א. הקדמה
ניתן לתאר מטא-חומרים בצורה הטובה ביותר כמבנים שתוכננו באופן מלאכותי כדי לייצר תכונות אלקטרומגנטיות מסוימות שאינן קיימות באופן טבעי. מטא-חומרים בעלי פרמיטיביות שלילית וחדירות שלילית נקראים מטא-חומרים שמאליים (LHM). LHMs נחקרו בהרחבה בקהילות המדעיות וההנדסיות. בשנת 2003, LHMs זכו בתואר אחת מעשרת פריצות הדרך המדעיות המובילות של העידן העכשווי על ידי המגזין Science. יישומים, מושגים והתקנים חדשים פותחו על ידי ניצול המאפיינים הייחודיים של LHMs. גישת קו התמסורת (TL) היא שיטת תכנון יעילה שיכולה גם לנתח את העקרונות של LHMs. בהשוואה ל-TLs מסורתיים, המאפיין המשמעותי ביותר של TLs meta-חומר הוא יכולת השליטה של פרמטרי TL (קבוע התפשטות) ועכבה אופיינית. יכולת השליטה של פרמטרי TL metamaterial מספקת רעיונות חדשים לתכנון מבני אנטנה עם גודל קומפקטי יותר, ביצועים גבוהים יותר ופונקציות חדשות. איור 1 (א), (ב) ו-(ג) מציגים את דגמי המעגלים ללא הפסדים של קו תמסורת ימני טהור (PRH), קו תמסורת שמאלי טהור (PLH) וקו תמסורת מרוכב ימני שמאלי ( CRLH), בהתאמה. כפי שמוצג באיור 1(א), דגם המעגל המקביל של PRH TL הוא בדרך כלל שילוב של השראות סדרתית וקיבול shunt. כפי שמוצג באיור 1(ב), דגם המעגל PLH TL הוא שילוב של השראות shunt וקיבול סדרתי. ביישומים מעשיים, לא ניתן ליישם מעגל PLH. זה נובע מהשפעות השראות הבלתי נמנעות מסדרת הטפילים וקיבול השאנט. לכן, המאפיינים של קו ההולכה השמאלי שניתן לממש כיום הם כולם מבנים מרוכבים של יד שמאל וימני, כפי שמוצג באיור 1(ג).
איור 1 דגמי מעגלים שונים של קווי תמסורת
קבוע ההתפשטות (γ) של קו התמסורת (TL) מחושב כך: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), כאשר Y ו-Z מייצגים קבלה ועכבה בהתאמה. בהתחשב ב-CRLH-TL, Z ו-Y יכולים לבוא לידי ביטוי כ:
ל-CRLH TL אחיד יהיה יחס הפיזור הבא:
קבוע הפאזה β יכול להיות מספר ממשי בלבד או מספר דמיוני בלבד. אם β אמיתי לחלוטין בטווח תדרים, קיים פס מעבר בטווח התדרים עקב התנאי γ=jβ. מצד שני, אם β הוא מספר דמיוני לחלוטין בטווח תדרים, קיים פס עצור בטווח התדרים עקב התנאי γ=α. פס עצירה זה ייחודי ל-CRLH-TL ואינו קיים ב-PRH-TL או PLH-TL. איורים 2 (א), (ב) ו-(ג) מציגים את עקומות הפיזור (כלומר, הקשר ω - β) של PRH-TL, PLH-TL ו-CRLH-TL, בהתאמה. בהתבסס על עקומות הפיזור, ניתן לגזור ולהעריך את מהירות הקבוצה (vg=∂ω/∂β) ומהירות הפאזה (vp=ω/β) של קו ההולכה. עבור PRH-TL, ניתן גם להסיק מהעקומה כי vg ו-vp מקבילים (כלומר, vpvg>0). עבור PLH-TL, העקומה מראה ש-vg ו-vp אינם מקבילים (כלומר, vpvg<0). עקומת הפיזור של CRLH-TL מראה גם את קיומם של אזור LH (כלומר, vpvg < 0) ואזור RH (כלומר, vpvg > 0). כפי שניתן לראות מאיור 2(ג), עבור CRLH-TL, אם γ הוא מספר ממשי טהור, יש פס עצירה.
