समाचार - मेटामटेरियल ट्रांसमिशन लाइन एंटेना की समीक्षा

I. प्रस्तावना
मेटामटेरियल को सबसे अच्छे तरीके से कृत्रिम रूप से डिज़ाइन की गई संरचनाओं के रूप में वर्णित किया जा सकता है जो कुछ विद्युत चुम्बकीय गुणों का उत्पादन करती हैं जो स्वाभाविक रूप से मौजूद नहीं हैं। नकारात्मक परमिटिटिविटी और नकारात्मक पारगम्यता वाले मेटामटेरियल को बाएं हाथ के मेटामटेरियल (LHM) कहा जाता है। वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग समुदायों में LHM का बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है। 2003 में, LHM को साइंस पत्रिका द्वारा समकालीन युग की शीर्ष दस वैज्ञानिक सफलताओं में से एक नामित किया गया था। LHM के अद्वितीय गुणों का दोहन करके नए अनुप्रयोग, अवधारणाएँ और उपकरण विकसित किए गए हैं। ट्रांसमिशन लाइन (TL) दृष्टिकोण एक प्रभावी डिज़ाइन विधि है जो LHM के सिद्धांतों का विश्लेषण भी कर सकती है। पारंपरिक TL की तुलना में, मेटामटेरियल TL की सबसे महत्वपूर्ण विशेषता TL मापदंडों (प्रसार स्थिरांक) और अभिलक्षणिक प्रतिबाधा की नियंत्रणीयता है। मेटामटेरियल TL मापदंडों की नियंत्रणीयता अधिक कॉम्पैक्ट आकार, उच्च प्रदर्शन और उपन्यास कार्यों के साथ एंटीना संरचनाओं को डिजाइन करने के लिए नए विचार प्रदान करती है। चित्र 1 (a), (b), और (c) क्रमशः शुद्ध दाएँ-हस्त संचरण लाइन (PRH), शुद्ध बाएँ-हस्त संचरण लाइन (PLH), और मिश्रित बाएँ-दाएँ-हस्त संचरण लाइन (CRLH) के दोषरहित सर्किट मॉडल दिखाते हैं। जैसा कि चित्र 1(a) में दिखाया गया है, PRH TL समतुल्य सर्किट मॉडल आमतौर पर श्रृंखला प्रेरकत्व और शंट धारिता का संयोजन होता है। जैसा कि चित्र 1(b) में दिखाया गया है, PLH TL सर्किट मॉडल शंट प्रेरकत्व और श्रृंखला धारिता का संयोजन है। व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, PLH सर्किट को कार्यान्वित करना संभव नहीं है। यह अपरिहार्य परजीवी श्रृंखला प्रेरकत्व और शंट धारिता प्रभावों के कारण है। इसलिए, बाएँ-हस्त संचरण लाइन की विशेषताएँ जिन्हें वर्तमान में महसूस किया जा सकता है, वे सभी मिश्रित बाएँ-हस्त और दाएँ-हस्त संरचनाएँ हैं

चित्र 1 विभिन्न ट्रांसमिशन लाइन सर्किट मॉडल

ट्रांसमिशन लाइन (TL) के प्रसार स्थिरांक (γ) की गणना इस प्रकार की जाती है: γ=α+jβ=Sqrt(ZY), जहाँ Y और Z क्रमशः प्रवेश और प्रतिबाधा को दर्शाते हैं। CRLH-TL को ध्यान में रखते हुए, Z और Y को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:

एक समान CRLH TL का फैलाव संबंध निम्नलिखित होगा:

चरण स्थिरांक β एक विशुद्ध रूप से वास्तविक संख्या या विशुद्ध रूप से काल्पनिक संख्या हो सकती है। यदि β एक आवृत्ति सीमा के भीतर पूरी तरह से वास्तविक है, तो γ=jβ की स्थिति के कारण आवृत्ति सीमा के भीतर एक पासबैंड होता है। दूसरी ओर, यदि β एक आवृत्ति सीमा के भीतर एक विशुद्ध रूप से काल्पनिक संख्या है, तो γ=α की स्थिति के कारण आवृत्ति सीमा के भीतर एक स्टॉपबैंड होता है। यह स्टॉपबैंड CRLH-TL के लिए अद्वितीय है और PRH-TL या PLH-TL में मौजूद नहीं है। आंकड़े 2 (ए), (बी), और (सी) क्रमशः PRH-TL, PLH-TL, और CRLH-TL के फैलाव वक्र (यानी, ω - β संबंध) दिखाते हैं। फैलाव वक्रों के आधार पर, ट्रांसमिशन लाइन के समूह वेग (vg=∂ω/∂β) PRH-TL के लिए, वक्र से यह भी अनुमान लगाया जा सकता है कि vg और vp समानांतर हैं (यानी, vpvg>0)। PLH-TL के लिए, वक्र दिखाता है कि vg और vp समानांतर नहीं हैं (यानी, vpvg<0)। CRLH-TL का फैलाव वक्र LH क्षेत्र (यानी, vpvg < 0) और RH क्षेत्र (यानी, vpvg > 0) के अस्तित्व को भी दर्शाता है। जैसा कि चित्र 2(c) से देखा जा सकता है, CRLH-TL के लिए, यदि γ एक शुद्ध वास्तविक संख्या है, तो एक स्टॉप बैंड है।

