ຂ່າວ - ການທົບທວນຄືນເສົາອາກາດສາຍສົ່ງຂໍ້ມູນ Metamaterial

I. ບົດນໍາ
ວັດສະດຸ metamaterials ສາມາດອະທິບາຍໄດ້ດີທີ່ສຸດວ່າເປັນໂຄງສ້າງທີ່ຖືກອອກແບບໂດຍທຽມເພື່ອຜະລິດຄຸນສົມບັດທາງແມ່ເຫຼັກໄຟຟ້າບາງຢ່າງທີ່ບໍ່ມີຢູ່ຕາມທຳມະຊາດ. ວັດສະດຸ metamaterials ທີ່ມີຄວາມອະນຸຍາດທາງລົບ ແລະ ຄວາມຊຶມຜ່ານທາງລົບເອີ້ນວ່າວັດສະດຸ metamaterials ມືຊ້າຍ (LHMs). LHMs ໄດ້ຮັບການສຶກສາຢ່າງກວ້າງຂວາງໃນຊຸມຊົນວິທະຍາສາດ ແລະ ວິສະວະກຳ. ໃນປີ 2003, LHMs ໄດ້ຖືກຕັ້ງຊື່ວ່າເປັນໜຶ່ງໃນສິບຄວາມກ້າວໜ້າທາງວິທະຍາສາດອັນດັບຕົ້ນໆຂອງຍຸກສະໄໝໃໝ່ໂດຍວາລະສານ Science. ການນຳໃຊ້, ແນວຄວາມຄິດ ແລະ ອຸປະກອນໃໝ່ໆໄດ້ຖືກພັດທະນາໂດຍການນຳໃຊ້ຄຸນສົມບັດທີ່ເປັນເອກະລັກຂອງ LHMs. ວິທີການສາຍສົ່ງ (TL) ແມ່ນວິທີການອອກແບບທີ່ມີປະສິດທິພາບທີ່ຍັງສາມາດວິເຄາະຫຼັກການຂອງ LHMs. ເມື່ອປຽບທຽບກັບ TLs ແບບດັ້ງເດີມ, ຄຸນສົມບັດທີ່ສຳຄັນທີ່ສຸດຂອງ TLs metamaterials ແມ່ນການຄວບຄຸມພາລາມິເຕີ TL (ຄ່າຄົງທີ່ການແຜ່ກະຈາຍ) ແລະ ຄວາມຕ້ານທານລັກສະນະ. ການຄວບຄຸມພາລາມິເຕີ TL ຂອງວັດສະດຸ metamaterials ໃຫ້ແນວຄວາມຄິດໃໝ່ສຳລັບການອອກແບບໂຄງສ້າງແອນເຕນນາທີ່ມີຂະໜາດກະທັດຮັດກວ່າ, ປະສິດທິພາບສູງຂຶ້ນ, ແລະ ໜ້າທີ່ໃໝ່ໆ. ຮູບທີ 1 (ກ), (ຂ), ແລະ (ຄ) ສະແດງໃຫ້ເຫັນຮູບແບບວົງຈອນທີ່ບໍ່ມີການສູນເສຍຂອງສາຍສົ່ງໄຟຟ້າມືຂວາບໍລິສຸດ (PRH), ສາຍສົ່ງໄຟຟ້າມືຊ້າຍບໍລິສຸດ (PLH), ແລະສາຍສົ່ງໄຟຟ້າມືຊ້າຍ-ຂວາປະສົມ (CRLH) ຕາມລຳດັບ. ດັ່ງທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຮູບທີ 1(ກ), ຮູບແບບວົງຈອນທຽບເທົ່າ PRH TL ມັກຈະເປັນການລວມກັນຂອງຄວາມໜ่วงໄຟຟ້າແບບອະນຸກົມ ແລະ ຄວາມຈຸຂອງຊູນ. ດັ່ງທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຮູບທີ 1(ຂ), ຮູບແບບວົງຈອນ PLH TL ແມ່ນການລວມກັນຂອງຄວາມໜ่วงໄຟຟ້າແບບຊູນ ແລະ ຄວາມຈຸຂອງຊູນ. ໃນການນຳໃຊ້ຕົວຈິງ, ມັນເປັນໄປບໍ່ໄດ້ທີ່ຈະຈັດຕັ້ງປະຕິບັດວົງຈອນ PLH. ນີ້ແມ່ນຍ້ອນຜົນກະທົບຂອງຄວາມໜ่วงໄຟຟ້າແບບອະນຸກົມ ແລະ ຄວາມຈຸຂອງຊູນທີ່ຫຼີກລ່ຽງບໍ່ໄດ້. ດັ່ງນັ້ນ, ລັກສະນະຂອງສາຍສົ່ງໄຟຟ້າມືຊ້າຍທີ່ສາມາດຮັບຮູ້ໄດ້ໃນປະຈຸບັນແມ່ນໂຄງສ້າງປະສົມຊ້າຍ ແລະ ມືຂວາທັງໝົດ, ດັ່ງທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຮູບທີ 1(ຄ).

