Habari - Mapitio ya Antena za Mstari wa Usambazaji wa Metamaterial

I. Utangulizi
Metamateria zinaweza kuelezewa vyema kama miundo iliyoundwa bandia ili kutoa sifa fulani za sumakuumeme ambazo hazipo kiasili. Metamateria zenye upenyezaji hasi na upenyezaji hasi huitwa metatamateria za mkono wa kushoto (LHMs). LHMs zimesomwa kwa kina katika jamii za kisayansi na uhandisi. Mnamo 2003, LHMs zilitajwa kuwa mojawapo ya mafanikio kumi bora ya kisayansi ya enzi ya kisasa na jarida la Sayansi. Matumizi, dhana, na vifaa vipya vimetengenezwa kwa kutumia sifa za kipekee za LHMs. Mbinu ya mstari wa upitishaji (TL) ni njia bora ya usanifu ambayo inaweza pia kuchambua kanuni za LHMs. Ikilinganishwa na TL za jadi, sifa muhimu zaidi ya TLs za metamamateria ni udhibiti wa vigezo vya TL (kipimo cha uenezaji) na kizuizi cha sifa. Udhibiti wa vigezo vya TL vya metamamateria hutoa mawazo mapya ya kubuni miundo ya antena yenye ukubwa mdogo zaidi, utendaji wa juu, na kazi mpya. Mchoro 1 (a), (b), na (c) zinaonyesha mifumo ya saketi isiyo na hasara ya laini safi ya upitishaji wa mkono wa kulia (PRH), laini safi ya upitishaji wa mkono wa kushoto (PLH), na laini ya upitishaji wa mkono wa kushoto-kulia (CRLH), mtawalia. Kama inavyoonyeshwa katika Mchoro 1(a), modeli ya saketi sawa ya PRH TL kwa kawaida huwa mchanganyiko wa inductance ya mfululizo na uwezo wa shunt. Kama inavyoonyeshwa katika Mchoro 1(b), modeli ya saketi ya PLH TL ni mchanganyiko wa inductance ya shunt na uwezo wa mfululizo. Katika matumizi ya vitendo, haiwezekani kutekeleza saketi ya PLH. Hii ni kutokana na athari za inductance ya mfululizo wa vimelea na uwezo wa shunt. Kwa hivyo, sifa za laini ya upitishaji wa mkono wa kushoto ambazo zinaweza kutambuliwa kwa sasa ni miundo yote ya mkono wa kushoto na wa kulia, kama inavyoonyeshwa katika Mchoro 1(c).

Mchoro 1 Mifumo tofauti ya saketi ya laini ya upitishaji

Kigezo cha uenezaji (γ) cha laini ya upitishaji (TL) kinahesabiwa kama: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), ambapo Y na Z zinawakilisha upitishaji na uzuiaji mtawalia. Kwa kuzingatia CRLH-TL, Z na Y zinaweza kuonyeshwa kama:

CRLH TL sare itakuwa na uhusiano ufuatao wa utawanyiko:

Kigezo cha awamu β kinaweza kuwa nambari halisi au nambari ya kufikirika tu. Ikiwa β ni halisi kabisa ndani ya masafa ya masafa, kuna bendi ya kupita ndani ya masafa ya masafa kutokana na hali ya γ=jβ. Kwa upande mwingine, ikiwa β ni nambari ya kufikirika tu ndani ya masafa ya masafa, kuna bendi ya kusimama ndani ya masafa ya masafa kutokana na hali ya γ=α. Bendi hii ya kusimama ni ya kipekee kwa CRLH-TL na haipo katika PRH-TL au PLH-TL. Mchoro 2 (a), (b), na (c) zinaonyesha mikondo ya utawanyiko (yaani, uhusiano wa ω - β) wa PRH-TL, PLH-TL, na CRLH-TL, mtawalia. Kulingana na mikondo ya utawanyiko, kasi ya kikundi (vg=∂ω/∂β) na kasi ya awamu (vp=ω/β) ya mstari wa upitishaji inaweza kutolewa na kukadiriwa. Kwa PRH-TL, inaweza pia kudhaniwa kutoka kwa mkunjo kwamba vg na vp ni sambamba (yaani, vpvg>0). Kwa PLH-TL, mkunjo unaonyesha kwamba vg na vp si sambamba (yaani, vpvg<0). Mkunjo wa mtawanyiko wa CRLH-TL pia unaonyesha kuwepo kwa eneo la LH (yaani, vpvg <0) na eneo la RH (yaani, vpvg > 0). Kama inavyoonekana kutoka kwa Mchoro 2(c), kwa CRLH-TL, ikiwa γ ni nambari halisi halisi, kuna bendi ya kusimamisha.

