خبریں - میٹی میٹریل ٹرانسمیشن لائن انٹینا کا جائزہ

I. تعارف
کچھ برقی مقناطیسی خصوصیات پیدا کرنے کے لیے جو قدرتی طور پر موجود نہیں ہیں، میٹا میٹریلز کو مصنوعی طور پر ڈیزائن کیے گئے ڈھانچے کے طور پر بہترین طور پر بیان کیا جا سکتا ہے۔ منفی اجازت اور منفی پارگمیتا کے ساتھ میٹا میٹریل کو بائیں ہاتھ سے میٹا میٹریلز (LHMs) کہا جاتا ہے۔ LHMs کا سائنسی اور انجینئرنگ کمیونٹیز میں بڑے پیمانے پر مطالعہ کیا گیا ہے۔ 2003 میں، LHMs کو سائنس میگزین کی طرف سے عصری دور کی سرفہرست دس سائنسی پیش رفتوں میں سے ایک قرار دیا گیا۔ نئی ایپلی کیشنز، تصورات، اور آلات LHMs کی منفرد خصوصیات سے فائدہ اٹھا کر تیار کیے گئے ہیں۔ ٹرانسمیشن لائن (TL) نقطہ نظر ایک مؤثر ڈیزائن کا طریقہ ہے جو LHMs کے اصولوں کا بھی تجزیہ کر سکتا ہے۔ روایتی TLs کے مقابلے میں، میٹیمیٹریل TLs کی سب سے اہم خصوصیت TL پیرامیٹرز (پروپیگیشن کنسٹنٹ) اور خصوصیت کی رکاوٹ ہے۔ میٹی میٹریل TL پیرامیٹرز کی کنٹرولیبلٹی زیادہ کمپیکٹ سائز، اعلی کارکردگی، اور نئے افعال کے ساتھ اینٹینا ڈھانچے کو ڈیزائن کرنے کے لیے نئے آئیڈیاز فراہم کرتی ہے۔ شکل 1 (a)، (b)، اور (c) خالص دائیں ہاتھ کی ٹرانسمیشن لائن (PRH)، خالص بائیں ہاتھ کی ٹرانسمیشن لائن (PLH)، اور جامع بائیں-دائیں ہاتھ والی ٹرانسمیشن لائن ( CRLH) بالترتیب۔ جیسا کہ شکل 1(a) میں دکھایا گیا ہے، PRH TL مساوی سرکٹ ماڈل عام طور پر سیریز انڈکٹنس اور شنٹ کیپیسیٹینس کا مجموعہ ہوتا ہے۔ جیسا کہ شکل 1(b) میں دکھایا گیا ہے، PLH TL سرکٹ ماڈل شنٹ انڈکٹنس اور سیریز کیپیسیٹینس کا مجموعہ ہے۔ عملی ایپلی کیشنز میں، PLH سرکٹ کو لاگو کرنا ممکن نہیں ہے۔ یہ ناگزیر پرجیوی سیریز انڈکٹنس اور شنٹ کیپیسیٹینس اثرات کی وجہ سے ہے۔ لہٰذا، بائیں ہاتھ کی ٹرانسمیشن لائن کی خصوصیات جو اس وقت محسوس کی جا سکتی ہیں وہ تمام جامع بائیں ہاتھ اور دائیں ہاتھ کے ڈھانچے ہیں، جیسا کہ شکل 1(c) میں دکھایا گیا ہے۔

شکل 1 مختلف ٹرانسمیشن لائن سرکٹ ماڈل

ٹرانسمیشن لائن (TL) کے پروپیگیشن مستقل (γ) کا حساب اس طرح لگایا جاتا ہے: γ=α+jβ=Sqrt(ZY)، جہاں Y اور Z بالترتیب داخلہ اور رکاوٹ کی نمائندگی کرتے ہیں۔ CRLH-TL، Z اور Y پر غور کرتے ہوئے اس کا اظہار کیا جا سکتا ہے:

یکساں CRLH TL کا مندرجہ ذیل بازی کا تعلق ہوگا:

مرحلہ مستقل β ایک خالص حقیقی نمبر یا خالصتاً خیالی نمبر ہو سکتا ہے۔ اگر β فریکوئنسی رینج کے اندر مکمل طور پر حقیقی ہے، تو γ=jβ حالت کی وجہ سے فریکوئنسی رینج کے اندر پاس بینڈ موجود ہے۔ دوسری طرف، اگر β فریکوئنسی رینج کے اندر ایک خالصتاً خیالی نمبر ہے، تو γ=α حالت کی وجہ سے فریکوئنسی رینج کے اندر ایک سٹاپ بینڈ ہوتا ہے۔ یہ اسٹاپ بینڈ CRLH-TL کے لیے منفرد ہے اور PRH-TL یا PLH-TL میں موجود نہیں ہے۔ اعداد و شمار 2 (a)، (b)، اور (c) بالترتیب PRH-TL، PLH-TL، اور CRLH-TL کے بازی منحنی خطوط (یعنی ω - β رشتہ) دکھاتے ہیں۔ بازی منحنی خطوط کی بنیاد پر، ٹرانسمیشن لائن کے گروپ کی رفتار (vg=∂ω/∂β) اور مرحلے کی رفتار (vp=ω/β) اخذ اور اندازہ لگایا جا سکتا ہے۔ PRH-TL کے لیے، یہ وکر سے بھی اندازہ لگایا جا سکتا ہے کہ vg اور vp متوازی ہیں (یعنی vpvg>0)۔ PLH-TL کے لیے، وکر ظاہر کرتا ہے کہ vg اور vp متوازی نہیں ہیں (یعنی، vpvg<0)۔ CRLH-TL کا بازی وکر LH خطے (یعنی vpvg <0) اور RH خطے (یعنی vpvg > 0) کے وجود کو بھی ظاہر کرتا ہے۔ جیسا کہ شکل 2(c) سے دیکھا جا سکتا ہے، CRLH-TL کے لیے، اگر γ ایک خالص حقیقی نمبر ہے، تو ایک سٹاپ بینڈ ہے۔

شکل 2 مختلف ٹرانسمیشن لائنوں کے بازی منحنی خطوط

عام طور پر، ایک CRLH-TL کی سیریز اور متوازی گونجیں مختلف ہوتی ہیں، جسے غیر متوازن حالت کہا جاتا ہے۔ تاہم، جب سیریز اور متوازی گونج کی تعدد ایک جیسی ہوتی ہے، تو اسے متوازن حالت کہا جاتا ہے، اور نتیجے میں آسان مساوی سرکٹ ماڈل کو شکل 3(a) میں دکھایا گیا ہے۔

شکل 3 سرکٹ ماڈل اور بائیں ہاتھ کی جامع ٹرانسمیشن لائن کا بازی وکر

جیسے جیسے فریکوئنسی بڑھتی ہے، CRLH-TL کی بازی کی خصوصیات آہستہ آہستہ بڑھتی جاتی ہیں۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ مرحلے کی رفتار (یعنی، vp=ω/β) تعدد پر تیزی سے منحصر ہوتی جاتی ہے۔ کم تعدد پر، CRLH-TL پر LH کا غلبہ ہوتا ہے، جبکہ اعلی تعدد پر، CRLH-TL پر RH کا غلبہ ہوتا ہے۔ یہ CRLH-TL کی دوہری نوعیت کو ظاہر کرتا ہے۔ توازن CRLH-TL بازی ڈایاگرام کو شکل 3(b) میں دکھایا گیا ہے۔ جیسا کہ شکل 3(b) میں دکھایا گیا ہے، LH سے RH میں منتقلی اس وقت ہوتی ہے:

جہاں ω0 منتقلی کی تعدد ہے۔ لہذا، متوازن صورت میں، LH سے RH میں ایک ہموار منتقلی ہوتی ہے کیونکہ γ ایک خالصتاً خیالی نمبر ہے۔ لہذا، متوازن CRLH-TL بازی کے لیے کوئی سٹاپ بینڈ نہیں ہے۔ اگرچہ β ω0 پر صفر ہے (ہدایت یافتہ طول موج کی نسبت لامحدود، یعنی λg=2π/|β|)، لہر پھر بھی پھیلتی ہے کیونکہ ω0 پر vg صفر نہیں ہے۔ اسی طرح، ω0 پر، فیز شفٹ لمبائی d کے TL کے لیے صفر ہے (یعنی، φ= - βd=0)۔ فیز ایڈوانس (یعنی، φ>0) LH فریکوئنسی رینج میں ہوتا ہے (یعنی، ω<ω0)، اور فیز ریٹارڈیشن (یعنی، φ<0) RH فریکوئنسی رینج (یعنی، ω>ω0) میں ہوتا ہے۔ CRLH TL کے لیے، خصوصیت کی رکاوٹ کو اس طرح بیان کیا گیا ہے:

جہاں ZL اور ZR بالترتیب PLH اور PRH رکاوٹیں ہیں۔ غیر متوازن کیس کے لیے، خصوصیت کی رکاوٹ تعدد پر منحصر ہے۔ مندرجہ بالا مساوات سے پتہ چلتا ہے کہ متوازن کیس فریکوئنسی سے آزاد ہے، لہذا اس میں وسیع بینڈوتھ میچ ہو سکتا ہے۔ اوپر اخذ کردہ TL مساوات ان تشکیلاتی پیرامیٹرز سے ملتی جلتی ہے جو CRLH مواد کی وضاحت کرتے ہیں۔ TL کا پروپیگیشن مستقل γ=jβ=Sqrt(ZY) ہے۔ مواد (β=ω x Sqrt(εμ)) کے مسلسل پھیلاؤ کو دیکھتے ہوئے، درج ذیل مساوات حاصل کی جا سکتی ہے:

اسی طرح، TL کی خصوصیت کی رکاوٹ، یعنی Z0=Sqrt(ZY)، مواد کی خصوصیت کی رکاوٹ سے ملتی جلتی ہے، یعنی η=Sqrt(μ/ε)، جس کا اظہار اس طرح کیا جاتا ہے:

متوازن اور غیر متوازن CRLH-TL (یعنی، n = cβ/ω) کا اضطراری اشاریہ شکل 4 میں دکھایا گیا ہے۔ شکل 4 میں، LH رینج میں CRLH-TL کا اضطراری اشاریہ منفی ہے اور اس کے RH میں اضطراری اشاریہ حد مثبت ہے.

تصویر 4 متوازن اور غیر متوازن CRLH TLs کے مخصوص ریفریکٹیو انڈیکس۔

1. ایل سی نیٹ ورک
شکل 5(a) میں دکھائے گئے بینڈ پاس LC سیلز کو جھڑکتے ہوئے، ایک عام CRLH-TL لمبائی d کی موثر یکسانیت کے ساتھ وقتا فوقتا یا غیر متواتر بنایا جا سکتا ہے۔ عام طور پر، CRLH-TL کے حساب کتاب اور مینوفیکچرنگ کی سہولت کو یقینی بنانے کے لیے، سرکٹ کو متواتر ہونا ضروری ہے۔ شکل 1(c) کے ماڈل کے مقابلے میں، شکل 5(a) کے سرکٹ سیل کا کوئی سائز نہیں ہے اور جسمانی لمبائی لامحدود طور پر چھوٹی ہے (یعنی Δz میٹر میں)۔ اس کی برقی لمبائی θ=Δφ (rad) پر غور کرتے ہوئے، LC سیل کے مرحلے کا اظہار کیا جا سکتا ہے۔ تاہم، اصل میں لاگو انڈکٹنس اور گنجائش کو محسوس کرنے کے لیے، ایک جسمانی لمبائی p قائم کرنے کی ضرورت ہے۔ ایپلیکیشن ٹیکنالوجی کا انتخاب (جیسے مائیکرو اسٹریپ، کوپلنر ویو گائیڈ، سطح کے ماؤنٹ اجزاء وغیرہ) LC سیل کے جسمانی سائز کو متاثر کرے گا۔ شکل 5(a) کا LC سیل شکل 1(c) کے انکریمنٹل ماڈل سے ملتا جلتا ہے، اور اس کی حد p=Δz→0۔ شکل 5(b) میں یکسانیت کی حالت p → 0 کے مطابق، ایک TL بنایا جا سکتا ہے (LC خلیات کو کاسکیڈنگ کرکے) جو کہ لمبائی d کے ساتھ ایک مثالی یکساں CRLH-TL کے برابر ہے، تاکہ TL برقی مقناطیسی لہروں سے یکساں نظر آئے۔

