خبرون - Metamaterial ٽرانسميشن لائن اينٽينن جو هڪ جائزو

I. تعارف
Metamaterials کي بھترين طور تي بيان ڪري سگھجي ٿو مصنوعي طور تي ٺهيل ڍانچين کي پيدا ڪرڻ لاءِ مخصوص برقي مقناطيسي ملڪيت جيڪي قدرتي طور تي موجود نه آھن. ناڪاري اجازت ۽ ناڪاري پرميبلٽي سان ميٽاميٽريز کي کاٻي هٿ جي ميٽاميٽريز (LHMs) چئبو آهي. LHMs وڏي پيماني تي سائنسي ۽ انجنيئرنگ برادرين ۾ اڀياس ڪيا ويا آهن. 2003 ۾، LHMs کي سائنس ميگزين پاران معاصر دور جي مٿين ڏهه سائنسي پيش رفتن مان هڪ قرار ڏنو ويو. LHMs جي منفرد خاصيتن کي استحصال ڪندي نيون ايپليڪيشنون، تصورات ۽ ڊوائيسز ٺاهيا ويا آهن. ٽرانسميشن لائين (TL) طريقه ڪار هڪ مؤثر ڊزائين طريقو آهي جيڪو پڻ LHMs جي اصولن جو تجزيو ڪري سگهي ٿو. روايتي TLs جي مقابلي ۾، ميٽاميٽري TLs جي سڀ کان اهم خصوصيت TL پيرا ميٽرز (پراپيگيشن مستقل) ۽ خاصيت واري رڪاوٽ جي ڪنٽرول قابليت آهي. ميٽميٽريل TL پيٽرولر جي ڪنٽرول قابليت اينٽينا جي جوڙجڪ کي وڌيڪ ٺهيل سائيز، اعلي ڪارڪردگي، ۽ ناول افعال سان ڊزائين ڪرڻ لاء نوان خيال مهيا ڪري ٿي. شڪل 1 (a)، (b) ۽ (c) خالص ساڄي هٿ واري ٽرانسميشن لائين (PRH)، خالص کاٻي هٿ واري ٽرانسميشن لائين (PLH)، ۽ جامع کاٻي-هٿ-هٿ ٽرانسميشن لائين ( CRLH)، ترتيب سان. جيئن ته شڪل 1(a) ۾ ڏيکاريل آهي، PRH TL برابر سرڪٽ ماڊل عام طور تي سيريز انڊڪٽنس ۽ شنٽ ڪيپيسيٽينس جو ميلاپ آهي. جيئن ته شڪل 1(b) ۾ ڏيکاريل آهي، PLH TL سرڪٽ ماڊل شنٽ انڊڪٽانس ۽ سيريز ڪيپيسيٽينس جو مجموعو آهي. عملي ايپليڪيشنن ۾، PLH سرڪٽ کي لاڳو ڪرڻ ممڪن ناهي. اهو ناگزير پارسيٽڪ سيريز جي انڊڪٽانس ۽ شنٽ ڪيپيسيٽنس اثرات جي ڪري آهي. تنهن ڪري، کاٻي هٿ واري ٽرانسميشن لائين جون خاصيتون جيڪي هن وقت محسوس ڪري سگهجن ٿيون، اهي سڀئي جامع کاٻي هٿ ۽ ساڄي هٿ واريون جوڙجڪ آهن، جيئن شڪل 1(c) ۾ ڏيکاريل آهي.

شڪل 1 مختلف ٽرانسميشن لائين سرڪٽ ماڊل

ٽرانسميشن لائن (TL) جي پروپيگيشن مستقل (γ) حساب سان ڪيو ويو آهي: γ=α+jβ=Sqrt(ZY)، جتي Y ۽ Z ترتيب سان داخل ٿيڻ ۽ رڪاوٽ جي نمائندگي ڪن ٿا. غور ڪندي CRLH-TL، Z ۽ Y کي بيان ڪري سگهجي ٿو:

هڪ يونيفارم CRLH TL هيٺ ڏنل تڪراري تعلق رکي ٿو:

مرحلو مسلسل β هڪ خالص حقيقي نمبر يا خالص خيالي نمبر ٿي سگهي ٿو. جيڪڏهن β فريڪوئنسي رينج ۾ مڪمل طور تي حقيقي آهي، اتي حالت γ = jβ جي ڪري تعدد جي حد اندر پاس بينڊ آهي. ٻئي طرف، جيڪڏهن β هڪ خالص خيالي نمبر آهي فريڪوئنسي رينج اندر، اتي هڪ اسٽاپ بينڊ آهي فريڪوئنسي رينج جي اندر شرط γ=α جي ڪري. هي اسٽاپ بينڊ CRLH-TL لاءِ منفرد آهي ۽ PRH-TL يا PLH-TL ۾ موجود ناهي. انگ اکر 2 (a)، (b)، ۽ (c) PRH-TL، PLH-TL، ۽ CRLH-TL، ترتيب سان پکڙيل وکر (يعني ω - β تعلق) ڏيکاريو. منتشر وکر جي بنياد تي، ٽرانسميشن لائن جي گروپ جي رفتار (vg=∂ω/∂β) ۽ مرحلي جي رفتار (vp=ω/β) نڪتل ۽ اندازو لڳائي سگھجي ٿو. PRH-TL لاءِ، اهو به وکر مان اندازو لڳائي سگهجي ٿو ته vg ۽ vp متوازي آهن (يعني vpvg>0). PLH-TL لاءِ، وکر ڏيکاري ٿو ته vg ۽ vp متوازي نه آھن (يعني، vpvg<0). CRLH-TL جي ڦهلائڻ واري وکر پڻ LH علائقي جي وجود کي ظاهر ڪري ٿو (يعني، vpvg <0) ۽ RH علائقي (يعني، vpvg> 0). جيئن تصوير 2(c) مان ڏسي سگھجي ٿو، CRLH-TL لاءِ، جيڪڏھن γ ھڪڙو خالص حقيقي نمبر آھي، اتي ھڪڙو اسٽاپ بينڊ آھي.

شڪل 2 مختلف ٽرانسميشن لائينن جا منتشر وکر

عام طور تي، هڪ CRLH-TL جو سلسلو ۽ متوازي گونج مختلف آهن، جنهن کي هڪ غير متوازن حالت سڏيو ويندو آهي. تنهن هوندي، جڏهن سيريز ۽ متوازي گونج جي تعدد ساڳيا آهن، ان کي هڪ متوازن رياست سڏيو ويندو آهي، ۽ نتيجي ۾ ٺهيل هڪجهڙائي وارو سرڪٽ ماڊل شڪل 3(a) ۾ ڏيکاريل آهي.

شڪل 3 سرڪٽ ماڊل ۽ ڊسپريشن وکر جامع کاٻي هٿ واري ٽرانسميشن لائين

جيئن فریکوئنسي وڌائي ٿي، سي آر ايل ايڇ-ٽي ايل جي منتشر خاصيتون آهستي آهستي وڌائي ٿي. اهو ئي سبب آهي ته مرحلي جي رفتار (يعني، vp = ω/β) وڌندي وڌندي فريڪوئنسي تي منحصر آهي. گھٽ تعدد تي، CRLH-TL تي LH جو تسلط آهي، جڏهن ته اعلي تعدد تي، CRLH-TL تي RH جي تسلط آهي. هي CRLH-TL جي ٻٽي فطرت کي ظاهر ڪري ٿو. برابري وارو CRLH-TL تڪراري خاڪو تصوير 3(b) ۾ ڏيکاريو ويو آهي. جيئن تصوير 3 (b) ۾ ڏيکاريل آهي، LH کان RH تائين منتقلي ٿيندي آهي:

جتي ω0 منتقلي جي تعدد آهي. تنهن ڪري، متوازن صورت ۾، LH کان RH تائين هڪ آسان منتقلي ٿئي ٿي، ڇاڪاڻ ته γ هڪ خالص خيالي نمبر آهي. تنهن ڪري، متوازن CRLH-TL منتشر لاء ڪو به اسٽاپ بند نه آهي. جيتوڻيڪ β ω0 تي صفر آهي (هدايت واري موج جي لامحدود نسبتي، يعني λg=2π/|β|)، موج اڃا تائين پروپيگنڊا ڪري ٿي ڇو ته ω0 تي vg صفر نه آهي. اهڙي طرح، ω0 تي، مرحلو شفٽ صفر آهي TL جي ڊيگهه ڊي لاءِ (يعني φ= - βd=0). مرحلو اڳواٽ (يعني، φ>0) LH فريڪوئنسي رينج ۾ ٿئي ٿو (يعني، ω<ω0)، ۽ مرحلو رٽارڊيشن (يعني، φ<0) RH فريڪوئنسي رينج ۾ ٿئي ٿو (يعني، ω>ω0). CRLH TL لاءِ، خصوصيت جي رڪاوٽ ھيٺ ڏنل بيان ڪئي وئي آھي:

جتي ZL ۽ ZR ترتيب وار PLH ۽ PRH رڪاوٽون آهن. غير متوازن صورت لاء، خاصيت جي رڪاوٽ تعدد تي منحصر آهي. مٿي ڏنل مساوات ڏيکاري ٿو ته متوازن ڪيس فريڪوئنسي کان آزاد آهي، تنهنڪري ان ۾ وسيع بينڊوڊٿ ميچ ٿي سگهي ٿي. مٿي نڪتل TL مساوات بنيادي معيارن سان ملندڙ جلندڙ آهي جيڪي CRLH مواد کي بيان ڪن ٿا. TL جو پروپيگيشن مستقل γ=jβ=Sqrt(ZY) آهي. مواد جي مسلسل پروپيگيشن (β=ω x Sqrt(εμ))، هيٺ ڏنل مساوات حاصل ڪري سگهجي ٿي:

ساڳيءَ طرح، TL جي خصوصيت جي رڪاوٽ، يعني Z0=Sqrt(ZY)، مادي جي خصوصيت واري رڪاوٽ سان ملندڙ جلندڙ آهي، يعني η=Sqrt(μ/ε)، جنهن کي بيان ڪيو ويو آهي:

متوازن ۽ غير متوازن CRLH-TL (يعني، n = cβ/ω) جو اضطراري انڊيڪس تصوير 4 ۾ ڏيکاريو ويو آهي. شڪل 4 ۾، CRLH-TL جو انديشي انڊيڪس ان جي LH رينج ۾ منفي آهي ۽ ان جي RH ۾ ريفريڪٽو انڊيڪس. حد مثبت آهي.

تصوير. 4 متوازن ۽ غير متوازن CRLH TLs جا عام اضطراب انڊيڪس.

1. ايل سي نيٽ ورڪ
تصوير 5(a) ۾ ڏيکاريل بينڊ پاس LC سيلز کي ڇڪڻ سان، ھڪ عام CRLH-TL ڊگھائي ڊي جي مؤثر يونيفارم سان گڏ وقتي طور تي يا غير وقتي طور تي تعمير ڪري سگھجي ٿو. عام طور تي، CRLH-TL جي حساب ۽ پيداوار جي سهولت کي يقيني بڻائڻ لاء، سرڪٽ کي وقتي هجڻ جي ضرورت آهي. شڪل 1(c) جي ماڊل جي مقابلي ۾، شڪل 5(a) جي سرڪٽ سيل جي ڪا سائيز نه آھي ۽ جسماني ڊگھائي لاتعداد ننڍي آھي (يعني Δz ميٽرن ۾). ان جي برقي لمبائي θ=Δφ (rad) تي غور ڪندي، LC سيل جو مرحلو بيان ڪري سگھجي ٿو. جڏهن ته، حقيقت ۾ لاڳو ٿيل انسائيڪلوپيڊيا ۽ ظرفيت کي محسوس ڪرڻ لاء، هڪ جسماني ڊگھائي p قائم ڪرڻ جي ضرورت آهي. ايپليڪيشن ٽيڪنالاجي جو انتخاب (جهڙوڪ microstrip، coplanar waveguide، مٿاڇري جي جبل اجزاء، وغيره) LC سيل جي جسماني سائيز کي متاثر ڪندو. شڪل 5(a) جو LC سيل شڪل 1(c) جي وڌندڙ ماڊل سان ملندڙ جلندڙ آهي، ۽ ان جي حد p=Δz→0. شڪل 5(b) ۾ هڪجهڙائي واري حالت p → 0 جي مطابق، هڪ TL ٺاهي سگهجي ٿو (LC سيلن کي cascading ڪندي) جيڪو هڪ مثالي يونيفارم CRLH-TL جي ڊگھائي d جي برابر آهي، ته جيئن TL برقي مقناطيسي لهرن جي برابر نظر اچي.

