أخبار - مراجعة هوائيات خطوط النقل المصنوعة من المواد الخارقة

أولا: المقدمة
يمكن وصف المواد الخارقة على أفضل وجه بأنها هياكل مصممة صناعيًا لإنتاج خصائص كهرومغناطيسية معينة غير موجودة في الطبيعة. تُسمى المواد الخارقة ذات السماحية والنفاذية السالبة المواد الخارقة اليسرى (LHMs). وقد خضعت LHMs لدراسة مكثفة في الأوساط العلمية والهندسية. في عام 2003، اختارتها مجلة ساينس كواحدة من أفضل عشرة اكتشافات علمية في العصر الحديث. طُوّرت تطبيقات ومفاهيم وأجهزة جديدة من خلال استغلال الخصائص الفريدة لـ LHMs. يُعد نهج خط النقل (TL) طريقة تصميم فعالة يمكنها أيضًا تحليل مبادئ LHMs. بالمقارنة مع TLs التقليدية، فإن أهم ميزة لـ TLs المادية الخارقة هي إمكانية التحكم في معلمات TL (ثابت الانتشار) والممانعة المميزة. توفر إمكانية التحكم في معلمات TL المادية الخارقة أفكارًا جديدة لتصميم هياكل هوائيات ذات حجم أصغر وأداء أعلى ووظائف مبتكرة. يوضح الشكل 1 (أ) و(ب) و(ج) نماذج الدوائر الخالية من الفقد لخطوط النقل ذات الاتجاه الأيمن الصرف (PRH) وخطوط النقل ذات الاتجاه الأيسر الصرف (PLH) وخطوط النقل المركبة ذات الاتجاهين الأيسر والأيمن (CRLH)، على التوالي. وكما هو موضح في الشكل 1 (أ)، فإن نموذج دائرة PRH TL المكافئة عادةً ما يكون مزيجًا من المحاثة التسلسلية وسعة التحويلة. وكما هو موضح في الشكل 1 (ب)، فإن نموذج دائرة PLH TL هو مزيج من المحاثة التسلسلية والسعة التسلسلية. في التطبيقات العملية، ليس من الممكن تنفيذ دائرة PLH. ويرجع ذلك إلى تأثيرات المحاثة التسلسلية الطفيلية الحتمية وسعة التحويلة. لذلك، فإن خصائص خطوط النقل ذات الاتجاه الأيسر التي يمكن تحقيقها حاليًا هي جميعها هياكل مركبة من الاتجاهين الأيسر والأيمن، كما هو موضح في الشكل 1 (ج).

الشكل 1 نماذج مختلفة لدوائر خطوط النقل

يُحسب ثابت الانتشار (γ) لخط النقل (TL) على النحو التالي: γ=α+jβ=Sqrt(ZY)، حيث يمثل كلٌ من Y وZ قيمة القبول والمقاومة على التوالي. وبالنظر إلى CRLH-TL، يمكن التعبير عن Z وY على النحو التالي:

سيكون لـ CRLH TL الموحد علاقة التشتت التالية:

ثابت الطور β يمكن أن يكون عددًا حقيقيًا بحتًا أو عددًا تخيليًا بحتًا. إذا كان β حقيقيًا تمامًا ضمن نطاق ترددي، يوجد نطاق تمرير ضمن نطاق التردد بسبب الشرط γ = jβ. من ناحية أخرى، إذا كان β عددًا تخيليًا بحتًا ضمن نطاق التردد، يوجد نطاق توقف ضمن نطاق التردد بسبب الشرط γ = α. هذا النطاق التوقفي فريد من نوعه في CRLH-TL ولا يوجد في PRH-TL أو PLH-TL. توضح الأشكال 2 (أ) و (ب) و (ج) منحنيات التشتت (أي العلاقة ω - β) لـ PRH-TL و PLH-TL و CRLH-TL على التوالي. بناءً على منحنيات التشتت، يمكن اشتقاق سرعة المجموعة (vg = ∂ω / ∂β) وسرعة الطور (vp = ω / β) لخط النقل وتقديرها. بالنسبة لـ PRH-TL، يمكن أيضًا الاستدلال من المنحنى على أن vg وvp متوازيان (أي vpvg>0). بالنسبة لـ PLH-TL، يُظهر المنحنى أن vg وvp غير متوازيين (أي vpvg<0). يُظهر منحنى التشتت لـ CRLH-TL أيضًا وجود منطقة LH (أي vpvg <0) ومنطقة RH (أي vpvg>0). كما يتضح من الشكل 2(ج)، بالنسبة لـ CRLH-TL، إذا كانت γ عددًا حقيقيًا بحتًا، يوجد نطاق توقف.

