သတင်း - Metamaterial Transmission Line Antennas ၏ သုံးသပ်ချက်

I. နိဒါန်း
သတ္တုပစ္စည်းများကို သဘာဝအတိုင်း တည်ရှိခြင်းမရှိသော လျှပ်စစ်သံလိုက် ဂုဏ်သတ္တိများကို ထုတ်လုပ်ရန် အတုပြုလုပ်ထားသော အသွင်သဏ္ဍန်များအဖြစ် အကောင်းဆုံး ဖော်ပြနိုင်သည်။ အနုတ်လက္ခဏာဆောင်သော ပါမစ်နှင့် အနုတ်သဘော စိမ့်ဝင်နိုင်မှုရှိသော သတ္တုပစ္စည်းများကို ဘယ်သန် မက်သတ္ထုများ (LHMs) ဟုခေါ်သည်။ LHMs များကို သိပ္ပံနှင့် အင်ဂျင်နီယာအသိုင်းအဝိုင်းများတွင် အကျယ်တဝင့် လေ့လာခဲ့သည်။ 2003 ခုနှစ်တွင် LHMs များကို Science magazine မှ ခေတ်ပြိုင်ခေတ်၏ ထိပ်တန်း သိပ္ပံနည်းကျ အောင်မြင်မှုဆယ်ခုအနက်မှ တစ်ခုအဖြစ် သတ်မှတ်ခံခဲ့ရသည်။ အပလီကေးရှင်းအသစ်များ၊ အယူအဆများနှင့် စက်များအား LHMs ၏ထူးခြားသောဂုဏ်သတ္တိများကို အသုံးချခြင်းဖြင့် တီထွင်ထုတ်လုပ်ထားပါသည်။ Transmission line (TL) ချဉ်းကပ်မှုသည် LHMs ၏အခြေခံမူများကိုခွဲခြမ်းစိတ်ဖြာနိုင်သည့်ထိရောက်သောဒီဇိုင်းနည်းလမ်းတစ်ခုဖြစ်သည်။ သမားရိုးကျ TLs များနှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက metamaterial TLs ၏ အထင်ရှားဆုံး အင်္ဂါရပ်မှာ TL ကန့်သတ်ချက်များ (ပြန့်ပွားမှု အဆက်မပြတ်) နှင့် ဝိသေသ impedance တို့ဖြစ်သည်။ metamaterial TL parameters များကို ထိန်းချုပ်နိုင်မှုသည် ပိုမိုကျစ်လစ်သောအရွယ်အစား၊ ပိုမိုမြင့်မားသောစွမ်းဆောင်ရည်နှင့် ဆန်းသစ်သောလုပ်ဆောင်ချက်များဖြင့် အင်တင်နာဖွဲ့စည်းပုံများကို ဒီဇိုင်းရေးဆွဲရန်အတွက် စိတ်ကူးသစ်များပေးပါသည်။ ပုံ 1 (a)၊ (b) နှင့် (c) ၏ ဆုံးရှုံးမှုမရှိသော ဆားကစ်မော်ဒယ်များကို ပြသထားသည့် ညာသန် ဂီယာလိုင်း (PRH)၊ ဘယ်ဘက်သန် ဂီယာလိုင်း (PLH) နှင့် ပေါင်းစပ်ဘယ်ဘက်-ညာသန် ဂီယာလိုင်း ( CRLH) ဟု ခေါ်ပါသည်။ ပုံ 1(a) တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း PRH TL နှင့်ညီမျှသော circuit model သည် အများအားဖြင့် series inductance နှင့် shunt capacitance တို့ကို ပေါင်းစပ်ထားသည်။ ပုံ 1(b တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း) PLH TL ဆားကစ်မော်ဒယ်သည် shunt inductance နှင့် series capacitance ပေါင်းစပ်ထားသည်။ လက်တွေ့အသုံးချမှုများတွင် PLH ဆားကစ်ကို အကောင်အထည်ဖော်ရန် မဖြစ်နိုင်ပါ။ ၎င်းသည် ရှောင်လွှဲ၍မရသော ကပ်ပါးစီးရီး inductance နှင့် shunt capacitance သက်ရောက်မှုများကြောင့်ဖြစ်သည်။ ထို့ကြောင့် လက်ရှိတွင် သိရှိနိုင်သည့် ဘယ်သန် ဂီယာလိုင်း၏ လက္ခဏာများသည် ပုံ 1(ဂ) တွင် ပြထားသည့်အတိုင်း ပေါင်းစပ်ဘယ်သန်နှင့် ညာသန်ဖွဲ့စည်းပုံများဖြစ်သည်။

