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 là các cấu trúc được thiết kế nhân tạo để tạo ra một số tính chất điện từ không tồn tại trong tự nhiên. Siêu vật liệu có hằng số điện môi âm và độ từ thẩm 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, tạp chí Science đã vinh danh LHM là một trong mười đột phá khoa học hàng đầu của thời đại đương đại. Các ứng dụng, khái niệm và thiết bị mới đã được phát triển bằng cách khai thác các tính chất độc đáo của LHM. Phương pháp 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, đặc điểm quan trọng nhất của TL siêu vật liệu là khả năng kiểm soát các tham số TL (hằng số lan truyền) và trở kháng đặc trưng. Khả năng kiểm soát các tham số TL siêu vật liệu cung cấp những ý tưởng mới để thiết kế các cấu trúc ăng-ten có kích thước nhỏ gọn hơn, hiệu suất cao hơn và các chức năng mới lạ. Hình 1 (a), (b) và (c) lần lượt cho thấy các mô hình mạch không mất mát của đường truyền thuận tay phải thuần túy (PRH), đường truyền thuận tay trái thuần túy (PLH) và đường truyền thuận tay trái-phải tổng hợp (CRLH). Như thể hiện trong Hình 1(a), mô hình mạch tương đương PRH TL thường là sự kết hợp của độ tự cảm nối tiếp và điện dung phân luồng. Như thể hiện trong Hình 1(b), mô hình mạch PLH TL là sự kết hợp của độ tự cảm phân luồng và điện dung nối tiếp. Trong các ứng dụng thực tế, không khả thi để triển khai mạch PLH. Điều này là do các hiệu ứng độ tự cảm nối tiếp ký sinh và điện dung phân luồng không thể tránh khỏi. Do đó, các đặc điểm của đường truyền thuận tay trái có thể thực hiện được hiện nay đều là các cấu trúc thuận tay trái và thuận tay phải tổng hợp, như thể hiện 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 diễn độ dẫn và trở kháng. Xem xét CRLH-TL, Z và Y có thể được biểu thị như sau:

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

Hằng số pha β có thể là số thực thuần túy hoặc số ảo thuần túy. Nếu β hoàn toàn thực trong một dải tần số, thì có một dải thông trong dải tần số do điều kiện γ=jβ. Mặt khác, nếu β là số ảo thuần túy trong một dải tần số, thì có một dải chặn trong dải tần số do điều kiện γ=α. Dải chặn này là duy nhất đối với CRLH-TL và không tồn tại trong PRH-TL hoặc PLH-TL. Hình 2 (a), (b) và (c) hiển thị các đường cong phân tán (tức là mối quan hệ ω - β) của PRH-TL, PLH-TL và CRLH-TL, tương ứng. Dựa trên các đường cong phân tán, có thể suy ra và ước tính được vận tốc nhóm (vg=∂ω/∂β) và vận tốc pha (vp=ω/β) của đường truyền. Đối với PRH-TL, cũng có thể suy ra từ đường cong 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 từ Hình 2(c), đối với CRLH-TL, nếu γ là một số thực thuần túy, thì có một 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, được gọi là trạng thái cân bằng và mô hình mạch tương đương đơn giản hóa kết quả được thể hiện trong Hình 3(a).

Hình 3 Mô hình mạch và đường cong phân tán của đường truyền trái tổng hợp

Khi tần số tăng, các đặc tính phân tán của CRLH-TL 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. Biểu đồ phân tán CRLH-TL cân bằng được thể hiện trong Hình 3(b). Như thể hiện 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 mượt mà xảy ra từ LH sang RH vì γ là một số hoàn toàn ảo. Do đó, không có dải dừng cho sự phân tán CRLH-TL cân bằng. Mặc dù β bằng 0 tại ω0 (vô hạn so với bước sóng được hướng dẫn, tức là λg=2π/|β|), sóng vẫn lan truyền vì vg tại ω0 không bằng 0. Tương tự như vậy, tại ω0, độ lệch pha bằng 0 đối với TL có độ dài d (tức là φ= - βd=0). Sự tiến pha (tức là φ>0) xảy ra trong dải tần LH (tức là ω<ω0), và sự chậm pha (tức là φ<0) xảy ra trong dải tần RH (tức là ω>ω0). Đối với TL CRLH, trở kháng đặc trưng 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 trưng phụ thuộc vào tần số. Phương trình trên cho thấy trường hợp cân bằng không phụ thuộc vào tần số, do đó nó có thể có sự khớp băng thông rộng. Phương trình TL được suy 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). Với hằng số lan truyền của vật liệu (β=ω x Sqrt(εμ)), có thể thu được phương trình sau:

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

Chiết suất của CRLH-TL cân bằng và không cân bằng (tức là n = cβ/ω) được thể hiện trong 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 là dương.

Hình 4. Chiết suất điển hình của TL CRLH cân bằng và không cân bằng.

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

Hình 5 CRLH TL dựa trên mạng LC.

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

Trở kháng nối tiếp (Z) và độ dẫn phân luồng (Y) của cell 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. Triển khai vật lý
Trong phần trước, mạng LC để tạo ra CRLH-TL đã được thảo luận. Các mạng LC như vậy chỉ có thể được thực hiện bằng cách áp dụng các thành phần vật lý có thể tạo ra điện dung (CR và CL) và độ tự cảm (LR và LL) cần thiết. Trong những năm gần đây, việc ứng dụng các thành phần chip công nghệ gắn trên bề mặt (SMT) hoặc các thành phần phân tán đã thu hút được sự quan tâm lớn. Microstrip, stripline, ống dẫn sóng đồng phẳng hoặc các công nghệ tương tự khác có thể được sử dụng để thực hiện các thành phần phân tán. Có nhiều yếu tố cần xem xét khi lựa chọn chip SMT hoặc các thành phần phân tán. Các cấu trúc CRLH dựa trên SMT phổ biến hơn và dễ triển khai hơn về mặt phân tích và thiết kế. Điều này là do tính khả dụng của các thành phần chip SMT có sẵn, không yêu cầu cải tiến và sản xuất so với các thành phần phân tán. Tuy nhiên, tính khả dụng của các thành phần SMT lại phân tán và chúng thường chỉ hoạt động ở tần số thấp (tức là 3-6 GHz). Do đó, các cấu trúc CRLH dựa trên SMT có dải tần hoạt động hạn chế và các 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 một cấu trúc phân tán dựa trên CRLH-TL. Cấu trúc được thực hiện bằng điện dung giữa các ngón tay và các đường ngắn mạch, tạo thành điện dung nối tiếp CL và độ tự 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 chạy trong cấu trúc giữa các ngón tay được coi là độ tự cảm RH LR.