بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ساختارهای متا متریال و کاربرد آهنا در ﲠبود عملکرد آنتنها
چکیده - ساختارهای متا متریال با توجه به ویژگیهای منحصر بفرد خود، توانسته است خود را به عنوان یکی از مهمﱰین موضوعات طراحی مایکروویوی مطرح ﳕاید. کاربرد این ساختارها در طراحی موجﱪها، فیلﱰها، کوپلرها و ﲞصوص در مبحث آنتنها به سرعت در حال گسﱰش میباشد. در این مقاله سعی بر آن شده است تا با مروری اﲨالی بر این ساختارها، به شاخص ترین کاربرد این مواد در ﲠبود عملکرد آنتنها پرداخته شود.
١- مقدمه
ویکتور وسلاگودر سال 1967،معادلات ماکسول را بر اساس موادی فرضی که دارای نفوذ پذیری و گذردهی ﳘزمان منفی بودند، ارائه ﳕود ]١.[ وی به صورت تئوری، اثبات ﳕود که
امواج صفحهای در این مواد فرضی، دارای سرعت فازی غیر موازی با سرعت گروه میباشند. در نتیجه، برادارهایی که میدان الکﱰیکی، میدان مغناطیسی، و جهت انتشار در این مواد را توصیف میﳕایند، از ویژگی "دست-چپ" پیروی میﳕایند؛که این موضوع باعث اطلاق عبارت "چپگرد" به این مواد شد. وسلاگو ﳘچنین نشان داد که این مواد چپگرد دارای ویژگیهای الکﱰومغناطیسی غیر معمولِ ﳘانند شکست منفی و معکوس شدن اثر داپلر میباشند.
نتایج بدست آمده توسط وسلاگو، به مدت سی سال به فراموشی سپرده شد. در دهه ١٩٩٠، پندری توانست از آرایهای از سیمهای فلزی، گذردهی منفی بدست اورد ]٢[ و در ادامه مطالعات خود نفوذ پذیری منفی را از ساختارهای متناوب تشدید کننده-های رینگ شکافدار (SRR)، بدستآورد ]٣.[
این ﲢقیقات اﳒام گرفته توسط وسلاگو و پندری ]٣-١ [، صرفا جنبه تئوری داشت و تنها در ساﳍای اخیر بود که ﳏققان توانستند چگونگی پیاده ﳕودن ساختار این مواد چپگرد را درک ﳕایند. اولین کاربرد چنین موادی در دانشگاه کالیفرنیا صورت گرفت که توانستند آرایهای متناوب حجمی تشکیل یافته از سیمهای فلزی و SRRها ایجاد ﳕایند که شرط نفوذ پذیری و گذردهی مؤثر منفی ﳘزمان را ارضا میﳕود ]۴.[ امروزه از این مواد مصنوعی به عنوان فراموادها ویا در اصطلاح متامتریال ها یاد میشود. برای متامتریال ها با نفوذپذیری و گذزدهی منفی، چندین نام واصطلاح پیشنهاد شده است، ﳘانند : "مواد با ضریب شکست منفی"١ "مواد با امواج پسرو ( BW ] "(Media۵[، " متامتریال های جفت-منفی ]"(DNG)۶[، و چندین نام دیگر. در ساﳍای اخیر تعداد زیادی از گروههای ﲢقیقاتی مختلف با مطالعه بر روی جنبههای مختلف ساختارهای متا متریال چندین پیشنهاد برای کاربردهای آینده این مواد، ﲞصوص در مبحث آنتنها ارائه ﳕودهاند.
در این مقاله به کاربرد این ساختارها در ﲠبود عملکرد آنتنها میپردازیم. البته لازم به ذکر است که با توجه به وسعت بالای مطالب در مورد کاربرد متامتریال ها، این مقاله لزوما ناقص میباشد و ﳕیتواند به ﲤامی جنبههای مختلف کاربرد این مواد در ﲠبود عملکرد آنتنها بپردازد. بنابراین در نگارش این مقاله، سعی بر آن شده است که با اشاره به شاخص ترین انها، از بیان مطالب تکراری و روابط طولانی خودداری شود.
