१. प्रस्तावना
मेटामटेरियल्सचे सर्वोत्तम वर्णन म्हणजे अशा कृत्रिमरित्या तयार केलेल्या संरचना, ज्या नैसर्गिकरित्या अस्तित्वात नसलेले विशिष्ट विद्युतचुंबकीय गुणधर्म निर्माण करतात. नकारात्मक परमिटिव्हिटी आणि नकारात्मक परमिएबिलिटी असलेल्या मेटामटेरियल्सना लेफ्ट-हँडेड मेटामटेरियल्स (LHMs) म्हटले जाते. वैज्ञानिक आणि अभियांत्रिकी समुदायांमध्ये LHMs चा मोठ्या प्रमाणावर अभ्यास केला गेला आहे. २००३ मध्ये, 'सायन्स' मासिकाने LHMs ला समकालीन काळातील शीर्ष दहा वैज्ञानिक शोधांपैकी एक म्हणून घोषित केले. LHMs च्या अद्वितीय गुणधर्मांचा उपयोग करून नवीन अनुप्रयोग, संकल्पना आणि उपकरणे विकसित केली गेली आहेत. ट्रान्समिशन लाइन (TL) पद्धत ही एक प्रभावी डिझाइन पद्धत आहे, जी LHMs च्या तत्त्वांचे विश्लेषण देखील करू शकते. पारंपारिक TLs च्या तुलनेत, मेटामटेरियल TLs चे सर्वात महत्त्वाचे वैशिष्ट्य म्हणजे TL पॅरामीटर्स (प्रोपॅगेशन कॉन्स्टंट) आणि कॅरॅक्टरिस्टिक इम्पेडन्सची नियंत्रणीयता. मेटामटेरियल TL पॅरामीटर्सची नियंत्रणीयता अधिक संक्षिप्त आकार, उच्च कार्यक्षमता आणि नवीन कार्ये असलेल्या अँटेना संरचना डिझाइन करण्यासाठी नवीन कल्पना प्रदान करते. आकृती १ (अ), (ब), आणि (क) मध्ये अनुक्रमे शुद्ध उजव्या हाताची पारेषण वाहिनी (PRH), शुद्ध डाव्या हाताची पारेषण वाहिनी (PLH), आणि संयुक्त डाव्या-उजव्या हाताची पारेषण वाहिनी (CRLH) यांचे हानीरहित परिपथ मॉडेल दाखवले आहेत. आकृती १(अ) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, PRH TL समतुल्य परिपथ मॉडेल हे सामान्यतः सिरीज इंडक्टन्स आणि शंट कपॅसिटन्स यांचे संयोजन असते. आकृती १(ब) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, PLH TL परिपथ मॉडेल हे शंट इंडक्टन्स आणि सिरीज कपॅसिटन्स यांचे संयोजन आहे. व्यावहारिक उपयोगांमध्ये, PLH परिपथ कार्यान्वित करणे व्यवहार्य नाही. याचे कारण अपरिहार्य पॅरासिटिक सिरीज इंडक्टन्स आणि शंट कपॅसिटन्सचे परिणाम आहेत. त्यामुळे, सध्या साकारता येणाऱ्या डाव्या हाताच्या पारेषण वाहिनीची वैशिष्ट्ये ही सर्व संयुक्त डाव्या आणि उजव्या हाताच्या संरचना आहेत, जसे की आकृती १(क) मध्ये दाखवले आहे.