شڪل 5 CRLH TL LC نيٽ ورڪ تي ٻڌل.

LC سيل لاءِ، Bloch-Floquet Theorem سان ملندڙ وقتي حدن جي حالتن (PBCs) تي غور ڪندي، LC سيل جي تڪراري لاڳاپي کي ثابت ڪيو ويو آھي ۽ ھيٺ ڏنل بيان ڪيو ويو آھي:

سيريز جي رڪاوٽ (Z) ۽ LC سيل جي شنٽ ايڊميشن (Y) هيٺين مساواتن جي ذريعي طئي ٿيل آهن:

جيئن ته يونٽ ايل سي سرڪٽ جي برقي لمبائي تمام ننڍڙو آهي، ٽيلر تقريبن حاصل ڪرڻ لاء استعمال ڪري سگهجي ٿو:

2. جسماني عمل
پوئين حصي ۾، LC نيٽ ورڪ CRLH-TL پيدا ڪرڻ لاء بحث ڪيو ويو آهي. اهڙا LC نيٽ ورڪ صرف جسماني اجزاء کي اپنائڻ سان محسوس ڪري سگھجن ٿيون جيڪي گهربل صلاحيت (CR ۽ CL) ۽ inductance (LR ۽ LL) پيدا ڪري سگھن ٿيون. تازن سالن ۾، سطح جي ماؤنٽ ٽيڪنالاجي (SMT) چپ اجزاء يا ورهايل اجزاء جي ايپليڪيشن وڏي دلچسپي کي وڌايو آهي. Microstrip، stripline، coplanar waveguide يا ٻيون ساڳيون ٽيڪنالاجيون استعمال ڪري سگھجن ٿيون ورهايل حصن کي محسوس ڪرڻ لاءِ. غور ڪرڻ لاءِ ڪيترائي عنصر آھن جڏھن SMT چپس يا ورهايل اجزاء کي چونڊيو. SMT تي ٻڌل CRLH جوڙجڪ وڌيڪ عام آهن ۽ تجزيي ۽ ڊيزائن جي لحاظ کان لاڳو ڪرڻ آسان آهن. اھو آھي آف دي شيلف ايس ايم ٽي چپ اجزاء جي دستيابي جي ڪري، جن کي ورهايل اجزاء جي مقابلي ۾ ريموڊنگ ۽ پيداوار جي ضرورت نه آھي. بهرحال، SMT اجزاء جي دستيابي ڀريل آهي، ۽ اهي عام طور تي صرف گهٽ تعدد تي ڪم ڪن ٿا (يعني، 3-6GHz). تنهن ڪري، SMT-based CRLH جوڙجڪ ۾ محدود آپريٽنگ فریکوئنسي رينجز ۽ مخصوص مرحلن جون خاصيتون آهن. مثال طور، ريڊيٽنگ ايپليڪيشنن ۾، ايس ايم ٽي چپ اجزاء ممڪن نه هوندا. شڪل 6 ڏيکاري ٿو ورهايل جوڙجڪ CRLH-TL جي بنياد تي. ڍانچي کي interdigital capacitance ۽ شارٽ سرڪٽ لائينن ذريعي محسوس ڪيو ويو آهي، ترتيب سان سيريز capacitance CL ۽ LH جي متوازي انڊڪٽنس LL ٺاهيندي. لڪير ۽ GND جي وچ ۾ ظرفيت کي RH capacitance CR سمجهيو ويندو آهي، ۽ مقناطيسي وهڪري پاران ٺاهيل انڊڪٽينس کي انٽرڊجيٽل ڍانچي ۾ موجوده وهڪري مان ٺهيل RH انڊڪٽنس LR سمجهيو ويندو آهي.