٢- پوششی از متا متریال برای ﲠبود عملکرد آنﱳ
با استفاده از پوششی از متا متریال میتوان امپدانس داخلی آنﱳ را تغییر داده و حتی آنرا با فضای آزاد تطبیق دهیم که این امر باعث ﲠبود عملکرد آنﱳ میشود. این کار برای اولین بار در سال ٢٠٠٣، توسط زیلکوسکی اﳒام گرفت که با استفاده از یک پوشش کروی DNG ، توانست توان تشعشعی آنﱳ دو قطبی ﳏصور شده در این پوشش کروی را در مقایسه با آنﱳ مشابه قرار گرفته در فضای آزاد، افزایش دهد ] ٧.[ شکل ١ ﳕایی از این ساختار را نشان میدهد. با استفاده از پوشش DNG یک اﳌان سلفی ایجاد میشود که با خازن آنﱳ دوقطبی تطبیق یافته و رزونانس LC را تولید میﳕاید.
برای درک ﲠﱰ، یک آنﱳ دو قطبی ١٠ گیگاهرتز به طول ١٠٠ میکرومﱰ قرار گرفته شده در کره- ای از فضای آزاد به شعاع را نظر بگیرید. این کره تشکیل یافته ارآنﱳ دو قطبی و فضای آزاد، نیز با پوششی کروی شکل از ساختار DNG به شعاع خارجی ﳏصور شده است.
فضای نیز به عنوان فضای آزاد در نظر گرفته شده است. ﳕودار توان تشعشی نرمالیزه شده این آنﱳ بر حسب شعاع خارجی پوشش DNG در شکل ٢ آورده شده است. ﳘانطور که در این شکل بوضوح نشان داده شده است، بیشﱰین توان تشعشعی در r2= رخ میدهد. در این ﳕودار ﳘچنین اثرات تلفات در نظر گرفته شده است که مشاهده میشود با در نظر گرفﱳ تلفات، ﳘچنان پیک ایجاد شده باقی میماند و تنها کاهشی در آن صورت میگیرد.
شکل ١ یک پوشش DNG که بـا ترکیـب بـا آنﱳ دو قطبی تولید رزونانس میﳕاید
شکل ٢ ﲠره توان تشعشعی آنـﱳ دو قطبـی قرار گرفته شده در پوششهای مختلف .DNG
از پوشش متامتریال هایی که دارای گذردهی منفی (ENG)، می- باشند،استفاده ﳕود که دقیقا ﳘان شرائط را ایجاد میﳕاید، با این تفاوت که ساختار پوشش ENG به مراتب از پوشش DNG سادہ تر میباشد و بر خلاف مواد DNG که موادی صرفا مصنوعی هستند، درطبیعت یافت می شوند {۸} .
۳- متامتریال با ضریب شکست صفر برای افزایش سمت گرایی
نمونه ای از کاربرد د يو اره متامتریال با ضریب صفر در آنتها، بدست آوردن پرتوی با جهت داری بالا میباشد [۹] . منبع خطی قرار گرفته شده در مرکز یک دیوارہ تشکیل يافته متامتریال تطبیق یافته با ضریب شکست صفر (۰ = n ) ، در نظر بگیرید. امواج استوانه ای تولید یافته توسط منبع خطی ، توزیع میدانی الکتریکی متغیر با زمان در دیواره ایجاد می نماید . با توجه به قانون اسنل میدانیم که امواج انتقال یافته به بیرون دیواره تا زمانی که ضریب شکست مادہ ، صفر باشد، با تابش با هر زاویه ای ، زاویه ی انتقالی ، برابر با صفر خواهند داشت.
که در این رابطه ، محیط درونی دیواره را با پسوند interior و محیط بیرونی را با پسوند exterior نمایش داده ایم. بدین ترتیب میدان تابشی از هر دیواره با ضریب شکست صفر، در خارج آن در جهتی متعامد با نمای روبرو به دیوارہ منتشر میشود ۔ در نتیجه ، موج استوانه ای تولید شده توسط منبع خطی به موجی صفحه ای در هنگام خروج از دیواره تطبیق یافته با ضریب صفر تبدیل می شود (شکل3) علاوه بر این به خاطر اینکه تمامی نمای داخلی دیواره هم فاز می باشند.
