Labarai - Sharhin Entennas na Layin Watsawa na Ƙarfe

I. Gabatarwa
Za a iya bayyana metamaterials a matsayin tsarin da aka ƙera ta hanyar wucin gadi don samar da wasu kaddarorin lantarki waɗanda ba sa wanzuwa ta halitta. Ana kiran metamaterials masu izinin barin aiki da kuma ikon shiga cikin yanayi mara kyau metamaterials na hagu (LHMs). An yi nazari sosai kan LHMs a cikin al'ummomin kimiyya da injiniyanci. A cikin 2003, mujallar Kimiyya ta sanya wa LHMs suna ɗaya daga cikin manyan ci gaban kimiyya guda goma na wannan zamani. An haɓaka sabbin aikace-aikace, ra'ayoyi, da na'urori ta hanyar amfani da keɓaɓɓun kaddarorin LHMs. Hanyar layin watsawa (TL) hanya ce mai inganci ta ƙira wacce kuma za ta iya nazarin ƙa'idodin LHMs. Idan aka kwatanta da TLs na gargajiya, mafi mahimmancin fasalin TLs na metamaterial shine ikon sarrafa sigogin TL (tsarin yaduwa) da kuma juriyar halayyar. Ikon sarrafa sigogin TL na metamaterial yana ba da sabbin ra'ayoyi don tsara tsarin eriya tare da ƙaramin girma, aiki mafi girma, da sabbin ayyuka. Hoto na 1 (a), (b), da (c) suna nuna samfuran da'ira marasa asara na layin watsawa na hannun dama mai tsarki (PRH), layin watsawa na hannun hagu mai tsarki (PLH), da layin watsawa na hannun hagu mai tsarki (CRLH), bi da bi. Kamar yadda aka nuna a Hoto na 1(a), samfurin da'ira mai daidai da PRH TL yawanci haɗuwa ne na inductance na jerin da ikon shunt. Kamar yadda aka nuna a Hoto na 1(b), samfurin da'ira na PLH TL haɗuwa ne na inductance na shunt da ƙarfin jeri. A aikace-aikace na aiki, ba zai yiwu a aiwatar da da'irar PLH ba. Wannan ya faru ne saboda inductance na jerin parasitic da tasirin ikon shunt wanda ba za a iya mantawa da shi ba. Saboda haka, halayen layin watsawa na hannun hagu wanda za a iya samu a halin yanzu duk tsarin haɗin hagu ne da hannun dama, kamar yadda aka nuna a Hoto na 1(c).

Hoto na 1: Tsarin da'irar layin watsawa daban-daban

Ana ƙididdige ma'aunin yaɗuwa (γ) na layin watsawa (TL) kamar haka: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), inda Y da Z ke wakiltar shigarwa da kuma impedance bi da bi. Idan aka yi la'akari da CRLH-TL, ana iya bayyana Z da Y kamar haka:

CRLH TL mai daidaito zai sami alaƙar watsawa mai zuwa:

β ɗin da ke tsaye a matakin zai iya zama lamba ta gaske ko kuma lamba ta zahiri. Idan β ya kasance ta gaske a cikin kewayon mita, akwai hanyar wucewa a cikin kewayon mita saboda yanayin γ=jβ. A gefe guda kuma, idan β lamba ce ta tunani kawai a cikin kewayon mita, akwai hanyar tsayawa a cikin kewayon mita saboda yanayin γ=α. Wannan hanyar tsayawa ta musamman ce ga CRLH-TL kuma ba ta wanzu a cikin PRH-TL ko PLH-TL. Hotuna na 2 (a), (b), da (c) suna nuna lanƙwasawar watsawa (watau, dangantakar ω - β) na PRH-TL, PLH-TL, da CRLH-TL, bi da bi. Dangane da lanƙwasawar watsawa, ana iya samowa da kimanta saurin rukuni (vg=∂ω/∂β) da saurin mataki (vp=ω/β) na layin watsawa. Ga PRH-TL, ana iya kuma fahimtar daga lanƙwasa cewa vg da vp suna layi ɗaya (watau, vpvg>0). Ga PLH-TL, lanƙwasa yana nuna cewa vg da vp ba su da alaƙa (watau, vpvg<0). Lanƙwasawar watsawa na CRLH-TL kuma yana nuna wanzuwar yankin LH (watau, vpvg <0) da yankin RH (watau, vpvg > 0). Kamar yadda za a iya gani daga Hoto na 2(c), ga CRLH-TL, idan γ lamba ce ta gaske, akwai tazarar tsayawa.

