메타물질에서 영감을 받은 울트라용 전자기 밴드갭 필터

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13347(2023) 이 기사 인용

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1 알트메트릭

측정항목 세부정보

여기에 제시된 것은 매우 넓은 밴드갭을 나타내는 반응적으로 로드된 마이크로스트립 전송 라인입니다. 반응 부하는 전자기적으로 결합된 전송선을 따라 주기적으로 분포됩니다. 반응 부하는 두 개의 동심 슬릿 링이 내장되어 메타물질 구조로 변환되는 원형 패치로 구성됩니다. 패치는 비아홀을 통해 접지면에 연결됩니다. 결과 구조는 전자기 밴드갭(EBG) 특성을 나타냅니다. 슬릿 링 사이의 크기와 간격은 반응 부하의 크기를 나타냅니다. 구조는 특성화 매개변수에 대한 통찰력을 얻기 위해 먼저 이론적으로 모델링되었습니다. 등가 회로는 전파장 3D 전자기(EM) 솔버를 사용하여 검증되었습니다. 측정된 결과는 제안된 EBG 구조가 매우 날카로운 3dB 스커트와 매우 넓은 밴드갭을 가지고 있음을 보여 주며, 이는 현재까지 보고된 모든 EBG 구조보다 훨씬 더 큽니다. 단일 EBG 단위 셀의 밴드갭 제거율은 -30dB보다 좋고, 5요소 EBG 단위 셀은 -90dB보다 좋습니다. 이 혁신은 날카로운 롤오프 속도와 높은 저지대역 제거율이 요구되는 생의학 응용 분야와 같은 다양한 응용 분야에 사용될 수 있으므로 EM 스펙트럼을 효율적으로 사용할 수 있습니다. 이는 보호 대역을 줄여 무선 시스템의 채널 용량을 늘릴 수 있습니다.

마이크로파 구조는 전자기 밴드갭(EBG) 특성1,2,3을 나타내기 위해 조립될 수 있습니다. 정확하게 말하면 EBG 구조는 주기적이며 지정된 주파수 대역에서 전자기(EM)파의 전파를 방지하거나 허용하도록 설계되었습니다. RF/마이크로파 평면 전송선 도파관에 적용할 때 주기적 구조는 통과대역 또는 저지대역 특성을 생성할 수 있습니다. 구조의 크기와 주기성을 적절하게 선택하면 구조의 EM 응답을 제어하여 특정 신호를 전송하거나 억제하여 전파할 수 있습니다1,4. EBG 구조의 이러한 특징은 의료 장비5,6,7,8,9,10,11,12,13,14와 같이 EM 차폐가 필요한 응용 분야에서 매력적입니다.

EBG 특성은 공진기로 마이크로스트립 전송 라인을 주기적으로 로드하거나 전파하는 마이크로스트립 라인 아래 유전체 기판의 접지면에 슬롯을 생성하거나 다양한 유전체의 재료를 적층하여 구현할 수 있습니다. 전송선은 임피던스를 주기적으로 변경하여 EBG 속성을 표시할 수도 있습니다. 9에서는 전송 라인의 낮은 임피던스 섹션의 프로파일을 테이퍼링함으로써 EBG 구조의 주기성으로 인해 발생하는 통과 대역의 리플을 제거할 수 있음을 보여줍니다. 10,11,12,13,14,15,16,17,18에서는 마이크로스트립 라인 아래에 버섯 모양의 구조와 유사한 단락된 마이크로스트립 패치를 찾아서 EBG를 설정할 수 있음이 나타났습니다. EBG를 생성하는 또 다른 기술은 전파되는 마이크로스트립 라인19,20,21,22,23,24의 주기적인 반응 로딩을 통한 것입니다. 주기적인 반응 로딩은 일반 라인에 비해 위상 속도(서파 효과)를 감소시킵니다. 이는 라인의 유효 커패시턴스 및/또는 인덕턴스를 향상시킵니다. In26에서는 마이크로스트립 선 폭의 직사각형/정현파 ​​변화가 주기성을 생성하는 데 사용되었습니다. 그러나 마이크로스트립 라인의 폭이 변화하는 경우 EBG 특성을 나타내기 위해 더 긴 기간이 필요하므로 구조가 더 커집니다. 또 다른 기술에서는 서로 다른 모양의 주기적인 결함이 접지면에 도입되어 컴팩트한 구조가 생성됩니다. 이러한 결함이 있는 접지 구조는 패키징에 문제를 야기합니다. 반응성 로딩을 유도하는 또 다른 접근법은 마이크로스트립 라인 아래에 단락된 패치 구조를 사용하는 것입니다. 이러한 구조의 구현은 세 개의 금속층을 적층하여 수행됩니다. 이 구조에서 EBG 특성은 재료의 유효 유전 특성의 주기적인 변화에 의해 생성됩니다. 이 방법론은 GaAs/GaN 모놀리식 마이크로파 집적 회로(MMIC) 프로세스와 호환되므로 마이크로파 및 밀리미터파 애플리케이션에 적합합니다.