ပုံ 1 မတူညီသော ဂီယာလိုင်း ဆားကစ်မော်ဒယ်များ

ထုတ်လွှင့်မှုလိုင်း (TL) ၏ ပြန့်ပွားမှု ကိန်းသေ (γ) ကို γ=α+jβ=Sqrt(ZY) အဖြစ် တွက်ချက်ပြီး Y နှင့် Z သည် ဝင်ခွင့်နှင့် impedance အသီးသီးကို ကိုယ်စားပြုသည်။ CRLH-TL၊ Z နှင့် Y ကို ထည့်သွင်းစဉ်းစားခြင်းဖြင့် အောက်ပါအတိုင်း ဖော်ပြနိုင်ပါသည်။

ယူနီဖောင်း CRLH TL တွင် အောက်ပါ ကွဲလွဲမှု ဆက်စပ်မှု ရှိလိမ့်မည်-

Phase constant β သည် အစစ်အမှန် ကိန်းဂဏာန်းသက်သက် သို့မဟုတ် စိတ်ကူးယဉ် ဂဏန်းသက်သက် ဖြစ်နိုင်သည်။ β သည် ကြိမ်နှုန်းအကွာအဝေးအတွင်း လုံးဝမှန်ကန်ပါက γ=jβ အခြေအနေကြောင့် ကြိမ်နှုန်းအကွာအဝေးအတွင်း ပတ်စ်ဘန်းတစ်ခု ရှိပါသည်။ တစ်ဖက်တွင်၊ β သည် ကြိမ်နှုန်းအကွာအဝေးအတွင်း စိတ်ကူးယဉ်ဂဏန်းသက်သက်သာဖြစ်ပါက၊ အခြေအနေ γ=α ကြောင့် ကြိမ်နှုန်းအကွာအဝေးအတွင်း ရပ်တန့်သွားမည်ဖြစ်သည်။ ဤရပ်ကွင်းသည် CRLH-TL အတွက် သီးသန့်ဖြစ်ပြီး PRH-TL သို့မဟုတ် PLH-TL တွင် မရှိပါ။ ပုံ 2 (a)၊ (b) နှင့် (c) သည် PRH-TL၊ PLH-TL နှင့် CRLH-TL တို့၏ ကွဲလွဲနေသောမျဉ်းကွေးများ (ဆိုလိုသည်မှာ၊ ω - β ဆက်ဆံရေး) ကိုပြသထားသည်။ ပြန့်ကျဲနေသော မျဉ်းကွေးများကို အခြေခံ၍ ဂီယာလိုင်း၏ အုပ်စုအလျင် (vg=∂ω/∂β) နှင့် အဆင့်အလျင် (vp=ω/β) တို့ကို ဆင်းသက်လာပြီး ခန့်မှန်းနိုင်ပါသည်။ PRH-TL အတွက်၊ vg နှင့် vp သည် အပြိုင်ဖြစ်သည် (ဆိုလိုသည်မှာ vpvg>0) မျဉ်းကွေးမှ ကောက်ချက်ချနိုင်သည်။ PLH-TL အတွက်၊ vg နှင့် vp သည် မျဉ်းပြိုင်မဟုတ်ကြောင်း ပြသသည် (ဆိုလိုသည်မှာ vpvg<0)။ CRLH-TL ၏ကွဲလွဲမှုမျဉ်းကွေးသည် LH ဒေသ (ဆိုလိုသည်မှာ vpvg < 0) နှင့် RH ဒေသ (ဆိုလိုသည်မှာ vpvg > 0) ရှိကြောင်းကိုလည်း ပြသည်။ ပုံ 2(ဂ) တွင်တွေ့နိုင်သကဲ့သို့ CRLH-TL အတွက် γ သည် စစ်မှန်သောနံပါတ်ဖြစ်ပါက၊ ရပ်ထားသော band တစ်ခုရှိသည်။

ပုံ 2 ကွဲပြားသော ဂီယာလိုင်းများ၏ Dispersion curves

အများအားဖြင့်၊ CRLH-TL ၏ စီးရီးနှင့် အပြိုင် ပဲ့တင်ထပ်သံများသည် ကွဲပြားသည်၊ ၎င်းကို ဟန်ချက်မညီသော အခြေအနေဟု ခေါ်သည်။ သို့သော်၊ စီးရီးနှင့် အပြိုင် ပဲ့တင်ရိုက်ခတ်မှု ကြိမ်နှုန်းများ တူညီသောအခါ၊ ၎င်းကို ဟန်ချက်ညီသော အခြေအနေ ဟုခေါ်ပြီး ရရှိလာသော ရိုးရှင်းသော ညီမျှသော circuit model ကို ပုံ 3(a) တွင် ပြထားသည်။