आकृती १. विविध ट्रान्समिशन लाइन सर्किट मॉडेल्स
ट्रान्समिशन लाईनचा (TL) प्रसार स्थिरांक (γ) खालीलप्रमाणे मोजला जातो: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), जिथे Y आणि Z अनुक्रमे ॲडमिटन्स आणि इम्पेडन्स दर्शवतात. CRLH-TL विचारात घेतल्यास, Z आणि Y खालीलप्रमाणे व्यक्त केले जाऊ शकतात:
एकसमान CRLH TL चे प्रकीर्णन संबंध खालीलप्रमाणे असेल:
फेज स्थिरांक β ही पूर्णपणे वास्तव संख्या किंवा पूर्णपणे काल्पनिक संख्या असू शकते. जर β एखाद्या फ्रिक्वेन्सी रेंजमध्ये पूर्णपणे वास्तव असेल, तर γ=jβ या अटीमुळे त्या फ्रिक्वेन्सी रेंजमध्ये एक पासबँड असतो. याउलट, जर β एखाद्या फ्रिक्वेन्सी रेंजमध्ये पूर्णपणे काल्पनिक संख्या असेल, तर γ=α या अटीमुळे त्या फ्रिक्वेन्सी रेंजमध्ये एक स्टॉपबँड असतो. हा स्टॉपबँड केवळ CRLH-TL मध्येच आढळतो आणि PRH-TL किंवा PLH-TL मध्ये अस्तित्वात नाही. आकृती २ (a), (b), आणि (c) मध्ये अनुक्रमे PRH-TL, PLH-TL, आणि CRLH-TL यांचे डिस्पर्शन वक्र (म्हणजेच, ω - β संबंध) दर्शविले आहेत. या डिस्पर्शन वक्रांच्या आधारे, ट्रान्समिशन लाइनचा ग्रुप वेलोसिटी (vg=∂ω/∂β) आणि फेज वेलोसिटी (vp=ω/β) काढता आणि अंदाजित करता येतो. PRH-TL साठी, वक्रावरून असाही निष्कर्ष काढता येतो की vg आणि vp समांतर आहेत (म्हणजेच, vpvg>0). PLH-TL साठी, वक्र दर्शवतो की vg आणि vp समांतर नाहीत (म्हणजेच, vpvg<0). CRLH-TL चा प्रकीर्णन वक्र LH प्रदेश (म्हणजेच, vpvg < 0) आणि RH प्रदेश (म्हणजेच, vpvg > 0) यांचे अस्तित्व देखील दर्शवतो. आकृती 2(c) वरून पाहिल्याप्रमाणे, CRLH-TL साठी, जर γ ही एक शुद्ध वास्तव संख्या असेल, तर एक स्टॉप बँड असतो.
आकृती २ वेगवेगळ्या पारेषण वाहिन्यांचे विक्षेपण वक्र
सामान्यतः, CRLH-TL चे सिरीज आणि पॅरलल रेझोनन्स वेगवेगळे असतात, ज्याला असंतुलित अवस्था म्हणतात. तथापि, जेव्हा सिरीज आणि पॅरलल रेझोनन्स फ्रिक्वेन्सी समान असतात, तेव्हा त्याला संतुलित अवस्था म्हणतात आणि परिणामी मिळणारे सरलीकृत समतुल्य सर्किट मॉडेल आकृती 3(a) मध्ये दाखवले आहे.
आकृती ३ संयुक्त लेफ्ट-हँडेड ट्रान्समिशन लाइनचे सर्किट मॉडेल आणि डिस्पर्शन वक्र
जसजशी वारंवारता वाढते, तसतसे CRLH-TL चे प्रकीर्णन गुणधर्म हळूहळू वाढतात. याचे कारण असे की, कला वेग (म्हणजेच, vp=ω/β) वारंवारतेवर अधिकाधिक अवलंबून राहू लागतो. कमी वारंवारतेवर, CRLH-TL वर LH चे वर्चस्व असते, तर उच्च वारंवारतेवर, CRLH-TL वर RH चे वर्चस्व असते. हे CRLH-TL चे द्वैत स्वरूप दर्शवते. समतोल CRLH-TL प्रकीर्णन आकृती 3(b) मध्ये दर्शविली आहे. आकृती 3(b) मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, LH पासून RH मध्ये संक्रमण येथे होते:
येथे ω0 ही संक्रमण वारंवारता आहे. म्हणून, संतुलित स्थितीत, LH पासून RH पर्यंत एक सहज संक्रमण होते कारण γ ही एक पूर्णपणे काल्पनिक संख्या आहे. त्यामुळे, संतुलित CRLH-TL प्रकीर्णनासाठी कोणताही स्टॉपबँड नसतो. जरी ω0 वर β शून्य असला (मार्गदर्शित तरंगलांबीच्या सापेक्ष अनंत, म्हणजेच, λg=2π/|β|), तरीही तरंग प्रसारित होतो कारण ω0 वर vg शून्य नसतो. त्याचप्रमाणे, ω0 वर, d लांबीच्या TL साठी फेज शिफ्ट शून्य असतो (म्हणजेच, φ= - βd=0). फेज ॲडव्हान्स (म्हणजेच, φ>0) LH वारंवारता श्रेणीमध्ये (म्हणजेच, ω<ω0) होतो, आणि फेज रिटार्डेशन (म्हणजेच, φ<0) RH वारंवारता श्रेणीमध्ये (म्हणजेच, ω>ω0) होतो. CRLH TL साठी, वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा खालीलप्रमाणे वर्णन केली आहे:
येथे ZL आणि ZR हे अनुक्रमे PLH आणि PRH प्रतिबाधा आहेत. असंतुलित स्थितीमध्ये, वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा वारंवारतेवर अवलंबून असते. वरील समीकरण दर्शवते की संतुलित स्थिती वारंवारतेपासून स्वतंत्र आहे, त्यामुळे त्यात विस्तृत बँडविड्थ जुळणी असू शकते. वर व्युत्पन्न केलेले TL समीकरण हे CRLH पदार्थाची व्याख्या करणाऱ्या संघटक मापदंडांसारखेच आहे. TL चा प्रसार स्थिरांक γ=jβ=Sqrt(ZY) आहे. पदार्थाचा प्रसार स्थिरांक (β=ω x Sqrt(εμ)) दिल्यास, खालील समीकरण मिळवता येते:
त्याचप्रमाणे, TL ची वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा, म्हणजेच Z0=Sqrt(ZY), ही पदार्थाच्या वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधेसारखीच आहे, म्हणजेच η=Sqrt(μ/ε), जी खालीलप्रमाणे व्यक्त केली जाते:
संतुलित आणि असंतुलित CRLH-TL चा अपवर्तनांक (म्हणजेच, n = cβ/ω) आकृती ४ मध्ये दर्शविला आहे. आकृती ४ मध्ये, CRLH-TL चा त्याच्या डाव्या (LH) श्रेणीतील अपवर्तनांक ऋणात्मक आणि उजव्या (RH) श्रेणीतील अपवर्तनांक धनात्मक आहे.
आकृती ४ संतुलित आणि असंतुलित CRLH TL चे वैशिष्ट्यपूर्ण अपवर्तनांक.
१. एलसी नेटवर्क
आकृती 5(a) मध्ये दर्शविलेल्या बँडपास एलसी सेलची कॅस्केडिंग करून, d लांबीची प्रभावी एकसमानता असलेले एक सामान्य CRLH-TL नियतकालिक किंवा अनियतकालिकरित्या तयार केले जाऊ शकते. सर्वसाधारणपणे, CRLH-TL च्या गणना आणि उत्पादनाची सोय सुनिश्चित करण्यासाठी, सर्किट नियतकालिक असणे आवश्यक आहे. आकृती 1(c) च्या मॉडेलच्या तुलनेत, आकृती 5(a) मधील सर्किट सेलला आकार नाही आणि त्याची भौतिक लांबी अत्यंत लहान आहे (म्हणजे, Δz मीटरमध्ये). त्याची विद्युत लांबी θ=Δφ (rad) विचारात घेतल्यास, एलसी सेलचा फेज व्यक्त केला जाऊ शकतो. तथापि, लागू केलेले इंडक्टन्स आणि कपॅसिटन्स प्रत्यक्षात साकार करण्यासाठी, एक भौतिक लांबी p स्थापित करणे आवश्यक आहे. अनुप्रयोग तंत्रज्ञानाची निवड (जसे की मायक्रोस्ट्रिप, कोप्लॅनर वेव्हगाइड, सरफेस माउंट कंपोनंट्स, इत्यादी) एलसी सेलच्या भौतिक आकारावर परिणाम करेल. आकृती 5(a) मधील एलसी सेल आकृती 1(c) च्या इन्क्रिमेंटल मॉडेलसारखा आहे, आणि त्याची मर्यादा p=Δz→0 आहे. आकृती 5(b) मधील एकसमानतेच्या अटी p→0 नुसार, (LC सेलची साखळी जोडून) एक TL तयार केला जाऊ शकतो जो d लांबीच्या आदर्श एकसमान CRLH-TL च्या समतुल्य आहे, जेणेकरून TL विद्युत चुंबकीय लहरींना एकसमान दिसेल.
