செய்திகள் - மெட்டாமீட்டீரியல் டிரான்ஸ்மிஷன் லைன் ஆண்டெனாக்கள் பற்றிய ஒரு ஆய்வு

I. அறிமுகம்
மெட்டாமீட்டீரியல்கள் என்பவை, இயற்கையாக இல்லாத சில மின்காந்தப் பண்புகளை உருவாக்குவதற்காக செயற்கையாக வடிவமைக்கப்பட்ட கட்டமைப்புகள் எனச் சிறப்பாக விவரிக்கப்படலாம். எதிர்மறை மின்கடத்துத்திறன் மற்றும் எதிர்மறை காந்த ஊடுருவுத்திறன் கொண்ட மெட்டாமீட்டீரியல்கள் இடது கை மெட்டாமீட்டீரியல்கள் (LHMs) என்று அழைக்கப்படுகின்றன. LHMs அறிவியல் மற்றும் பொறியியல் சமூகங்களில் விரிவாக ஆய்வு செய்யப்பட்டுள்ளன. 2003-ல், சயின்ஸ் இதழால் சமகாலத்தின் முதல் பத்து அறிவியல் திருப்புமுனைகளில் ஒன்றாக LHMs பெயரிடப்பட்டது. LHMs-இன் தனித்துவமான பண்புகளைப் பயன்படுத்தி புதிய பயன்பாடுகள், கருத்துகள் மற்றும் சாதனங்கள் உருவாக்கப்பட்டுள்ளன. டிரான்ஸ்மிஷன் லைன் (TL) அணுகுமுறை என்பது LHMs-இன் கொள்கைகளைப் பகுப்பாய்வு செய்யக்கூடிய ஒரு திறமையான வடிவமைப்பு முறையாகும். பாரம்பரிய TL-களுடன் ஒப்பிடும்போது, மெட்டாமீட்டீரியல் TL-களின் மிக முக்கியமான அம்சம், TL அளவுருக்கள் (பரவல் மாறிலி) மற்றும் சிறப்பியல்பு மின்மறுப்பு ஆகியவற்றைக் கட்டுப்படுத்தும் திறன் ஆகும். மெட்டாமீட்டீரியல் TL அளவுருக்களைக் கட்டுப்படுத்தும் திறன், மிகவும் கச்சிதமான அளவு, உயர் செயல்திறன் மற்றும் புதுமையான செயல்பாடுகளைக் கொண்ட ஆண்டெனா கட்டமைப்புகளை வடிவமைக்க புதிய யோசனைகளை வழங்குகிறது. படம் 1 (a), (b), மற்றும் (c) ஆகியவை முறையே தூய வலது-கை மின் செலுத்துத் தடம் (PRH), தூய இடது-கை மின் செலுத்துத் தடம் (PLH), மற்றும் கலப்பு இடது-வலது-கை மின் செலுத்துத் தடம் (CRLH) ஆகியவற்றின் இழப்பற்ற மின்சுற்று மாதிரிகளைக் காட்டுகின்றன. படம் 1(a)-இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, PRH TL சமான மின்சுற்று மாதிரியானது பொதுவாக தொடர் மின்தூண்டல் மற்றும் இணை மின்தேக்கி ஆகியவற்றின் கலவையாகும். படம் 1(b)-இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, PLH TL மின்சுற்று மாதிரியானது இணை மின்தூண்டல் மற்றும் தொடர் மின்தேக்கி ஆகியவற்றின் கலவையாகும். நடைமுறைப் பயன்பாடுகளில், ஒரு PLH மின்சுற்றைச் செயல்படுத்துவது சாத்தியமற்றது. இது தவிர்க்க முடியாத ஒட்டுண்ணி தொடர் மின்தூண்டல் மற்றும் இணை மின்தேக்கி விளைவுகளால் ஏற்படுகிறது. எனவே, தற்போது செயல்படுத்தக்கூடிய இடது-கை மின் செலுத்துத் தடத்தின் பண்புகள் அனைத்தும், படம் 1(c)-இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, கலப்பு இடது-கை மற்றும் வலது-கை கட்டமைப்புகளாகும்.