ပုံ 3 ပတ်လမ်းမော်ဒယ်နှင့် ပေါင်းစပ်ဘယ်သန် ဂီယာလိုင်း၏ ကွဲလွဲမှုမျဉ်းကွေး

ကြိမ်နှုန်း တိုးလာသည်နှင့်အမျှ CRLH-TL ၏ ကွဲလွဲမှုလက္ခဏာများသည် တဖြည်းဖြည်း တိုးလာသည်။ အဘယ်ကြောင့်ဆိုသော် အဆင့်အလျင် (ဆိုလိုသည်မှာ vp=ω/β) သည် ကြိမ်နှုန်းပေါ်တွင် ပို၍ပို၍ မှီခိုလာသောကြောင့် ဖြစ်သည်။ နိမ့်သောကြိမ်နှုန်းများတွင် CRLH-TL ကို LH ကလွှမ်းမိုးထားပြီး မြင့်မားသောကြိမ်နှုန်းများတွင် CRLH-TL ကို RH ကလွှမ်းမိုးထားသည်။ ၎င်းသည် CRLH-TL ၏ နှစ်ထပ်သဘာဝကို သရုပ်ဖော်သည်။ မျှခြေ CRLH-TL ပျံ့လွင့်မှုပုံစံကို ပုံ 3(b) တွင် ပြထားသည်။ ပုံ 3(ခ) တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း LH မှ RH သို့ ကူးပြောင်းမှုသည် အောက်ပါနေရာတွင် ဖြစ်ပေါ်ပါသည်။

ω0 သည် အကူးအပြောင်းကြိမ်နှုန်းဖြစ်သည်။ ထို့ကြောင့်၊ မျှတသောအခြေအနေတွင် γ သည် စိတ်ကူးယဉ်ဂဏန်းသက်သက်ဖြစ်သောကြောင့် LH မှ RH သို့ ချောမွေ့စွာ ကူးပြောင်းမှုဖြစ်ပေါ်ပါသည်။ ထို့ကြောင့်၊ ဟန်ချက်ညီသော CRLH-TL ပြန့်ကျဲမှုအတွက် ရပ်ကွင်းမရှိပါ။ β သည် ω0 တွင် သုညဖြစ်သော် လည်း ω0 တွင် vg သည် သုညမဟုတ်သောကြောင့်၊ အလားတူ၊ ω0 တွင်၊ အဆင့်ပြောင်းလဲမှုသည် အလျား d (ဆိုလိုသည်မှာ φ= - βd=0) အတွက် သုညဖြစ်သည်။ အဆင့်မြှင့်တင်ခြင်း (ဆိုလိုသည်မှာ φ>0) သည် LH ကြိမ်နှုန်းအကွာအဝေး (ဆိုလိုသည်မှာ ω<ω0) တွင် ဖြစ်ပေါ်ပြီး အဆင့်နောက်ကျခြင်း (ဆိုလိုသည်မှာ φ<0) သည် RH ကြိမ်နှုန်းအကွာအဝေး (ဆိုလိုသည်မှာ ω>ω0) တွင် ဖြစ်ပေါ်သည်။ CRLH TL အတွက်၊ ဝိသေသ impedance ကို အောက်ပါအတိုင်း ဖော်ပြထားပါသည်။

ZL နှင့် ZR သည် PLH နှင့် PRH impedances အသီးသီးဖြစ်သည်။ ဟန်ချက်မညီသောကိစ္စအတွက်၊ ဝိသေသ impedance သည် ကြိမ်နှုန်းပေါ်တွင်မူတည်သည်။ အထက်ဖော်ပြပါညီမျှခြင်းသည် မျှတသောကိစ္စရပ်သည် ကြိမ်နှုန်းနှင့်မကင်းကြောင်းပြသသည်၊ ထို့ကြောင့် ၎င်းသည် ကျယ်ပြန့်သော bandwidth ကိုက်ညီမှုရှိသည်။ အထက်ဖော်ပြပါ TL ညီမျှခြင်းသည် CRLH ပစ္စည်းကို သတ်မှတ်ပေးသည့် ဖွဲ့စည်းပုံအခြေခံဥပဒေဘောင်များနှင့် ဆင်တူသည်။ TL ၏ ပြန့်ပွားမှု ကိန်းသေမှာ γ=jβ=Sqrt(ZY) ဖြစ်သည်။ ပစ္စည်း၏ ပြန့်ပွားမှု ကိန်းသေအား (β=ω x Sqrt(εμ)) ဖြင့် အောက်ပါညီမျှခြင်းအား ရရှိနိုင်ပါသည်။

