I. प्रस्तावना
मेटामटेरियल्स को कुछ विद्युत चुम्बकीय गुणों का उत्पादन करने के लिए कृत्रिम रूप से डिज़ाइन की गई संरचनाओं के रूप में सर्वोत्तम रूप से वर्णित किया जा सकता है जो स्वाभाविक रूप से मौजूद नहीं हैं। नकारात्मक पारगम्यता और नकारात्मक पारगम्यता वाले मेटामटेरियल्स को बाएं हाथ के मेटामटेरियल्स (एलएचएम) कहा जाता है। एलएचएम का वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग समुदायों में बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है। 2003 में, साइंस पत्रिका द्वारा एलएचएम को समकालीन युग की शीर्ष दस वैज्ञानिक सफलताओं में से एक नामित किया गया था। एलएचएम के अद्वितीय गुणों का उपयोग करके नए अनुप्रयोग, अवधारणाएं और उपकरण विकसित किए गए हैं। ट्रांसमिशन लाइन (टीएल) दृष्टिकोण एक प्रभावी डिजाइन विधि है जो एलएचएम के सिद्धांतों का भी विश्लेषण कर सकती है। पारंपरिक टीएल की तुलना में, मेटामटेरियल टीएल की सबसे महत्वपूर्ण विशेषता टीएल मापदंडों (प्रसार स्थिरांक) और विशेषता प्रतिबाधा की नियंत्रणीयता है। मेटामटेरियल टीएल मापदंडों की नियंत्रणीयता अधिक कॉम्पैक्ट आकार, उच्च प्रदर्शन और नए कार्यों के साथ एंटीना संरचनाओं को डिजाइन करने के लिए नए विचार प्रदान करती है। चित्र 1 (ए), (बी), और (सी) शुद्ध दाएं हाथ वाली ट्रांसमिशन लाइन (पीआरएच), शुद्ध बाएं हाथ वाली ट्रांसमिशन लाइन (पीएलएच), और समग्र बाएं-दाएं हाथ वाली ट्रांसमिशन लाइन के दोषरहित सर्किट मॉडल दिखाते हैं। सीआरएलएच), क्रमशः। जैसा कि चित्र 1(ए) में दिखाया गया है, पीआरएच टीएल समतुल्य सर्किट मॉडल आमतौर पर श्रृंखला अधिष्ठापन और शंट कैपेसिटेंस का एक संयोजन है। जैसा कि चित्र 1(बी) में दिखाया गया है, पीएलएच टीएल सर्किट मॉडल शंट इंडक्शन और श्रृंखला कैपेसिटेंस का एक संयोजन है। व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, पीएलएच सर्किट को लागू करना संभव नहीं है। यह अपरिहार्य परजीवी श्रृंखला अधिष्ठापन और शंट कैपेसिटेंस प्रभावों के कारण है। इसलिए, बाएं हाथ की ट्रांसमिशन लाइन की जिन विशेषताओं को वर्तमान में महसूस किया जा सकता है, वे सभी समग्र बाएं हाथ और दाएं हाथ की संरचनाएं हैं, जैसा कि चित्र 1 (सी) में दिखाया गया है।
चित्र 1 विभिन्न ट्रांसमिशन लाइन सर्किट मॉडल
ट्रांसमिशन लाइन (टीएल) के प्रसार स्थिरांक (γ) की गणना इस प्रकार की जाती है: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), जहां Y और Z क्रमशः प्रवेश और प्रतिबाधा का प्रतिनिधित्व करते हैं। सीआरएलएच-टीएल को ध्यान में रखते हुए, जेड और वाई को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:
एक समान सीआरएलएच टीएल में निम्नलिखित फैलाव संबंध होगा:
चरण स्थिरांक β पूर्णतः वास्तविक संख्या या पूर्णतः काल्पनिक संख्या हो सकता है। यदि आवृत्ति रेंज के भीतर β पूरी तरह से वास्तविक है, तो स्थिति γ=jβ के कारण आवृत्ति रेंज के भीतर एक पासबैंड होता है। दूसरी ओर, यदि β आवृत्ति रेंज के भीतर एक पूरी तरह से काल्पनिक संख्या है, तो स्थिति γ=α के कारण आवृत्ति रेंज के भीतर एक स्टॉपबैंड होता है। यह स्टॉपबैंड सीआरएलएच-टीएल के लिए अद्वितीय है और पीआरएच-टीएल या पीएलएच-टीएल में मौजूद नहीं है। आंकड़े 2 (ए), (बी), और (सी) क्रमशः पीआरएच-टीएल, पीएलएच-टीएल और सीआरएलएच-टीएल के फैलाव वक्र (यानी, ω - β संबंध) दिखाते हैं। फैलाव वक्रों के आधार पर, ट्रांसमिशन लाइन का समूह वेग (vg=∂ω/∂β) और चरण वेग (vp=ω/β) प्राप्त और अनुमान लगाया जा सकता है। पीआरएच-टीएल के लिए, वक्र से यह भी अनुमान लगाया जा सकता है कि वीजी और वीपी समानांतर हैं (यानी, वीपीवीजी>0)। पीएलएच-टीएल के लिए, वक्र दर्शाता है कि वीजी और वीपी समानांतर नहीं हैं (यानी, वीपीवीजी<0)। सीआरएलएच-टीएल का फैलाव वक्र एलएच क्षेत्र (यानी, वीपीवीजी <0) और आरएच क्षेत्र (यानी, वीपीवीजी> 0) के अस्तित्व को भी दर्शाता है। जैसा कि चित्र 2(सी) से देखा जा सकता है, सीआरएलएच-टीएल के लिए, यदि γ एक शुद्ध वास्तविक संख्या है, तो एक स्टॉप बैंड है।
चित्र 2 विभिन्न संचरण लाइनों के फैलाव वक्र
आमतौर पर, सीआरएलएच-टीएल की श्रृंखला और समानांतर अनुनाद अलग-अलग होते हैं, जिसे असंतुलित अवस्था कहा जाता है। हालाँकि, जब श्रृंखला और समानांतर अनुनाद आवृत्तियाँ समान होती हैं, तो इसे संतुलित अवस्था कहा जाता है, और परिणामी सरलीकृत समतुल्य सर्किट मॉडल चित्र 3 (ए) में दिखाया गया है।
चित्र 3 समग्र बाएं हाथ की ट्रांसमिशन लाइन का सर्किट मॉडल और फैलाव वक्र
जैसे-जैसे आवृत्ति बढ़ती है, सीआरएलएच-टीएल की फैलाव विशेषताएँ धीरे-धीरे बढ़ती हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि चरण वेग (यानी, vp=ω/β) आवृत्ति पर तेजी से निर्भर हो जाता है। कम आवृत्तियों पर, सीआरएलएच-टीएल पर एलएच का प्रभुत्व होता है, जबकि उच्च आवृत्तियों पर, सीआरएलएच-टीएल पर आरएच का प्रभुत्व होता है। यह सीआरएलएच-टीएल की दोहरी प्रकृति को दर्शाता है। संतुलन सीआरएलएच-टीएल फैलाव आरेख चित्र 3(बी) में दिखाया गया है। जैसा कि चित्र 3(बी) में दिखाया गया है, एलएच से आरएच में संक्रमण तब होता है:
जहां ω0 संक्रमण आवृत्ति है। इसलिए, संतुलित मामले में, एलएच से आरएच तक एक सहज संक्रमण होता है क्योंकि γ एक पूरी तरह से काल्पनिक संख्या है। इसलिए, संतुलित सीआरएलएच-टीएल फैलाव के लिए कोई स्टॉपबैंड नहीं है। हालाँकि, ω0 पर β शून्य है (निर्देशित तरंग दैर्ध्य के सापेक्ष अनंत, यानी, λg=2π/|β|), तरंग अभी भी फैलती है क्योंकि ω0 पर vg शून्य नहीं है। इसी तरह, ω0 पर, लंबाई d की TL के लिए चरण बदलाव शून्य है (यानी, φ= - βd=0)। चरण अग्रिम (यानी, φ>0) एलएच आवृत्ति रेंज (यानी, ω<ω0) में होता है, और चरण मंदता (यानी, φ<0) आरएच आवृत्ति रेंज (यानी, ω>ω0) में होता है। सीआरएलएच टीएल के लिए, विशेषता प्रतिबाधा इस प्रकार वर्णित है:
जहां ZL और ZR क्रमशः PLH और PRH प्रतिबाधा हैं। असंतुलित मामले के लिए, विशेषता प्रतिबाधा आवृत्ति पर निर्भर करती है। उपरोक्त समीकरण से पता चलता है कि संतुलित मामला आवृत्ति से स्वतंत्र है, इसलिए इसका व्यापक बैंडविड्थ मिलान हो सकता है। ऊपर प्राप्त टीएल समीकरण उन संवैधानिक मापदंडों के समान है जो सीआरएलएच सामग्री को परिभाषित करते हैं। TL का प्रसार स्थिरांक γ=jβ=Sqrt(ZY) है। सामग्री के प्रसार स्थिरांक (β=ω x Sqrt(εμ)) को देखते हुए, निम्नलिखित समीकरण प्राप्त किया जा सकता है:
इसी प्रकार, TL की विशेषता प्रतिबाधा, यानी, Z0=Sqrt(ZY), सामग्री की विशेषता प्रतिबाधा, यानी, η=Sqrt(μ/ε) के समान है, जिसे इस प्रकार व्यक्त किया गया है:
संतुलित और असंतुलित सीआरएलएच-टीएल (यानी, एन = सीβ/ω) का अपवर्तक सूचकांक चित्र 4 में दिखाया गया है। चित्र 4 में, सीआरएलएच-टीएल का एलएच रेंज में अपवर्तक सूचकांक नकारात्मक है और इसके आरएच में अपवर्तक सूचकांक है सीमा सकारात्मक है.
चित्र: 4 संतुलित और असंतुलित सीआरएलएच टीएल के विशिष्ट अपवर्तक सूचकांक।
1. एलसी नेटवर्क
चित्र 5(ए) में दिखाए गए बैंडपास एलसी कोशिकाओं को कैस्केडिंग करके, लंबाई डी की प्रभावी एकरूपता के साथ एक विशिष्ट सीआरएलएच-टीएल का निर्माण समय-समय पर या गैर-आवधिक रूप से किया जा सकता है। सामान्य तौर पर, सीआरएलएच-टीएल की गणना और निर्माण की सुविधा सुनिश्चित करने के लिए, सर्किट को आवधिक होना आवश्यक है। चित्र 1(सी) के मॉडल की तुलना में, चित्र 5(ए) के सर्किट सेल का कोई आकार नहीं है और भौतिक लंबाई असीम रूप से छोटी है (यानी, मीटर में Δz)। इसकी विद्युत लंबाई θ=Δφ (रेड) को ध्यान में रखते हुए, एलसी सेल के चरण को व्यक्त किया जा सकता है। हालाँकि, वास्तव में लागू अधिष्ठापन और धारिता का एहसास करने के लिए, एक भौतिक लंबाई p स्थापित करने की आवश्यकता है। अनुप्रयोग प्रौद्योगिकी (जैसे माइक्रोस्ट्रिप, कॉपलनार वेवगाइड, सतह माउंट घटक, आदि) का चुनाव एलसी सेल के भौतिक आकार को प्रभावित करेगा। चित्र 5(ए) का एलसी सेल चित्र 1(सी) के वृद्धिशील मॉडल और इसकी सीमा p=Δz→0 के समान है। चित्र 5(बी) में एकरूपता शर्त पी→0 के अनुसार, एक टीएल का निर्माण किया जा सकता है (एलसी कोशिकाओं को कैस्केडिंग करके) जो लंबाई डी के साथ एक आदर्श वर्दी सीआरएलएच-टीएल के बराबर है, ताकि टीएल विद्युत चुम्बकीय तरंगों के लिए एक समान दिखाई दे।