ຮູບທີ 1 ຮູບແບບວົງຈອນສາຍສົ່ງທີ່ແຕກຕ່າງກັນ

ຄ່າຄົງທີ່ຂອງການຂະຫຍາຍພັນ (γ) ຂອງສາຍສົ່ງ (TL) ຖືກຄິດໄລ່ເປັນ: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), ບ່ອນທີ່ Y ແລະ Z ສະແດງເຖິງການຍອມຮັບ ແລະ ຄວາມຕ້ານທານຕາມລຳດັບ. ພິຈາລະນາ CRLH-TL, Z ແລະ Y ສາມາດສະແດງອອກເປັນ:

CRLH TL ທີ່ເປັນເອກະພາບຈະມີຄວາມສຳພັນການກະຈາຍດັ່ງຕໍ່ໄປນີ້:

ຄ່າຄົງທີ່ຂອງເຟສ β ສາມາດເປັນຈຳນວນຈິງທັງໝົດ ຫຼື ຈຳນວນຈິນຕະພາບທັງໝົດ. ຖ້າ β ເປັນຈຳນວນຈິງທັງໝົດພາຍໃນຂອບເຂດຄວາມຖີ່, ຈະມີແຖບຜ່ານພາຍໃນຂອບເຂດຄວາມຖີ່ເນື່ອງຈາກເງື່ອນໄຂ γ=jβ. ໃນທາງກົງກັນຂ້າມ, ຖ້າ β ເປັນຈຳນວນຈິນຕະພາບທັງໝົດພາຍໃນຂອບເຂດຄວາມຖີ່, ຈະມີແຖບຢຸດພາຍໃນຂອບເຂດຄວາມຖີ່ເນື່ອງຈາກເງື່ອນໄຂ γ=α. ແຖບຢຸດນີ້ແມ່ນເປັນເອກະລັກສະເພາະຂອງ CRLH-TL ແລະ ບໍ່ມີຢູ່ໃນ PRH-TL ຫຼື PLH-TL. ຮູບທີ 2 (a), (b), ແລະ (c) ສະແດງເສັ້ນໂຄ້ງການກະຈາຍ (ເຊັ່ນ: ຄວາມສຳພັນ ω - β) ຂອງ PRH-TL, PLH-TL, ແລະ CRLH-TL, ຕາມລຳດັບ. ອີງຕາມເສັ້ນໂຄ້ງການກະຈາຍ, ຄວາມໄວຂອງກຸ່ມ (vg=∂ω/∂β) ແລະ ຄວາມໄວເຟສ (vp=ω/β) ຂອງສາຍສົ່ງສາມາດໄດ້ມາ ແລະ ປະເມີນ. ສຳລັບ PRH-TL, ມັນຍັງສາມາດອະນຸມານໄດ້ຈາກເສັ້ນໂຄ້ງວ່າ vg ແລະ vp ແມ່ນຂະໜານກັນ (ເຊັ່ນ: vpvg>0). ສຳລັບ PLH-TL, ເສັ້ນໂຄ້ງສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າ vg ແລະ vp ບໍ່ຂະໜານກັນ (ເຊັ່ນ: vpvg<0). ເສັ້ນໂຄ້ງການກະຈາຍຂອງ CRLH-TL ຍັງສະແດງໃຫ້ເຫັນເຖິງການມີຢູ່ຂອງພາກພື້ນ LH (ເຊັ່ນ: vpvg < 0) ແລະ ພາກພື້ນ RH (ເຊັ່ນ: vpvg > 0). ດັ່ງທີ່ເຫັນໄດ້ຈາກຮູບທີ 2(c), ສຳລັບ CRLH-TL, ຖ້າ γ ເປັນຈຳນວນຈິງບໍລິສຸດ, ຈະມີແຖບຢຸດ.