Mchoro 2 Mikunjo ya mtawanyiko wa mistari tofauti ya upitishaji

Kwa kawaida, mfululizo na miale sambamba ya CRLH-TL ni tofauti, ambayo huitwa hali isiyo na usawa. Hata hivyo, wakati masafa ya mfululizo na miale sambamba yanapofanana, huitwa hali ya usawa, na modeli ya saketi sawa iliyorahisishwa inayotokana inaonyeshwa kwenye Mchoro 3(a).

Mchoro 3 Mfano wa mzunguko na mkunjo wa mtawanyiko wa laini ya upitishaji inayotumia mkono wa kushoto

Kadri masafa yanavyoongezeka, sifa za utawanyiko wa CRLH-TL huongezeka polepole. Hii ni kwa sababu kasi ya awamu (yaani, vp=ω/β) inazidi kutegemea masafa. Katika masafa ya chini, CRLH-TL inatawaliwa na LH, huku katika masafa ya juu, CRLH-TL inatawaliwa na RH. Hii inaonyesha asili mbili ya CRLH-TL. Mchoro wa utawanyiko wa CRLH-TL wa usawa unaonyeshwa kwenye Mchoro 3(b). Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3(b), mpito kutoka LH hadi RH hutokea katika:

Ambapo ω0 ni masafa ya mpito. Kwa hivyo, katika hali iliyosawazishwa, mpito laini hutokea kutoka LH hadi RH kwa sababu γ ni nambari ya kufikirika tu. Kwa hivyo, hakuna bendi ya kusimamisha kwa utawanyiko wa CRLH-TL uliosawazishwa. Ingawa β ni sifuri katika ω0 (isiyo na kikomo ikilinganishwa na urefu wa wimbi unaoongozwa, yaani, λg=2π/|β|), wimbi bado huenea kwa sababu vg katika ω0 si sifuri. Vile vile, katika ω0, mabadiliko ya awamu ni sifuri kwa TL ya urefu d (yaani, φ= - βd=0). Mapema ya awamu (yaani, φ>0) hutokea katika masafa ya LH (yaani, ω<ω0), na kuchelewa kwa awamu (yaani, φ<0) hutokea katika masafa ya RH (yaani, ω>ω0). Kwa TL ya CRLH, uimara wa sifa unaelezewa kama ifuatavyo:

Ambapo ZL na ZR ni vizuizi vya PLH na PRH, mtawalia. Kwa kesi isiyo na usawa, uzuiaji wa sifa hutegemea masafa. Mlinganyo hapo juu unaonyesha kuwa kesi iliyosawazishwa haitegemei masafa, kwa hivyo inaweza kuwa na ulinganifu mpana wa kipimo data. Mlinganyo wa TL unaotokana hapo juu unafanana na vigezo vya muundo vinavyofafanua nyenzo ya CRLH. Kigezo cha uenezaji cha TL ni γ=jβ=Sqrt(ZY). Kwa kuzingatia kigezo cha uenezaji cha nyenzo (β=ω x Sqrt(εμ)), mlinganyo ufuatao unaweza kupatikana:

Vile vile, sifa ya kuwekewa TL, yaani, Z0=Sqrt(ZY), inafanana na sifa ya kuwekewa TL, yaani, η=Sqrt(μ/ε), ambayo inaonyeshwa kama:

Kielezo cha kuakisi cha CRLH-TL iliyosawazishwa na isiyosawazishwa (yaani, n = cβ/ω) kinaonyeshwa kwenye Mchoro 4. Katika Mchoro 4, kielezo cha kuakisi cha CRLH-TL katika safu yake ya LH ni hasi na kielezo cha kuakisi katika safu yake ya RH ni chanya.

Mchoro 4 Viashiria vya kawaida vya kuakisi mwanga vya TL za CRLH zenye uwiano na zisizo na uwiano.

