الأخبار - مراجعة لهوائيات خط نقل المواد الخارقة

أنا. مقدمة
يمكن وصف المواد الخارقة بشكل أفضل على أنها هياكل مصممة بشكل صناعي لإنتاج خصائص كهرومغناطيسية معينة غير موجودة بشكل طبيعي. تسمى المواد الخارقة ذات السماحية السلبية والنفاذية السلبية بالمواد الخارقة اليسرى (LHMs). تمت دراسة LHMs على نطاق واسع في المجتمعات العلمية والهندسية. في عام 2003، تم تصنيف LHMs كأحد أهم عشرة اكتشافات علمية في العصر المعاصر من قبل مجلة Science. تم تطوير تطبيقات ومفاهيم وأجهزة جديدة من خلال استغلال الخصائص الفريدة لـ LHMs. يعد نهج خط النقل (TL) طريقة تصميم فعالة يمكنها أيضًا تحليل مبادئ LHMs. بالمقارنة مع TLs التقليدية، فإن الميزة الأكثر أهمية في TLs للمواد الوصفية هي إمكانية التحكم في معلمات TL (ثابت الانتشار) والممانعة المميزة. توفر إمكانية التحكم في معلمات TL للمواد الفوقية أفكارًا جديدة لتصميم هياكل الهوائي بحجم أكثر إحكاما وأداء أعلى ووظائف جديدة. يوضح الشكل 1 (أ) و(ب) و(ج) نماذج الدوائر غير المفقودة لخط النقل الأيمن النقي (PRH)، وخط النقل الأيسر النقي (PLH)، وخط النقل المركب الأيسر الأيمن ( CRLH)، على التوالي. كما هو مبين في الشكل 1 (أ)، فإن نموذج الدائرة المكافئة PRH TL عادة ما يكون عبارة عن مزيج من الحث التسلسلي وسعة التحويل. كما هو مبين في الشكل 1 (ب)، فإن نموذج الدائرة PLH TL عبارة عن مزيج من محاثة التحويلة والسعة التسلسلية. في التطبيقات العملية، ليس من الممكن تنفيذ دائرة PLH. ويرجع ذلك إلى الحث التسلسلي الطفيلي الذي لا مفر منه وتأثيرات سعة التحويل. ولذلك، فإن خصائص خط النقل الأيسر التي يمكن تحقيقها في الوقت الحاضر هي جميع الهياكل المركبة لليد اليسرى واليمنى، كما هو مبين في الشكل 1 (ج).

الشكل 1: نماذج مختلفة لدوائر خطوط النقل

يتم حساب ثابت الانتشار (γ) لخط النقل (TL) على النحو التالي: γ=α+jβ=Sqrt(ZY)، حيث يمثل Y وZ القبول والممانعة على التوالي. بالنظر إلى CRLH-TL، يمكن التعبير عن Z وY على النحو التالي:

سيكون لـ CRLH TL الموحد علاقة التشتت التالية:

يمكن أن يكون ثابت الطور β رقمًا حقيقيًا بحتًا أو رقمًا خياليًا بحتًا. إذا كانت β حقيقية تمامًا ضمن نطاق تردد، فهناك نطاق تمرير ضمن نطاق التردد بسبب الشرط γ=jβ. من ناحية أخرى، إذا كان β رقمًا وهميًا بحتًا ضمن نطاق ترددي، فهناك نطاق توقف ضمن نطاق التردد بسبب الحالة γ=α. نطاق التوقف هذا فريد لـ CRLH-TL ولا يوجد في PRH-TL أو PLH-TL. تُظهر الأشكال 2 (أ) و(ب) و(ج) منحنيات التشتت (أي العلاقة ω - β) لـ PRH-TL، وPLH-TL، وCRLH-TL، على التوالي. بناءً على منحنيات التشتت، يمكن استخلاص وتقدير سرعة المجموعة (vg=∂ω/∂β) وسرعة الطور (vp=ω/β) لخط النقل. بالنسبة لـ PRH-TL، يمكن أيضًا استنتاج من المنحنى أن vg وvp متوازيان (أي، vpvg>0). بالنسبة إلى PLH-TL، يوضح المنحنى أن vg وvp ليسا متوازيين (أي vpvg<0). يُظهر منحنى التشتت لـ CRLH-TL أيضًا وجود منطقة LH (أي vpvg < 0) ومنطقة RH (أي vpvg > 0). كما يتبين من الشكل 2 (ج)، بالنسبة لـ CRLH-TL، إذا كان γ رقمًا حقيقيًا خالصًا، فهناك نطاق توقف.