ຮູບທີ 2 ເສັ້ນໂຄ້ງການກະຈາຍຂອງສາຍສົ່ງທີ່ແຕກຕ່າງກັນ

ໂດຍປົກກະຕິແລ້ວ, ການສະທ້ອນແບບອະນຸກົມ ແລະ ຂະໜານຂອງ CRLH-TL ແມ່ນແຕກຕ່າງກັນ, ເຊິ່ງເອີ້ນວ່າສະຖານະບໍ່ສົມດຸນ. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ເມື່ອຄວາມຖີ່ຂອງການສະທ້ອນແບບອະນຸກົມ ແລະ ຂະໜານຄືກັນ, ມັນຖືກເອີ້ນວ່າສະຖານະສົມດຸນ, ແລະຮູບແບບວົງຈອນທຽບເທົ່າແບບງ່າຍໆທີ່ໄດ້ຮັບແມ່ນສະແດງຢູ່ໃນຮູບທີ 3(a).

ຮູບທີ 3 ຮູບແບບວົງຈອນ ແລະ ເສັ້ນໂຄ້ງການກະຈາຍຂອງສາຍສົ່ງໄຟຟ້າຊ້າຍປະສົມ

ເມື່ອຄວາມຖີ່ເພີ່ມຂຶ້ນ, ລັກສະນະການກະຈາຍຂອງ CRLH-TL ຈະຄ່ອຍໆເພີ່ມຂຶ້ນ. ນີ້ແມ່ນຍ້ອນວ່າຄວາມໄວຂອງໄລຍະ (ເຊັ່ນ: vp=ω/β) ຈະຂຶ້ນກັບຄວາມຖີ່ເພີ່ມຂຶ້ນເລື້ອຍໆ. ທີ່ຄວາມຖີ່ຕ່ຳ, CRLH-TL ແມ່ນຖືກຄອບງຳໂດຍ LH, ໃນຂະນະທີ່ທີ່ຄວາມຖີ່ສູງ, CRLH-TL ແມ່ນຖືກຄອບງຳໂດຍ RH. ນີ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນເຖິງລັກສະນະສອງຢ່າງຂອງ CRLH-TL. ແຜນວາດການກະຈາຍ CRLH-TL ທີ່ສົມດຸນແມ່ນສະແດງຢູ່ໃນຮູບທີ 3(b). ດັ່ງທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຮູບທີ 3(b), ການຫັນປ່ຽນຈາກ LH ໄປຫາ RH ເກີດຂຶ້ນທີ່:

ບ່ອນທີ່ ω0 ແມ່ນຄວາມຖີ່ຂອງການຫັນປ່ຽນ. ດັ່ງນັ້ນ, ໃນກໍລະນີທີ່ສົມດຸນ, ການຫັນປ່ຽນທີ່ລຽບງ່າຍເກີດຂຶ້ນຈາກ LH ໄປຫາ RH ເພາະວ່າ γ ແມ່ນຕົວເລກທີ່ສົມມຸດຂຶ້ນຢ່າງດຽວ. ດັ່ງນັ້ນ, ບໍ່ມີແຖບຢຸດສຳລັບການກະຈາຍ CRLH-TL ທີ່ສົມດຸນ. ເຖິງແມ່ນວ່າ β ເປັນສູນທີ່ ω0 (ບໍ່ມີຂອບເຂດທຽບກັບຄວາມຍາວຄື້ນທີ່ນຳພາ, ເຊັ່ນ, λg=2π/|β|), ຄື້ນຍັງແຜ່ລາມເພາະວ່າ vg ທີ່ ω0 ບໍ່ແມ່ນສູນ. ເຊັ່ນດຽວກັນ, ທີ່ ω0, ການປ່ຽນເຟສແມ່ນສູນສຳລັບ TL ຂອງຄວາມຍາວ d (ເຊັ່ນ, φ= - βd=0). ການກ້າວໜ້າຂອງເຟສ (ເຊັ່ນ, φ>0) ເກີດຂຶ້ນໃນຊ່ວງຄວາມຖີ່ LH (ເຊັ່ນ, ω<ω0), ແລະການຊັກຊ້າຂອງເຟສ (ເຊັ່ນ, φ<0) ເກີດຂຶ້ນໃນຊ່ວງຄວາມຖີ່ RH (ເຊັ່ນ, ω>ω0). ສຳລັບ CRLH TL, ຄວາມຕ້ານທານລັກສະນະໄດ້ຖືກອະທິບາຍດັ່ງຕໍ່ໄປນີ້:

ບ່ອນທີ່ ZL ແລະ ZR ແມ່ນ impedances PLH ແລະ PRH ຕາມລໍາດັບ. ສໍາລັບກໍລະນີທີ່ບໍ່ສົມດຸນ, impedance ລັກສະນະຂຶ້ນກັບຄວາມຖີ່. ສົມຜົນຂ້າງເທິງສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າກໍລະນີທີ່ສົມດຸນແມ່ນບໍ່ຂຶ້ນກັບຄວາມຖີ່, ສະນັ້ນມັນສາມາດມີການຈັບຄູ່ແບນວິດທີ່ກວ້າງ. ສົມຜົນ TL ທີ່ມາຈາກຂ້າງເທິງແມ່ນຄ້າຍຄືກັນກັບພາລາມິເຕີທີ່ກໍານົດວັດສະດຸ CRLH. ຄ່າຄົງທີ່ການແຜ່ກະຈາຍຂອງ TL ແມ່ນ γ=jβ=Sqrt(ZY). ໂດຍໃຫ້ຄ່າຄົງທີ່ການແຜ່ກະຈາຍຂອງວັດສະດຸ (β=ω x Sqrt(εμ)), ສົມຜົນຕໍ່ໄປນີ້ສາມາດໄດ້ຮັບ:

ໃນລັກສະນະດຽວກັນ, ຄວາມຕ້ານທານລັກສະນະຂອງ TL, ເຊັ່ນ: Z0=Sqrt(ZY), ແມ່ນຄ້າຍຄືກັນກັບຄວາມຕ້ານທານລັກສະນະຂອງວັດສະດຸ, ເຊັ່ນ: η=Sqrt(μ/ε), ເຊິ່ງສະແດງອອກເປັນ:

ດັດຊະນີການຫັກເຫຂອງ CRLH-TL ທີ່ສົມດຸນ ແລະ ບໍ່ສົມດຸນ (ເຊັ່ນ: n = cβ/ω) ແມ່ນສະແດງຢູ່ໃນຮູບທີ 4. ໃນຮູບທີ 4, ດັດຊະນີການຫັກເຫຂອງ CRLH-TL ໃນຊ່ວງ LH ຂອງມັນແມ່ນຕິດລົບ ແລະ ດັດຊະນີການຫັກເຫໃນຊ່ວງ RH ຂອງມັນແມ່ນຕິດບວກ.

ຮູບທີ 4 ດັດຊະນີການຫັກເຫຂອງແສງທົ່ວໄປຂອງ CRLH TLs ທີ່ສົມດຸນ ແລະ ບໍ່ສົມດຸນ.