படம் 1 வெவ்வேறு மின் செலுத்துத் தடச் சுற்று மாதிரிகள்

மின் செலுத்துத் தடத்தின் (TL) பரவல் மாறிலி (γ) பின்வருமாறு கணக்கிடப்படுகிறது: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), இதில் Y மற்றும் Z ஆகியவை முறையே மின்ஏற்புத்திறன் மற்றும் மின்மறுப்பைக் குறிக்கின்றன. CRLH-TL-ஐக் கருத்தில் கொண்டு, Z மற்றும் Y-ஐ பின்வருமாறு வெளிப்படுத்தலாம்:

ஒரு சீரான CRLH TL பின்வரும் பரவல் தொடர்பைக் கொண்டிருக்கும்:

கட்ட மாறிலி β ஒரு முழுமையான மெய் எண்ணாகவோ அல்லது முழுமையான கற்பனை எண்ணாகவோ இருக்கலாம். ஒரு அதிர்வெண் வரம்பிற்குள் β முழுமையாக மெய்யாக இருந்தால், γ=jβ என்ற நிபந்தனையின் காரணமாக அந்த அதிர்வெண் வரம்பிற்குள் ஒரு கடப்புப் பட்டை (passband) உள்ளது. மறுபுறம், ஒரு அதிர்வெண் வரம்பிற்குள் β ஒரு முழுமையான கற்பனை எண்ணாக இருந்தால், γ=α என்ற நிபந்தனையின் காரணமாக அந்த அதிர்வெண் வரம்பிற்குள் ஒரு தடுப்புப் பட்டை (stopband) உள்ளது. இந்தத் தடுப்புப் பட்டை CRLH-TL-க்கு மட்டுமே உரியது, மேலும் இது PRH-TL அல்லது PLH-TL-ல் இல்லை. படங்கள் 2 (a), (b), மற்றும் (c) ஆகியவை முறையே PRH-TL, PLH-TL, மற்றும் CRLH-TL ஆகியவற்றின் சிதறல் வளைவுகளை (அதாவது, ω - β உறவு) காட்டுகின்றன. சிதறல் வளைவுகளின் அடிப்படையில், செலுத்து வரியின் குழு வேகம் (vg=∂ω/∂β) மற்றும் கட்ட வேகம் (vp=ω/β) ஆகியவற்றைக் கண்டறிந்து மதிப்பிடலாம். PRH-TL-க்கு, vg மற்றும் vp ஆகியவை இணையாக உள்ளன (அதாவது, vpvg>0) என்பதை வளைவிலிருந்து ஊகிக்க முடியும். PLH-TL-க்கு, vg மற்றும் vp ஆகியவை இணையாக இல்லை (அதாவது, vpvg<0) என்பதை வளைவு காட்டுகிறது. CRLH-TL-இன் பரவல் வளைவு, LH பகுதி (அதாவது, vpvg < 0) மற்றும் RH பகுதி (அதாவது, vpvg > 0) இருப்பதையும் காட்டுகிறது. படம் 2(c)-இலிருந்து காணக்கூடியபடி, CRLH-TL-க்கு, γ ஒரு தூய மெய் எண்ணாக இருந்தால், ஒரு நிறுத்து பட்டை உள்ளது.

படம் 2 வெவ்வேறு மின் செலுத்துத் தடங்களின் சிதறல் வளைவுகள்

வழக்கமாக, ஒரு CRLH-TL-இன் தொடர் மற்றும் இணை அதிர்வுகள் வெவ்வேறாக இருக்கும், இது சமநிலையற்ற நிலை என்று அழைக்கப்படுகிறது. இருப்பினும், தொடர் மற்றும் இணை அதிர்வு அதிர்வெண்கள் சமமாக இருக்கும்போது, அது சமநிலை நிலை என்று அழைக்கப்படுகிறது, மேலும் அதன் விளைவாக ஏற்படும் எளிமைப்படுத்தப்பட்ட சமமான மின்சுற்று மாதிரி படம் 3(a)-இல் காட்டப்பட்டுள்ளது.