الشكل 2: منحنيات التشتت لخطوط النقل المختلفة

عادة، تكون سلسلة وأصداء التوازي لـ CRLH-TL مختلفة، وهو ما يسمى حالة غير متوازنة. ومع ذلك، عندما تكون ترددات الرنين المتسلسلة والمتوازية هي نفسها، تسمى حالة متوازنة، ويظهر نموذج الدائرة المكافئة المبسط الناتج في الشكل 3 (أ).

الشكل 3: نموذج الدائرة ومنحنى التشتت لخط النقل الأيسر المركب

مع زيادة التردد، تزداد خصائص التشتت لـ CRLH-TL تدريجياً. وذلك لأن سرعة الطور (أي vp=ω/β) تصبح معتمدة بشكل متزايد على التردد. في الترددات المنخفضة، يهيمن LH على CRLH-TL، بينما في الترددات العالية، يهيمن RH على CRLH-TL. وهذا يصور الطبيعة المزدوجة لـ CRLH-TL. يظهر مخطط تشتت التوازن CRLH-TL في الشكل 3 (ب). كما هو مبين في الشكل 3(ب)، يحدث الانتقال من LH إلى RH عند:

حيث ω0 هو تردد الانتقال. لذلك، في الحالة المتوازنة، يحدث انتقال سلس من LH إلى RH لأن γ هو رقم وهمي بحت. لذلك، لا يوجد نطاق توقف لتشتت CRLH-TL المتوازن. على الرغم من أن β تساوي صفرًا عند ω0 (لا نهائي بالنسبة إلى الطول الموجي الموجه، أي lectg=2π/|β|)، إلا أن الموجة لا تزال تنتشر لأن vg عند ω0 ليست صفرًا. وبالمثل، عند ω0، يكون تحول الطور صفراً لـ TL بطول d (أي φ= - βd=0). يحدث تقدم الطور (أي φ>0) في نطاق تردد LH (أي ω<ω0)، ويحدث تأخر الطور (أي φ<0) في نطاق تردد RH (أي ω>ω0). بالنسبة لـ CRLH TL، يتم وصف المعاوقة المميزة على النحو التالي:

حيث ZL وZR هما ممانعتي PLH وPRH، على التوالي. في حالة عدم التوازن، تعتمد المعاوقة المميزة على التردد. توضح المعادلة أعلاه أن الحالة المتوازنة مستقلة عن التردد، لذا يمكن أن يكون لها توافق واسع النطاق. تشبه معادلة TL المشتقة أعلاه المعلمات التأسيسية التي تحدد مادة CRLH. ثابت الانتشار لـ TL هو γ=jβ=Sqrt(ZY). بالنظر إلى ثابت انتشار المادة (β=ω x Sqrt(εμ)))، يمكن الحصول على المعادلة التالية:

وبالمثل، فإن الممانعة المميزة لـ TL، أي Z0=Sqrt(ZY)، تشبه الممانعة المميزة للمادة، أي η=Sqrt(μ/ε)، والتي يتم التعبير عنها على النحو التالي:

يظهر في الشكل 4 معامل الانكسار لـ CRLH-TL المتوازن وغير المتوازن (أي n = cβ/ω). في الشكل 4، يكون معامل الانكسار لـ CRLH-TL في نطاق LH سالبًا ومعامل الانكسار في RH الخاص به النطاق إيجابي.

الشكل 4: مؤشرات الانكسار النموذجية لـ CRLH TLs المتوازنة وغير المتوازنة.

