I. Sarrera
Metamaterialak modu naturalean existitzen ez diren propietate elektromagnetiko batzuk sortzeko artifizialki diseinatutako egitura gisa deskriba daitezke. Permibitate negatiboa eta iragazkortasun negatiboa duten metamaterialei ezkerreko metamaterialak (LHM) deitzen zaie. LHMak asko aztertu dira zientzia eta ingeniaritza komunitateetan. 2003an, LHMak aro garaikideko hamar aurrerapen zientifiko onenen artean izendatu zituen Science aldizkariak. Aplikazio, kontzeptu eta gailu berriak garatu dira LHM-en propietate bereziak baliatuz. Transmisio-linea (TL) ikuspegia diseinu metodo eraginkorra da, eta LHM-en printzipioak ere azter ditzake. TL tradizionalekin alderatuta, TL metamaterialen ezaugarririk esanguratsuena TL parametroen kontrolagarritasuna (hedapen-konstantea) eta inpedantzia ezaugarria da. Metamaterial TL parametroen kontrolagarritasunak ideia berriak eskaintzen ditu tamaina trinkoagoa, errendimendu handiagoa eta funtzio berritzaileak dituzten antenen egiturak diseinatzeko. 1 (a), (b) eta (c) irudiak eskuineko transmisio-lerro hutsaren (PRH), ezkerreko transmisio-lerro hutsaren (PLH) eta ezker-eskuinaren transmisio-lerro konposatuen zirkuitu ereduak erakusten ditu. CRLH), hurrenez hurren. 1(a) Irudian ikusten den moduan, PRH TL zirkuitu baliokidearen eredua serieko induktantzia eta shunt kapazitantziaren konbinazioa izan ohi da. 1(b) Irudian ikusten den bezala, PLH TL zirkuitu eredua shunt induktantzia eta serieko kapazitatearen konbinazioa da. Aplikazio praktikoetan, ez da bideragarria PLH zirkuitu bat ezartzea. Hau ezinbesteko serie parasitoen induktantzia eta shunt kapazitate efektuengatik gertatzen da. Hori dela eta, gaur egun gauzatu daitezkeen ezkerreko transmisio-lerroaren ezaugarriak ezkerreko eta eskuineko egitura konposatuak dira, 1(c) irudian ikusten den bezala.
1. irudia Transmisio-lerroen zirkuitu eredu desberdinak
Transmisio-lerroaren (TL) hedapen-konstantea (γ) honela kalkulatzen da: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), non Y eta Z-k admisioa eta inpedantzia adierazten dituzten hurrenez hurren. CRLH-TL kontuan hartuta, Z eta Y honela adieraz daitezke:
CRLH TL uniforme batek sakabanaketa-erlazio hau izango du:
β fase-konstantea zenbaki erreal hutsa edo imajinario hutsa izan daiteke. β guztiz erreala bada maiztasun-tarte baten barruan, γ=jβ baldintza dela eta maiztasun-barrutian pasabide-banda bat dago. Bestalde, β maiztasun-tarte baten barruan irudizko zenbaki hutsa bada, frekuentzia-tartearen barruan geldiune-banda dago γ=α baldintza dela eta. Gelditzeko banda hau CRLH-TL bakarra da eta ez dago PRH-TL edo PLH-TL-n. 2 (a), (b) eta (c) irudiek PRH-TL, PLH-TL eta CRLH-TLren dispertsio-kurbak (hau da, ω - β erlazioa) erakusten dituzte, hurrenez hurren. Dispertsio-kurbetan oinarrituta, transmisio-lerroaren talde-abiadura (vg=∂ω/∂β) eta fase-abiadura (vp=ω/β) deribatu eta kalkula daitezke. PRH-TLrako, kurbatik vg eta vp paraleloak direla ere ondoriozta daiteke (hau da, vpvg>0). PLH-TLrako, kurbak erakusten du vg eta vp ez direla paraleloak (hau da, vpvg<0). CRLH-TL-ren dispertsio-kurbak LH eskualdea (hau da, vpvg < 0) eta RH eskualdea (hau da, vpvg > 0) ere erakusten du. 2(c) Irudian ikus daitekeenez, CRLH-TLrako, γ zenbaki erreal hutsa bada, geldiune-banda dago.
