ព័ត៌មាន - ការពិនិត្យឡើងវិញនៃអង់តែនខ្សែបញ្ជូនមេតាប៉ូលីស

I. សេចក្តីផ្តើម
Metamaterials អាចត្រូវបានពិពណ៌នាយ៉ាងល្អបំផុតថាជារចនាសម្ព័ន្ធដែលត្រូវបានរចនាឡើងដោយសិប្បនិម្មិតដើម្បីផលិតលក្ខណៈអេឡិចត្រូម៉ាញ៉េទិចជាក់លាក់ដែលមិនមានពីធម្មជាតិ។ Metamaterials with negative permittivity and negative permeability is called left-handed metamaterials (LHMs)។ LHMs ត្រូវបានសិក្សាយ៉ាងទូលំទូលាយនៅក្នុងសហគមន៍វិទ្យាសាស្ត្រ និងវិស្វកម្ម។ ក្នុងឆ្នាំ 2003 LHMs ត្រូវបានគេដាក់ឈ្មោះថាជារបកគំហើញវិទ្យាសាស្ត្រកំពូលទាំងដប់នៃយុគសម័យសហសម័យដោយទស្សនាវដ្តីវិទ្យាសាស្រ្ត។ កម្មវិធី គំនិត និងឧបករណ៍ថ្មីត្រូវបានបង្កើតឡើងដោយការទាញយកលក្ខណៈសម្បត្តិពិសេសរបស់ LHMs ។ វិធីសាស្រ្តខ្សែបញ្ជូន (TL) គឺជាវិធីសាស្ត្ររចនាដ៏មានប្រសិទ្ធភាពដែលអាចវិភាគគោលការណ៍នៃ LHMs ផងដែរ។ បើប្រៀបធៀបជាមួយ TLs ប្រពៃណី លក្ខណៈពិសេសដ៏សំខាន់បំផុតនៃ TLs មេតាគឺភាពអាចគ្រប់គ្រងបាននៃប៉ារ៉ាម៉ែត្រ TL (ការបន្តពូជថេរ) និងលក្ខណៈ impedance ។ ភាពអាចគ្រប់គ្រងបាននៃប៉ារ៉ាម៉ែត្រ TL នៃមេតាណុលផ្តល់នូវគំនិតថ្មីសម្រាប់ការរចនារចនាសម្ព័ន្ធអង់តែនដែលមានទំហំតូចជាងមុន ដំណើរការកាន់តែខ្ពស់ និងមុខងារប្រលោមលោក។ រូបភាពទី 1 (a), (b) និង (c) បង្ហាញពីគំរូសៀគ្វីដែលគ្មានការបាត់បង់នៃខ្សែបញ្ជូនខាងស្តាំសុទ្ធ (PRH) ខ្សែបញ្ជូនដៃឆ្វេងសុទ្ធ (PLH) និងខ្សែបញ្ជូនឆ្វេងស្តាំដែលផ្សំគ្នា ( CRLH) រៀងៗខ្លួន។ ដូចដែលបានបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 1(a) គំរូសៀគ្វីសមមូល PRH TL ជាធម្មតាជាការរួមបញ្ចូលគ្នានៃអាំងឌុចទ័រស៊េរី និងសមត្ថភាព shunt ។ ដូចដែលបានបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 1(b) គំរូសៀគ្វី PLH TL គឺជាការរួមបញ្ចូលគ្នានៃ shunt inductance និង capacitance ស៊េរី។ នៅក្នុងការអនុវត្តជាក់ស្តែង វាមិនអាចអនុវត្តសៀគ្វី PLH បានទេ។ នេះគឺដោយសារតែ inductance ស៊េរីប៉ារ៉ាស៊ីតដែលមិនអាចជៀសបាន និងឥទ្ធិពល shunt capacitance ។ ដូច្នេះ លក្ខណៈនៃខ្សែបញ្ជូនដៃឆ្វេង ដែលអាចដឹងបាននាពេលបច្ចុប្បន្ន គឺសុទ្ធតែជារចនាសម្ព័ន្ធដៃឆ្វេង និងដៃស្តាំដែលផ្សំគ្នា ដូចបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី ១(គ)។

