Nuacht - Léirmheas ar Aintíní Líne Tarchurtha Metamaterial

I. Réamhrá
Is fearr cur síos a dhéanamh ar mheitea-ábhair mar struchtúir atá deartha go saorga chun airíonna leictreamaighnéadacha áirithe nach ann go nádúrtha a tháirgeadh. Tugtar meiteábhair na láimhe clé (LHManna) ar mheiteábhair a bhfuil ceadú diúltach agus tréscaoilteacht dhiúltach acu. Tá staidéar fairsing déanta ar LHManna sna pobail eolaíochta agus innealtóireachta. Sa bhliain 2003, ainmníodh LHManna ar cheann de na deich gcinn de chinn eolaíocha is fearr sa ré chomhaimseartha ag an iris Science. Forbraíodh feidhmchláir, coincheapa agus gléasanna nua trí leas a bhaint as airíonna uathúla LHManna. Is modh deartha éifeachtach é cur chuige na líne tarchurtha (TL) ar féidir anailís a dhéanamh freisin ar phrionsabail na LHManna. I gcomparáid le TLanna traidisiúnta, is í an ghné is suntasaí de TLanna meitea-ábhair ná inrialaitheacht pharaiméadair TL (tairiseach iomadúcháin) agus impedance tréith. Soláthraíonn inrialaitheacht na bparaiméadar TL meitea-ábhar smaointe nua maidir le struchtúir antenna a dhearadh le méid níos dlúithe, feidhmíocht níos airde, agus feidhmeanna núíosacha. Taispeánann Fíor 1 (a), (b), agus (c) na samhlacha ciorcaid gan chailliúint de líne tarchurtha íon ar dheis (PRH), líne tarchurtha íon ar chlé (PLH), agus líne tarchurtha ilchodach ar thaobh na láimhe clé ( CRLH), faoi seach. Mar a léirítear i bhFíor 1(a), is gnách go mbíonn an tsamhail chiorcaid choibhéiseach PRH TL ina meascán d’ionduchtas sraithe agus toilleas shunt. Mar a léirítear i bhFíor 1(b), is meascán d’ionduchtas shunt agus toilleas sraithe é an tsamhail chiorcaid PLH TL. In iarratais phraiticiúla, níl sé indéanta ciorcad PLH a chur i bhfeidhm. Tá sé seo mar gheall ar éifeachtaí ionduchtaithe sraithe seadánacha agus toilleas shunt dosheachanta. Mar sin, is struchtúir ilchodacha láimhe clé agus láimhe deise iad saintréithe na líne tarchurtha ar chlé is féidir a bhaint amach faoi láthair, mar a thaispeántar i bhFíor 1(c).

Fíor 1 Samhlacha éagsúla ciorcaid líne tarchurtha

Ríomhtar tairiseach iomadaithe (γ) na líne tarchuir (TL) mar seo a leanas: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), áit a seasann Y agus Z don ligean isteach agus don bhac faoi seach. Agus CRLH-TL, is féidir Z agus Y a chur in iúl mar:

Beidh an gaol scaipthe seo a leanas ag CRLH TL aonfhoirmeach:

Is féidir leis an tairiseach céime β a bheith ina fíoruimhir amháin nó ina huimhir shamhailteach amháin. Má tá β fíor go hiomlán laistigh de raon minicíochta, tá pasbhanda laistigh den raon minicíochta mar gheall ar an gcoinníoll γ=jβ. Ar an láimh eile, más uimhir shamhailteach amháin é β laistigh de raon minicíochta, tá stopbhannaí laistigh den raon minicíochta mar gheall ar an gcoinníoll γ=α. Tá an stopbhanda seo uathúil do CRLH-TL agus níl sé ann in PRH-TL nó PLH-TL. Taispeánann Fíoracha 2 (a), (b), agus (c) na cuair scaipthe (ie, an gaol ω - β) PRH-TL, PLH-TL, agus CRLH-TL, faoi seach. Bunaithe ar na cuair scaipthe, is féidir treoluas an ghrúpa (vg=∂ω/∂β) agus treoluas chéim (vp=ω/β) den líne tarchurtha a dhíorthú agus a mheas. Maidir le PRH-TL, is féidir tátal a bhaint as an gcuar freisin go bhfuil vg agus vp comhthreomhar (.i. vpvg>0). I gcás PLH-TL, léiríonn an cuar nach bhfuil vg agus vp comhthreomhar (.i. vpvg <0). Léiríonn cuar scaipthe CRLH-TL freisin go bhfuil réigiún LH ann (.i. vpvg < 0) agus réigiún RH (ie, vpvg > 0). Mar atá le feiceáil i bhFíor 2(c), i gcás CRLH-TL, más fíoruimhir é γ, tá stopbhannaí ann.

