Tin tức - Đánh giá về ăng-ten đường truyền siêu vật liệu

I. Giới thiệu
Siêu vật liệu có thể được mô tả tốt nhất dưới dạng các cấu trúc được thiết kế nhân tạo để tạo ra các đặc tính điện từ nhất định không tồn tại trong tự nhiên. Siêu vật liệu có độ thấm âm và độ thấm âm được gọi là siêu vật liệu thuận tay trái (LHM). LHM đã được nghiên cứu rộng rãi trong cộng đồng khoa học và kỹ thuật. Năm 2003, LHM được tạp chí Science vinh danh là một trong mười đột phá khoa học hàng đầu của kỷ nguyên đương đại. Các ứng dụng, khái niệm và thiết bị mới đã được phát triển bằng cách khai thác các đặc tính độc đáo của LHM. Phương pháp tiếp cận đường truyền (TL) là một phương pháp thiết kế hiệu quả cũng có thể phân tích các nguyên tắc của LHM. So với TL truyền thống, tính năng quan trọng nhất của TL siêu vật liệu là khả năng điều khiển các tham số TL (hằng số lan truyền) và trở kháng đặc tính. Khả năng kiểm soát các tham số TL siêu vật liệu cung cấp những ý tưởng mới để thiết kế cấu trúc ăng-ten với kích thước nhỏ gọn hơn, hiệu suất cao hơn và các chức năng mới. Hình 1 (a), (b) và (c) hiển thị các mô hình mạch không tổn hao của đường truyền thuần thuận tay phải (PRH), đường truyền thuần trái (PLH) và đường truyền hỗn hợp thuận tay trái ( CRLH), tương ứng. Như được hiển thị trong Hình 1(a), mô hình mạch tương đương PRH TL thường là sự kết hợp giữa điện cảm nối tiếp và điện dung shunt. Như được hiển thị trong Hình 1(b), mô hình mạch PLH TL là sự kết hợp giữa điện cảm shunt và điện dung nối tiếp. Trong các ứng dụng thực tế, việc triển khai mạch PLH là không khả thi. Điều này là do hiệu ứng điện cảm nối tiếp ký sinh và hiệu ứng điện dung shunt không thể tránh khỏi. Do đó, đặc điểm của đường dây truyền tải bên trái có thể được nhận thấy hiện nay đều là các cấu trúc tổng hợp thuận tay trái và thuận tay phải, như trong Hình 1(c).

Hình 1 Các mô hình mạch đường truyền khác nhau

Hằng số lan truyền (γ) của đường truyền (TL) được tính như sau: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), trong đó Y và Z lần lượt biểu thị độ dẫn điện và trở kháng. Xét CRLH-TL, Z và Y có thể được biểu diễn dưới dạng:

Một CRLH TL thống nhất sẽ có hệ thức phân tán sau:

Hằng số pha β có thể là số thực thuần túy hoặc số thuần ảo. Nếu β hoàn toàn thực trong một dải tần thì sẽ có một dải thông trong dải tần do điều kiện γ=jβ. Mặt khác, nếu β là số ảo thuần túy trong một dải tần số thì sẽ có một dải dừng trong dải tần số do điều kiện γ=α. Dải chặn này là duy nhất cho CRLH-TL và không tồn tại trong PRH-TL hoặc PLH-TL. Hình 2 (a), (b) và (c) lần lượt hiển thị các đường cong phân tán (tức là mối quan hệ ω - β) của PRH-TL, PLH-TL và CRLH-TL. Dựa trên các đường cong phân tán, có thể suy ra và ước tính vận tốc nhóm (vg=∂ω/∂β) và vận tốc pha (vp=ω/β) của đường truyền. Đối với PRH-TL, từ đường cong cũng có thể suy ra rằng vg và vp song song (tức là vpvg>0). Đối với PLH-TL, đường cong cho thấy vg và vp không song song (tức là vpvg<0). Đường cong phân tán của CRLH-TL cũng cho thấy sự tồn tại của vùng LH (tức là vpvg < 0) và vùng RH (tức là vpvg > 0). Như có thể thấy trong Hình 2(c), đối với CRLH-TL, nếu γ là số thực thuần túy thì sẽ có dải dừng.

Hình 2 Đường cong phân tán của các đường truyền khác nhau

Thông thường, cộng hưởng nối tiếp và song song của CRLH-TL là khác nhau, được gọi là trạng thái không cân bằng. Tuy nhiên, khi tần số cộng hưởng nối tiếp và song song giống nhau, nó được gọi là trạng thái cân bằng và mô hình mạch tương đương được đơn giản hóa thu được được hiển thị trong Hình 3 (a).

Hình 3 Mô hình mạch và đường cong phân tán của đường truyền hỗn hợp thuận tay trái

Khi tần số tăng lên, đặc tính phân tán của CRLH-TL cũng tăng dần. Điều này là do vận tốc pha (tức là vp=ω/β) ngày càng phụ thuộc vào tần số. Ở tần số thấp, CRLH-TL bị LH chi phối, trong khi ở tần số cao, CRLH-TL bị RH chi phối. Điều này mô tả bản chất kép của CRLH-TL. Sơ đồ phân tán CRLH-TL cân bằng được thể hiện trong Hình 3(b). Như được hiển thị trong Hình 3(b), quá trình chuyển đổi từ LH sang RH xảy ra tại:

Trong đó ω0 là tần số chuyển tiếp. Do đó, trong trường hợp cân bằng, một sự chuyển tiếp suôn sẻ xảy ra từ LH sang RH vì γ là một số thuần ảo. Do đó, không có dải chặn cho sự phân tán CRLH-TL cân bằng. Mặc dù β bằng 0 tại ω0 (vô hạn so với bước sóng dẫn hướng, tức là λg=2π/|β|), sóng vẫn lan truyền vì vg tại ω0 khác 0. Tương tự, tại ω0, độ lệch pha bằng 0 đối với TL có độ dài d (tức là φ= - βd=0). Việc trễ pha (tức là φ>0) xảy ra trong dải tần số LH (tức là ω<ω0) và độ trễ pha (tức là φ<0) xảy ra trong dải tần số RH (tức là ω>ω0). Đối với CRLH TL, trở kháng đặc tính được mô tả như sau:

Trong đó ZL và ZR lần lượt là trở kháng PLH và PRH. Đối với trường hợp không cân bằng, trở kháng đặc tính phụ thuộc vào tần số. Phương trình trên cho thấy trường hợp cân bằng không phụ thuộc vào tần số nên có thể có băng thông rộng. Phương trình TL rút ra ở trên tương tự như các tham số cấu thành xác định vật liệu CRLH. Hằng số lan truyền của TL là γ=jβ=Sqrt(ZY). Cho hằng số truyền của vật liệu (β=ω x Sqrt(εμ)), có thể thu được phương trình sau:

Tương tự, trở kháng đặc tính của TL, tức là Z0=Sqrt(ZY), tương tự như trở kháng đặc tính của vật liệu, tức là η=Sqrt(μ/ε), được biểu thị bằng:

Chiết suất của CRLH-TL cân bằng và không cân bằng (tức là n = cβ/ω) được thể hiện trên Hình 4. Trong Hình 4, chiết suất của CRLH-TL trong phạm vi LH của nó là âm và chiết suất trong phạm vi RH của nó phạm vi là tích cực.

Hình 4 Chỉ số khúc xạ điển hình của TL CRLH cân bằng và không cân bằng.

1. Mạng lưới LC
Bằng cách xếp tầng các ô LC thông dải được hiển thị trong Hình 5(a), CRLH-TL điển hình có độ dài d đồng đều hiệu quả có thể được xây dựng định kỳ hoặc không định kỳ. Nhìn chung, để đảm bảo thuận tiện cho việc tính toán và chế tạo CRLH-TL, mạch cần phải tuần hoàn. So với mô hình của Hình 1(c), ô mạch của Hình 5(a) không có kích thước và chiều dài vật lý là vô cùng nhỏ (tức là Δz tính bằng mét). Xem xét chiều dài điện của nó θ=Δφ (rad), pha của tế bào LC có thể được biểu thị. Tuy nhiên, để thực sự nhận ra độ tự cảm và điện dung ứng dụng, cần phải thiết lập độ dài vật lý p. Việc lựa chọn công nghệ ứng dụng (chẳng hạn như microstrip, ống dẫn sóng đồng phẳng, các thành phần gắn trên bề mặt, v.v.) sẽ ảnh hưởng đến kích thước vật lý của tế bào LC. Ô LC của Hình 5(a) tương tự như mô hình gia tăng của Hình 1(c) và giới hạn của nó p=Δz→0. Theo điều kiện đồng nhất p→0 trong Hình 5(b), một TL có thể được xây dựng (bằng cách xếp tầng các ô LC) tương đương với một CRLH-TL đồng nhất lý tưởng có chiều dài d, sao cho TL có vẻ đồng nhất với sóng điện từ.

Hình 5 CRLH TL dựa trên mạng LC.

Đối với ô LC, xét các điều kiện biên tuần hoàn (PBC) tương tự định lý Bloch-Floquet, hệ thức phân tán của ô LC được chứng minh và biểu diễn như sau:

Trở kháng nối tiếp (Z) và độ dẫn điện song song (Y) của tế bào LC được xác định theo các phương trình sau:

Vì chiều dài điện của mạch LC đơn vị rất nhỏ nên có thể sử dụng phép tính gần đúng Taylor để thu được:

2. Thực hiện vật lý
Trong phần trước, mạng LC để tạo CRLH-TL đã được thảo luận. Các mạng LC như vậy chỉ có thể được hiện thực hóa bằng cách sử dụng các thành phần vật lý có thể tạo ra điện dung cần thiết (CR và CL) và độ tự cảm (LR và LL). Trong những năm gần đây, việc ứng dụng linh kiện chip công nghệ gắn trên bề mặt (SMT) hoặc linh kiện phân tán đã thu hút được sự quan tâm lớn. Microstrip, Stripline, ống dẫn sóng coplanar hoặc các công nghệ tương tự khác có thể được sử dụng để hiện thực hóa các thành phần phân tán. Có nhiều yếu tố cần xem xét khi lựa chọn chip SMT hoặc linh kiện phân tán. Cấu trúc CRLH dựa trên SMT phổ biến hơn và dễ thực hiện hơn về mặt phân tích và thiết kế. Điều này là do có sẵn các thành phần chip SMT có sẵn, không cần tu sửa và sản xuất so với các thành phần phân tán. Tuy nhiên, sự sẵn có của các thành phần SMT còn rải rác và chúng thường chỉ hoạt động ở tần số thấp (tức là 3-6GHz). Do đó, cấu trúc CRLH dựa trên SMT có dải tần hoạt động hạn chế và đặc điểm pha cụ thể. Ví dụ, trong các ứng dụng bức xạ, các thành phần chip SMT có thể không khả thi. Hình 6 cho thấy cấu trúc phân tán dựa trên CRLH-TL. Cấu trúc được thực hiện bằng điện dung giữa các số và các đường ngắn mạch, tạo thành điện dung nối tiếp CL và điện cảm song song LL của LH tương ứng. Điện dung giữa đường dây và GND được coi là điện dung RH CR và độ tự cảm được tạo ra bởi từ thông hình thành bởi dòng điện trong cấu trúc liên kỹ thuật số được coi là độ tự cảm RH LR.