1. ເຄືອຂ່າຍ LC
ໂດຍການຕໍ່ກັນລະຫວ່າງເຊວ LC ແບນພາສທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຮູບທີ 5(a), CRLH-TL ທົ່ວໄປທີ່ມີຄວາມເປັນເອກະພາບທີ່ມີປະສິດທິພາບຂອງຄວາມຍາວ d ສາມາດສ້າງໄດ້ເປັນໄລຍະ ຫຼື ບໍ່ເປັນໄລຍະ. ໂດຍທົ່ວໄປ, ເພື່ອຮັບປະກັນຄວາມສະດວກສະບາຍໃນການຄິດໄລ່ ແລະ ການຜະລິດ CRLH-TL, ວົງຈອນຈຳເປັນຕ້ອງເປັນໄລຍະ. ເມື່ອປຽບທຽບກັບຮູບແບບຂອງຮູບທີ 1(c), ເຊວວົງຈອນຂອງຮູບທີ 5(a) ບໍ່ມີຂະໜາດ ແລະ ຄວາມຍາວທາງກາຍະພາບແມ່ນນ້ອຍຫຼາຍ (ເຊັ່ນ: Δz ໃນແມັດ). ໂດຍພິຈາລະນາຄວາມຍາວທາງໄຟຟ້າຂອງມັນ θ=Δφ (rad), ເຟສຂອງເຊວ LC ສາມາດສະແດງອອກໄດ້. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ເພື່ອໃຫ້ໄດ້ຮັບການຮັບຮູ້ເຖິງຄວາມໜ่วงຄວາມດັນ ແລະ ຄວາມຈຸທີ່ນຳໃຊ້, ຄວາມຍາວທາງກາຍະພາບ p ຈຳເປັນຕ້ອງໄດ້ສ້າງຕັ້ງ. ການເລືອກເຕັກໂນໂລຢີການນຳໃຊ້ (ເຊັ່ນ: ໄມໂຄຣສະຕຣິບ, ຄື້ນນຳທາງຮ່ວມລະນາບ, ອົງປະກອບຕິດຕັ້ງໜ້າດິນ, ແລະອື່ນໆ) ຈະສົ່ງຜົນກະທົບຕໍ່ຂະໜາດທາງກາຍະພາບຂອງເຊວ LC. ເຊວ LC ຂອງຮູບທີ 5(a) ແມ່ນຄ້າຍຄືກັນກັບຮູບແບບເພີ່ມຂຶ້ນຂອງຮູບທີ 1(c), ແລະ ຂອບເຂດຈຳກັດຂອງມັນ p=Δz→0. ອີງຕາມເງື່ອນໄຂຄວາມເປັນເອກະພາບ p→0 ໃນຮູບທີ 5(b), TL ສາມາດສ້າງໄດ້ (ໂດຍການຕໍ່ຈຸລັງ LC) ທີ່ທຽບເທົ່າກັບ CRLH-TL ທີ່ເປັນເອກະພາບທີ່ເໝາະສົມທີ່ມີຄວາມຍາວ d, ດັ່ງນັ້ນ TL ຈຶ່ງປະກົດວ່າເປັນເອກະພາບກັບຄື້ນແມ່ເຫຼັກໄຟຟ້າ.

ຮູບທີ 5 CRLH TL ອີງໃສ່ເຄືອຂ່າຍ LC.

ສຳລັບເຊວ LC, ໂດຍພິຈາລະນາເງື່ອນໄຂຂອບເຂດເປັນໄລຍະ (PBCs) ທີ່ຄ້າຍຄືກັບທິດສະດີ Bloch-Floquet, ຄວາມສຳພັນການກະຈາຍຕົວຂອງເຊວ LC ໄດ້ຖືກພິສູດ ແລະ ສະແດງອອກດັ່ງຕໍ່ໄປນີ້:

ຄວາມຕ້ານທານອະນຸກົມ (Z) ແລະ ການຍອມຮັບຂອງ shunt (Y) ຂອງເຊວ LC ຖືກກຳນົດໂດຍສົມຜົນຕໍ່ໄປນີ້:

ເນື່ອງຈາກຄວາມຍາວທາງໄຟຟ້າຂອງວົງຈອນ LC ຂອງຫົວໜ່ວຍມີຂະໜາດນ້ອຍຫຼາຍ, ການປະມານຄ່າ Taylor ສາມາດໃຊ້ເພື່ອໄດ້ຮັບ:

2. ການຈັດຕັ້ງປະຕິບັດທາງດ້ານຮ່າງກາຍ
ໃນພາກກ່ອນໜ້ານີ້, ເຄືອຂ່າຍ LC ເພື່ອສ້າງ CRLH-TL ໄດ້ຖືກປຶກສາຫາລືແລ້ວ. ເຄືອຂ່າຍ LC ດັ່ງກ່າວສາມາດບັນລຸໄດ້ໂດຍການຮັບຮອງເອົາອົງປະກອບທາງກາຍະພາບທີ່ສາມາດຜະລິດຄວາມຈຸ (CR ແລະ CL) ແລະ ຄວາມໜ่วงเหนี่ยว (LR ແລະ LL) ທີ່ຕ້ອງການ. ໃນຊຸມປີມໍ່ໆມານີ້, ການນຳໃຊ້ອົງປະກອບຊິບເທັກໂນໂລຢີຕິດຕັ້ງພື້ນຜິວ (SMT) ຫຼື ອົງປະກອບແບບກະຈາຍໄດ້ດຶງດູດຄວາມສົນໃຈຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ. ເຕັກໂນໂລຊີ Microstrip, stripline, coplanar waveguide ຫຼື ເຕັກໂນໂລຊີອື່ນໆທີ່ຄ້າຍຄືກັນສາມາດນຳໃຊ້ເພື່ອຮັບຮູ້ອົງປະກອບແບບກະຈາຍ. ມີຫຼາຍປັດໃຈທີ່ຕ້ອງພິຈາລະນາເມື່ອເລືອກຊິບ SMT ຫຼື ອົງປະກອບແບບກະຈາຍ. ໂຄງສ້າງ CRLH ທີ່ອີງໃສ່ SMT ແມ່ນພົບເຫັນຫຼາຍກວ່າ ແລະ ງ່າຍຕໍ່ການຈັດຕັ້ງປະຕິບັດໃນແງ່ຂອງການວິເຄາະ ແລະ ການອອກແບບ. ນີ້ແມ່ນຍ້ອນຄວາມພ້ອມຂອງອົງປະກອບຊິບ SMT ທີ່ມີຢູ່ແລ້ວ, ເຊິ່ງບໍ່ຕ້ອງການການປັບປຸງໃໝ່ ແລະ ການຜະລິດເມື່ອທຽບກັບອົງປະກອບແບບກະຈາຍ. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ຄວາມພ້ອມຂອງອົງປະກອບ SMT ແມ່ນກະແຈກກະຈາຍ, ແລະ ພວກມັນມັກຈະເຮັດວຽກຢູ່ໃນຄວາມຖີ່ຕ່ຳເທົ່ານັ້ນ (ເຊັ່ນ: 3-6GHz). ດັ່ງນັ້ນ, ໂຄງສ້າງ CRLH ທີ່ອີງໃສ່ SMT ມີຂອບເຂດຄວາມຖີ່ປະຕິບັດການທີ່ຈຳກັດ ແລະ ລັກສະນະໄລຍະສະເພາະ. ຕົວຢ່າງ, ໃນການນຳໃຊ້ການແຜ່ກະຈາຍ, ອົງປະກອບຊິບ SMT ອາດຈະເປັນໄປບໍ່ໄດ້. ຮູບທີ 6 ສະແດງໃຫ້ເຫັນໂຄງສ້າງແບບກະຈາຍໂດຍອີງໃສ່ CRLH-TL. ໂຄງສ້າງດັ່ງກ່າວຖືກສ້າງຂຶ້ນໂດຍຄວາມຈຸລະຫວ່າງດິຈິຕອລ ແລະ ສາຍວົງຈອນສັ້ນ, ເຊິ່ງປະກອບເປັນຄວາມຈຸອະນຸກົມ CL ແລະ ຄວາມໜ่วงຂະໜານ LL ຂອງ LH ຕາມລຳດັບ. ຄວາມຈຸລະຫວ່າງສາຍ ແລະ GND ຖືກສົມມຸດວ່າເປັນຄວາມຈຸ RH CR, ແລະ ຄວາມໜ่วงທີ່ເກີດຈາກກະແສແມ່ເຫຼັກທີ່ເກີດຈາກກະແສໄຟຟ້າໃນໂຄງສ້າງລະຫວ່າງດິຈິຕອລຖືກສົມມຸດວ່າເປັນຄວາມໜ่วง RH LR.