איור 2 עקומות פיזור של קווי תמסורת שונים
בדרך כלל, הרזוננסים הסדרתיים והמקבילים של CRLH-TL שונים, מה שנקרא מצב לא מאוזן. עם זאת, כאשר תדרי התהודה הסדרתית והמקבילית זהים, זה נקרא מצב מאוזן, ומודל המעגל המקביל הפשוט שנוצר מוצג באיור 3(א).
איור 3 דגם מעגל ועקומת פיזור של קו תמסורת משולב ביד שמאל
ככל שהתדירות עולה, מאפייני הפיזור של CRLH-TL עולים בהדרגה. הסיבה לכך היא שמהירות הפאזה (כלומר, vp=ω/β) הופכת תלויה יותר ויותר בתדר. בתדרים נמוכים, CRLH-TL נשלט על ידי LH, בעוד שבתדרים גבוהים, CRLH-TL נשלט על ידי RH. זה מתאר את הטבע הכפול של CRLH-TL. דיאגרמת פיזור CRLH-TL בשיווי המשקל מוצגת באיור 3(ב). כפי שמוצג באיור 3(ב), המעבר מ-LH ל-RH מתרחש ב:
כאשר ω0 הוא תדר המעבר. לכן, במקרה המאוזן, מתרחש מעבר חלק מ-LH ל-RH מכיוון ש-γ הוא מספר דמיוני לחלוטין. לכן, אין פס עצור לפיזור CRLH-TL המאוזן. למרות ש-β הוא אפס ב-ω0 (אינסופי ביחס לאורך הגל המונחה, כלומר, λg=2π/|β|), הגל עדיין מתפשט מכיוון ש-vg ב-ω0 אינו אפס. באופן דומה, ב-ω0, הסטת הפאזה היא אפס עבור TL באורך d (כלומר, φ= - βd=0). התקדמות הפאזה (כלומר, φ>0) מתרחשת בטווח התדרים LH (כלומר, ω<ω0), ופיגור הפאזה (כלומר, φ<0) מתרחשת בטווח התדרים RH (כלומר, ω>ω0). עבור CRLH TL, העכבה האופיינית מתוארת באופן הבא:
כאשר ZL ו-ZR הם עכבות PLH ו-PRH, בהתאמה. במקרה הלא מאוזן, העכבה האופיינית תלויה בתדר. המשוואה שלעיל מראה שהמקרה המאוזן אינו תלוי בתדר, כך שיכול להיות לו התאמה רחבה של רוחב הפס. משוואת ה-TL הנגזרת לעיל דומה לפרמטרים המכוננים המגדירים את החומר CRLH. קבוע ההתפשטות של TL הוא γ=jβ=Sqrt(ZY). בהינתן קבוע ההתפשטות של החומר (β=ω x Sqrt(εμ)), ניתן לקבל את המשוואה הבאה:
באופן דומה, העכבה האופיינית של TL, כלומר Z0=Sqrt(ZY), דומה לעכבה האופיינית של החומר, כלומר, η=Sqrt(μ/ε), שמתבטאת כך:
מקדם השבירה של CRLH-TL מאוזן ולא מאוזן (כלומר, n = cβ/ω) מוצג באיור 4. באיור 4, מקדם השבירה של CRLH-TL בטווח ה-LH שלו שלילי ומקדם השבירה ב-RH שלו הטווח חיובי.
איור 4 מדדי שבירה אופייניים של CRLH TLs מאוזנים ולא מאוזנים.
