2. 안테나 시스템에 MTM-TL 적용
이 섹션에서는 저렴한 비용, 쉬운 제조, 소형화, 넓은 대역폭, 높은 이득 및 효율성, 넓은 범위의 스캐닝 기능 및 로우 프로파일을 갖춘 다양한 안테나 구조를 실현하기 위한 인공 메타물질 TL과 가장 일반적이고 관련성이 있는 응용 분야에 중점을 둘 것입니다. 이에 대해서는 아래에서 설명합니다.
1. 광대역 및 다중 주파수 안테나
길이가 l인 일반적인 TL에서 각주파수 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 ψ의 미분인 그룹 지연과 밀접하게 일치합니다. 따라서 전송선 길이가 짧아질수록 대역폭도 넓어진다. 즉, 대역폭과 전송선의 기본 위상 사이에는 역의 관계가 있으며 이는 설계에 따라 다릅니다. 이는 기존 분산 회로에서는 작동 대역폭을 제어하기가 쉽지 않음을 보여줍니다. 이는 자유도 측면에서 기존 전송선의 한계 때문일 수 있습니다. 그러나 로딩 요소를 사용하면 메타물질 TL에 추가 매개변수를 사용할 수 있으며 위상 응답을 어느 정도 제어할 수 있습니다. 대역폭을 증가시키기 위해서는 분산 특성의 동작 주파수 근처에서 유사한 기울기를 가질 필요가 있다. 인공 메타물질 TL은 이러한 목표를 달성할 수 있습니다. 이러한 접근 방식을 기반으로 안테나의 대역폭을 향상시키는 다양한 방법이 논문에서 제안되었습니다. 학자들은 분할 링 공진기가 장착된 두 개의 광대역 안테나를 설계하고 제작했습니다(그림 7 참조). 그림 7에 표시된 결과는 기존 모노폴 안테나를 분할 링 공진기에 장착한 후 낮은 공진 주파수 모드가 활성화됨을 보여줍니다. 분할 링 공진기의 크기는 모노폴 안테나에 가까운 공진을 달성하도록 최적화되었습니다. 결과는 두 공진이 일치할 때 안테나의 대역폭과 방사 특성이 증가한다는 것을 보여줍니다. 모노폴 안테나의 길이와 폭은 각각 0.25λ0×0.11λ0, 0.25λ0×0.21λ0(4GHz)이고, 분할 링 공진기를 탑재한 모노폴 안테나의 길이와 폭은 0.29λ0×0.21λ0(2.9GHz)이다. ) 각각. 분할 링 공진기가 없는 기존 F형 안테나와 T형 안테나의 경우 5GHz 대역에서 측정된 최고 이득과 방사 효율은 각각 3.6dBi - 78.5% 및 3.9dBi - 80.2%입니다. 분할 링 공진기가 장착된 안테나의 경우 이러한 매개변수는 6GHz 대역에서 각각 4dBi - 81.2% 및 4.4dBi - 83%입니다. 모노폴 안테나의 정합 부하로 분할 링 공진기를 구현하면 각각 75.4% 및 ~87%의 분수 대역폭에 해당하는 2.9GHz ~ 6.41GHz 및 2.6GHz ~ 6.6GHz 대역을 지원할 수 있습니다. 이러한 결과는 대략 고정된 크기의 기존 모노폴 안테나에 비해 측정 대역폭이 약 2.4배, 2.11배 향상되었음을 보여줍니다.
그림 7. 분할 링 공진기가 탑재된 광대역 안테나 2개.
그림 8과 같이 소형 인쇄 모노폴 안테나의 실험 결과를 보여줍니다. S11≤-10dB일 때 작동 대역폭은 185%(0.115-2.90GHz)이고, 1.45GHz에서 피크 이득 및 방사 효율은 각각 2.35dBi 및 78.8%입니다. 안테나의 레이아웃은 곡선형 전력 분배기에 의해 공급되는 연속 삼각형 시트 구조와 유사합니다. 잘린 GND에는 피더 아래에 중앙 스터브가 있고 그 주위에 4개의 개방형 공진 링이 분포되어 있어 안테나의 대역폭이 넓어집니다. 안테나는 대부분의 VHF 및 S 대역과 모든 UHF 및 L 대역을 포괄하여 거의 전방향으로 방사합니다. 안테나의 물리적 크기는 48.32×43.72×0.8mm3이고, 전기적 크기는 0.235λ0×0.211λ0×0.003λ0이다. 크기가 작고 비용이 저렴하다는 장점이 있으며 광대역 무선 통신 시스템에 응용 가능성이 높습니다.
