ข่าว - การทบทวนเสาอากาศสายส่ง Metamaterial

I. บทนำ
วัสดุเมตาสามารถอธิบายได้ดีที่สุดว่าเป็นโครงสร้างที่ออกแบบโดยเทียมเพื่อสร้างคุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าบางอย่างที่ไม่มีอยู่ตามธรรมชาติ วัสดุเมตาที่มีการยอมได้เป็นลบและการซึมผ่านเป็นลบเรียกว่าวัสดุเมตาทางซ้าย (LHM) LHM ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในชุมชนวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ ในปี พ.ศ. 2546 LHM ได้รับการจัดอันดับให้เป็นหนึ่งในสิบความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ชั้นนำของยุคร่วมสมัยโดยนิตยสาร Science แอปพลิเคชัน แนวคิด และอุปกรณ์ใหม่ได้รับการพัฒนาโดยใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเฉพาะของ LHM วิธีสายส่ง (TL) เป็นวิธีการออกแบบที่มีประสิทธิภาพซึ่งสามารถวิเคราะห์หลักการของ LHM ได้เช่นกัน เมื่อเปรียบเทียบกับ TL แบบดั้งเดิม คุณลักษณะที่สำคัญที่สุดของ TL metamaterial คือความสามารถในการควบคุมพารามิเตอร์ TL (ค่าคงที่การแพร่กระจาย) และอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ ความสามารถในการควบคุมของพารามิเตอร์ metamaterial TL ให้แนวคิดใหม่สำหรับการออกแบบโครงสร้างเสาอากาศที่มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น และฟังก์ชันใหม่ๆ รูปที่ 1 (a), (b) และ (c) แสดงแบบจำลองวงจรแบบไม่สูญเสียของสายส่งทางขวามือบริสุทธิ์ (PRH), สายส่งทางมือซ้ายบริสุทธิ์ (PLH) และสายส่งทางมือซ้าย - ขวาแบบผสม ( CRLH) ตามลำดับ ดังที่แสดงในรูปที่ 1 (a) โมเดลวงจรสมมูลของ PRH TL มักจะเป็นการรวมกันของการเหนี่ยวนำอนุกรมและความจุแบบแบ่ง ดังแสดงในรูปที่ 1 (b) แบบจำลองวงจร PLH TL เป็นการผสมผสานระหว่างตัวเหนี่ยวนำแบบแบ่งและความจุแบบอนุกรม ในการใช้งานจริง ไม่สามารถใช้วงจร PLH ได้ นี่เป็นเพราะการเหนี่ยวนำอนุกรมปรสิตที่หลีกเลี่ยงไม่ได้และผลกระทบต่อความจุแบบแบ่ง ดังนั้นลักษณะของสายส่งทางซ้ายที่สามารถรับรู้ได้ในปัจจุบันคือโครงสร้างทางซ้ายและขวาแบบประกอบทั้งหมด ดังแสดงในรูปที่ 1(c)

รูปที่ 1 โมเดลวงจรสายส่งแบบต่างๆ

ค่าคงที่การแพร่กระจาย (γ) ของสายส่ง (TL) คำนวณเป็น: γ=α+jβ=Sqrt(ZY) โดยที่ Y และ Z เป็นตัวแทนการรับเข้าและอิมพีแดนซ์ตามลำดับ เมื่อพิจารณา CRLH-TL, Z และ Y สามารถแสดงเป็น:

CRLH TL ที่สม่ำเสมอจะมีความสัมพันธ์การกระจายดังต่อไปนี้:

ค่าคงที่เฟส β อาจเป็นจำนวนจริงล้วนๆ หรือจำนวนจินตภาพล้วนๆ ถ้า β เป็นจริงโดยสมบูรณ์ภายในช่วงความถี่ จะมีแถบความถี่ผ่านภายในช่วงความถี่เนื่องจากเงื่อนไข γ=jβ ในทางกลับกัน ถ้า β เป็นตัวเลขจินตภาพล้วนๆ ภายในช่วงความถี่ จะมีแถบหยุดภายในช่วงความถี่เนื่องจากเงื่อนไข γ=α แถบหยุดนี้เป็นลักษณะเฉพาะของ CRLH-TL และไม่มีอยู่ใน PRH-TL หรือ PLH-TL รูปที่ 2 (a), (b) และ (c) แสดงเส้นโค้งการกระจาย (เช่น ความสัมพันธ์ ω - β) ของ PRH-TL, PLH-TL และ CRLH-TL ตามลำดับ ขึ้นอยู่กับกราฟการกระจายตัว ความเร็วของกลุ่ม (vg=∂ω/∂β) และความเร็วเฟส (vp=ω/β) ของสายส่งสามารถได้รับและประมาณได้ สำหรับ PRH-TL สามารถอนุมานได้จากเส้นโค้งที่ vg และ vp ขนานกัน (เช่น vpvg>0) สำหรับ PLH-TL เส้นโค้งแสดงว่า vg และ vp ไม่ขนานกัน (เช่น vpvg<0) เส้นโค้งการกระจายของ CRLH-TL ยังแสดงให้เห็นการมีอยู่ของภูมิภาค LH (เช่น vpvg < 0) และภูมิภาค RH (เช่น vpvg > 0) ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 2(c) สำหรับ CRLH-TL หาก γ เป็นจำนวนจริงแท้ ก็จะมีแถบหยุด

รูปที่ 2 เส้นโค้งการกระจายตัวของสายส่งต่างๆ

โดยปกติแล้วอนุกรมและเสียงสะท้อนแบบขนานของ CRLH-TL จะแตกต่างกัน ซึ่งเรียกว่าสภาวะไม่สมดุล อย่างไรก็ตาม เมื่ออนุกรมและความถี่เรโซแนนซ์แบบขนานเท่ากัน จะเรียกว่าสถานะสมดุล และผลลัพธ์ของแบบจำลองวงจรสมมูลแบบง่ายจะแสดงในรูปที่ 3(a)

รูปที่ 3 แบบจำลองวงจรและเส้นโค้งการกระจายของสายส่งทางด้านซ้ายแบบคอมโพสิต

เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ลักษณะการกระจายตัวของ CRLH-TL จะค่อยๆ เพิ่มขึ้น เนื่องจากความเร็วของเฟส (เช่น vp=ω/β) ขึ้นอยู่กับความถี่มากขึ้น ที่ความถี่ต่ำ CRLH-TL จะถูกควบคุมโดย LH ในขณะที่ความถี่สูง CRLH-TL จะถูกควบคุมโดย RH สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงลักษณะสองประการของ CRLH-TL แผนภาพการกระจายตัว CRLH-TL สมดุลแสดงในรูปที่ 3 (b) ดังแสดงในรูปที่ 3(b) การเปลี่ยนจาก LH เป็น RH เกิดขึ้นที่:

โดยที่ ω0 คือความถี่การเปลี่ยนแปลง ดังนั้น ในกรณีที่สมดุล การเปลี่ยนแปลงจาก LH ไปเป็น RH เป็นไปอย่างราบรื่น เนื่องจาก γ เป็นจำนวนจินตภาพล้วนๆ ดังนั้นจึงไม่มีแถบหยุดสำหรับการกระจาย CRLH-TL ที่สมดุล แม้ว่า β จะเป็นศูนย์ที่ ω0 (อนันต์สัมพัทธ์กับความยาวคลื่นที่ถูกชี้นำ เช่น γg=2π/|β|) คลื่นยังคงแพร่กระจายเนื่องจาก vg ที่ ω0 ไม่เป็นศูนย์ ในทำนองเดียวกัน ที่ ω0 การเปลี่ยนเฟสจะเป็นศูนย์สำหรับ TL ที่มีความยาว d (เช่น φ= - βd=0) การเลื่อนเฟส (เช่น φ>0) เกิดขึ้นในช่วงความถี่ LH (เช่น ω<ω0) และการหน่วงเฟส (เช่น φ<0) เกิดขึ้นในช่วงความถี่ RH (เช่น ω>ω0) สำหรับ CRLH TL อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะจะอธิบายไว้ดังนี้:

โดยที่ ZL และ ZR คืออิมพีแดนซ์ของ PLH และ PRH ตามลำดับ สำหรับกรณีที่ไม่สมดุล ลักษณะอิมพีแดนซ์จะขึ้นอยู่กับความถี่ สมการข้างต้นแสดงให้เห็นว่าเคสแบบสมดุลไม่ขึ้นกับความถี่ ดังนั้นจึงสามารถจับคู่แบนด์วิธที่กว้างได้ สมการ TL ที่ได้รับข้างต้นคล้ายคลึงกับพารามิเตอร์ที่เป็นส่วนประกอบซึ่งกำหนดวัสดุ CRLH ค่าคงที่การแพร่กระจายของ TL คือ γ=jβ=Sqrt(ZY) เมื่อพิจารณาค่าคงที่การแพร่กระจายของวัสดุ (β=ω x Sqrt(εμ)) จะได้สมการต่อไปนี้:

ในทำนองเดียวกัน อิมพีแดนซ์คุณลักษณะของ TL คือ Z0=Sqrt(ZY) คล้ายคลึงกับอิมพีแดนซ์คุณลักษณะเฉพาะของวัสดุ กล่าวคือ η=Sqrt(μ/ε) ซึ่งแสดงเป็น:

ดัชนีการหักเหของ CRLH-TL ที่สมดุลและไม่สมดุล (เช่น n = cβ/ω) แสดงในรูปที่ 4 ในรูปที่ 4 ดัชนีการหักเหของ CRLH-TL ในช่วง LH จะเป็นลบ และดัชนีการหักเหของแสงใน RH ช่วงเป็นบวก

รูปที่ 4 ดัชนีการหักเหของแสงทั่วไปของ CRLH TL ที่สมดุลและไม่สมดุล

1. เครือข่ายแอลซี
ด้วยการเรียงซ้อนเซลล์ bandpass LC ที่แสดงในรูปที่ 5 (a) CRLH-TL ทั่วไปที่มีความสม่ำเสมอที่มีประสิทธิภาพของความยาว d สามารถสร้างได้เป็นระยะหรือไม่มีเป็นระยะ โดยทั่วไป เพื่อความสะดวกในการคำนวณและการผลิต CRLH-TL วงจรจะต้องมีเป็นระยะ เมื่อเปรียบเทียบกับแบบจำลองของรูปที่ 1(c) เซลล์วงจรของรูปที่ 5(a) ไม่มีขนาดและความยาวทางกายภาพมีขนาดเล็กมาก (เช่น Δz ในหน่วยเมตร) เมื่อพิจารณาถึงความยาวทางไฟฟ้า θ=Δφ (rad) จึงสามารถแสดงเฟสของเซลล์ LC ได้ อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ทราบถึงความเหนี่ยวนำและความจุไฟฟ้าที่ใช้จริง จำเป็นต้องสร้างความยาวทางกายภาพ p การเลือกใช้เทคโนโลยีการใช้งาน (เช่น ไมโครสตริป ท่อนำคลื่นโคพลานาร์ ส่วนประกอบที่ยึดบนพื้นผิว ฯลฯ) จะส่งผลต่อขนาดทางกายภาพของเซลล์ LC เซลล์ LC ของรูปที่ 5(a) คล้ายคลึงกับแบบจำลองส่วนเพิ่มของรูปที่ 1(c) และขีดจำกัดของมัน p=Δz→0 ตามเงื่อนไขความสม่ำเสมอ p→0 ในรูปที่ 5(b) สามารถสร้าง TL ได้ (โดยการเรียงเซลล์ LC แบบเรียงซ้อน) ซึ่งเทียบเท่ากับ CRLH-TL ที่สม่ำเสมอในอุดมคติโดยมีความยาว d ดังนั้น TL จึงปรากฏสม่ำเสมอกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