شکل 5 LC نیٹ ورک پر مبنی CRLH TL۔

LC سیل کے لیے، Bloch-Floquet تھیوریم کی طرح متواتر باؤنڈری کنڈیشنز (PBCs) پر غور کرتے ہوئے، LC سیل کا ڈسپریشن ریلیشن ثابت ہوتا ہے اور اس کا اظہار اس طرح کیا جاتا ہے:

LC سیل کی سیریز میں رکاوٹ (Z) اور شنٹ ایڈمٹنس (Y) کا تعین درج ذیل مساواتوں سے کیا جاتا ہے:

چونکہ یونٹ ایل سی سرکٹ کی برقی لمبائی بہت چھوٹی ہے، اس لیے حاصل کرنے کے لیے ٹیلر کا تخمینہ استعمال کیا جا سکتا ہے:

2. جسمانی نفاذ
پچھلے حصے میں، CRLH-TL بنانے کے لیے LC نیٹ ورک پر بات کی گئی ہے۔ اس طرح کے LC نیٹ ورک کو صرف جسمانی اجزاء کو اپنانے سے حاصل کیا جا سکتا ہے جو مطلوبہ اہلیت (CR اور CL) اور انڈکٹنس (LR اور LL) پیدا کر سکتے ہیں۔ حالیہ برسوں میں، سطحی ماؤنٹ ٹیکنالوجی (SMT) چپ اجزاء یا تقسیم شدہ اجزاء کی درخواست نے بہت دلچسپی حاصل کی ہے۔ تقسیم شدہ اجزاء کو محسوس کرنے کے لیے مائیکرو اسٹریپ، سٹرپ لائن، کوپلنر ویو گائیڈ یا اسی طرح کی دیگر ٹیکنالوجیز کا استعمال کیا جا سکتا ہے۔ ایس ایم ٹی چپس یا تقسیم شدہ اجزاء کا انتخاب کرتے وقت بہت سے عوامل پر غور کرنا ہے۔ SMT پر مبنی CRLH ڈھانچے تجزیہ اور ڈیزائن کے لحاظ سے زیادہ عام اور لاگو کرنے میں آسان ہیں۔ یہ آف دی شیلف ایس ایم ٹی چپ اجزاء کی دستیابی کی وجہ سے ہے، جنہیں تقسیم شدہ اجزاء کے مقابلے میں دوبارہ بنانے اور تیار کرنے کی ضرورت نہیں ہے۔ تاہم، SMT اجزاء کی دستیابی بکھری ہوئی ہے، اور وہ عام طور پر صرف کم تعدد (یعنی 3-6GHz) پر کام کرتے ہیں۔ لہذا، SMT پر مبنی CRLH ڈھانچے میں محدود آپریٹنگ فریکوئنسی رینجز اور مخصوص فیز خصوصیات ہیں۔ مثال کے طور پر، ریڈیٹنگ ایپلی کیشنز میں، ایس ایم ٹی چپ کے اجزاء ممکن نہیں ہوسکتے ہیں۔ شکل 6 CRLH-TL پر مبنی ایک تقسیم شدہ ڈھانچہ دکھاتا ہے۔ ڈھانچے کو انٹرڈیجیٹل کیپیسیٹینس اور شارٹ سرکٹ لائنوں کے ذریعے محسوس کیا جاتا ہے، جو بالترتیب LH کی سیریز کیپیسیٹینس CL اور متوازی انڈکٹنس LL بناتی ہے۔ لائن اور GND کے درمیان کیپیسیٹینس کو RH capacitance CR سمجھا جاتا ہے، اور انٹرڈیجیٹل ڈھانچے میں موجودہ بہاؤ سے بننے والے مقناطیسی بہاؤ سے پیدا ہونے والی انڈکٹنس کو RH انڈکٹنس LR سمجھا جاتا ہے۔