الشكل 2 منحنيات التشتت لخطوط النقل المختلفة

عادةً ما تكون الرنينات المتسلسلة والمتوازية لـ CRLH-TL مختلفة، وهو ما يُسمى بحالة غير متوازنة. أما عندما تكون ترددات الرنين المتسلسلة والمتوازية متساوية، فتُسمى بحالة متوازنة، ويظهر نموذج الدائرة المكافئة المُبسّط الناتج في الشكل 3(أ).

الشكل 3 نموذج الدائرة ومنحنى التشتت لخط النقل المركب الأيسر

مع زيادة التردد، تزداد خصائص تشتت CRLH-TL تدريجيًا. ويرجع ذلك إلى اعتماد سرعة الطور (أي vp = ω/β) بشكل متزايد على التردد. عند الترددات المنخفضة، يهيمن LH على CRLH-TL، بينما عند الترددات العالية، يهيمن RH على CRLH-TL. يوضح هذا الطبيعة المزدوجة لـ CRLH-TL. يوضح الشكل 3(ب) مخطط تشتت CRLH-TL المتوازن. كما هو موضح في الشكل 3(ب)، يحدث الانتقال من LH إلى RH عند:

حيث ω0 هو تردد الانتقال. وبالتالي، في الحالة المتوازنة، يحدث انتقال سلس من LH إلى RH لأن γ عدد تخيلي بحت. وبالتالي، لا يوجد نطاق توقف لتشتت CRLH-TL المتوازن. على الرغم من أن β يساوي صفرًا عند ω0 (لانهائي بالنسبة لطول الموجة الموجهة، أي λg=2π/|β|)، إلا أن الموجة لا تزال تنتشر لأن vg عند ω0 ليس صفرًا. وبالمثل، عند ω0، يكون انزياح الطور صفرًا 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، توصف المعاوقة المميزة كما يلي:

حيث ZL وZR هما معاوقتا PLH وPRH، على التوالي. في حالة عدم التوازن، تعتمد المعاوقة المميزة على التردد. تُظهر المعادلة أعلاه أن حالة التوازن مستقلة عن التردد، لذا يمكن أن يكون لها توافق واسع النطاق. معادلة TL المشتقة أعلاه مشابهة للمعلمات التأسيسية التي تُعرّف مادة CRLH. ثابت انتشار TL هو γ=jβ=Sqrt(ZY). بمعلومية ثابت انتشار المادة (β=ω x Sqrt(εμ))، يمكن الحصول على المعادلة التالية:

وبالمثل، فإن المعاوقة المميزة لـ TL، أي Z0=Sqrt(ZY)، تشبه المعاوقة 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، معامل الانكسار لـ CRLH-TL في نطاق LH الخاص به سلبي ومعامل الانكسار في نطاق RH الخاص به موجب.

