I. Sarrera
Metamaterialak modu artifizialki diseinatutako egitura gisa deskriba daitezke, naturalki existitzen ez diren propietate elektromagnetiko batzuk sortzeko. Permitibitate negatiboa eta permeabilitate negatiboa duten metamaterialei ezkerreko metamaterialak (LHM) deitzen zaie. LHMak sakon 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 LHMen propietate bereziak ustiatuz. Transmisio-lerroaren (TL) ikuspegia diseinu-metodo eraginkorra da, LHMen printzipioak ere azter ditzakeena. TL tradizionalen aldean, metamaterialen TLen ezaugarririk esanguratsuena TL parametroen (hedapen-konstantea) eta inpedantzia karakteristikoaren kontrolagarritasuna da. Metamaterialen TL parametroen kontrolagarritasunak ideia berriak eskaintzen ditu tamaina trinkoagoa, errendimendu handiagoa eta funtzio berritzaileak dituzten antena-egiturak diseinatzeko. 1(a), (b) eta (c) irudiek eskuineko transmisio-linea puruaren (PRH), ezkerreko transmisio-linea puruaren (PLH) eta ezker-eskuineko transmisio-linea konposatuaren (CRLH) zirkuitu-galerarik gabeko ereduak erakusten dituzte, hurrenez hurren. 1(a) irudian erakusten den bezala, PRH TL zirkuitu baliokidearen eredua normalean serieko induktantziaren eta shunt kapazitantziaren konbinazioa da. 1(b) irudian erakusten den bezala, PLH TL zirkuitu-eredua shunt induktantziaren eta serieko kapazitantziaren konbinazioa da. Aplikazio praktikoetan, ez da bideragarria PLH zirkuitu bat ezartzea. Hori saihestezinak diren serieko induktantzia eta shunt kapazitantziaren efektu parasitoengatik da. Beraz, gaur egun gauzatu daitezkeen ezkerreko transmisio-linearen ezaugarriak ezkerreko eta eskuineko egitura konposatu guztiak dira, 1(c) irudian erakusten den bezala.
1. irudia Transmisio-linea zirkuituen eredu desberdinak
Transmisio-lerroaren (TL) hedapen-konstantea (γ) honela kalkulatzen da: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), non Y eta Z admitantzia eta inpedantzia adierazten dituzten, hurrenez hurren. CRLH-TL kontuan hartuta, Z eta Y honela adieraz daitezke:
CRLH TL uniforme batek honako dispertsio-erlazio hau izango du:
β fase-konstantea zenbaki hutsa erreala edo zenbaki hutsa irudimenezkoa izan daiteke. β maiztasun-tarte batean guztiz erreala bada, banda-pasabide bat dago maiztasun-tartean γ=jβ baldintza dela eta. Bestalde, β maiztasun-tarte batean zenbaki hutsa irudimenezkoa bada, gelditze-banda bat dago maiztasun-tartean γ=α baldintza dela eta. Gelditze-banda hau CRLH-TL-ren bakarra da eta ez da existitzen PRH-TL edo PLH-TL-n. 2 (a), (b) eta (c) irudiek PRH-TL, PLH-TL eta CRLH-TL-ren dispertsio-kurbak (hau da, ω - β erlazioa) erakusten dituzte, hurrenez hurren. Dispertsio-kurben arabera, transmisio-lerroaren talde-abiadura (vg=∂ω/∂β) eta fase-abiadura (vp=ω/β) deribatu eta kalkula daitezke. PRH-TL-rako, kurbatik vg eta vp paraleloak direla ere ondoriozta daiteke (hau da, vpvg>0). PLH-TL-rentzat, kurbak erakusten du vg eta vp ez direla paraleloak (hau da, vpvg<0). CRLH-TL-ren dispertsio-kurbak LH eskualdearen (hau da, vpvg < 0) eta RH eskualdearen (hau da, vpvg > 0) existentzia ere erakusten du. 2(c) irudian ikus daitekeen bezala, CRLH-TL-rentzat, γ zenbaki erreal hutsa bada, gelditze-banda bat dago.
2. irudia Transmisio-linea desberdinen dispertsio-kurbak
Normalean, CRLH-TL baten serieko eta paraleloko erresonantziak desberdinak dira, eta horri desorekatua deritzo. Hala ere, serieko eta paraleloko erresonantzia-maiztasunak berdinak direnean, egoera orekatua deritzo, eta ondoriozko zirkuitu baliokide sinplifikatuaren eredua 3(a) irudian ageri da.