រូបភាពទី 1 ម៉ូដែលសៀគ្វីខ្សែបញ្ជូនផ្សេងគ្នា

ថេរបន្តពូជ (γ) នៃខ្សែបញ្ជូន (TL) ត្រូវបានគណនាជា៖ γ=α+jβ=Sqrt(ZY) ដែល Y និង Z តំណាងឱ្យការទទួលយក និងឧបសគ្គរៀងៗខ្លួន។ ដោយពិចារណាលើ CRLH-TL, Z និង Y អាចត្រូវបានបង្ហាញជា៖

ឯកសណ្ឋាន CRLH TL នឹងមានទំនាក់ទំនងបែកខ្ញែកដូចខាងក្រោមៈ

ដំណាក់កាលថេរ β អាចជាចំនួនពិតសុទ្ធសាធ ឬជាលេខស្រមើលស្រមៃសុទ្ធសាធ។ ប្រសិនបើ β គឺពិតប្រាកដទាំងស្រុងនៅក្នុងជួរប្រេកង់ នោះមាន passband នៅក្នុងជួរប្រេកង់ដោយសារតែលក្ខខណ្ឌ γ=jβ។ ម្យ៉ាងវិញទៀត ប្រសិនបើ β គឺជាចំនួនស្រមើលស្រមៃសុទ្ធសាធក្នុងជួរប្រេកង់ នោះមានសញ្ញាឈប់នៅក្នុងជួរប្រេកង់ដោយសារតែលក្ខខណ្ឌ γ=α ។ stopband នេះគឺមានតែមួយគត់សម្រាប់ CRLH-TL ហើយមិនមាននៅក្នុង PRH-TL ឬ PLH-TL ទេ។ រូបភាពទី 2 (a), (b) និង (c) បង្ហាញពីខ្សែកោងបែកខ្ញែក (ពោលគឺទំនាក់ទំនង ω - β) នៃ PRH-TL, PLH-TL និង CRLH-TL រៀងគ្នា។ ដោយផ្អែកលើខ្សែកោងនៃការបែកខ្ញែក ល្បឿនក្រុម (vg=∂ω/∂β) និងល្បឿនដំណាក់កាល (vp=ω/β) នៃខ្សែបញ្ជូនអាចទទួលបាន និងប៉ាន់ស្មាន។ សម្រាប់ PRH-TL វាក៏អាចត្រូវបានសន្និដ្ឋានពីខ្សែកោងដែល vg និង vp គឺស្របគ្នា (ឧទាហរណ៍ vpvg>0) ។ សម្រាប់ PLH-TL ខ្សែកោងបង្ហាញថា vg និង vp មិនស្របគ្នាទេ (ពោលគឺ vpvg<0)។ ខ្សែកោងបែកខ្ចាត់ខ្ចាយនៃ CRLH-TL ក៏បង្ហាញពីអត្ថិភាពនៃតំបន់ LH (ឧទាហរណ៍ vpvg < 0) និងតំបន់ RH (ឧទាហរណ៍ vpvg > 0) ។ ដូចដែលអាចមើលឃើញពីរូបភាពទី 2 (គ) សម្រាប់ CRLH-TL ប្រសិនបើ γ ជាចំនួនពិតសុទ្ធនោះ មានក្រុមឈប់។

រូបភាពទី 2 ខ្សែកោងបែកខ្ញែកនៃខ្សែបញ្ជូនផ្សេងៗគ្នា

ជាធម្មតា ស៊េរី និងប៉ារ៉ាឡែល resonances នៃ CRLH-TL គឺខុសគ្នា ដែលត្រូវបានគេហៅថាស្ថានភាពគ្មានតុល្យភាព។ ទោះយ៉ាងណាក៏ដោយ នៅពេលដែលស៊េរី និងប្រេកង់ស្របគ្នាស្របគ្នា វាត្រូវបានគេហៅថាស្ថានភាពតុល្យភាព ហើយលទ្ធផលនៃគំរូសៀគ្វីសមមូលសាមញ្ញត្រូវបានបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 3(a)។