အလားတူပင်၊ TL ၏ ဝိသေသ impedance ၊ ဆိုလိုသည်မှာ Z0=Sqrt(ZY) သည် ပစ္စည်း၏ ဝိသေသ impedance နှင့် ဆင်တူသည်၊ ဆိုလိုသည်မှာ η=Sqrt(μ/ε) ဟုဖော်ပြသည်-

ပုံ 4 တွင်၊ ၎င်း၏ LH အကွာအဝေးရှိ CRLH-TL ၏အလင်းယိုင်မှုအညွှန်းကိန်းသည် အနှုတ်ဖြစ်ပြီး ၎င်း၏ RH ရှိ အလင်းယပ်ညွှန်းကိန်း range က positive ပါ။

ပုံ။ 4 ဟန်ချက်ညီပြီး ဟန်ချက်မညီသော CRLH TLs များ၏ ပုံမှန်အလင်းယိုင်ညွှန်းကိန်းများ။

1. LC ကွန်ရက်
ပုံ 5(a) တွင်ပြသထားသည့် bandpass LC ဆဲလ်များကို ခွဲထားခြင်းဖြင့်၊ အရှည် d ၏ထိရောက်သောတူညီမှုရှိသော ပုံမှန် CRLH-TL ကို အခါအားလျော်စွာ သို့မဟုတ် အချိန်အခါအလိုက် တည်ဆောက်နိုင်ပါသည်။ ယေဘုယျအားဖြင့်၊ CRLH-TL ၏ တွက်ချက်မှုနှင့် ထုတ်လုပ်မှု အဆင်ပြေစေရန်အတွက် ဆားကစ်သည် အချိန်အပိုင်းအခြားရှိရန် လိုအပ်သည်။ ပုံ 1(c) ၏ မော်ဒယ်နှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက ပုံ 5(a) ၏ circuit cell သည် အရွယ်အစား မရှိသည့်အပြင် ရုပ်ပိုင်းဆိုင်ရာ အလျားသည် အကန့်အသတ်မရှိ (ဆိုလိုသည်မှာ Δz in မီတာ) ဖြစ်သည်။ ၎င်း၏လျှပ်စစ်အရှည် θ=Δφ (rad) ကို ထည့်သွင်းစဉ်းစားခြင်းဖြင့် LC ဆဲလ်၏ အဆင့်ကို ဖော်ပြနိုင်သည်။ သို့သော်၊ အသုံးချ inductance နှင့် capacitance ကို အမှန်တကယ် နားလည်နိုင်ရန်၊ ရုပ်ပိုင်းဆိုင်ရာ အလျား p ကို ထူထောင်ရန် လိုအပ်သည်။ အပလီကေးရှင်းနည်းပညာရွေးချယ်မှု (ဥပမာ microstrip၊ coplanar waveguide၊ surface mount components စသည်ဖြင့်) သည် LC cell ၏ ရုပ်ပိုင်းဆိုင်ရာအရွယ်အစားကို သက်ရောက်မှုရှိမည်ဖြစ်သည်။ ပုံ 5(a) ၏ LC ဆဲလ်သည် ပုံ 1(c) ၏ တိုးမြင့်မှုပုံစံနှင့် ဆင်တူပြီး ၎င်း၏ကန့်သတ်ချက် p=Δz→0။ ပုံ 5(ခ) တွင် တူညီမှုအခြေအနေ p→0 အရ TL ကို အရှည် d ပါသော စံပြယူနီဖောင်း CRLH-TL နှင့် ညီမျှသော TL တစ်ခုကို တည်ဆောက်နိုင်သည်၊ သို့မှသာ TL သည် လျှပ်စစ်သံလိုက်လှိုင်းများနှင့် တူညီနေပါသည်။

ပုံ 5 CRLH TL သည် LC ကွန်ရက်အပေါ်အခြေခံသည်။

LC ဆဲလ်အတွက်၊ Bloch-Floquet သီအိုရီနှင့် ဆင်တူသည့် Periodic နယ်နိမိတ်အခြေအနေများ (PBCs) ကို သုံးသပ်ပါက၊ LC ဆဲလ်၏ ကွဲလွဲမှုဆက်စပ်မှုကို သက်သေပြပြီး အောက်ပါအတိုင်း ဖော်ပြသည်-