همانند یک روزنه مسطح عمل مینماید. چنین روزنه هایی بیشترین پرتو جهت دار را تولید می نمایند.
از این ویژگی میتوان در افزایش سمتگرایی آنتن، استفاده نمود . به عنوان مثال ، با استفاده از ساختار متامتریال در بالا لایه آنتن پج، میتوان سمت گرایی و بهره انتن را افزایش داد {۱۰] .
۴- استفاده از متا متریال بعنوان زیر لایه در آنتن پج
بـــا استفاده از ملتامتريال د ر زير لایه دی الکتریک آنتھای پج ، می۔ توان ابعاد رزونانسی آنتن را کاهش داد . این کاهش ابعاد با استفاده از شرط رزونانسی برای آنتن پچ مستطیلی بصورت زیر نتیجه می شود :
به طوری که L و W به ترتیب به ترتیب طول و عرض آنتن، ضریب شکست پراکندگی مؤثر، c سرعت نور در فضای ازاد ، و P و q اعداد صحیحی میباشند که به مدهای عملکرد آنتن مربوط می شوند.
شکل ۳- نمونه - ای از خروج امواج متعامد از دیوارهای با ضریب شکست صفر
مدل محفظه تشدید در رابطه ۲، بیانگر آنست که با نفوذ پذیری بیشتر از یک می توان فرکانس رزونانس را کاهش داد که این امر برای زیر لایه های دی - الکتریکی-مغناطیسی توسط هانس و برک نشان داده شده است {۱۱] .
زیر لایه های باگزاری شده توسط SRR می تواند برای تغییر فرکانس رزونانس انتن پچ بوسیله تعریف نفوذپذیری ماده به کار رود. برای نشان دادن کاهش فرکانس رزونانس آنﱳ از دو SRR استفاده میﳕاییم که یکی از آهنا دارای ابعاد کشیدهتر میباشد. کشیدهتر کردن ابعاد SRR، باعث کاهش فرکانس رزونانس آن میشود. ساده-ترین توضیح برای کاهش فرکانس زیر لایه آنﱳ، بدین صورت میباشد که با تغییر ابعاد SRR، نفوذ پذیری مؤثر آن طبق رابطه ٢، افزایش مییابد که این افزایش نفوذپذیری باعث افزایش ضریب شکست میشود که با استفاده از شرط رزونانسی ذکر شده، منجر به کاهش فرکانس رزونانس آنﱳ می-شود. شکل ۴ نشان دهنده تلفات
تلفات برگشتی آنﱳ میباشد که با سه زیر لایه مختلف نشان داده شده است. ﳘانطور که در این شکل مشاهده مینمایید، با استفاده از بارگذاری با SRR کشیدهتر، بیشﱰین کاهش در فرکانس رزونانس آنﱳ بوجود میآید (در حدود %۶٣). این نتایج توسط ایکنون در ]١٢[ آورده شده است.
شکل 4- تلفات برگشتی انتن پچ با سه زیر لایه متفاوت
5- کاهش تلفات برگشتی و افزایش باند در انتن های مسطح
تحلیل برای زیر لایه های با تلفات پایین به طور معمول با استفاده از ضریب کیفیت Q انجام می شود که این ظریب دارای رابطه معکوسی با پهنای باند می باشد.
تلفاتی که در ضریب کیفیت یک آنﱳ بدون بارگذاری شده تاثیر دارند را میتوان بدین صورت بیان ﳕود: تلفات دی الکﱰیک، تلفات تشعشعی و تلفات ایجاد شده از امواج سطحی در زیر لایه.
شکل ۵ ﳕایی از آنﱳ پچ متداول و آنﱳ پچ بارگذاری شده با متا متریال را نشان میدهد. ﲢلیل یک آنﱳ پچ بارگذاری شده با متا متریال به علت وجود پراکندگی، ضریب شکست مؤثر و تلفات جدید حاصله از ساختار متا متریال، بسیارباشدپیچیده می و ﳕیتوان آن را با یک مدل ساده توصیف ﳕود. بدین منظور، یک ﳏاسبه ﲤام موج برای بدست آوردن کاهش تلفات برگشتی، ضروری می-باشد.
شکل ۵: الف)آنﱳ پچ متداول ب) آنﱳ پـچ بارگذاری شده با SRR