படம் 3 கூட்டு இடது கை மின் செலுத்துத் தடத்தின் மின்சுற்று மாதிரி மற்றும் சிதறல் வளைவு

அதிர்வெண் அதிகரிக்கும்போது, CRLH-TL-இன் சிதறல் பண்புகள் படிப்படியாக அதிகரிக்கின்றன. இதற்குக் காரணம், கட்டத் திசைவேகம் (அதாவது, vp=ω/β) அதிர்வெண்ணைச் சார்ந்து மேலும் மேலும் மாறுவதே ஆகும். குறைந்த அதிர்வெண்களில், CRLH-TL-இல் LH ஆதிக்கம் செலுத்துகிறது, அதேசமயம் உயர் அதிர்வெண்களில், CRLH-TL-இல் RH ஆதிக்கம் செலுத்துகிறது. இது CRLH-TL-இன் இரட்டை இயல்பைச் சித்தரிக்கிறது. சமநிலை CRLH-TL சிதறல் வரைபடம் படம் 3(b)-இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. படம் 3(b)-இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, LH-இலிருந்து RH-க்கான மாற்றம் பின்வரும் புள்ளிகளில் நிகழ்கிறது:

இங்கு ω0 என்பது நிலைமாற்ற அதிர்வெண் ஆகும். எனவே, சமநிலை நிலையில், γ என்பது முற்றிலும் கற்பனையான எண் என்பதால், LH-இலிருந்து RH-க்கு ஒரு மென்மையான நிலைமாற்றம் நிகழ்கிறது. எனவே, சமநிலை CRLH-TL சிதறலுக்கு நிறுத்தப்பட்ட பட்டை இல்லை. ω0-இல் β பூஜ்ஜியமாக இருந்தாலும் (வழிகாட்டப்பட்ட அலைநீளத்தைப் பொறுத்து முடிவிலி, அதாவது, λg=2π/|β|), ω0-இல் vg பூஜ்ஜியமாக இல்லாததால் அலை தொடர்ந்து பரவுகிறது. இதேபோல், ω0-இல், d நீளமுள்ள ஒரு TL-க்கு கட்ட மாற்றம் பூஜ்ஜியமாகும் (அதாவது, φ= - βd=0). கட்ட முன்னேற்றம் (அதாவது, φ>0) LH அதிர்வெண் வரம்பில் (அதாவது, ω<ω0) நிகழ்கிறது, மற்றும் கட்டத் தாமதம் (அதாவது, φ<0) RH அதிர்வெண் வரம்பில் (அதாவது, ω>ω0) நிகழ்கிறது. ஒரு CRLH TL-க்கு, சிறப்பியல்பு மின்மறுப்பு பின்வருமாறு விவரிக்கப்படுகிறது:

இதில் ZL மற்றும் ZR என்பன முறையே PLH மற்றும் PRH மின்மறுப்புகள் ஆகும். சமநிலையற்ற நிலையில், சிறப்பியல்பு மின்மறுப்பு அதிர்வெண்ணைச் சார்ந்துள்ளது. மேற்கண்ட சமன்பாடு, சமநிலை நிலை அதிர்வெண்ணைச் சார்ந்து இல்லை என்பதைக் காட்டுகிறது, எனவே அது ஒரு பரந்த அலைவரிசைப் பொருத்தத்தைக் கொண்டிருக்க முடியும். மேலே வருவிக்கப்பட்ட TL சமன்பாடு, CRLH பொருளை வரையறுக்கும் அடிப்படை அளவுருக்களைப் போன்றது. TL-இன் பரவல் மாறிலி γ=jβ=Sqrt(ZY) ஆகும். பொருளின் பரவல் மாறிலி (β=ω x Sqrt(εμ)) கொடுக்கப்பட்டால், பின்வரும் சமன்பாட்டைப் பெறலாம்:

அதேபோல், TL-இன் சிறப்பியல்பு மின்மறுப்பு, அதாவது Z0=Sqrt(ZY), என்பது பொருளின் சிறப்பியல்பு மின்மறுப்பான η=Sqrt(μ/ε)-ஐப் போன்றது, இது பின்வருமாறு வெளிப்படுத்தப்படுகிறது:

சமநிலைப்படுத்தப்பட்ட மற்றும் சமநிலைப்படுத்தப்படாத CRLH-TL-இன் ஒளிவிலகல் குறியீடு (அதாவது, n = cβ/ω) படம் 4-இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. படம் 4-இல், CRLH-TL-இன் ஒளிவிலகல் குறியீடு அதன் இடது பக்க (LH) வரம்பில் எதிர்மறையாகவும், அதன் வலது பக்க (RH) வரம்பில் நேர்மறையாகவும் உள்ளது.

படம் 4. சமச்சீர் மற்றும் சமச்சீரற்ற CRLH TL-களின் வழக்கமான ஒளிவிலகல் குறியீடுகள்.

1. LC நெட்வொர்க்
படம் 5(a)-வில் காட்டப்பட்டுள்ள பேண்ட்பாஸ் LC செல்களைத் தொடரிணைப்பு செய்வதன் மூலம், d என்ற பயனுள்ள சீரான நீளத்துடன் கூடிய ஒரு வழக்கமான CRLH-TL-ஐ சீரான காலமுறையில் அல்லது சீரற்ற காலமுறையில் கட்டமைக்க முடியும். பொதுவாக, CRLH-TL-இன் கணக்கீடு மற்றும் உற்பத்தியின் வசதியை உறுதி செய்வதற்காக, மின்சுற்று சீரான காலமுறையில் இருக்க வேண்டும். படம் 1(c)-இன் மாதிரியுடன் ஒப்பிடும்போது, படம் 5(a)-இன் மின்சுற்று செல்லுக்கு அளவு இல்லை மற்றும் அதன் இயற்பியல் நீளம் முடிவிலா சிறியது (அதாவது, Δz மீட்டர்களில்). அதன் மின் நீளம் θ=Δφ (ரேடியன்) என்பதைக் கருத்தில் கொண்டு, LC செல்லின் கட்டத்தை வெளிப்படுத்த முடியும். இருப்பினும், பயன்படுத்தப்படும் மின்தூண்டல் மற்றும் மின்தேக்கத்தை உண்மையில் உணர்ந்து கொள்வதற்காக, p என்ற ஒரு இயற்பியல் நீளத்தை நிறுவ வேண்டும். பயன்பாட்டுத் தொழில்நுட்பத்தின் தேர்வு (மைக்ரோஸ்ட்ரிப், கோப்ளானர் அலைவழி, மேற்பரப்பு மவுண்ட் கூறுகள் போன்றவை) LC செல்லின் இயற்பியல் அளவைப் பாதிக்கும். படம் 5(a)-இன் LC செல், படம் 1(c)-இன் அதிகரிப்பு மாதிரியைப் போன்றது, மற்றும் அதன் வரம்பு p=Δz→0 ஆகும். படம் 5(b)-இல் உள்ள p→0 என்ற சீரான தன்மை நிபந்தனையின்படி, d நீளமுள்ள ஒரு இலட்சிய சீரான CRLH-TL-க்குச் சமமான ஒரு TL-ஐ (LC செல்களைத் தொடரிணைப்பு செய்வதன் மூலம்) கட்டமைக்க முடியும், இதன்மூலம் அந்த TL மின்காந்த அலைகளுக்குச் சீராகத் தோன்றும்.

படம் 5 LC வலையமைப்பை அடிப்படையாகக் கொண்ட CRLH TL.