3. irudia Ezkerreko transmisio-linea konposatuaren zirkuitu-eredua eta dispertsio-kurba
Maiztasuna handitzen den heinean, CRLH-TL-ren dispertsio-ezaugarriak pixkanaka handitzen dira. Hau gertatzen da fase-abiadura (hau da, vp=ω/β) maiztasunaren menpekoagoa bihurtzen delako. Maiztasun baxuetan, CRLH-TL LH-k menderatzen du, eta maiztasun altuetan, berriz, RH-k. Honek CRLH-TL-ren izaera bikoitza erakusten du. Oreka CRLH-TL dispertsio-diagrama 3(b) irudian ageri da. 3(b) irudian erakusten den bezala, LH-tik RH-rako trantsizioa honako puntuan gertatzen da:
Non ω0 trantsizio-maiztasuna den. Beraz, kasu orekatuan, trantsizio leuna gertatzen da LH-tik RH-ra, γ zenbaki guztiz irudikaria delako. Beraz, ez dago etendura-bandarik CRLH-TL dispertsio orekatuarentzat. β zero den arren ω0-n (gidatutako uhin-luzerarekiko infinitua, hau da, λg=2π/|β|), uhina oraindik hedatzen da, ω0-n vg ez delako zero. Era berean, ω0-n, fase-desplazamendua zero da d luzerako TL baterako (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 gertatzen da (hau da, ω>ω0). CRLH TL baterako, inpedantzia karakteristikoa honela deskribatzen da:
Non ZL eta ZR PLH eta PRH inpedantziak diren, hurrenez hurren. Kasu desorekatuan, inpedantzia karakteristikoa maiztasunaren araberakoa da. Goiko ekuazioak erakusten du kasu orekatua maiztasunarekiko independentea dela, beraz, banda-zabalera zabaleko bat etortzea izan dezakeela. Goian eratorritako TL ekuazioa CRLH materiala definitzen duten parametro konstitutiboen antzekoa da. TL-ren hedapen-konstantea γ=jβ=Sqrt(ZY) da. Materialaren hedapen-konstantea (β=ω x Sqrt(εμ)) emanda, ekuazio hau lor daiteke:
Era berean, TL-ren inpedantzia karakteristikoa, hau da, Z0=Sqrt(ZY), materialaren inpedantzia karakteristikoaren antzekoa da, hau da, η=Sqrt(μ/ε), honela adierazten dena:
CRLH-TL orekatu eta desorekatuaren errefrakzio-indizea (hau da, n = cβ/ω) 4. irudian ageri da. 4. irudian, CRLH-TLren errefrakzio-indizea negatiboa da bere LH tartean eta positiboa bere RH tartean.
4. irudia. CRLH TL orekatu eta desorekatuen errefrakzio-indize tipikoak.
1. LC sarea
5(a) irudian erakusten diren banda-paseko LC zelulak kaskadatuz, d luzeraren uniformetasun eraginkorra duen CRLH-TL tipiko bat eraiki daiteke periodikoki edo ez-periodikoki. Oro har, CRLH-TL-ren kalkuluaren eta fabrikazioaren erosotasuna bermatzeko, zirkuitua periodikoa izan behar da. 1(c) irudiko ereduarekin alderatuta, 5(a) irudiko zirkuitu-zelulak ez du tamainarik eta luzera fisikoa infinituki 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-teknologiaren aukeraketak (mikrostrip, uhin-gida koplanarra, gainazaleko muntaketa-osagaiak, etab.) LC zelularen tamaina fisikoan eragina izango du. 5(a) irudiko LC zelula 1(c) irudiko eredu inkrementalari antzekoa da, eta bere muga p=Δz→0 da. 5(b) irudiko p→0 uniformetasun-baldintzaren arabera, TL bat eraiki daiteke (LC zelulak kaskadatuz) d luzerako CRLH-TL uniforme ideal baten baliokidea dena, TL uhin elektromagnetikoekiko uniformea ager dadin.
5. irudia. CRLH TL LC sarean oinarrituta.
LC zelularentzat, Bloch-Floquet teoremaren antzeko muga-baldintza periodikoak (PBC) kontuan hartuta, LC zelularen dispertsio-erlazioa honela frogatu eta adierazten da:
LC zelularen serieko inpedantzia (Z) eta shunt admitantzia (Y) ekuazio hauek zehazten dituzte:
LC zirkuitu unitarioaren luzera elektrikoa oso txikia denez, Taylorren hurbilketa erabil daiteke hau lortzeko:
2. Inplementazio fisikoa
Aurreko atalean, CRLH-TL sortzeko LC sarea aztertu da. LC sare horiek beharrezko kapazitantzia (CR eta CL) eta induktantzia (LR eta LL) sor ditzaketen osagai fisikoak erabiliz bakarrik gauzatu daitezke. Azken urteotan, gainazaleko muntaketa teknologiako (SMT) txiparen osagaien edo banatutako osagaien aplikazioak interes handia piztu du. Mikrostrip, stripline, uhin-gida koplanarra edo antzeko beste teknologia batzuk erabil daitezke banatutako osagaiak gauzatzeko. Faktore asko hartu behar dira kontuan SMT txipak edo banatutako osagaiak aukeratzerakoan. SMT oinarritutako CRLH egiturak ohikoagoak eta errazagoak dira inplementatzen analisi eta diseinuari dagokionez. Hori gertatzen da SMT txiparen osagaien eskuragarritasunagatik, eta ez dute birmoldaketa eta fabrikaziorik behar banatutako osagaiekin alderatuta. Hala ere, SMT osagaien eskuragarritasuna sakabanatuta dago, eta normalean maiztasun baxuetan bakarrik funtzionatzen dute (hau da, 3-6 GHz). Beraz, SMT oinarritutako CRLH egiturek funtzionamendu-maiztasun tarte mugatuak eta fase-ezaugarri espezifikoak dituzte. Adibidez, erradiazio-aplikazioetan, SMT txiparen osagaiak ez dira bideragarriak izango. 6. irudiak CRLH-TLn oinarritutako egitura banatu bat erakusten du. Egitura kapazitantzia interdigital eta zirkuitulaburreko lerroen bidez gauzatzen da, LHren CL serieko kapazitantzia eta LL paraleloko induktantzia eratuz, hurrenez hurren. Lerroaren eta GNDren arteko kapazitantzia CR RH kapazitantzia dela suposatzen da, eta korronte-fluxuak egitura interdigitalean sortzen duen fluxu magnetikoak sortutako induktantzia LR RH induktantzia dela suposatzen da.
6. irudia Dimentsio bakarreko mikrostrip CRLH TL, kondentsadore interdigital eta linea laburreko induktorez osatua.
Antenei buruz gehiago jakiteko, bisitatu:
Argitaratze data: 2024ko abuztuaren 23a
