส่วนประกอบแบบกระจาย โครงสร้าง CRLH ที่ใช้ SMT เป็นที่นิยมมากกว่าและง่ายต่อการนำไปใช้ในแง่ของการวิเคราะห์และการออกแบบ เนื่องมาจากความพร้อมใช้งานของส่วนประกอบชิป SMT สำเร็จรูปซึ่งไม่จำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยนและการผลิตเมื่อเทียบกับส่วนประกอบแบบกระจาย อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบ SMT มีวางจำหน่ายอย่างกระจัดกระจาย และโดยปกติจะทำงานที่ความถี่ต่ำเท่านั้น (เช่น 3-6GHz) ดังนั้น โครงสร้าง CRLH ที่ใช้ SMT จึงมีช่วงความถี่การทำงานที่จำกัดและลักษณะเฟสที่เฉพาะเจาะจง ตัวอย่างเช่น ในแอพพลิเคชั่นการแผ่รังสี ส่วนประกอบชิป SMT อาจไม่สามารถใช้งานได้ รูปที่ 6 แสดงโครงสร้างแบบกระจายตาม CRLH-TL โครงสร้างนี้เกิดขึ้นได้จากความจุอินเตอร์ดิจิตอลและเส้นลัดวงจร ซึ่งก่อให้เกิดความจุแบบอนุกรม CL และเหนี่ยวนำขนาน LL ของ LH ตามลำดับ ความจุระหว่างเส้นและ GND ถือว่าเป็นความจุ RH CR และเหนี่ยวนำที่เกิดจากฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดจากการไหลของกระแสไฟฟ้าในโครงสร้างอินเตอร์ดิจิตอลถือว่าเป็นเหนี่ยวนำ RH LR
รูปที่ 6 ไมโครสตริปมิติเดียว CRLH TL ประกอบด้วยตัวเก็บประจุแบบอินเตอร์ดิจิทัลและตัวเหนี่ยวนำแบบสายสั้น
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเสาอากาศ โปรดไปที่:
เวลาโพสต์ : 23 ส.ค. 2567