चित्र 2 विभिन्न ट्रांसमिशन लाइनों के फैलाव वक्र

आम तौर पर, CRLH-TL 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(a) में दिखाया गया है।

चित्र 3 समग्र बाएं हाथ की ट्रांसमिशन लाइन का सर्किट मॉडल और फैलाव वक्र

जैसे-जैसे आवृत्ति बढ़ती है, CRLH-TL की फैलाव विशेषताएँ धीरे-धीरे बढ़ती जाती हैं। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि चरण वेग (यानी, vp=ω/β) आवृत्ति पर अधिक से अधिक निर्भर हो जाता है। कम आवृत्तियों पर, CRLH-TL पर LH हावी होता है, जबकि उच्च आवृत्तियों पर, CRLH-TL पर RH हावी होता है। यह CRLH-TL की दोहरी प्रकृति को दर्शाता है। संतुलन CRLH-TL फैलाव आरेख चित्र 3(b) में दिखाया गया है। जैसा कि चित्र 3(b) में दिखाया गया है, LH से RH में संक्रमण निम्न पर होता है:

जहाँ ω0 संक्रमण आवृत्ति है। इसलिए, संतुलित मामले में, LH से RH तक एक सहज संक्रमण होता है क्योंकि γ एक पूरी तरह से काल्पनिक संख्या है। इसलिए, संतुलित CRLH-TL फैलाव के लिए कोई स्टॉपबैंड नहीं है। हालाँकि β ω0 पर शून्य है (निर्देशित तरंगदैर्ध्य के सापेक्ष अनंत, यानी, λg=2π/|β|), तरंग अभी भी प्रसारित होती है क्योंकि ω0 पर vg शून्य नहीं है। इसी तरह, ω0 पर, लंबाई d के TL के लिए चरण बदलाव शून्य है (यानी, φ= - βd=0)। चरण अग्रिम (यानी, φ>0) LH आवृत्ति रेंज (यानी, ω<ω0) में होता है, और चरण मंदता (यानी, φ<0) RH आवृत्ति रेंज (यानी, ω>ω0) में होती है। CRLH TL के लिए, अभिलक्षणिक प्रतिबाधा का वर्णन इस प्रकार किया गया है:

जहाँ ZL और ZR क्रमशः PLH और PRH प्रतिबाधा हैं। असंतुलित मामले के लिए, अभिलक्षणिक प्रतिबाधा आवृत्ति पर निर्भर करती है। उपरोक्त समीकरण दर्शाता है कि संतुलित मामला आवृत्ति से स्वतंत्र है, इसलिए इसका बैंडविड्थ मिलान व्यापक हो सकता है। ऊपर प्राप्त TL समीकरण CRLH सामग्री को परिभाषित करने वाले संघटक मापदंडों के समान है। 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 अभिलक्षणिक प्रतिबाधा, अर्थात, Z0=Sqrt(ZY), पदार्थ की अभिलक्षणिक प्रतिबाधा, अर्थात, η=Sqrt(μ/ε) के समान है, जिसे इस प्रकार व्यक्त किया जाता है:

संतुलित और असंतुलित CRLH-TL का अपवर्तनांक (अर्थात्, n = cβ/ω) चित्र 4 में दर्शाया गया है। चित्र 4 में, CRLH-TL का अपवर्तनांक इसकी LH श्रेणी में ऋणात्मक है और इसकी RH श्रेणी में अपवर्तनांक धनात्मक है।