चित्र 5 एलसी नेटवर्क पर आधारित सीआरएलएच टीएल।
एलसी सेल के लिए, बलोच-फ्लोक्वेट प्रमेय के समान आवधिक सीमा स्थितियों (पीबीसी) पर विचार करते हुए, एलसी सेल का फैलाव संबंध निम्नानुसार सिद्ध और व्यक्त किया जाता है:
एलसी सेल की श्रृंखला प्रतिबाधा (जेड) और शंट प्रवेश (वाई) निम्नलिखित समीकरणों द्वारा निर्धारित की जाती है:
चूंकि यूनिट एलसी सर्किट की विद्युत लंबाई बहुत छोटी है, टेलर सन्निकटन का उपयोग प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है:
2. भौतिक कार्यान्वयन
पिछले अनुभाग में, सीआरएलएच-टीएल उत्पन्न करने के लिए एलसी नेटवर्क पर चर्चा की गई है। ऐसे एलसी नेटवर्क को केवल भौतिक घटकों को अपनाकर ही साकार किया जा सकता है जो आवश्यक कैपेसिटेंस (सीआर और सीएल) और इंडक्शन (एलआर और एलएल) का उत्पादन कर सकते हैं। हाल के वर्षों में, सरफेस माउंट टेक्नोलॉजी (एसएमटी) चिप घटकों या वितरित घटकों के अनुप्रयोग ने काफी रुचि आकर्षित की है। वितरित घटकों को साकार करने के लिए माइक्रोस्ट्रिप, स्ट्रिपलाइन, कॉपलनार वेवगाइड या अन्य समान प्रौद्योगिकियों का उपयोग किया जा सकता है। एसएमटी चिप्स या वितरित घटकों को चुनते समय विचार करने के लिए कई कारक हैं। एसएमटी-आधारित सीआरएलएच संरचनाएं विश्लेषण और डिजाइन के संदर्भ में अधिक सामान्य और लागू करने में आसान हैं। इसका कारण ऑफ-द-शेल्फ एसएमटी चिप घटकों की उपलब्धता है, जिन्हें वितरित घटकों की तुलना में रीमॉडलिंग और विनिर्माण की आवश्यकता नहीं होती है। हालाँकि, एसएमटी घटकों की उपलब्धता बिखरी हुई है, और वे आमतौर पर केवल कम आवृत्तियों (यानी, 3-6GHz) पर काम करते हैं। इसलिए, एसएमटी-आधारित सीआरएलएच संरचनाओं में सीमित ऑपरेटिंग आवृत्ति रेंज और विशिष्ट चरण विशेषताएं हैं। उदाहरण के लिए, विकिरण अनुप्रयोगों में, एसएमटी चिप घटक संभव नहीं हो सकते हैं। चित्र 6 सीआरएलएच-टीएल पर आधारित एक वितरित संरचना दिखाता है। संरचना को इंटरडिजिटल कैपेसिटेंस और शॉर्ट-सर्किट लाइनों द्वारा महसूस किया जाता है, जो क्रमशः एलएच की श्रृंखला कैपेसिटेंस सीएल और समानांतर इंडक्शन एलएल बनाते हैं। लाइन और जीएनडी के बीच की कैपेसिटेंस को आरएच कैपेसिटेंस सीआर माना जाता है, और इंटरडिजिटल संरचना में वर्तमान प्रवाह द्वारा गठित चुंबकीय प्रवाह द्वारा उत्पन्न इंडक्शन को आरएच इंडक्शन एलआर माना जाता है।
चित्र 6 एक-आयामी माइक्रोस्ट्रिप सीआरएलएच टीएल जिसमें इंटरडिजिटल कैपेसिटर और शॉर्ट-लाइन इंडक्टर्स शामिल हैं।
एंटेना के बारे में अधिक जानने के लिए कृपया यहां जाएं:
पोस्ट करने का समय: अगस्त-23-2024