1. Mtandao wa LC
Kwa kuachilia seli za LC za bandpass zilizoonyeshwa kwenye Mchoro 5(a), CRLH-TL ya kawaida yenye usawa mzuri wa urefu d inaweza kujengwa mara kwa mara au bila mara kwa mara. Kwa ujumla, ili kuhakikisha urahisi wa hesabu na utengenezaji wa CRLH-TL, saketi inahitaji kuwa ya mara kwa mara. Ikilinganishwa na modeli ya Mchoro 1(c), seli ya saketi ya Mchoro 5(a) haina ukubwa na urefu halisi ni mdogo sana (yaani, Δz katika mita). Kwa kuzingatia urefu wake wa umeme θ=Δφ (rad), awamu ya seli ya LC inaweza kuonyeshwa. Hata hivyo, ili kutambua inductance na capacitance inayotumika, urefu halisi p unahitaji kuanzishwa. Uchaguzi wa teknolojia ya matumizi (kama vile microstrip, coplanar wimbi guide, vipengele vya kupachika uso, n.k.) utaathiri ukubwa halisi wa seli ya LC. Seli ya LC ya Mchoro 5(a) ni sawa na modeli ya nyongeza ya Mchoro 1(c), na kikomo chake p=Δz→0. Kulingana na hali ya usawa p→0 katika Mchoro 5(b), TL inaweza kutengenezwa (kwa kuachilia seli za LC) ambayo ni sawa na CRLH-TL inayofaa yenye urefu wa d, ili TL ionekane sare na mawimbi ya sumakuumeme.

Mchoro 5 CRLH TL kulingana na mtandao wa LC.

Kwa seli ya LC, kwa kuzingatia hali ya mipaka ya mara kwa mara (PBCs) sawa na nadharia ya Bloch-Floquet, uhusiano wa utawanyiko wa seli ya LC unathibitishwa na kuonyeshwa kama ifuatavyo:

Kizuizi cha mfululizo (Z) na kiingilio cha shunt (Y) cha seli ya LC huamuliwa na milinganyo ifuatayo:

Kwa kuwa urefu wa umeme wa saketi ya LC ya kitengo ni mdogo sana, makadirio ya Taylor yanaweza kutumika kupata:

2. Utekelezaji wa Kimwili
Katika sehemu iliyopita, mtandao wa LC wa kutengeneza CRLH-TL umejadiliwa. Mitandao kama hiyo ya LC inaweza tu kufikiwa kwa kutumia vipengele vya kimwili ambavyo vinaweza kutoa uwezo unaohitajika (CR na CL) na inductance (LR na LL). Katika miaka ya hivi karibuni, matumizi ya vipengele vya chip vya teknolojia ya kuweka juu ya uso (SMT) au vipengele vilivyosambazwa yamevutia shauku kubwa. Microstrip, stripline, coplanar waveguide au teknolojia zingine zinazofanana zinaweza kutumika kutambua vipengele vilivyosambazwa. Kuna mambo mengi ya kuzingatia wakati wa kuchagua chip za SMT au vipengele vilivyosambazwa. Miundo ya CRLH inayotegemea SMT ni ya kawaida zaidi na rahisi kutekeleza katika suala la uchambuzi na usanifu. Hii ni kwa sababu ya upatikanaji wa vipengele vya chip vya SMT vilivyo nje ya rafu, ambavyo havihitaji urekebishaji na utengenezaji ikilinganishwa na vipengele vilivyosambazwa. Hata hivyo, upatikanaji wa vipengele vya SMT umetawanyika, na kwa kawaida hufanya kazi tu kwa masafa ya chini (yaani, 3-6GHz). Kwa hivyo, miundo ya CRLH inayotegemea SMT ina masafa machache ya uendeshaji na sifa maalum za awamu. Kwa mfano, katika matumizi ya kung'aa, vipengele vya chip vya SMT vinaweza visiwezekane. Mchoro 6 unaonyesha muundo uliosambazwa kulingana na CRLH-TL. Muundo huo unatambuliwa kwa kutumia uwezo wa kati ya dijitali na mistari ya saketi fupi, na kutengeneza uwezo wa mfululizo wa CL na inductance sambamba LL ya LH mtawalia. Uwezo kati ya mstari na GND unadhaniwa kuwa uwezo wa RH CR, na inductance inayotokana na mkondo wa sumaku unaoundwa na mtiririko wa sasa katika muundo wa kati ya dijitali inadhaniwa kuwa RH inductance LR.