그림 8: 분할 링 공진기가 탑재된 모노폴 안테나.
그림 9는 두 개의 비아를 통해 잘린 T자형 접지면에 접지된 두 쌍의 상호 연결된 구불구불한 와이어 루프로 구성된 평면 안테나 구조를 보여줍니다. 안테나 크기는 38.5×36.6mm2(0.070λ0×0.067λ0)이며, 여기서 λ0는 0.55GHz의 자유 공간 파장입니다. 안테나는 0.55~3.85GHz의 작동 주파수 대역에서 E-평면에서 전방향으로 방사하며, 2.35GHz에서 최대 이득은 5.5dBi이고 효율은 90.1%입니다. 이러한 특징으로 인해 제안된 안테나는 UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi 및 Bluetooth를 포함한 다양한 애플리케이션에 적합합니다.
그림 9 제안된 평면 안테나 구조.
2. 누설파 안테나(LWA)
새로운 누설파 안테나는 인공 메타물질 TL을 구현하기 위한 주요 응용 분야 중 하나입니다. 누설파 안테나의 경우 위상 상수 β가 방사 각도(θm)와 최대 빔 폭(Δθ)에 미치는 영향은 다음과 같습니다.
L은 안테나 길이, k0는 자유 공간의 파수, λ0는 자유 공간의 파장입니다. 방사선은 |β|
3. 0차 공진기 안테나
CRLH 메타물질의 고유한 특성은 주파수가 0이 아닐 때 β가 0이 될 수 있다는 것입니다. 이 속성을 기반으로 새로운 영차 공진기(ZOR)가 생성될 수 있습니다. β가 0이면 전체 공진기에서 위상 변화가 발생하지 않습니다. 이는 위상 변이 상수 Φ = - βd = 0이기 때문입니다. 또한 공진은 반응 부하에만 의존하고 구조의 길이와는 무관합니다. 그림 10은 제안된 안테나가 E-shape의 유닛 2개와 3개를 적용하여 제작된 것을 보여주며, 전체 크기는 각각 0.017λ0 × 0.006λ0 × 0.001λ0 및 0.028λ0 × 0.008λ0 × 0.001λ0이다. 여기서 λ0은 파장을 나타낸다. 각각 500MHz 및 650MHz의 작동 주파수에서 여유 공간이 있습니다. 안테나는 0.5~1.35GHz(0.85GHz) 및 0.65~1.85GHz(1.2GHz)의 주파수에서 작동하며 상대 대역폭은 91.9% 및 96.0%입니다. 작은 크기와 넓은 대역폭의 특성에 더해 1차 안테나와 2차 안테나의 이득과 효율은 각각 5.3dBi와 85%(1GHz), 5.7dBi와 90%(1.4GHz)이다.
그림 10 제안된 이중 E 및 삼중 E 안테나 구조.
4. 슬롯 안테나
CRLH-MTM 안테나의 조리개를 확대하는 간단한 방법이 제안되었지만 안테나 크기는 거의 변하지 않습니다. 그림 11에 표시된 것처럼 안테나에는 수직으로 적층된 CRLH 장치가 포함되어 있으며 패치와 구불구불한 선이 포함되어 있으며 패치에는 S자 모양의 슬롯이 있습니다. 안테나는 CPW 매칭 스터브에 의해 공급되며 크기는 17.5mm × 32.15mm × 1.6mm이며, 이는 0.204λ0×0.375λ0×0.018λ0에 해당합니다. 여기서 λ0(3.5GHz)은 자유 공간의 파장을 나타냅니다. 결과는 안테나가 0.85-7.90GHz의 주파수 대역에서 작동하고 작동 대역폭이 161.14%임을 보여줍니다. 안테나의 가장 높은 방사 이득과 효율은 3.5GHz에서 나타나며, 이는 각각 5.12dBi와 ~80%입니다.
그림 11 제안된 CRLH MTM 슬롯 안테나.
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게시 시간: 2024년 8월 30일