Fíor 2 Cuair scaipthe de línte tarchurtha éagsúla

De ghnáth, tá sraith agus athshondas comhthreomhar CRLH-TL difriúil, ar a dtugtar stát neamhchothromaithe. Mar sin féin, nuair a bhíonn an tsraith agus na minicíochtaí athshondais comhthreomhara mar an gcéanna, tugtar staid chothromaithe air, agus taispeántar an tsamhail chiorcaid choibhéiseach simplithe mar thoradh air i bhFíor 3(a).

Fíor 3 Múnla ciorcaid agus cuar scaipthe na líne tarchurtha ilchodach ar an taobh clé

De réir mar a mhéadaíonn an minicíocht, méadaíonn saintréithe scaipthe CRLH-TL de réir a chéile. Tá sé seo amhlaidh toisc go mbíonn treoluas na céime (.i. vp=ω/β) ag brath níos mó ar mhinicíocht. Ag minicíochtaí ísle, is é LH ceannasach CRLH-TL, agus ag minicíochtaí arda, tá CRLH-TL chun tosaigh ag RH. Léiríonn sé seo nádúr déach CRLH-TL. Taispeántar an léaráid scaipthe cothromaíochta CRLH-TL i bhFíor 3(b). Mar a léirítear i bhFíor 3(b), tarlaíonn an trasdul ó LH go RH ag:

Cá bhfuil ω0 an mhinicíocht trasdula. Mar sin, sa chás cothromaithe, tarlaíonn aistriú réidh ó LH go RH toisc gur uimhir shamhailteach amháin é γ. Mar sin, níl aon stopbhannaí ann don scaipeadh cothromaithe CRLH-TL. Cé go bhfuil β náid ag ω0 (gan teorainn i gcoibhneas leis an tonnfhad treoraithe, ie, λg=2π/|β|), iomadaíonn an tonn fós toisc nach bhfuil vg ag ω0 náid. Mar an gcéanna, ag ω0, is é an t-athrú céime náid do TL ar fad d (.i. φ= - βd=0). Tarlaíonn an chéim chun cinn (ie, φ>0) sa raon minicíochta LH (ie, ω <ω0), agus tarlaíonn an mhoilliú céime (ie, φ <0) sa raon minicíochta RH (ie, ω>ω0). I gcás CRLH TL, déantar cur síos ar an mbacainn shaintréithe mar seo a leanas:

I gcás ina bhfuil ZL agus ZR na bacainní PLH agus PRH, faoi seach. Maidir leis an gcás neamhchothromaithe, braitheann an impedance tréith ar an minicíocht. Léiríonn an chothromóid thuas go bhfuil an cás cothromaithe neamhspleách ar mhinicíocht, agus mar sin is féidir meaitseáil bandaleithead leathan a bheith aige. Tá an chothromóid TL a dhíorthaítear thuas cosúil leis na paraiméadair chomhdhéanaimh a shainíonn an t-ábhar CRLH. Is é tairiseach iomadaithe TL ná γ=jβ=Sqrt(ZY). I bhfianaise tairiseach iomadaithe an ábhair (β=ω x Sqrt(εμ)), is féidir an chothromóid seo a leanas a fháil:

Mar an gcéanna, tá an bac saintréith de chuid TL, ie, Z0=Sqrt(ZY), cosúil le bacainn shaintréithe an ábhair, ie, η=Sqrt(μ/ε), a chuirtear in iúl mar:

Taispeántar an t-innéacs athraonta de CRLH-TL cothromaithe agus neamhchothrom (ie, n = cβ/ω) i bhFíor 4. I bhFíor 4, tá comhéifeacht athraonta an CRLH-TL ina raon LH diúltach agus tá an t-innéacs athraonta ina RH. Tá raon dearfach.

Fíor 4 Gnáth-innéacsanna athraonta na TLanna CRLH cothromaithe agus neamhchothromaithe.