LC cell ၏ series impedance (Z) နှင့် shunt admittance (Y) ကို အောက်ပါညီမျှခြင်းများဖြင့် ဆုံးဖြတ်သည်-

ယူနစ် LC ဆားကစ်၏ လျှပ်စစ်အလျားသည် အလွန်သေးငယ်သောကြောင့်၊ ရရှိရန် Taylor အနီးစပ်ဆုံးကို အသုံးပြုနိုင်သည်။

2. ရုပ်ပိုင်းဆိုင်ရာ အကောင်အထည်ဖော်ခြင်း။
ယခင်အပိုင်းတွင်၊ CRLH-TL ထုတ်လုပ်ရန် LC ကွန်ရက်ကို ဆွေးနွေးထားသည်။ ထိုသို့သော LC ကွန်ရက်များသည် လိုအပ်သော capacitance (CR နှင့် CL) နှင့် inductance (LR နှင့် LL) ကို ထုတ်လုပ်ပေးနိုင်သော ရုပ်ပိုင်းဆိုင်ရာ အစိတ်အပိုင်းများကို အသုံးပြုခြင်းဖြင့်သာ နားလည်နိုင်သည်။ မကြာသေးမီနှစ်များအတွင်း၊ surface mount technology (SMT) chip အစိတ်အပိုင်းများ သို့မဟုတ် ဖြန့်ဝေထားသော အစိတ်အပိုင်းများကို အသုံးချခြင်းသည် အလွန်စိတ်ဝင်စားမှုရရှိခဲ့သည်။ Microstrip၊ stripline၊ coplanar waveguide သို့မဟုတ် အခြားအလားတူနည်းပညာများကို ဖြန့်ဝေထားသော အစိတ်အပိုင်းများကို သိရှိနိုင်ရန် အသုံးပြုနိုင်သည်။ SMT ချစ်ပ်များ သို့မဟုတ် ဖြန့်ဝေထားသော အစိတ်အပိုင်းများကို ရွေးချယ်ရာတွင် ထည့်သွင်းစဉ်းစားရမည့်အချက်များစွာရှိသည်။ SMT-based CRLH တည်ဆောက်ပုံများသည် ခွဲခြမ်းစိတ်ဖြာခြင်းနှင့် ဒီဇိုင်းပိုင်းအရ အကောင်အထည်ဖော်ရန် ပိုမိုလွယ်ကူပါသည်။ ၎င်းသည် ဖြန့်ဝေထားသော အစိတ်အပိုင်းများနှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက ပြန်လည်မွမ်းမံခြင်းနှင့် ထုတ်လုပ်ခြင်း မလိုအပ်သော SMT ချစ်ပ် အစိတ်အပိုင်းများကို စင်ပြင်ပတွင် ရရှိနိုင်ခြင်းကြောင့် ဖြစ်သည်။ သို့သော် SMT အစိတ်အပိုင်းများရရှိနိုင်မှုမှာ ပြန့်ကျဲနေပြီး ၎င်းတို့သည် များသောအားဖြင့် နိမ့်သောကြိမ်နှုန်းများ (ဆိုလိုသည်မှာ 3-6GHz) တွင်သာ အလုပ်လုပ်ပါသည်။ ထို့ကြောင့်၊ SMT-based CRLH တည်ဆောက်ပုံများသည် လည်ပတ်မှုအကြိမ်ရေ အကန့်အသတ်များနှင့် သီးခြားအဆင့်လက္ခဏာများရှိသည်။ ဥပမာအားဖြင့်၊ ဖြာထွက်သည့်အက်ပ်များတွင် SMT ချစ်ပ်အစိတ်အပိုင်းများသည် ဖြစ်နိုင်ချေမရှိပေ။ ပုံ 6 သည် CRLH-TL ကို အခြေခံ၍ ဖြန့်ဝေထားသော ဖွဲ့စည်းပုံကို ပြသည်။ ဖွဲ့စည်းတည်ဆောက်ပုံကို interdigital capacitance နှင့် short-circuit လိုင်းများဖြင့် နားလည်ထားပြီး၊ series capacitance CL နှင့် LH ၏ parallel inductance LL တို့ကို အသီးသီးဖွဲ့စည်းထားသည်။ လိုင်းနှင့် GND အကြား စွမ်းရည်ကို RH capacitance CR ဟု ယူဆရပြီး interdigital တည်ဆောက်ပုံရှိ လက်ရှိစီးဆင်းမှုမှ ဖြစ်ပေါ်လာသော သံလိုက် flux မှ ထုတ်ပေးသော inductance ကို RH inductance LR ဟု ယူဆပါသည်။