बातम्या - मेटामटेरियल ट्रान्समिशन लाइन अँटेनाचे पुनरावलोकन

I. परिचय
नैसर्गिकरित्या अस्तित्वात नसलेल्या विशिष्ट इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक गुणधर्मांची निर्मिती करण्यासाठी मेटामटेरियल्सचे कृत्रिमरित्या डिझाइन केलेल्या रचना म्हणून वर्णन केले जाऊ शकते. नकारात्मक परवानगी आणि नकारात्मक पारगम्यता असलेल्या मेटामटेरिअल्सना डाव्या हाताने मेटामटेरियल्स (LHMs) म्हणतात. LHM चा वैज्ञानिक आणि अभियांत्रिकी समुदायांमध्ये विस्तृत अभ्यास केला गेला आहे. 2003 मध्ये, LHM ला विज्ञान मासिकाने समकालीन युगातील टॉप टेन वैज्ञानिक प्रगतींपैकी एक म्हणून नाव दिले. LHM च्या अद्वितीय गुणधर्मांचा वापर करून नवीन अनुप्रयोग, संकल्पना आणि उपकरणे विकसित केली गेली आहेत. ट्रान्समिशन लाइन (TL) दृष्टीकोन ही एक प्रभावी रचना पद्धत आहे जी LHM च्या तत्त्वांचे देखील विश्लेषण करू शकते. पारंपारिक TL च्या तुलनेत, मेटामटेरियल TL चे सर्वात लक्षणीय वैशिष्ट्य म्हणजे TL पॅरामीटर्सची नियंत्रणक्षमता (प्रसार स्थिरता) आणि वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा. मेटामटेरियल TL पॅरामीटर्सची नियंत्रणक्षमता अधिक कॉम्पॅक्ट आकार, उच्च कार्यक्षमता आणि नवीन कार्यांसह अँटेना संरचना डिझाइन करण्यासाठी नवीन कल्पना प्रदान करते. आकृती 1 (a), (b), आणि (c) शुद्ध उजव्या हाताने ट्रान्समिशन लाइन (PRH), शुद्ध डाव्या हाताने ट्रान्समिशन लाइन (PLH), आणि संमिश्र डाव्या-उजव्या-हात ट्रान्समिशन लाइनचे लॉसलेस सर्किट मॉडेल्स दाखवा ( सीआरएलएच), अनुक्रमे. आकृती 1(a) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, PRH TL समतुल्य सर्किट मॉडेल हे सहसा मालिका इंडक्टन्स आणि शंट कॅपेसिटन्सचे संयोजन असते. आकृती 1(b) मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, PLH TL सर्किट मॉडेल शंट इंडक्टन्स आणि मालिका कॅपेसिटन्सचे संयोजन आहे. व्यावहारिक अनुप्रयोगांमध्ये, PLH सर्किट लागू करणे व्यवहार्य नाही. हे अपरिहार्य परजीवी मालिका इंडक्टन्स आणि शंट कॅपेसिटन्स प्रभावांमुळे आहे. म्हणून, आकृती 1(c) मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, डाव्या हाताच्या ट्रान्समिशन लाइनची वैशिष्ट्ये जी सध्या लक्षात येऊ शकतात ती सर्व संमिश्र डाव्या हाताच्या आणि उजव्या हाताच्या रचना आहेत.

आकृती 1 भिन्न ट्रान्समिशन लाइन सर्किट मॉडेल

ट्रान्समिशन लाइन (TL) चा प्रसार स्थिरांक (γ) याप्रमाणे मोजला जातो: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), जेथे Y आणि Z अनुक्रमे प्रवेश आणि प्रतिबाधा दर्शवतात. CRLH-TL, Z आणि Y विचारात घेतल्यास असे व्यक्त केले जाऊ शकते:

एकसमान सीआरएलएच टीएलमध्ये खालील फैलाव संबंध असेल:

फेज स्थिरांक β ही पूर्णपणे वास्तविक संख्या किंवा पूर्णपणे काल्पनिक संख्या असू शकते. वारंवारता श्रेणीमध्ये β पूर्णपणे वास्तविक असल्यास, γ=jβ स्थितीमुळे वारंवारता श्रेणीमध्ये एक पासबँड असतो. दुसरीकडे, जर β ही फ्रिक्वेंसी रेंजमधील पूर्णपणे काल्पनिक संख्या असेल, तर γ=α स्थितीमुळे वारंवारता श्रेणीमध्ये एक स्टॉपबँड असतो. हा स्टॉपबँड CRLH-TL साठी अद्वितीय आहे आणि PRH-TL किंवा PLH-TL मध्ये अस्तित्वात नाही. आकृती 2 (a), (b), आणि (c) अनुक्रमे PRH-TL, PLH-TL आणि CRLH-TL चे फैलाव वक्र (म्हणजे ω - β संबंध) दर्शवतात. फैलाव वक्रांच्या आधारे, ट्रान्समिशन लाइनचा समूह वेग (vg=∂ω/∂β) आणि फेज वेग (vp=ω/β) काढला जाऊ शकतो आणि अंदाज लावला जाऊ शकतो. PRH-TL साठी, हे वक्रवरून देखील अनुमान लावले जाऊ शकते की vg आणि vp समांतर आहेत (म्हणजे, vpvg>0). PLH-TL साठी, वक्र दाखवते की vg आणि vp समांतर नाहीत (म्हणजे, vpvg<0). CRLH-TL चे फैलाव वक्र LH प्रदेश (म्हणजे vpvg < 0) आणि RH प्रदेश (म्हणजे vpvg > 0) चे अस्तित्व देखील दर्शवते. CRLH-TL साठी आकृती 2(c) मधून पाहिल्याप्रमाणे, γ ही शुद्ध वास्तविक संख्या असल्यास, तेथे एक स्टॉप बँड आहे.

आकृती 2 विविध ट्रान्समिशन लाइन्सचे फैलाव वक्र

सहसा, सीआरएलएच-टीएलची मालिका आणि समांतर अनुनाद भिन्न असतात, ज्याला असंतुलित अवस्था म्हणतात. तथापि, जेव्हा मालिका आणि समांतर रेझोनान्स फ्रिक्वेन्सी समान असतात, तेव्हा त्याला संतुलित स्थिती म्हणतात, आणि परिणामी सरलीकृत समतुल्य सर्किट मॉडेल आकृती 3(a) मध्ये दर्शविले आहे.

आकृती 3 सर्किट मॉडेल आणि संमिश्र डाव्या हाताच्या ट्रान्समिशन लाइनचे फैलाव वक्र

वारंवारता वाढते म्हणून, सीआरएलएच-टीएलची फैलाव वैशिष्ट्ये हळूहळू वाढतात. कारण फेज वेग (म्हणजे, vp=ω/β) वारंवारतेवर अवलंबून होत आहे. कमी फ्रिक्वेन्सीवर, सीआरएलएच-टीएलवर एलएचचे वर्चस्व असते, तर उच्च फ्रिक्वेन्सीवर सीआरएलएच-टीएलचे आरएचचे वर्चस्व असते. हे CRLH-TL चे दुहेरी स्वरूप दर्शवते. समतोल CRLH-TL फैलाव आकृती आकृती 3(b) मध्ये दर्शविली आहे. आकृती 3(b) मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, LH ते RH चे संक्रमण येथे होते:

जेथे ω0 ही संक्रमण वारंवारता आहे. म्हणून, संतुलित प्रकरणात, LH ते RH पर्यंत एक गुळगुळीत संक्रमण होते कारण γ ही पूर्णपणे काल्पनिक संख्या आहे. त्यामुळे, संतुलित सीआरएलएच-टीएल फैलावसाठी कोणतेही स्टॉपबँड नाही. जरी β ω0 वर शून्य आहे (मार्गदर्शित तरंगलांबीच्या अनंत सापेक्ष, म्हणजे, λg=2π/|β|), तरीही लहर पसरते कारण ω0 वर vg शून्य नाही. त्याचप्रमाणे, ω0 वर, फेज शिफ्ट d लांबीच्या TL साठी शून्य आहे (म्हणजे, φ= - βd=0). फेज ॲडव्हान्स (म्हणजे, φ>0) एलएच फ्रिक्वेंसी रेंजमध्ये (म्हणजे, ω<ω0), आणि फेज रिटार्डेशन (म्हणजे, φ<0) आरएच फ्रिक्वेंसी रेंजमध्ये (म्हणजे, ω>ω0) येते. सीआरएलएच टीएलसाठी, वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधाचे वर्णन खालीलप्रमाणे केले आहे:

जेथे ZL आणि ZR अनुक्रमे PLH आणि PRH प्रतिबाधा आहेत. असंतुलित केससाठी, वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा वारंवारतेवर अवलंबून असते. वरील समीकरण दर्शविते की संतुलित केस फ्रिक्वेंसीपासून स्वतंत्र आहे, त्यामुळे त्यात विस्तृत बँडविड्थ जुळू शकते. वर व्युत्पन्न केलेले TL समीकरण सीआरएलएच सामग्री परिभाषित करणाऱ्या घटक घटकांसारखे आहे. TL चा प्रसार स्थिरांक γ=jβ=Sqrt(ZY) आहे. सामग्रीचा प्रसार स्थिरांक (β=ω x Sqrt(εμ)) दिल्यास, खालील समीकरण मिळू शकते:

त्याचप्रमाणे, TL चे वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा, म्हणजे, Z0=Sqrt(ZY), सामग्रीच्या वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधासारखे आहे, म्हणजे, η=Sqrt(μ/ε), जे याप्रमाणे व्यक्त केले जाते:

संतुलित आणि असंतुलित CRLH-TL (म्हणजे, n = cβ/ω) चा अपवर्तक निर्देशांक आकृती 4 मध्ये दर्शविला आहे. आकृती 4 मध्ये, त्याच्या LH श्रेणीतील CRLH-TL चा अपवर्तक निर्देशांक ऋणात्मक आहे आणि त्याच्या RH मध्ये अपवर्तक निर्देशांक आहे. श्रेणी सकारात्मक आहे.

अंजीर. 4 संतुलित आणि असंतुलित CRLH TL चे वैशिष्ट्यपूर्ण अपवर्तक निर्देशांक.

1. एलसी नेटवर्क
आकृती 5(a) मध्ये दर्शविलेल्या bandpass LC पेशींना कॅस्केड करून, d लांबीच्या प्रभावी एकसमानतेसह ठराविक CRLH-TL कालांतराने किंवा नॉन-नियतकालिक तयार केले जाऊ शकते. सर्वसाधारणपणे, CRLH-TL ची गणना आणि उत्पादनाची सोय सुनिश्चित करण्यासाठी, सर्किट नियतकालिक असणे आवश्यक आहे. आकृती 1(c) च्या मॉडेलशी तुलना करता, आकृती 5(a) च्या सर्किट सेलचा आकार नाही आणि भौतिक लांबी अमर्यादपणे लहान आहे (म्हणजे मीटरमध्ये Δz). त्याची विद्युत लांबी θ=Δφ (rad) लक्षात घेऊन, LC सेलचा टप्पा व्यक्त केला जाऊ शकतो. तथापि, प्रत्यक्षात लागू इंडक्टन्स आणि कॅपेसिटन्स लक्षात येण्यासाठी, भौतिक लांबी p स्थापित करणे आवश्यक आहे. ऍप्लिकेशन तंत्रज्ञानाची निवड (जसे की मायक्रोस्ट्रिप, कॉप्लनर वेव्हगाइड, पृष्ठभाग माउंट घटक इ.) एलसी सेलच्या भौतिक आकारावर परिणाम करेल. आकृती 5(a) चा LC सेल आकृती 1(c) च्या वाढीव मॉडेल सारखा आहे आणि त्याची मर्यादा p=Δz→0 आहे. आकृती 5(b) मधील p→0 या एकरूपतेच्या स्थितीनुसार, एक TL तयार केला जाऊ शकतो (LC सेल कॅस्केड करून) जो d लांबीसह आदर्श एकसमान CRLH-TL समतुल्य आहे, जेणेकरून TL विद्युत चुंबकीय लहरींना एकसमान दिसेल.