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

1. شبكة LC
من خلال توزيع خلايا LC ذات النطاق الترددي الموضحة في الشكل 5(أ)، يمكن إنشاء CRLH-TL نموذجي بتوحيد فعال للطول d بشكل دوري أو غير دوري. بشكل عام، لضمان سهولة حساب وتصنيع CRLH-TL، يجب أن تكون الدائرة دورية. بالمقارنة مع نموذج الشكل 1(ج)، فإن خلية الدائرة في الشكل 5(أ) ليس لها حجم وطولها الفيزيائي صغير للغاية (أي Δz بالأمتار). بالنظر إلى طولها الكهربائي θ=Δφ (rad)، يمكن التعبير عن طور خلية LC. ومع ذلك، لتحقيق المحاثة والسعة المطبقة فعليًا، يجب تحديد طول فيزيائي p. سيؤثر اختيار تقنية التطبيق (مثل الشريط الدقيق، أو الدليل الموجي متحد المستوى، أو مكونات التركيب السطحي، إلخ) على الحجم الفيزيائي لخلية LC. تشبه خلية LC في الشكل 5(أ) النموذج التزايدي في الشكل 1(ج)، وحدتها p=Δz→0. وفقًا لشرط التوحيد p→0 في الشكل 5(ب)، يمكن إنشاء TL (عن طريق خلايا LC المتتالية) يعادل CRLH-TL موحد مثالي بطول d، بحيث يظهر TL موحدًا للموجات الكهرومغناطيسية.

الشكل 5 CRLH TL استنادًا إلى شبكة LC.

بالنسبة لخلية LC، مع الأخذ في الاعتبار الظروف الحدودية الدورية (PBCs) المشابهة لنظرية بلوخ-فلوكيه، يتم إثبات علاقة التشتت لخلية LC ويتم التعبير عنها على النحو التالي:

يتم تحديد معاوقة السلسلة (Z) وقبول التحويلة (Y) لخلية LC بواسطة المعادلات التالية:

نظرًا لأن الطول الكهربائي لدائرة LC الوحدوية صغير جدًا، يمكن استخدام تقريب تايلور للحصول على:

2. التنفيذ المادي
في القسم السابق، ناقشنا استخدام شبكة LC لتوليد CRLH-TL. لا يمكن تحقيق هذه الشبكات إلا من خلال اعتماد مكونات مادية قادرة على إنتاج السعة (CR وCL) والمحاثة (LR وLL) المطلوبة. في السنوات الأخيرة، استقطب تطبيق مكونات شرائح تقنية التركيب السطحي (SMT) أو المكونات الموزعة اهتمامًا كبيرًا. يمكن استخدام تقنيات الشريط الدقيق، والخط الشريطي، والموجات المتوازية، أو غيرها من التقنيات المماثلة لإنشاء مكونات موزعة. هناك العديد من العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار شرائح SMT أو المكونات الموزعة. تُعد هياكل CRLH القائمة على SMT أكثر شيوعًا وأسهل في التنفيذ من حيث التحليل والتصميم. ويعود ذلك إلى توافر مكونات شرائح SMT الجاهزة، والتي لا تتطلب إعادة تصميم وتصنيعًا مقارنةً بالمكونات الموزعة. ومع ذلك، فإن توافر مكونات SMT متفرق، وعادةً ما تعمل فقط عند الترددات المنخفضة (أي 3-6 جيجاهرتز). لذلك، تتميز هياكل CRLH القائمة على SMT بنطاقات تردد تشغيل محدودة وخصائص طور محددة. على سبيل المثال، في تطبيقات الإشعاع، قد لا تكون مكونات رقاقة SMT عملية. يوضح الشكل 6 بنية موزعة تعتمد على CRLH-TL. تُنفذ هذه البنية بواسطة خطوط سعة بين رقمية وخطوط قصر، تُشكل السعة التسلسلية CL والمحاثة المتوازية LL للـ LH على التوالي. يُفترض أن تكون السعة بين الخط والأرضي (GND) هي سعة RH CR، وأن تكون المحاثة الناتجة عن التدفق المغناطيسي الناتج عن تدفق التيار في البنية بين الرقمية هي محاثة RH LR.