រូបភាពទី 3 គំរូសៀគ្វី និងខ្សែកោងបែកខ្ចាត់ខ្ចាយនៃខ្សែបញ្ជូនដៃឆ្វេងសមាសធាតុ

នៅពេលដែលប្រេកង់កើនឡើង លក្ខណៈនៃការបែកខ្ញែកនៃ CRLH-TL កើនឡើងជាលំដាប់។ នេះគឺដោយសារតែល្បឿនដំណាក់កាល (ឧទាហរណ៍ vp=ω/β) កាន់តែពឹងផ្អែកលើប្រេកង់។ នៅប្រេកង់ទាប CRLH-TL ត្រូវបានគ្រប់គ្រងដោយ LH ខណៈពេលដែលនៅប្រេកង់ខ្ពស់ CRLH-TL ត្រូវបានគ្រប់គ្រងដោយ RH ។ នេះបង្ហាញពីលក្ខណៈពីរនៃ CRLH-TL ។ ដ្យាក្រាមការបែកខ្ញែកលំនឹង CRLH-TL ត្រូវបានបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 3(b)។ ដូចដែលបានបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 3(b) ការផ្លាស់ប្តូរពី LH ទៅ RH កើតឡើងនៅ៖

ដែល ω0 គឺជាប្រេកង់ផ្លាស់ប្តូរ។ ដូច្នេះក្នុងករណីមានតុល្យភាព ការផ្លាស់ប្តូរដោយរលូនកើតឡើងពី LH ទៅ RH ពីព្រោះ γ គឺជាចំនួនស្រមើលស្រមៃសុទ្ធសាធ។ ដូច្នេះហើយ គ្មានក្រុមឈប់សម្រាកសម្រាប់ការបែកខ្ចាត់ខ្ចាយ CRLH-TL ដែលមានតុល្យភាពទេ។ ទោះបីជា β គឺសូន្យនៅ ω0 (គ្មានដែនកំណត់ ទាក់ទងទៅនឹងប្រវែងរលកដឹកនាំ ពោលគឺ λg = 2π/|β|) រលកនៅតែបន្តផ្សាយព្រោះ vg នៅ ω0 មិនមែនជាសូន្យទេ។ ដូចគ្នានេះដែរនៅ ω0 ការផ្លាស់ប្តូរដំណាក់កាលគឺសូន្យសម្រាប់ TL នៃប្រវែង d (ឧ, φ= - βd=0) ។ ដំណាក់កាលឈានទៅមុខ (ពោលគឺ φ>0) កើតឡើងនៅក្នុងជួរប្រេកង់ LH (ឧ, ω<ω0) ហើយការពន្យារដំណាក់កាល (ពោលគឺ φ<0) កើតឡើងនៅក្នុងជួរប្រេកង់ RH (ឧ, ω>ω0) ។ សម្រាប់ CRLH TL, impedance លក្ខណៈត្រូវបានពិពណ៌នាដូចខាងក្រោម:

កន្លែងដែល ZL និង ZR គឺជា PLH និង PRH impedances រៀងគ្នា។ សម្រាប់ករណីមិនមានតុល្យភាព ភាពធន់នឹងលក្ខណៈអាស្រ័យលើប្រេកង់។ សមីការខាងលើបង្ហាញថាករណីដែលមានតុល្យភាពគឺឯករាជ្យនៃប្រេកង់ ដូច្នេះវាអាចមានការផ្គូផ្គងកម្រិតបញ្ជូនដ៏ធំទូលាយ។ សមីការ TL ដែលបានមកពីខាងលើគឺស្រដៀងគ្នាទៅនឹងប៉ារ៉ាម៉ែត្របង្កើតដែលកំណត់សម្ភារៈ CRLH ។ ថេរនៃការផ្សព្វផ្សាយរបស់ TL គឺ γ = jβ = Sqrt (ZY) ។ ដោយបានផ្តល់ឱ្យថេរនៃការសាយភាយនៃសម្ភារៈ (β = ω x Sqrt (εμ)) សមីការខាងក្រោមអាចត្រូវបានទទួលបាន:

ស្រដៀងគ្នានេះដែរ impedance លក្ខណៈនៃ TL ពោលគឺ Z0=Sqrt(ZY) គឺស្រដៀងគ្នាទៅនឹងលក្ខណៈ impedance នៃសម្ភារៈពោលគឺ η=Sqrt(μ/ε) ដែលត្រូវបានបង្ហាញជា៖

សន្ទស្សន៍ចំណាំងបែរនៃ CRLH-TL ដែលមានតុល្យភាព និងមិនមានតុល្យភាព (ពោលគឺ n = cβ/ω) ត្រូវបានបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 4 ។ ក្នុងរូបភាពទី 4 សន្ទស្សន៍ចំណាំងបែរនៃ CRLH-TL នៅក្នុងជួរ LH របស់វាគឺអវិជ្ជមាន ហើយសន្ទស្សន៍ចំណាំងបែរនៅក្នុង RH របស់វា ជួរគឺវិជ្ជមាន។

រូបភាពទី 4 សន្ទស្សន៍ចំណាំងបែរធម្មតានៃ CRLH TLs ដែលមានតុល្យភាព និងមិនមានតុល្យភាព។

1. បណ្តាញ LC
ដោយការកាត់កោសិកា bandpass LC ដែលបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 5(a) CRLH-TL ធម្មតាដែលមានភាពស្មើគ្នានៃប្រវែង d អាចសាងសង់តាមកាលកំណត់ ឬមិនមែនតាមកាលកំណត់។ ជាទូទៅ ដើម្បីធានាបាននូវភាពងាយស្រួលនៃការគណនា និងការផលិតនៃ CRLH-TL សៀគ្វីត្រូវការតាមកាលកំណត់។ បើប្រៀបធៀបជាមួយគំរូនៃរូបភាពទី 1(c) កោសិកាសៀគ្វីនៃរូបភាពទី 5(a) មិនមានទំហំទេ ហើយប្រវែងរូបវន្តគឺតូចបំផុត (ពោលគឺ Δz ជាម៉ែត្រ)។ ដោយគិតពីប្រវែងអគ្គិសនីរបស់វា θ=Δφ (rad) ដំណាក់កាលនៃកោសិកា LC អាចត្រូវបានបង្ហាញ។ ទោះយ៉ាងណាក៏ដោយ ដើម្បីដឹងការពិតអំពីអាំងឌុចស្យុង និង capacitance ប្រវែងរាងកាយ p ចាំបាច់ត្រូវបង្កើត។ ជម្រើសនៃបច្ចេកវិទ្យាកម្មវិធី (ដូចជា microstrip, coplanar waveguide, surface mount components ។ល។) នឹងប៉ះពាល់ដល់ទំហំរាងកាយរបស់កោសិកា LC ។ ក្រឡា LC នៃរូបភាពទី 5(a) គឺស្រដៀងទៅនឹងគំរូបន្ថែមនៃរូបភាពទី 1(c) និងដែនកំណត់របស់វា p=Δz→0។ យោងតាមលក្ខខណ្ឌឯកសណ្ឋាន p→0 ក្នុងរូបភាពទី 5(b) TL អាចត្រូវបានសាងសង់ (ដោយកោសិកា LC) ដែលស្មើនឹង CRLH-TL ឯកសណ្ឋានដ៏ល្អដែលមានប្រវែង d ដូច្នេះ TL លេចចេញជាឯកសណ្ឋានទៅនឹងរលកអេឡិចត្រូម៉ាញ៉េទិច។

រូបភាពទី 5 CRLH TL ផ្អែកលើបណ្តាញ LC ។

សម្រាប់កោសិកា LC ដោយពិចារណាលើលក្ខខណ្ឌព្រំដែនតាមកាលកំណត់ (PBCs) ស្រដៀងនឹងទ្រឹស្តីបទ Bloch-Floquet ទំនាក់ទំនងបែកខ្ចាត់ខ្ចាយនៃកោសិកា LC ត្រូវបានបង្ហាញ និងបង្ហាញដូចខាងក្រោម៖

ស៊េរី impedance (Z) និង shunt admittance (Y) នៃក្រឡា LC ត្រូវបានកំណត់ដោយសមីការដូចខាងក្រោម:

ដោយសារប្រវែងអគ្គិសនីនៃសៀគ្វី LC របស់អង្គភាពគឺតូចណាស់ ការប៉ាន់ស្មានរបស់ Taylor អាចត្រូវបានប្រើដើម្បីទទួលបាន៖

2. ការអនុវត្តរាងកាយ
នៅក្នុងផ្នែកមុន បណ្តាញ LC ដើម្បីបង្កើត CRLH-TL ត្រូវបានពិភាក្សា។ បណ្តាញ LC បែបនេះអាចដឹងបានតែតាមរយៈការទទួលយកសមាសធាតុរូបវន្តដែលអាចផលិតសមត្ថភាពដែលត្រូវការ (CR និង CL) និងអាំងឌុចស្យុង (LR និង LL) ។ ក្នុងរយៈពេលប៉ុន្មានឆ្នាំចុងក្រោយនេះ ការអនុវត្តបច្ចេកវិទ្យា ម៉ោនលើផ្ទៃ (SMT) សមាសធាតុបន្ទះឈីប ឬសមាសធាតុចែកចាយបានទាក់ទាញចំណាប់អារម្មណ៍យ៉ាងខ្លាំង។ Microstrip, stripline, coplanar waveguide ឬបច្ចេកវិទ្យាស្រដៀងគ្នាផ្សេងទៀតអាចត្រូវបានប្រើដើម្បីដឹងពីសមាសធាតុដែលបានចែកចាយ។ មានកត្តាជាច្រើនដែលត្រូវពិចារណានៅពេលជ្រើសរើសបន្ទះសៀគ្វី SMT ឬសមាសធាតុចែកចាយ។ រចនាសម្ព័ន្ធ CRLH ដែលមានមូលដ្ឋានលើ SMT គឺជារឿងធម្មតា និងងាយស្រួលក្នុងការអនុវត្តក្នុងលក្ខខណ្ឌនៃការវិភាគ និងការរចនា។ នេះគឺដោយសារតែភាពអាចរកបាននៃសមាសធាតុបន្ទះឈីប SMT ដែលមិនមាននៅក្នុងធ្នើ ដែលមិនតម្រូវឱ្យមានការកែប្រែ និងការផលិតឡើងវិញបើប្រៀបធៀបទៅនឹងសមាសធាតុដែលបានចែកចាយ។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ភាពអាចរកបាននៃសមាសធាតុ SMT ត្រូវបានខ្ចាត់ខ្ចាយ ហើយជាធម្មតាពួកវាដំណើរការតែនៅប្រេកង់ទាប (ឧទាហរណ៍ 3-6GHz) ។ ដូច្នេះរចនាសម្ព័ន្ធ CRLH ដែលមានមូលដ្ឋានលើ SMT មានជួរប្រេកង់ប្រតិបត្តិការមានកម្រិត និងលក្ខណៈដំណាក់កាលជាក់លាក់។ ជាឧទាហរណ៍ នៅក្នុងកម្មវិធីបញ្ចេញកាំរស្មី សមាសធាតុបន្ទះឈីប SMT ប្រហែលជាមិនអាចទៅរួចនោះទេ។ រូបភាពទី 6 បង្ហាញពីរចនាសម្ព័ន្ធចែកចាយដោយផ្អែកលើ CRLH-TL ។ រចនាសម្ព័ន្ធត្រូវបានដឹងដោយ capacitance interdigital និងបន្ទាត់សៀគ្វីខ្លីដែលបង្កើតជាស៊េរី capacitance CL និង parallel inductance LL នៃ LH រៀងគ្នា។ capacitance រវាងបន្ទាត់និង GND ត្រូវបានសន្មត់ថាជា RH capacitance CR ហើយអាំងឌុចស្យុងដែលបង្កើតដោយលំហូរម៉ាញេទិកដែលបង្កើតឡើងដោយលំហូរបច្ចុប្បន្ននៅក្នុងរចនាសម្ព័ន្ធ interdigital ត្រូវបានសន្មតថាជា RH inductance LR ។