आकृती 5 LC नेटवर्कवर आधारित CRLH TL.

LC सेलसाठी, Bloch-Floquet प्रमेयाप्रमाणे नियतकालिक सीमा परिस्थिती (PBCs) विचारात घेतल्यास, LC सेलचा फैलाव संबंध सिद्ध केला जातो आणि खालीलप्रमाणे व्यक्त केला जातो:

LC सेलची मालिका प्रतिबाधा (Z) आणि शंट ऍडमिटन्स (Y) खालील समीकरणांद्वारे निर्धारित केले जातात:

युनिट एलसी सर्किटची इलेक्ट्रिकल लांबी खूप लहान असल्याने, टेलर अंदाजे प्राप्त करण्यासाठी वापरले जाऊ शकते:

2. भौतिक अंमलबजावणी
मागील विभागात, सीआरएलएच-टीएल तयार करण्यासाठी एलसी नेटवर्कची चर्चा केली आहे. असे LC नेटवर्क केवळ भौतिक घटकांचा अवलंब करूनच साकारले जाऊ शकतात जे आवश्यक कॅपेसिटन्स (CR आणि CL) आणि इंडक्टन्स (LR आणि LL) तयार करू शकतात. अलिकडच्या वर्षांत, सरफेस माउंट टेक्नॉलॉजी (एसएमटी) चिप घटक किंवा वितरीत घटकांचा वापर मोठ्या प्रमाणात आकर्षित झाला आहे. मायक्रोस्ट्रीप, स्ट्रिपलाइन, कॉप्लॅनर वेव्हगाइड किंवा इतर तत्सम तंत्रज्ञानाचा वापर वितरित घटक लक्षात घेण्यासाठी केला जाऊ शकतो. एसएमटी चिप्स किंवा वितरीत घटक निवडताना विचारात घेण्यासारखे अनेक घटक आहेत. एसएमटी-आधारित सीआरएलएच संरचना विश्लेषण आणि डिझाइनच्या दृष्टीने अधिक सामान्य आणि लागू करणे सोपे आहे. हे ऑफ-द-शेल्फ एसएमटी चिप घटकांच्या उपलब्धतेमुळे आहे, ज्यांना वितरित घटकांच्या तुलनेत रीमॉडेलिंग आणि उत्पादनाची आवश्यकता नसते. तथापि, एसएमटी घटकांची उपलब्धता विखुरलेली आहे, आणि ते सहसा फक्त कमी फ्रिक्वेन्सीवर कार्य करतात (म्हणजे, 3-6GHz). म्हणून, एसएमटी-आधारित सीआरएलएच संरचनांमध्ये मर्यादित ऑपरेटिंग वारंवारता श्रेणी आणि विशिष्ट टप्प्याची वैशिष्ट्ये आहेत. उदाहरणार्थ, रेडिएटिंग ऍप्लिकेशन्समध्ये, SMT चिप घटक व्यवहार्य असू शकत नाहीत. आकृती 6 सीआरएलएच-टीएलवर आधारित वितरित रचना दर्शविते. रचना इंटरडिजिटल कॅपॅसिटन्स आणि शॉर्ट-सर्किट रेषांद्वारे साकारली जाते, ज्यामुळे अनुक्रमे LH चे सीरिज कॅपॅसिटन्स CL आणि समांतर इंडक्टन्स LL तयार होते. रेषा आणि GND मधील कॅपॅसिटन्स RH कॅपॅसिटन्स CR असे गृहीत धरले जाते आणि इंटरडिजिटल स्ट्रक्चरमधील विद्युत् प्रवाहामुळे तयार होणारे चुंबकीय प्रवाहामुळे निर्माण होणारे इंडक्टन्स हे RH इंडक्टन्स LR असे गृहीत धरले जाते.