รูปที่ 5 CRLH TL ขึ้นอยู่กับเครือข่าย LC

สำหรับเซลล์ LC เมื่อพิจารณาถึงเงื่อนไขขอบเขตคาบ (PBC) ที่คล้ายกับทฤษฎีบทของโบลช-โฟลเกต์ ความสัมพันธ์การกระจายตัวของเซลล์ LC ได้รับการพิสูจน์และแสดงออกมาดังต่อไปนี้:

อนุกรมอิมพีแดนซ์ (Z) และยอมแบ่ง (Y) ของเซลล์ LC ถูกกำหนดโดยสมการต่อไปนี้:

เนื่องจากความยาวทางไฟฟ้าของวงจร LC ของหน่วยมีขนาดเล็กมาก การประมาณแบบเทย์เลอร์จึงสามารถนำมาใช้เพื่อให้ได้:

2. การดำเนินการทางกายภาพ
ในส่วนก่อนหน้านี้ ได้มีการพูดคุยถึงเครือข่าย LC เพื่อสร้าง CRLH-TL เครือข่าย LC ดังกล่าวสามารถรับรู้ได้โดยการนำส่วนประกอบทางกายภาพที่สามารถสร้างความจุที่ต้องการ (CR และ CL) และการเหนี่ยวนำ (LR และ LL) เท่านั้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การประยุกต์ใช้ส่วนประกอบชิปเทคโนโลยีการยึดพื้นผิว (SMT) หรือส่วนประกอบแบบกระจายได้รับความสนใจอย่างมาก สามารถใช้ไมโครสตริป สตริปไลน์ ท่อนำคลื่นโคพลานาร์ หรือเทคโนโลยีอื่นๆ ที่คล้ายกันเพื่อรับรู้ถึงส่วนประกอบแบบกระจาย มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกชิป SMT หรือส่วนประกอบแบบกระจาย โครงสร้าง CRLH ที่ใช้ SMT นั้นพบได้ทั่วไปและง่ายต่อการนำไปใช้ในแง่ของการวิเคราะห์และการออกแบบ เนื่องจากส่วนประกอบชิป SMT ที่มีอยู่ทั่วไปมีอยู่ ซึ่งไม่จำเป็นต้องมีการปรับปรุงและการผลิตเมื่อเทียบกับส่วนประกอบแบบกระจาย อย่างไรก็ตาม ความพร้อมใช้งานของส่วนประกอบ SMT นั้นกระจัดกระจาย และโดยปกติจะทำงานที่ความถี่ต่ำเท่านั้น (เช่น 3-6GHz) ดังนั้น โครงสร้าง CRLH ที่ใช้ SMT จึงมีช่วงความถี่ในการทำงานที่จำกัดและลักษณะเฟสเฉพาะ ตัวอย่างเช่น ในการใช้งานการแผ่รังสี ส่วนประกอบชิป SMT อาจไม่สามารถทำได้ รูปที่ 6 แสดงโครงสร้างแบบกระจายตาม CRLH-TL โครงสร้างนี้รับรู้ได้จากความจุระหว่างดิจิตอลและเส้นลัดวงจร ทำให้เกิดซีรีย์ความจุ CL และตัวเหนี่ยวนำแบบขนาน LL ของ LH ตามลำดับ ความจุระหว่างเส้นและ GND จะถือว่าเป็นความจุ RH CR และความเหนี่ยวนำที่สร้างขึ้นโดยฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดจากการไหลของกระแสในโครงสร้างอินเตอร์ดิจิทัลจะถือว่าเป็น LR ตัวเหนี่ยวนำ RH