Hoto na 2 Layukan watsawa na layukan watsawa daban-daban

Yawanci, jerin da kuma layi ɗaya na CRLH-TL sun bambanta, wanda ake kira yanayin da ba shi da daidaito. Duk da haka, idan jerin da mitoci masu layi ɗaya suka kasance iri ɗaya, ana kiransa yanayin da ya dace, kuma an nuna samfurin da'irar da aka sauƙaƙe wanda ya biyo baya a Hoto na 3(a).

Hoto na 3 Tsarin da'ira da lanƙwasa na layin watsawa mai haɗaka na hannun hagu

Yayin da mitar ke ƙaruwa, halayen watsawa na CRLH-TL suna ƙaruwa a hankali. Wannan saboda saurin lokaci (watau, vp=ω/β) yana ƙara dogaro da mita. A ƙananan mitoci, CRLH-TL yana mamaye ta LH, yayin da a manyan mitoci, CRLH-TL yana mamaye ta RH. Wannan yana nuna yanayin CRLH-TL guda biyu. An nuna jadawalin watsawa na CRLH-TL daidaitacce a Hoto na 3(b). Kamar yadda aka nuna a Hoto na 3(b), sauyawa daga LH zuwa RH yana faruwa a:

Inda ω0 shine mitar sauyawa. Saboda haka, a cikin yanayin daidaitawa, sauyawa mai santsi yana faruwa daga LH zuwa RH saboda γ lamba ce ta zato kawai. Saboda haka, babu wani tsayayyen madauri don watsawar CRLH-TL mai daidaitawa. Kodayake β sifili ne a ω0 (mara iyaka dangane da tsawon tsayin da aka jagoranta, watau, λg=2π/|β|), raƙuman har yanzu suna yaɗuwa saboda vg a ω0 ba sifili bane. Hakazalika, a ω0, canjin lokaci sifili ne ga TL na tsawon d (watau, φ= - βd=0). Ci gaban lokaci (watau, φ>0) yana faruwa a cikin kewayon mitar LH (watau, ω<ω0), kuma jinkirin lokaci (watau, φ<0) yana faruwa a cikin kewayon mitar RH (watau, ω>ω0). Ga CRLH TL, an bayyana impedance na halayyar kamar haka:

Inda ZL da ZR sune impedances na PLH da PRH, bi da bi. Ga yanayin da ba shi da daidaito, impedance na halayyar ya dogara da mitar. Lissafin da ke sama ya nuna cewa yanayin da aka daidaita ba shi da bambanci da mitar, don haka yana iya samun daidaitaccen bandwidth. Lissafin TL da aka samo a sama yayi kama da sigogin tsari waɗanda ke bayyana kayan CRLH. Matsakaicin yaduwa na TL shine γ=jβ=Sqrt(ZY). Idan aka yi la'akari da daidaitaccen yaduwa na kayan (β=ω x Sqrt(εμ)), ana iya samun lissafi mai zuwa:

Hakazalika, haɓakar halayyar TL, watau, Z0=Sqrt(ZY), yayi kama da haɓakar halayyar kayan, watau, η=Sqrt(μ/ε), wanda aka bayyana kamar haka:

An nuna ma'aunin refractive na CRLH-TL mai daidaito da rashin daidaito (watau, n = cβ/ω) a Hoto na 4. A Hoto na 4, ma'aunin refractive na CRLH-TL a cikin kewayon LH ɗinsa yana da korau kuma ma'aunin refractive a cikin kewayon RH ɗinsa yana da kyau.

Hoto na 4. Ma'aunin haske na yau da kullun na CRLH TLs masu daidaito da marasa daidaito.

