2. 안테나 시스템에서 MTM-TL의 적용
이 섹션에서는 인공 메타물질 TL과 저비용, 용이한 제조, 소형화, 넓은 대역폭, 높은 이득 및 효율, 넓은 범위의 스캐닝 성능, 그리고 낮은 두께를 가진 다양한 안테나 구조를 구현하는 데 있어 가장 흔하고 관련성 높은 응용 분야들에 대해 중점적으로 살펴봅니다. 아래에서 이에 대해 논의합니다.
1. 광대역 및 다중 주파수 안테나
길이가 l인 일반적인 TL에서 각 주파수 ω0가 주어지면 전송선의 전기적 길이(또는 위상)는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
여기서 vp는 전송선의 위상 속도를 나타냅니다. 위에서 볼 수 있듯이 대역폭은 주파수에 대한 φ의 미분값인 군지연과 거의 일치합니다. 따라서 전송선 길이가 짧아질수록 대역폭도 넓어집니다. 다시 말해, 대역폭과 전송선의 기본 위상 사이에는 반비례 관계가 있으며, 이는 설계에 따라 달라집니다. 이는 기존 분산 회로에서 동작 대역폭을 제어하기 쉽지 않음을 보여줍니다. 이는 기존 전송선의 자유도 측면에서 한계가 있기 때문입니다. 그러나 로딩 소자를 사용하면 메타물질 TL에 추가 매개변수를 사용할 수 있으며 위상 응답을 어느 정도 제어할 수 있습니다. 대역폭을 늘리려면 분산 특성의 동작 주파수 근처에서 유사한 기울기를 가져야 합니다. 인공 메타물질 TL은 이러한 목표를 달성할 수 있습니다. 이러한 접근 방식을 기반으로 본 논문에서는 안테나 대역폭을 향상시키는 여러 가지 방법을 제안합니다. 학자들은 분할 링 공진기를 탑재한 두 개의 광대역 안테나를 설계하고 제작했습니다(그림 7 참조). 그림 7에 표시된 결과는 분할 링 공진기에 기존 모노폴 안테나를 로드한 후 낮은 공진 주파수 모드가 여기됨을 보여줍니다. 분할 링 공진기의 크기는 모노폴 안테나의 공진에 가까운 공진을 달성하도록 최적화되었습니다. 결과는 두 공진이 일치할 때 안테나의 대역폭과 방사 특성이 증가함을 보여줍니다. 모노폴 안테나의 길이와 너비는 각각 0.25λ0×0.11λ0 및 0.25λ0×0.21λ0(4GHz)이고, 분할 링 공진기를 로드한 모노폴 안테나의 길이와 너비는 각각 0.29λ0×0.21λ0(2.9GHz)입니다. 분할 링 공진기가 없는 기존 F형 안테나와 T형 안테나의 경우 5GHz 대역에서 측정된 가장 높은 이득과 방사 효율은 각각 3.6dBi - 78.5% 및 3.9dBi - 80.2%입니다. 분할 링 공진기를 탑재한 안테나의 경우, 6GHz 대역에서 각각 4dBi - 81.2% 및 4.4dBi - 83%의 파라미터를 나타냅니다. 모노폴 안테나에 분할 링 공진기를 정합 부하로 구현하면 2.9GHz ~ 6.41GHz 및 2.6GHz ~ 6.6GHz 대역을 지원할 수 있으며, 이는 각각 75.4% 및 ~87%의 비대역폭에 해당합니다. 이러한 결과는 대략 고정된 크기의 기존 모노폴 안테나에 비해 측정 대역폭이 약 2.4배 및 2.11배 향상되었음을 보여줍니다.
그림 7. 분할 링 공진기를 탑재한 두 개의 광대역 안테나.
그림 8에 나타낸 바와 같이, 소형 인쇄 모노폴 안테나의 실험 결과가 나와 있습니다.S11≤- 10 dB일 때, 작동 대역폭은 185%(0.115-2.90 GHz)이고, 1.45 GHz에서 피크 이득과 방사 효율은 각각 2.35 dBi와 78.8%입니다.안테나의 레이아웃은 곡선형 전력 분배기에서 급전되는 등대등 삼각형 시트 구조와 유사합니다.잘린 GND에는 급전기 아래에 배치된 중앙 스터브가 포함되어 있으며, 4개의 개방형 공진 링이 그 주위에 분포되어 안테나의 대역폭을 넓힙니다.안테나는 거의 전방향으로 방사하여 대부분의 VHF 및 S 대역과 모든 UHF 및 L 대역을 포괄합니다. 안테나의 물리적 크기는 48.32×43.72×0.8 mm3이고, 전기적 크기는 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0입니다. 소형화와 저비용이라는 장점을 가지고 있으며, 광대역 무선 통신 시스템에 잠재적으로 적용될 가능성이 있습니다.
