बातम्या - मेटामटेरियल ट्रान्समिशन लाइन अँटेनाचा आढावा

I. परिचय
मेटामटेरियल्सचे वर्णन कृत्रिमरित्या डिझाइन केलेल्या रचना म्हणून केले जाऊ शकते जे नैसर्गिकरित्या अस्तित्वात नसलेल्या काही इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक गुणधर्म निर्माण करतात. नकारात्मक परवानगी आणि नकारात्मक पारगम्यता असलेल्या मेटामटेरियल्सना डाव्या हाताने बनवलेल्या मेटामटेरियल्स (LHMs) म्हणतात. वैज्ञानिक आणि अभियांत्रिकी समुदायांमध्ये LHMs चा विस्तृत अभ्यास केला गेला आहे. २००३ मध्ये, सायन्स मासिकाने LHMs ला समकालीन युगातील टॉप टेन वैज्ञानिक प्रगतींपैकी एक म्हणून नाव दिले. LHMs च्या अद्वितीय गुणधर्मांचा वापर करून नवीन अनुप्रयोग, संकल्पना आणि उपकरणे विकसित केली गेली आहेत. ट्रान्समिशन लाइन (TL) दृष्टिकोन ही एक प्रभावी डिझाइन पद्धत आहे जी LHMs च्या तत्त्वांचे विश्लेषण देखील करू शकते. पारंपारिक TLs च्या तुलनेत, मेटामटेरियल TLs चे सर्वात महत्वाचे वैशिष्ट्य म्हणजे TL पॅरामीटर्सची नियंत्रणक्षमता (प्रसार स्थिरांक) आणि वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा. मेटामटेरियल TL पॅरामीटर्सची नियंत्रणक्षमता अधिक कॉम्पॅक्ट आकार, उच्च कार्यक्षमता आणि नवीन कार्यांसह अँटेना संरचना डिझाइन करण्यासाठी नवीन कल्पना प्रदान करते. आकृती १ (अ), (ब), आणि (क) अनुक्रमे शुद्ध उजव्या हाताच्या ट्रान्समिशन लाइन (PRH), शुद्ध डाव्या हाताच्या ट्रान्समिशन लाइन (PLH) आणि संमिश्र डाव्या-उजव्या हाताच्या ट्रान्समिशन लाइन (CRLH) चे लॉसलेस सर्किट मॉडेल दर्शवितात. आकृती १ (अ) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, PRH TL समतुल्य सर्किट मॉडेल सहसा मालिका इंडक्टन्स आणि शंट कॅपेसिटन्सचे संयोजन असते. आकृती १ (ब) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, PLH TL सर्किट मॉडेल शंट इंडक्टन्स आणि सिरीज कॅपेसिटन्सचे संयोजन असते. व्यावहारिक अनुप्रयोगांमध्ये, PLH सर्किट लागू करणे शक्य नाही. हे अपरिहार्य परजीवी मालिका इंडक्टन्स आणि शंट कॅपेसिटन्स प्रभावांमुळे आहे. म्हणून, सध्या साकार होऊ शकणाऱ्या डाव्या हाताच्या ट्रान्समिशन लाइनची वैशिष्ट्ये आकृती १ (क) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे सर्व संमिश्र डाव्या हाताच्या आणि उजव्या हाताच्या संरचना आहेत.

आकृती १ वेगवेगळ्या ट्रान्समिशन लाइन सर्किट मॉडेल्स

ट्रान्समिशन लाईन (TL) चा प्रसार स्थिरांक (γ) खालीलप्रमाणे मोजला जातो: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), जिथे Y आणि Z अनुक्रमे प्रवेश आणि प्रतिबाधा दर्शवतात. CRLH-TL लक्षात घेता, Z आणि Y असे व्यक्त करता येतात:

एकसमान CRLH TL मध्ये खालील फैलाव संबंध असेल:

फेज स्थिरांक β हा पूर्णपणे वास्तव क्रमांक किंवा पूर्णपणे काल्पनिक क्रमांक असू शकतो. जर β हा फ्रिक्वेन्सी रेंजमध्ये पूर्णपणे वास्तव असेल, तर γ=jβ या स्थितीमुळे फ्रिक्वेन्सी रेंजमध्ये एक पासबँड असतो. दुसरीकडे, जर β हा फ्रिक्वेन्सी रेंजमध्ये पूर्णपणे काल्पनिक क्रमांक असेल, तर γ=α या स्थितीमुळे फ्रिक्वेन्सी रेंजमध्ये 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 डिस्पर्शन वक्र (म्हणजेच ω - β संबंध) दर्शवितात. डिस्पर्शन वक्रांच्या आधारे, ट्रान्समिशन लाइनचा ग्रुप वेग (vg=∂ω/∂β) आणि फेज वेग (vp=ω/β) काढता येतो आणि अंदाज लावता येतो. PRH-TL साठी, वक्र वरून असे अनुमान काढता येते की vg आणि vp समांतर आहेत (म्हणजे, vpvg>0). PLH-TL साठी, वक्र दर्शविते की vg आणि vp समांतर नाहीत (म्हणजे, vpvg<0). CRLH-TL चा फैलाव वक्र LH प्रदेश (म्हणजे, vpvg < 0) आणि RH प्रदेश (म्हणजे, vpvg > 0) चे अस्तित्व देखील दर्शवितो. आकृती 2(c) वरून पाहिल्याप्रमाणे, CRLH-TL साठी, जर γ ही शुद्ध वास्तविक संख्या असेल, तर एक स्टॉप बँड असतो.