ப்ளோக்-ஃப்ளோக்வெட் தேற்றத்தைப் போன்ற காலமுறை எல்லை நிபந்தனைகளைக் (PBCs) கருத்தில் கொண்டு, LC கலத்திற்கான சிதறல் தொடர்பு பின்வருமாறு நிரூபிக்கப்பட்டு வெளிப்படுத்தப்படுகிறது:

LC கலத்தின் தொடர் மின்மறுப்பு (Z) மற்றும் இணை மின்ஏற்பு (Y) ஆகியவை பின்வரும் சமன்பாடுகளால் தீர்மானிக்கப்படுகின்றன:

அலகு LC சுற்றின் மின் நீளம் மிகச் சிறியதாக இருப்பதால், டெய்லர் தோராயத்தைப் பயன்படுத்திப் பின்வருவனவற்றைப் பெறலாம்:

2. பௌதீக செயலாக்கம்
முந்தைய பிரிவில், CRLH-TL-ஐ உருவாக்குவதற்கான LC வலையமைப்பு விவாதிக்கப்பட்டது. தேவையான மின்தேக்கம் (CR மற்றும் CL) மற்றும் மின்தூண்டல் (LR மற்றும் LL) ஆகியவற்றை உருவாக்கக்கூடிய இயற்பியல் கூறுகளைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம் மட்டுமே இத்தகைய LC வலையமைப்புகளை உருவாக்க முடியும். சமீபத்திய ஆண்டுகளில், மேற்பரப்பு மவுண்ட் தொழில்நுட்ப (SMT) சிப் கூறுகள் அல்லது பரவலாக்கப்பட்ட கூறுகளின் பயன்பாடு பெரும் ஆர்வத்தை ஈர்த்துள்ளது. பரவலாக்கப்பட்ட கூறுகளை உருவாக்க மைக்ரோஸ்ட்ரிப், ஸ்ட்ரிப்லைன், கோப்ளானர் வேவ்கைடு அல்லது பிற ஒத்த தொழில்நுட்பங்களைப் பயன்படுத்தலாம். SMT சிப்கள் அல்லது பரவலாக்கப்பட்ட கூறுகளைத் தேர்ந்தெடுக்கும்போது கருத்தில் கொள்ள வேண்டிய பல காரணிகள் உள்ளன. பகுப்பாய்வு மற்றும் வடிவமைப்பின் அடிப்படையில், SMT-அடிப்படையிலான CRLH கட்டமைப்புகள் மிகவும் பொதுவானவை மற்றும் செயல்படுத்துவதற்கு எளிமையானவை. பரவலாக்கப்பட்ட கூறுகளுடன் ஒப்பிடும்போது மறுவடிவமைப்பு மற்றும் உற்பத்தி தேவைப்படாத, உடனடியாகக் கிடைக்கக்கூடிய SMT சிப் கூறுகளே இதற்குக் காரணம். இருப்பினும், SMT கூறுகளின் கிடைக்கும் தன்மை சிதறிக் காணப்படுகிறது, மேலும் அவை பொதுவாக குறைந்த அதிர்வெண்களில் (அதாவது, 3-6GHz) மட்டுமே செயல்படுகின்றன. எனவே, SMT-அடிப்படையிலான CRLH கட்டமைப்புகள் வரையறுக்கப்பட்ட இயக்க அதிர்வெண் வரம்புகளையும் குறிப்பிட்ட கட்டப் பண்புகளையும் கொண்டுள்ளன. எடுத்துக்காட்டாக, கதிர்வீச்சுப் பயன்பாடுகளில், SMT சிப் கூறுகள் சாத்தியமில்லாமல் போகலாம். படம் 6, CRLH-TL-ஐ அடிப்படையாகக் கொண்ட ஒரு பரவலாக்கப்பட்ட கட்டமைப்பைக் காட்டுகிறது. இந்தக் கட்டமைப்பு, இடைவிரல் மின்தேக்கி மற்றும் குறுக்குச் சுற்றுக் கோடுகளால் உருவாக்கப்பட்டுள்ளது. இவை முறையே LH-இன் தொடர் மின்தேக்கி CL மற்றும் இணை மின்தூண்டி LL-ஐ உருவாக்குகின்றன. கோட்டிற்கும் GND-க்கும் இடையிலான மின்தேக்கி, RH மின்தேக்கி CR எனவும், இடைவிரல் கட்டமைப்பில் மின்னோட்டப் பாய்வினால் உருவாகும் காந்தப் பாயத்தால் உண்டாகும் மின்தூண்டி, RH மின்தூண்டி LR எனவும் கருதப்படுகிறது.