1. شبكة LC
من خلال تتالي خلايا LC ممر الموجة الموضحة في الشكل 5 (أ)، يمكن إنشاء CRLH-TL نموذجي مع التوحيد الفعال للطول d بشكل دوري أو غير دوري. بشكل عام، من أجل ضمان سهولة حساب وتصنيع CRLH-TL، يجب أن تكون الدائرة دورية. بالمقارنة مع النموذج الموضح في الشكل 1 (ج)، فإن خلية الدائرة في الشكل 5 (أ) ليس لها حجم والطول المادي صغير للغاية (أي Δz بالأمتار). بالنظر إلى طولها الكهربائي θ=Δφ (rad)، يمكن التعبير عن طور خلية LC. ومع ذلك، من أجل تحقيق الحث والسعة المطبقة فعليًا، يجب إنشاء طول فيزيائي p. سيؤثر اختيار تقنية التطبيق (مثل الشريط الصغير، والدليل الموجي المستوي، ومكونات التركيب السطحي، وما إلى ذلك) على الحجم الفعلي لخلية LC. تشبه خلية LC في الشكل 5 (أ) النموذج التزايدي في الشكل 1 (ج)، وحدها p=Δz→0. وفقًا لشرط التوحيد p → 0 في الشكل 5 (ب)، يمكن إنشاء TL (عن طريق خلايا LC المتتالية) وهو ما يعادل CRLH-TL موحدًا مثاليًا بطول d، بحيث يبدو TL موحدًا للموجات الكهرومغناطيسية.

الشكل 5: CRLH TL استنادًا إلى شبكة LC.

بالنسبة لخلية LC، مع الأخذ في الاعتبار شروط الحدود الدورية (PBCs) المشابهة لنظرية Bloch-Floquet، تم إثبات علاقة التشتت لخلية LC والتعبير عنها على النحو التالي:

يتم تحديد المعاوقة المتسلسلة (Z) وقبول التحويل (Y) لخلية LC بالمعادلات التالية:

نظرًا لأن الطول الكهربائي لدائرة LC للوحدة صغير جدًا، فيمكن استخدام تقريب تايلور للحصول على:

2. التنفيذ المادي
في القسم السابق، تمت مناقشة شبكة LC لتوليد CRLH-TL. لا يمكن تحقيق شبكات LC هذه إلا من خلال اعتماد المكونات المادية التي يمكنها إنتاج السعة المطلوبة (CR وCL) والتحريض (LR وLL). في السنوات الأخيرة، اجتذب تطبيق مكونات شرائح تكنولوجيا التركيب السطحي (SMT) أو المكونات الموزعة اهتمامًا كبيرًا. يمكن استخدام Microstrip أو stripline أو الدليل الموجي المستوي أو تقنيات أخرى مماثلة لتحقيق المكونات الموزعة. هناك العديد من العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار شرائح SMT أو المكونات الموزعة. تعد هياكل CRLH المستندة إلى SMT أكثر شيوعًا وأسهل في التنفيذ من حيث التحليل والتصميم. ويرجع ذلك إلى توفر مكونات شرائح SMT الجاهزة للاستخدام، والتي لا تتطلب إعادة التصميم والتصنيع مقارنة بالمكونات الموزعة. ومع ذلك، فإن توفر مكونات SMT متناثر، وعادةً ما تعمل فقط عند الترددات المنخفضة (أي 3-6 جيجا هرتز). لذلك، فإن هياكل CRLH المستندة إلى SMT لها نطاقات تردد تشغيل محدودة وخصائص طور محددة. على سبيل المثال، في التطبيقات المشعة، قد لا تكون مكونات شريحة SMT ممكنة. يوضح الشكل 6 بنية موزعة تعتمد على CRLH-TL. يتم تحقيق الهيكل من خلال السعة البينية الرقمية وخطوط الدائرة القصيرة، مما يشكل السعة المتسلسلة CL والمحاثة المتوازية LL من LH على التوالي. من المفترض أن تكون السعة بين الخط وGND هي سعة RH CR، ومن المفترض أن تكون الحث الناتج عن التدفق المغناطيسي الناتج عن التدفق الحالي في البنية الرقمية هو محاثة RH LR.