चित्र 4 संतुलित और असंतुलित सीआरएलएच टीएल के विशिष्ट अपवर्तक सूचकांक।

1. एलसी नेटवर्क
चित्र 5(a) में दिखाए गए बैंडपास LC सेलों को कैस्केडिंग करके, लंबाई d की प्रभावी एकरूपता के साथ एक विशिष्ट CRLH-TL का आवधिक या गैर-आवधिक निर्माण किया जा सकता है। सामान्य तौर पर, CRLH-TL की गणना और निर्माण की सुविधा सुनिश्चित करने के लिए, सर्किट को आवधिक होना चाहिए। चित्र 1(c) के मॉडल की तुलना में, चित्र 5(a) 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) पर विचार करते हुए, LC सेल का चरण व्यक्त किया जा सकता है। हालांकि, वास्तव में लागू किए गए प्रेरकत्व और धारिता को साकार करने के लिए, एक भौतिक लंबाई p स्थापित करने की आवश्यकता है। चित्र 5(बी) में एकरूपता की स्थिति p→0 के अनुसार, एक TL का निर्माण किया जा सकता है (LC कोशिकाओं को कैस्केडिंग करके) जो कि d लंबाई के साथ एक आदर्श समान CRLH-TL के समतुल्य है, ताकि TL विद्युत चुम्बकीय तरंगों के लिए एकसमान दिखाई दे।

चित्र 5 एलसी नेटवर्क पर आधारित सीआरएलएच टीएल।

एल.सी. सेल के लिए, ब्लोच-फ्लोक्वेट प्रमेय के समान आवधिक सीमा स्थितियों (पी.बी.सी.) पर विचार करते हुए, एल.सी. सेल का फैलाव संबंध सिद्ध किया जाता है और निम्नानुसार व्यक्त किया जाता है:

एलसी सेल की श्रेणी प्रतिबाधा (Z) और शंट प्रवेश्यता (Y) निम्नलिखित समीकरणों द्वारा निर्धारित की जाती है:

चूंकि इकाई LC सर्किट की विद्युत लंबाई बहुत छोटी है, टेलर सन्निकटन का उपयोग करके निम्न प्राप्त किया जा सकता है:

2. भौतिक कार्यान्वयन
पिछले अनुभाग में, CRLH-TL उत्पन्न करने के लिए LC नेटवर्क पर चर्चा की गई है। ऐसे LC नेटवर्क को केवल भौतिक घटकों को अपनाकर ही साकार किया जा सकता है जो आवश्यक धारिता (CR और CL) और प्रेरण (LR और LL) उत्पन्न कर सकते हैं। हाल के वर्षों में, सरफेस माउंट तकनीक (SMT) चिप घटकों या वितरित घटकों के अनुप्रयोग ने बहुत रुचि आकर्षित की है। वितरित घटकों को साकार करने के लिए माइक्रोस्ट्रिप, स्ट्रिपलाइन, कोप्लानर वेवगाइड या अन्य समान तकनीकों का उपयोग किया जा सकता है। SMT चिप्स या वितरित घटकों को चुनते समय विचार करने के लिए कई कारक हैं। विश्लेषण और डिजाइन के संदर्भ में SMT-आधारित CRLH संरचनाएँ अधिक सामान्य और लागू करने में आसान हैं। ऐसा ऑफ-द-शेल्फ SMT चिप घटकों की उपलब्धता के कारण है, जिन्हें वितरित घटकों की तुलना में रीमॉडलिंग और विनिर्माण की आवश्यकता नहीं होती है। हालाँकि, SMT घटकों की उपलब्धता बिखरी हुई है, और वे आमतौर पर केवल कम आवृत्तियों (यानी, 3-6GHz) पर काम करते हैं। इसलिए, SMT-आधारित CRLH संरचनाओं में सीमित ऑपरेटिंग आवृत्ति सीमाएँ और विशिष्ट चरण विशेषताएँ होती हैं। उदाहरण के लिए, विकिरण अनुप्रयोगों में, SMT चिप घटक संभव नहीं हो सकते हैं। चित्र 6 CRLH-TL पर आधारित वितरित संरचना को दर्शाता है। संरचना को इंटरडिजिटल कैपेसिटेंस और शॉर्ट-सर्किट लाइनों द्वारा साकार किया जाता है, जो क्रमशः LH की श्रृंखला कैपेसिटेंस CL और समानांतर इंडक्टेंस LL बनाते हैं। लाइन और GND के बीच की कैपेसिटेंस को RH कैपेसिटेंस CR माना जाता है, और इंटरडिजिटल संरचना में करंट फ्लो द्वारा बनाए गए चुंबकीय फ्लक्स द्वारा उत्पन्न इंडक्टेंस को RH इंडक्टेंस LR माना जाता है।