आकृती ५ एलसी नेटवर्कवर आधारित सीआरएलएच टीएल.
एलसी सेलसाठी, ब्लोक-फ्लोकेट प्रमेयाप्रमाणे नियतकालिक सीमा अटी (PBCs) विचारात घेऊन, एलसी सेलचे विक्षेपण संबंध सिद्ध केले आहे आणि ते खालीलप्रमाणे व्यक्त केले आहे:
एलसी सेलचा सिरीज इम्पेडन्स (Z) आणि शंट ॲडमिटन्स (Y) खालील समीकरणांद्वारे निर्धारित केले जातात:
युनिट एलसी सर्किटची विद्युत लांबी खूप कमी असल्यामुळे, टेलर सन्निकटनाचा वापर करून खालील गोष्टी मिळवता येतात:
२. प्रत्यक्ष अंमलबजावणी
मागील विभागात, CRLH-TL निर्माण करण्यासाठीच्या LC नेटवर्कवर चर्चा करण्यात आली आहे. अशी LC नेटवर्क्स केवळ आवश्यक कपॅसिटन्स (CR आणि CL) आणि इंडक्टन्स (LR आणि LL) निर्माण करू शकणाऱ्या भौतिक घटकांचा वापर करूनच साकारली जाऊ शकतात. अलिकडच्या वर्षांत, सरफेस माउंट टेक्नॉलॉजी (SMT) चिप घटक किंवा डिस्ट्रिब्युटेड घटकांच्या वापराने खूप रस निर्माण केला आहे. डिस्ट्रिब्युटेड घटक साकारण्यासाठी मायक्रोस्ट्रिप, स्ट्रिपलाइन, कोप्लॅनर वेव्हगाइड किंवा इतर तत्सम तंत्रज्ञानाचा वापर केला जाऊ शकतो. SMT चिप्स किंवा डिस्ट्रिब्युटेड घटक निवडताना अनेक घटकांचा विचार करावा लागतो. विश्लेषण आणि डिझाइनच्या दृष्टीने, SMT-आधारित CRLH संरचना अधिक सामान्य आणि अंमलात आणण्यास सोप्या आहेत. याचे कारण म्हणजे तयार SMT चिप घटकांची उपलब्धता, ज्यांना डिस्ट्रिब्युटेड घटकांच्या तुलनेत पुनर्बांधणी आणि उत्पादनाची आवश्यकता नसते. तथापि, SMT घटकांची उपलब्धता विखुरलेली आहे, आणि ते सहसा फक्त कमी फ्रिक्वेन्सीवर (म्हणजे, ३-६GHz) काम करतात. त्यामुळे, SMT-आधारित CRLH संरचनांची ऑपरेटिंग फ्रिक्वेन्सी श्रेणी आणि विशिष्ट फेज वैशिष्ट्ये मर्यादित असतात. उदाहरणार्थ, रेडिएटिंग ॲप्लिकेशन्समध्ये, SMT चिप घटक व्यवहार्य नसू शकतात. आकृती ६ मध्ये CRLH-TL वर आधारित एक वितरित रचना दर्शविली आहे. ही रचना इंटरडिजिटल कपॅसिटन्स आणि शॉर्ट-सर्किट लाईन्सद्वारे साकारली जाते, ज्यामुळे अनुक्रमे LH चे सिरीज कपॅसिटन्स CL आणि पॅरलल इंडक्टन्स LL तयार होतात. लाईन आणि GND मधील कपॅसिटन्स हे RH कपॅसिटन्स CR मानले आहे, आणि इंटरडिजिटल रचनेतील विद्युत प्रवाहामुळे निर्माण झालेल्या चुंबकीय फ्लक्समुळे निर्माण होणारे इंडक्टन्स हे RH इंडक्टन्स LR मानले आहे.
आकृती ६ इंटरडिजिटल कपॅसिटर आणि शॉर्ट-लाइन इंडक्टर यांचा समावेश असलेली एक-मितीय मायक्रोस्ट्रिप CRLH TL.
अँटेनांबद्दल अधिक जाणून घेण्यासाठी, कृपया येथे भेट द्या:
पोस्ट करण्याची वेळ: २३ ऑगस्ट २०२४