2. irudia Transmisio-lerro ezberdinen dispertsio-kurbak
Normalean, CRLH-TL baten serie eta erresonantzia paraleloak desberdinak dira, egoera desorekatua deitzen zaiona. Dena den, serieko eta paraleloko erresonantzia-maiztasunak berdinak direnean, egoera orekatua deritzo, eta ondoriozko zirkuitu baliokide sinplifikatuaren eredua 3(a) irudian ageri da.
3. Irudia Ezkerraldeko transmisio-lerro konposatuaren zirkuitu-eredua eta dispertsio-kurba
Maiztasuna handitzen den heinean, CRLH-TLren dispertsio-ezaugarriak pixkanaka handitzen dira. Hau da fase-abiadura (hau da, vp=ω/β) maiztasunaren menpekotasun handiagoa duelako. Maiztasun baxuetan, CRLH-TL LH da nagusi, eta maiztasun altuetan, berriz, CRLH-TL RH da nagusi. Honek CRLH-TL-ren izaera bikoitza irudikatzen du. CRLH-TL orekako dispertsio-diagrama 3(b) irudian ageri da. 3(b) irudian ikusten den bezala, LHtik RHrako trantsizioa honako hauetan gertatzen da:
Non ω0 trantsizio-maiztasuna den. Beraz, kasu orekatuan, trantsizio leuna gertatzen da LHtik RHra, γ irudizko zenbaki hutsa delako. Beraz, ez dago CRLH-TL sakabanaketa orekaturako geldiune-bandarik. β zero den arren ω0-n (uhin-luzera gidatuarekiko infinitua, hau da, λg=2π/|β|), uhina oraindik hedatzen da ω0-n vg nulua ez delako. Era berean, ω0-n, desfasea nulua da d luzerako TL batentzat (hau da, φ= - βd=0). Fase-aurrerapena (hau da, φ>0) LH maiztasun tartean gertatzen da (hau da, ω<ω0), eta fase atzerapena (hau da, φ<0) RH maiztasun tartean (hau da, ω>ω0). CRLH TL baterako, inpedantzia ezaugarria honela deskribatzen da:
Non ZL eta ZR PLH eta PRH inpedantziak diren, hurrenez hurren. Kasu desorekaturako, inpedantzia ezaugarria maiztasunaren araberakoa da. Goiko ekuazioak erakusten du kasu orekatua maiztasunetik independentea dela, beraz, banda-zabalera bat etor daitekeela. Goian eratorritako TL ekuazioa CRLH materiala definitzen duten parametro eratzaileen antzekoa da. TL-ren hedapen-konstantea γ=jβ=Sqrt(ZY) da. Materialaren hedapen-konstantea (β=ω x Sqrt(εμ)) emanda, honako ekuazio hau lor daiteke:
Era berean, TL-ren inpedantzia ezaugarria, hau da, Z0=Sqrt(ZY), materialaren inpedantzia ezaugarriaren antzekoa da, hau da, η=Sqrt(μ/ε), hau da, honela adierazten da:
CRLH-TL orekatu eta desorekatuaren (hau da, n = cβ/ω) errefrakzio-indizea 4. Irudian ageri da. 4. Irudian, CRLH-TL-ren errefrakzio-indizea bere LH barrutian negatiboa da eta errefrakzio-indizea bere RHan. sorta positiboa da.
4. irudia CRLH TL orekatuen eta desorekatuen errefrakzio-indize tipikoak.