1. רשת LC
על ידי שילוב של תאי LC במעבר פס המוצג באיור 5(א), ניתן לבנות CRLH-TL טיפוסי עם אחידות יעילה באורך d מעת לעת או לא. באופן כללי, על מנת להבטיח את נוחות החישוב והייצור של CRLH-TL, המעגל צריך להיות תקופתי. בהשוואה למודל של איור 1(ג), לתא המעגל של איור 5(א) אין גודל והאורך הפיזי קטן לאין שיעור (כלומר, Δz במטרים). בהתחשב באורך החשמלי שלו θ=Δφ (rad), ניתן לבטא את הפאזה של תא ה-LC. עם זאת, על מנת לממש בפועל את השראות והקיבול המיושמים, יש לקבוע אורך פיזיקלי p. בחירת טכנולוגיית היישום (כגון מיקרו-סטריפ, מוליך גל קו-מפלסרי, רכיבי הרכבה על פני השטח וכו') תשפיע על הגודל הפיזי של תא ה-LC. תא ה-LC של איור 5(א) דומה למודל המצטבר של איור 1(c), והגבול שלו p=Δz→0. על פי תנאי האחידות p→0 באיור 5(ב), ניתן לבנות TL (על ידי דרוג תאי LC) השקול ל-CRLH-TL אחיד אידיאלי באורך d, כך שה-TL נראה אחיד לגלים אלקטרומגנטיים.
איור 5 CRLH TL מבוסס על רשת LC.
עבור תא LC, בהתחשב בתנאי גבול תקופתיים (PBCs) הדומים למשפט Bloch-Floquet, קשר הפיזור של תא LC מוכח ומתבטא באופן הבא:
עכבת הסדרה (Z) וכניסת ה-shunt (Y) של תא LC נקבעים על ידי המשוואות הבאות:
מכיוון שהאורך החשמלי של מעגל ה-LC של היחידה קטן מאוד, ניתן להשתמש בקירוב טיילור כדי לקבל:
2. יישום פיזי
בסעיף הקודם נדונה רשת ה-LC ליצירת CRLH-TL. רשתות LC כאלה יכולות להתממש רק על ידי אימוץ רכיבים פיזיים שיכולים לייצר את הקיבול הנדרש (CR ו-CL) ואת השראות (LR ו-LL). בשנים האחרונות, היישום של רכיבי שבב בטכנולוגיית הרכבה משטחית (SMT) או רכיבים מבוזרים משך עניין רב. ניתן להשתמש במיקרו-סטריפ, רצועה, מוליך גל קו-מפלארי או טכנולוגיות דומות אחרות למימוש רכיבים מבוזרים. ישנם גורמים רבים שיש לקחת בחשבון בעת בחירת שבבי SMT או רכיבים מבוזרים. מבני CRLH מבוססי SMT נפוצים יותר וקלים יותר ליישום מבחינת ניתוח ועיצוב. הסיבה לכך היא הזמינות של רכיבי שבב SMT מהמדף, שאינם דורשים שיפוץ וייצור בהשוואה לרכיבים מבוזרים. עם זאת, הזמינות של רכיבי SMT מפוזרת, ולרוב הם פועלים רק בתדרים נמוכים (כלומר, 3-6GHz). לכן, למבני CRLH מבוססי SMT יש טווחי תדר הפעלה מוגבלים ומאפייני פאזה ספציפיים. לדוגמה, ביישומים מקרינים, ייתכן שרכיבי שבב SMT לא יהיו ברי ביצוע. איור 6 מציג מבנה מבוזר המבוסס על CRLH-TL. המבנה ממומש על ידי קיבול בין-דיגיטלי וקווי קצר, היוצרים את הקיבול הסדרתי CL וההשראות המקבילה LL של LH בהתאמה. ההנחה היא שהקיבול בין הקו ל-GND הוא קיבול ה-RH CR, וההנחה הנוצרת מהשטף המגנטי הנוצר על ידי זרימת הזרם במבנה הבין-דיגיטלי היא השראות RH LR.
איור 6 מיקרו-סטריפ חד-ממדי CRLH TL המורכב מקבלים בין-דיגיטליים ומשרני קו קצר.
למידע נוסף על אנטנות, בקר בכתובת:
זמן פרסום: 23 באוגוסט 2024