그림 8: 분할 링 공진기를 탑재한 모노폴 안테나.
그림 9는 두 쌍의 상호 연결된 미앤더 와이어 루프가 두 개의 비아를 통해 잘린 T자형 접지면에 접지된 평면 안테나 구조를 보여줍니다. 안테나 크기는 38.5×36.6 mm²(0.070λ0×0.067λ0)이며, 여기서 λ0는 0.55 GHz의 자유 공간 파장입니다. 안테나는 0.55 ~ 3.85 GHz의 작동 주파수 대역에서 E 평면에서 전방향으로 방사하며, 2.35GHz에서 최대 이득은 5.5dBi, 효율은 90.1%입니다. 이러한 특징 덕분에 제안된 안테나는 UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi, Bluetooth 등 다양한 응용 분야에 적합합니다.
그림 9 제안된 평면 안테나 구조.
2. 누설파 안테나(LWA)
새로운 누설파 안테나는 인공 메타물질 TL 구현을 위한 주요 응용 분야 중 하나입니다. 누설파 안테나의 경우, 위상 상수 β가 방사각(θm)과 최대 빔 폭(Δθ)에 미치는 영향은 다음과 같습니다.
L은 안테나 길이, k0는 자유 공간의 파수, λ0는 자유 공간의 파장입니다. 복사는 |β|가 0일 때만 발생합니다.
3. 영차 공진 안테나
CRLH 메타물질의 고유한 특성은 주파수가 0이 아닐 때 β가 0이 될 수 있다는 것입니다. 이 특성을 기반으로 새로운 영차 공진기(ZOR)를 생성할 수 있습니다. β가 0일 때 전체 공진기에서 위상 변화가 발생하지 않습니다. 이는 위상 변화 상수 φ = - βd = 0이기 때문입니다. 또한 공진은 무효 부하에만 의존하고 구조의 길이와 무관합니다. 그림 10은 제안된 안테나가 E-형태의 유닛 2개와 3개를 적용하여 제작되었으며 전체 크기는 각각 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 및 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0임을 보여줍니다. 여기서 λ0는 각각 500MHz 및 650MHz의 작동 주파수에서 자유 공간의 파장을 나타냅니다. 안테나는 0.5~1.35GHz(0.85GHz) 및 0.65~1.85GHz(1.2GHz) 주파수에서 작동하며, 상대 대역폭은 각각 91.9%와 96.0%입니다. 작은 크기와 넓은 대역폭이라는 특성 외에도, 첫 번째 안테나와 두 번째 안테나의 이득과 효율은 각각 5.3dBi와 85%(1GHz) 및 5.7dBi와 90%(1.4GHz)입니다.
그림 10 제안된 2중 E 및 3중 E 안테나 구조.
4. 슬롯 안테나
CRLH-MTM 안테나의 조리개를 확대하는 간단한 방법이 제안되었지만, 안테나 크기는 거의 변하지 않았습니다.그림 11에서 보듯이, 안테나는 패치와 미앤더 라인을 포함하는 서로 수직으로 쌓인 CRLH 유닛을 포함하고 패치에 S자 모양의 슬롯이 있습니다.안테나는 CPW 매칭 스터브에서 공급되며, 크기는 17.5mm × 32.15mm × 1.6mm로 0.204λ0×0.375λ0×0.018λ0에 해당합니다.여기서 λ0(3.5GHz)는 자유 공간의 파장을 나타냅니다.결과에 따르면 안테나는 0.85-7.90GHz의 주파수 대역에서 작동하고 작동 대역폭은 161.14%입니다.안테나의 가장 높은 방사 이득과 효율은 3.5GHz에서 나타나며, 각각 5.12dBi와 ~80%입니다.
그림 11 제안된 CRLH MTM 슬롯 안테나.
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게시 시간: 2024년 8월 30일