1. LC sarea
5(a) irudian erakusten diren banda-pasabideko LC zelulak kaskatuz, d luzeraren uniformetasun eraginkorra duen CRLH-TL tipikoa eraiki daiteke aldian-aldian edo ez. Oro har, CRLH-TL kalkulatzeko eta fabrikatzeko erosotasuna bermatzeko, zirkuitua aldizkakoa izan behar da. 1(c) irudiko ereduarekin alderatuta, 5(a) irudiko zirkuitu-zelulak ez du tamainarik eta luzera fisikoa infinitu txikia da (hau da, Δz metrotan). Bere luzera elektrikoa θ=Δφ (rad) kontuan hartuta, LC zelularen fasea adieraz daiteke. Hala ere, aplikatutako induktantzia eta kapazitantzia benetan gauzatzeko, p luzera fisikoa ezarri behar da. Aplikazio-teknologia aukeratzeak (adibidez, mikrobanda, uhin-gida koplanarra, gainazaleko muntaketa-osagaiak, etab.) LC zelularen tamaina fisikoan eragingo du. 5(a) irudiko LC zelula 1(c) irudiko eredu inkrementalaren antzekoa da eta bere muga p=Δz→0. 5(b) irudiko p→0 uniformetasun-baldintzaren arabera, d luzera duen CRLH-TL uniforme ideal baten baliokidea den TL bat eraiki daiteke (LC zelulak kaskadatuz), TL uhin elektromagnetikoekiko uniformea izan dadin.
5. irudia CRLH TL LC sarean oinarrituta.
LC zelularentzat, Bloch-Floquet teorema antzeko muga-baldintza periodikoak (PBC) kontuan hartuta, LC zelularen dispertsio-erlazioa frogatzen da eta honela adierazten da:
LC zelularen serie inpedantzia (Z) eta shunt-admitentzia (Y) honako ekuazio hauen bidez zehazten dira:
LC unitateko zirkuituaren luzera elektrikoa oso txikia denez, Taylorren hurbilketa erabil daiteke:
2. Ezarpen fisikoa
Aurreko atalean, CRLH-TL sortzeko LC sarea eztabaidatu da. Horrelako LC sareak beharrezko kapazitatea (CR eta CL) eta induktantzia (LR eta LL) sor ditzaketen osagai fisikoak hartuz soilik gauza daitezke. Azken urteotan, gainazaleko muntaketa teknologia (SMT) txip osagaien edo osagai banatuen aplikazioak interes handia piztu du. Microstrip, stripline, uhin-gida koplanarra edo antzeko beste teknologia batzuk erabil daitezke banatutako osagaiak egiteko. SMT txipak edo banatutako osagaiak aukeratzerakoan kontuan hartu beharreko faktore asko daude. SMTn oinarritutako CRLH egiturak ohikoagoak eta inplementatzeko errazagoak dira analisiari eta diseinuari dagokionez. Hau da, eskuragarri dauden SMT txip-osagaien erabilgarritasunagatik, ez baitute birmoldaketarik eta fabrikaziorik behar banatutako osagaiekin alderatuta. Hala ere, SMT osagaien erabilgarritasuna sakabanatuta dago, eta normalean maiztasun baxuetan soilik funtzionatzen dute (hau da, 3-6GHz). Hori dela eta, SMTn oinarritutako CRLH egiturek funtzionamendu-maiztasun-tarte mugatuak eta fase-ezaugarri zehatzak dituzte. Adibidez, irradiazio aplikazioetan, baliteke SMT txiparen osagaiak bideragarriak ez izatea. 6. irudiak CRLH-TLn oinarritutako egitura banatua erakusten du. Egitura kapazitate interdigitalaren eta zirkuitu-labur-lerroen bidez gauzatzen da, LHren CL serieko kapazitatea eta LL induktantzia paraleloa osatuz hurrenez hurren. Linearen eta GNDren arteko kapazitatea RH kapazitate CR-a dela suposatzen da, eta korronte-fluxuak egitura interdigitaleko korronte-fluxuak sortzen duen induktantzia LR induktantzia dela suposatzen da.
6. Irudia CRLH TL dimentsio bakarreko mikrobanda kondentsadore digitalez eta linea laburreko induzituz osatua.
Antenei buruz gehiago jakiteko, bisitatu:
Argitalpenaren ordua: 2024-ko abuztuaren 23a