1. Líonra LC
Trí na cealla LC pasbhanda a thaispeántar i bhFíor 5(a) a eascú, is féidir gnáth-CRLH-TL le haonfhoirmeacht éifeachtach d'fhad d a thógáil go tréimhsiúil nó go neamh-thréimhsiúil. Go ginearálta, d'fhonn áisiúlacht ríomh agus déantúsaíochta CRLH-TL a áirithiú, ní mór an ciorcad a bheith tréimhsiúil. I gcomparáid leis an múnla i bhFíor 1(c), níl aon mhéid ag an gcill chuaird i bhFíor 5(a) agus tá an fad fisiceach gan teorainn beag (ie, Δz i méadair). Ag cur san áireamh a fhad leictreach θ=Δφ (rad), is féidir céim na cille LC a chur in iúl. Mar sin féin, chun an ionduchtacht agus an toilleas feidhmeach a réadú, ní mór fad fisiciúil p a bhunú. Beidh tionchar ag rogha na teicneolaíochta iarratais (cosúil le micreastiall, treoir thonn coplanar, comhpháirteanna mount dromchla, etc.) ar mhéid fisiceach na cille LC. Tá an chill LC i bhFíor 5(a) cosúil leis an tsamhail incriminteach i bhFíor 1(c), agus a teorainn p=Δz→0. De réir an choinníll aonfhoirmeachta p→0 i bhFíor 5(b), is féidir TL a thógáil (trí chealla LC a eascadh) atá comhionann le CRLH-TL aonfhoirmeach idéalach le fad d, ionas go mbeidh cuma aonfhoirmeach ar thonnta leictreamaighnéadacha ar an TL.

Fíor 5 CRLH TL bunaithe ar líonra LC.

Maidir leis an gcill LC, ag breithniú coinníollacha teorann tréimhsiúla (PBCanna) cosúil leis an teoirim Bloch-Floquet, cruthaítear caidreamh scaipthe na cille LC agus cuirtear in iúl é mar seo a leanas:

Socraítear impedance sraith (Z) agus ligean isteach shunt (Y) den chill LC leis na cothromóidí seo a leanas:

Ós rud é go bhfuil fad leictreach ciorcad an aonaid LC an-bheag, is féidir comhfhogasú Taylor a úsáid chun:

2. Cur i bhFeidhm Fhisiciúil
Sa chuid roimhe seo, pléadh an líonra LC chun CRLH-TL a ghiniúint. Ní féidir líonraí LC den sórt sin a bhaint amach ach amháin trí chomhpháirteanna fisiceacha a ghlacadh ar féidir leo an toilleas riachtanach (CR agus CL) agus an ionduchtacht (CD agus LL) a tháirgeadh. Le blianta beaga anuas, tá suim mhór tarraingthe ag baint le cur i bhfeidhm comhpháirteanna sliseanna teicneolaíochta mount dromchla (SMT) nó comhpháirteanna dáilte. Is féidir micreastiall, stialllíne, tonnthreoir coplanach nó teicneolaíochtaí eile dá samhail a úsáid chun comhpháirteanna dáilte a réadú. Tá go leor fachtóirí le breithniú nuair a roghnaíonn tú sliseanna SMT nó comhpháirteanna dáilte. Tá struchtúir CRLH bunaithe ar SMT níos coitianta agus níos éasca le cur i bhfeidhm i dtéarmaí anailíse agus dearaidh. Tá sé seo mar gheall ar infhaighteacht comhpháirteanna sliseanna SMT lasmuigh den seilf, nach bhfuil gá le hathmhúnlú agus déantúsaíocht i gcomparáid le comhpháirteanna dáilte. Mar sin féin, tá infhaighteacht na gcomhpháirteanna SMT scaipthe, agus de ghnáth ní oibríonn siad ach ag minicíochtaí íseal (ie, 3-6GHz). Dá bhrí sin, tá raonta minicíochta oibriúcháin teoranta agus tréithe céim ar leith ag struchtúir CRLH atá bunaithe ar SMT. Mar shampla, in iarratais radiating, b'fhéidir nach mbeadh comhpháirteanna sliseanna SMT indéanta. Léiríonn Fíor 6 struchtúr dáilte bunaithe ar CRLH-TL. Déantar an struchtúr a bhaint amach trí toilleas idirdigiteach agus línte gearrchiorcaid, a fhoirmíonn an toilleas sraith CL agus ionduchtacht comhthreomhar LL de LH faoi seach. Glactar leis gurb é an toilleas RH an toilleas idir an líne agus GND, agus glactar leis gurb é an ionduchtacht a ghineann an flosc maighnéadach a fhoirmíonn an sreabhadh reatha sa struchtúr idirdigiteach ná an ionduchtacht RH LR.