2. 안테나 시스템에서 MTM-TL의 응용
이 섹션에서는 인공 메타물질 전송선(TL)과 이를 활용하여 저비용, 손쉬운 제조, 소형화, 넓은 대역폭, 높은 이득 및 효율, 광범위한 스캐닝 기능, 낮은 프로파일 등의 특징을 갖는 다양한 안테나 구조를 구현하는 가장 일반적이고 관련성 높은 응용 분야에 대해 중점적으로 다룹니다. 자세한 내용은 아래에서 설명합니다.
1. 광대역 및 다중 주파수 안테나
길이가 l인 일반적인 전송선로에서 각주파수 ω0가 주어지면 전송선로의 전기적 길이(또는 위상)는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
여기서 vp는 전송선의 위상 속도를 나타냅니다. 위에서 볼 수 있듯이 대역폭은 군지연과 밀접한 관련이 있으며, 군지연은 주파수에 대한 φ의 미분값입니다. 따라서 전송선의 길이가 짧아질수록 대역폭도 넓어집니다. 즉, 대역폭과 전송선의 기본 위상 사이에는 반비례 관계가 있으며, 이는 설계에 따라 달라집니다. 이는 기존의 분산 회로에서는 동작 대역폭을 제어하기 어렵다는 것을 보여줍니다. 이는 기존 전송선의 자유도 한계 때문입니다. 그러나 메타물질 전송선에서는 부하 소자를 통해 추가적인 파라미터를 사용할 수 있으며, 위상 응답을 어느 정도 제어할 수 있습니다. 대역폭을 증가시키기 위해서는 동작 주파수 근처에서 분산 특성의 기울기가 유사해야 합니다. 인공 메타물질 전송선은 이러한 목표를 달성할 수 있습니다. 본 논문에서는 이러한 접근 방식을 바탕으로 안테나의 대역폭을 향상시키는 다양한 방법을 제안합니다. 연구진은 분할 링 공진기를 부하로 사용한 두 개의 광대역 안테나를 설계 및 제작했습니다(그림 7 참조). 그림 7에 나타난 결과는 기존의 모노폴 안테나에 분할 링 공진기를 장착했을 때 낮은 공진 주파수 모드가 여기됨을 보여줍니다. 분할 링 공진기의 크기는 모노폴 안테나의 공진 주파수와 유사한 공진 주파수를 얻도록 최적화되었습니다. 두 공진 주파수가 일치할 때 안테나의 대역폭과 방사 특성이 향상됨을 알 수 있습니다. 모노폴 안테나의 길이와 폭은 각각 0.25λ0×0.11λ0 및 0.25λ0×0.21λ0(4GHz)이고, 분할 링 공진기가 장착된 모노폴 안테나의 길이와 폭은 각각 0.29λ0×0.21λ0(2.9GHz)입니다. 기존의 F자형 안테나와 분할 링 공진기가 없는 T자형 안테나의 경우, 5GHz 대역에서 측정된 최대 이득과 방사 효율은 각각 3.6dBi - 78.5% 및 3.9dBi - 80.2%입니다. 분할 링 공진기가 장착된 안테나의 경우, 6GHz 대역에서 4dBi - 81.2% 및 4.4dBi - 83%의 대역폭 특성을 나타냅니다. 모노폴 안테나에 분할 링 공진기를 정합 부하로 적용함으로써 2.9GHz ~ 6.41GHz 및 2.6GHz ~ 6.6GHz 대역을 지원할 수 있으며, 이는 각각 75.4% 및 약 87%의 대역폭에 해당합니다. 이러한 결과는 기존의 고정된 크기의 모노폴 안테나에 비해 측정 대역폭이 각각 약 2.4배 및 2.11배 향상되었음을 보여줍니다.
그림 7. 분할링 공진기가 장착된 두 개의 광대역 안테나.