1. Cibiyar sadarwa ta LC
Ta hanyar haɗa ƙwayoyin LC masu wucewa da aka nuna a Hoto na 5(a), ana iya gina wani nau'in CRLH-TL na yau da kullun tare da daidaiton tsayin d lokaci-lokaci ko kuma ba lokaci-lokaci ba. Gabaɗaya, domin tabbatar da sauƙin lissafi da ƙera CRLH-TL, da'irar tana buƙatar zama lokaci-lokaci. Idan aka kwatanta da samfurin Hoto na 1(c), tantanin da'irar Hoto na 5(a) ba shi da girma kuma tsawon jiki ƙanƙanta ne (watau, Δz a cikin mita). Idan aka yi la'akari da tsawon wutar lantarkinsa θ=Δφ (rad), ana iya bayyana matakin tantanin LC. Duk da haka, domin a zahiri a gane inductance da capacitance da aka yi amfani da shi, ana buƙatar a kafa tsawon p na zahiri. Zaɓin fasahar aikace-aikace (kamar microstrip, jagorar waveguide na coplanar, abubuwan hawa na saman, da sauransu) zai shafi girman jiki na tantanin LC. Tantanin LC na Hoto na 5(a) yayi kama da samfurin ƙari na Hoto na 1(c), da iyakarsa p=Δz→0. Dangane da yanayin daidaito p→0 a cikin Hoto na 5(b), ana iya gina TL (ta hanyar haɗa ƙwayoyin LC) wanda yayi daidai da daidaitaccen CRLH-TL mai tsayi d, don haka TL ya bayyana iri ɗaya da raƙuman lantarki.

Hoto na 5 CRLH TL bisa ga hanyar sadarwar LC.

Ga tantanin LC, idan aka yi la'akari da yanayin iyakokin lokaci (PBCs) kamar ka'idar Bloch-Floquet, an tabbatar da dangantakar watsawa ta tantanin LC kuma an bayyana ta kamar haka:

Ana ƙayyade impedance na jerin (Z) da shunt admittance (Y) na tantanin LC ta hanyar lissafin masu zuwa:

Tunda tsawon wutar lantarki na na'urar da'irar LC ƙarami ne, ana iya amfani da kimantawar Taylor don samun:

2. Aiwatarwa ta zahiri
A cikin sashe na baya, an tattauna hanyar sadarwar LC don samar da CRLH-TL. Irin waɗannan hanyoyin sadarwa na LC za a iya cimma su ne kawai ta hanyar ɗaukar abubuwan da ake buƙata na zahiri waɗanda za su iya samar da ƙarfin da ake buƙata (CR da CL) da inductance (LR da LL). A cikin 'yan shekarun nan, aikace-aikacen sassan guntu na fasahar hawa saman (SMT) ko sassan da aka rarraba ya jawo hankali sosai. Ana iya amfani da Microstrip, stripline, coplanar waveguide ko wasu fasahohi makamantan su don cimma abubuwan da aka rarraba. Akwai abubuwa da yawa da za a yi la'akari da su lokacin zaɓar guntu na SMT ko sassan da aka rarraba. Tsarin CRLH na SMT ya fi yawa kuma yana da sauƙin aiwatarwa dangane da bincike da ƙira. Wannan ya faru ne saboda samuwar sassan guntu na SMT waɗanda ba sa buƙatar gyara da ƙera su idan aka kwatanta da sassan da aka rarraba. Duk da haka, samuwar sassan SMT ya watse, kuma yawanci suna aiki ne kawai a ƙananan mitoci (watau, 3-6GHz). Saboda haka, tsarin CRLH na SMT yana da iyakataccen kewayon mitoci na aiki da takamaiman halaye na lokaci. Misali, a cikin aikace-aikacen radiating, sassan guntu na SMT bazai yiwu ba. Siffa ta 6 ta nuna tsarin da aka rarraba bisa ga CRLH-TL. Tsarin yana samuwa ta hanyar layin interdigital capacitance da short-circuit, wanda ke samar da jerin capacitance CL da parallel inductance LL na LH bi da bi. Ana ɗaukar capacitance tsakanin layin da GND shine RH capacitance CR, kuma inductance da aka samar da shi ta hanyar magnetic flux wanda kwararar yanzu ta samar a cikin tsarin interdigital ana ɗauka shine RH inductance LR.