आकृती २ वेगवेगळ्या ट्रान्समिशन लाईन्सचे फैलाव वक्र

सहसा, CRLH-TL ची मालिका आणि समांतर अनुनाद भिन्न असतात, ज्याला असंतुलित अवस्था म्हणतात. तथापि, जेव्हा मालिका आणि समांतर अनुनाद वारंवारता समान असतात, तेव्हा तिला संतुलित अवस्था म्हणतात आणि परिणामी सरलीकृत समतुल्य सर्किट मॉडेल आकृती 3(a) मध्ये दर्शविले आहे.

आकृती ३ संमिश्र डाव्या हाताच्या ट्रान्समिशन लाइनचे सर्किट मॉडेल आणि फैलाव वक्र

वारंवारता वाढत असताना, CRLH-TL ची फैलाव वैशिष्ट्ये हळूहळू वाढत जातात. कारण फेज वेग (म्हणजेच, vp=ω/β) वारंवारतेवर अधिकाधिक अवलंबून होत जातो. कमी वारंवारतेवर, CRLH-TL वर LH चे वर्चस्व असते, तर उच्च वारंवारतेवर, CRLH-TL वर RH चे 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 पासून RH मध्ये संक्रमण येथे होते:

जिथे ω0 ही संक्रमण वारंवारता आहे. म्हणून, संतुलित प्रकरणात, LH पासून RH मध्ये एक गुळगुळीत संक्रमण होते कारण γ ही पूर्णपणे काल्पनिक संख्या आहे. म्हणून, संतुलित CRLH-TL फैलावसाठी कोणताही स्टॉपबँड नाही. जरी β ω0 वर शून्य आहे (मार्गदर्शित तरंगलांबीशी संबंधित असीम, म्हणजे, λg=2π/|β|), तरीही लाट प्रसारित होते कारण ω0 वर vg शून्य नाही. त्याचप्रमाणे, ω0 वर, लांबी d च्या TL साठी फेज शिफ्ट शून्य आहे (म्हणजे, φ= - βd=0). फेज अ‍ॅडव्हान्स (म्हणजे, φ>0) LH फ्रिक्वेन्सी रेंजमध्ये (म्हणजे, ω<ω0) होतो आणि फेज रिटार्डेशन (म्हणजे, φ<0) RH फ्रिक्वेन्सी रेंजमध्ये (म्हणजे, ω>ω0) होतो. CRLH TL साठी, वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा खालीलप्रमाणे वर्णन केली आहे:

जिथे ZL आणि ZR हे अनुक्रमे PLH आणि PRH प्रतिबाधा आहेत. असंतुलित केससाठी, वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा वारंवारतेवर अवलंबून असते. वरील समीकरण दर्शविते की संतुलित केस वारंवारतेपासून स्वतंत्र आहे, म्हणून त्याचा विस्तृत बँडविड्थ जुळणी असू शकते. वरील काढलेले TL समीकरण CRLH मटेरियल परिभाषित करणाऱ्या घटक पॅरामीटर्ससारखेच आहे. TL चा प्रसार स्थिरांक γ=jβ=Sqrt(ZY) आहे. मटेरियलचा प्रसार स्थिरांक (β=ω x Sqrt(εμ)) दिल्यास, खालील समीकरण मिळू शकते:

त्याचप्रमाणे, TL चा वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा, म्हणजेच Z0=Sqrt(ZY), हा पदार्थाच्या वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधासारखाच असतो, म्हणजेच η=Sqrt(μ/ε), जो खालीलप्रमाणे व्यक्त केला जातो:

संतुलित आणि असंतुलित CRLH-TL (म्हणजेच, n = cβ/ω) चा अपवर्तनांक आकृती ४ मध्ये दाखवला आहे. आकृती ४ मध्ये, CRLH-TL चा त्याच्या LH श्रेणीतील अपवर्तनांक ऋण आहे आणि त्याच्या RH श्रेणीतील अपवर्तनांक धन आहे.

आकृती ४ संतुलित आणि असंतुलित CRLH TL चे विशिष्ट अपवर्तन निर्देशांक.