그림 8에서 보는 바와 같이, 소형 인쇄형 모노폴 안테나의 실험 결과를 나타낸다. S11≤-10dB일 때, 동작 대역폭은 185%(0.115~2.90GHz)이며, 1.45GHz에서 최대 이득과 방사 효율은 각각 2.35dBi와 78.8%이다. 안테나 구조는 곡선형 전력 분배기로 급전되는 삼각형 판재가 서로 마주 보는 형태와 유사하다. 절단된 접지면(GND)에는 급전선 아래에 배치된 중앙 스터브가 있으며, 그 주위에 4개의 개방형 공진 링이 분포되어 있어 안테나의 대역폭을 넓힌다. 이 안테나는 거의 전방향성으로 방사하며, VHF 및 S 대역의 대부분과 UHF 및 L 대역 전체를 커버한다. 이 안테나의 물리적 크기는 48.32×43.72×0.8 mm³이고, 전기적 크기는 0.235λ₀×0.211λ₀×0.003λ₀입니다. 크기가 작고 비용이 저렴하다는 장점이 있으며, 광대역 무선 통신 시스템에 적용될 가능성이 높습니다.
그림 8: 분할 링 공진기가 장착된 모노폴 안테나.
그림 9는 두 쌍의 상호 연결된 미앤더 와이어 루프가 두 개의 비아를 통해 절단된 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. 이 안테나는 0.55 ~ 3.85 GHz의 동작 주파수 대역에서 E 평면으로 무지향성 방사를 하며, 2.35 GHz에서 최대 이득은 5.5 dBi이고 효율은 90.1%입니다. 이러한 특징 덕분에 제안된 안테나는 UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi 및 Bluetooth를 포함한 다양한 응용 분야에 적합합니다.
그림 9. 제안된 평면 안테나 구조.
2. 누설파 안테나(LWA)
새로운 누설파 안테나는 인공 메타물질 TL을 구현하는 주요 응용 분야 중 하나입니다. 누설파 안테나에서 위상 상수 β가 방사각(θm)과 최대 빔 폭(Δθ)에 미치는 영향은 다음과 같습니다.
L은 안테나 길이, k0는 자유 공간에서의 파수, λ0는 자유 공간에서의 파장입니다. 복사는 |β|일 때만 발생합니다.
3. 0차 공진기 안테나
CRLH 메타물질의 독특한 특성 중 하나는 주파수가 0이 아닐 때 β가 0이 될 수 있다는 것입니다. 이러한 특성을 바탕으로 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 리액턴스 부하에만 의존하며 구조물의 길이에 관계없이 일정합니다. 그림 10은 제안된 안테나가 E자형 유닛 2개와 3개를 적용하여 제작되었음을 보여줍니다. 전체 크기는 각각 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 및 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0이며, 여기서 λ0는 각각 동작 주파수 500MHz와 650MHz에서의 자유 공간 파장을 나타냅니다. 이 안테나는 0.5~1.35GHz(0.85GHz) 및 0.65~1.85GHz(1.2GHz) 주파수 대역에서 동작하며, 상대 대역폭은 각각 91.9% 및 96.0%입니다. 소형화 및 넓은 대역폭이라는 특성 외에도, 제1 및 제2 안테나의 이득과 효율은 각각 1GHz에서 5.3dBi 및 85%, 1.4GHz에서 5.7dBi 및 90%입니다.
그림 10. 제안된 이중 E형 및 삼중 E형 안테나 구조.
4. 슬롯 안테나
CRLH-MTM 안테나의 개구부를 확대하는 간단한 방법이 제안되었지만, 안테나 크기는 거의 변하지 않았습니다. 그림 11에서 볼 수 있듯이, 이 안테나는 패치와 미앤더 라인이 있는 CRLH 유닛들이 수직으로 쌓여 있으며, 패치에는 S자형 슬롯이 있습니다. 안테나는 CPW 정합 스터브로 급전되며, 그 크기는 17.5mm × 32.15mm × 1.6mm로, 0.204λ₀ × 0.375λ₀ × 0.018λ₀에 해당합니다. 여기서 λ₀(3.5GHz)는 자유 공간의 파장을 나타냅니다. 실험 결과, 이 안테나는 0.85~7.90GHz의 주파수 대역에서 동작하며, 동작 대역폭은 161.14%입니다. 안테나의 최대 방사 이득과 효율은 3.5GHz에서 나타나며, 각각 5.12dBi와 약 80%입니다.
그림 11. 제안된 CRLH MTM 슬롯 안테나.
안테나에 대한 자세한 내용을 알아보려면 다음 웹사이트를 방문하세요.
게시 시간: 2024년 8월 30일