१. एलसी नेटवर्क
आकृती 5(a) मध्ये दर्शविलेल्या बँडपास LC पेशींना कॅस्केड करून, लांबी d च्या प्रभावी एकरूपतेसह एक सामान्य CRLH-TL वेळोवेळी किंवा अनियमितपणे तयार केले जाऊ शकते. सर्वसाधारणपणे, CRLH-TL ची गणना आणि उत्पादनाची सोय सुनिश्चित करण्यासाठी, सर्किट नियतकालिक असणे आवश्यक आहे. आकृती 1(c) च्या मॉडेलच्या तुलनेत, आकृती 5(a) च्या सर्किट सेलचा आकार नाही आणि भौतिक लांबी अमर्यादपणे लहान आहे (म्हणजे, मीटरमध्ये Δz). त्याची विद्युत लांबी θ=Δφ (rad) लक्षात घेता, LC सेलचा टप्पा व्यक्त केला जाऊ शकतो. तथापि, लागू केलेले इंडक्टन्स आणि कॅपेसिटन्स प्रत्यक्षात साकार करण्यासाठी, भौतिक लांबी p स्थापित करणे आवश्यक आहे. अनुप्रयोग तंत्रज्ञानाची निवड (जसे की मायक्रोस्ट्रिप, कोप्लानर वेव्हगाइड, पृष्ठभाग माउंट घटक इ.) LC सेलच्या भौतिक आकारावर परिणाम करेल. आकृती 5(a) चा LC सेल आकृती 1(c) च्या वाढीव मॉडेलसारखाच आहे आणि त्याची मर्यादा p=Δz→0 आहे. आकृती 5(b) मधील एकरूपता स्थिती p→0 नुसार, एक TL तयार केला जाऊ शकतो (LC पेशी कॅस्केड करून) जो d लांबीसह आदर्श एकसमान CRLH-TL च्या समतुल्य असेल, जेणेकरून TL विद्युत चुंबकीय लहरींशी एकसमान दिसेल.

आकृती ५ एलसी नेटवर्कवर आधारित सीआरएलएच टीएल.

LC सेलसाठी, ब्लोच-फ्लोक्वेट प्रमेयासारख्या नियतकालिक सीमा परिस्थिती (PBCs) लक्षात घेता, LC सेलचा फैलाव संबंध खालीलप्रमाणे सिद्ध आणि व्यक्त केला जातो:

LC सेलचा मालिका प्रतिबाधा (Z) आणि शंट प्रवेश (Y) खालील समीकरणांद्वारे निर्धारित केला जातो:

युनिट एलसी सर्किटची विद्युत लांबी खूपच लहान असल्याने, टेलर अंदाजे वापरुन हे मिळवता येते:

२. भौतिक अंमलबजावणी
मागील विभागात, CRLH-TL निर्माण करण्यासाठी LC नेटवर्कची चर्चा केली आहे. अशा LC नेटवर्क्स फक्त आवश्यक कॅपेसिटन्स (CR आणि CL) आणि इंडक्टन्स (LR आणि LL) निर्माण करू शकणारे भौतिक घटक स्वीकारूनच साध्य करता येतात. अलिकडच्या वर्षांत, पृष्ठभाग माउंट तंत्रज्ञान (SMT) चिप घटक किंवा वितरित घटकांच्या वापराने खूप रस निर्माण केला आहे. वितरित घटक साकार करण्यासाठी मायक्रोस्ट्रिप, स्ट्रिपलाइन, कोप्लानर वेव्हगाइड किंवा इतर तत्सम तंत्रज्ञानाचा वापर केला जाऊ शकतो. SMT चिप्स किंवा वितरित घटक निवडताना विचारात घेण्यासारखे अनेक घटक आहेत. विश्लेषण आणि डिझाइनच्या बाबतीत SMT-आधारित CRLH संरचना अधिक सामान्य आणि अंमलात आणण्यास सोप्या आहेत. हे ऑफ-द-शेल्फ SMT चिप घटकांच्या उपलब्धतेमुळे आहे, ज्यांना वितरित घटकांच्या तुलनेत रीमॉडेलिंग आणि उत्पादनाची आवश्यकता नसते. तथापि, SMT घटकांची उपलब्धता विखुरलेली आहे आणि ते सहसा फक्त कमी फ्रिक्वेन्सीवर (म्हणजेच, 3-6GHz) कार्य करतात. म्हणून, SMT-आधारित CRLH संरचनांमध्ये मर्यादित ऑपरेटिंग फ्रिक्वेन्सी रेंज आणि विशिष्ट फेज वैशिष्ट्ये असतात. उदाहरणार्थ, रेडिएटिंग अनुप्रयोगांमध्ये, SMT चिप घटक व्यवहार्य नसू शकतात. आकृती 6 मध्ये CRLH-TL वर आधारित वितरित रचना दर्शविली आहे. ही रचना इंटरडिजिटल कॅपेसिटन्स आणि शॉर्ट-सर्किट लाईन्सद्वारे साकारली जाते, ज्यामुळे अनुक्रमे LH चे सिरीज कॅपेसिटन्स CL आणि समांतर इंडक्टन्स LL तयार होतात. रेषा आणि GND मधील कॅपेसिटन्स RH कॅपेसिटन्स CR असल्याचे गृहीत धरले जाते आणि इंटरडिजिटल स्ट्रक्चरमध्ये करंट फ्लोद्वारे तयार होणाऱ्या चुंबकीय प्रवाहाद्वारे निर्माण होणारे इंडक्टन्स RH इंडक्टन्स LR असल्याचे गृहीत धरले जाते.