メタマテリアルにインスピレーションを得た超電磁バンドギャップ フィルター

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13347 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ここで紹介するのは、超ワイドバンドギャップを示す反応性負荷のマイクロストリップ伝送線路です。 無効負荷は、電磁結合されている伝送線路に沿って周期的に分散されます。 反応負荷は、2 つの同心のスリット リングを埋め込むことによってメタマテリアル構造に変換される円形パッチで構成されます。 パッチはビアホールを介してグランドプレーンに接続されます。 結果として生じる構造は、電磁バンドギャップ (EBG) 特性を示します。 スリット リング間のサイズとギャップによって、反作用負荷の大きさが決まります。 特徴的なパラメーターの洞察を得るために、構造は最初に理論的にモデル化されました。 等価回路は、全波 3D 電磁 (EM) ソルバーを使用して検証されました。 測定結果は、提案された EBG 構造が非常にシャープな 3 dB スカートと非常に広いバンドギャップを持ち、これまでに報告されているどの EBG 構造よりも大幅に大きいことを示しています。 単一 EBG ユニットセルのバンドギャップ除去は - 30 dB より優れており、5 要素 EBG ユニットセルは - 90 dB より優れています。 この技術革新は、鋭いロールオフ率と高い阻止帯域除去を必要とする生物医学用途などのさまざまな用途に使用でき、EMスペクトルの効率的な使用が可能になります。 これにより、ガードバンドが削減され、ワイヤレス システムのチャネル容量が増加します。

マイクロ波構造は、電磁バンドギャップ (EBG) 特性を示すように組み立てることができます 1、2、3。 正確に言うと、EBG 構造は周期的であり、指定された周波数帯域での電磁 (EM) 波の伝播を防止または許可するように設計されています。 周期構造を RF/マイクロ波平面伝送線導波路に適用すると、通過帯域または阻止帯域の特性を生み出すことができます。 構造の寸法と周期性を適切に選択することにより、構造の EM 応答を制御して、構造内を伝播する特定の信号を送信または抑制することができます 1,4。 EBG 構造のこの特徴により、EM シールドが必要な用途、たとえば医療機器 5、6、7、8、9、10、11、12、13、14 において EBG 構造が魅力的になります。

EBG 特性は、マイクロストリップ伝送線路に共振器を定期的にロードするか、伝播するマイクロストリップ線路の下の誘電体基板のグランドプレーンにスロットを作成するか、異なる誘電体の材料を積層することによって実装できます。 伝送線路は、そのインピーダンスを周期的に変化させることによって、EBG 特性を表示することもできます。 9 では、伝送線路の低インピーダンス部分のプロファイルを先細にすることで、EBG 構造の周期性によって生じる通過帯域のリップルが除去されることが示されています。 10、11、12、13、14、15、16、17、18 では、マッシュルーム状の構造に似た短絡したマイクロストリップ パッチをマイクロストリップ ラインの下に配置することで EBG を確立できることが示されています。 EBG を作成するもう 1 つの手法は、伝播するマイクロストリップ ラインの周期的な無効負荷によるものです 19、20、21、22、23、24。 周期的な無効負荷により、通常の線路と比較して位相速度が低下します (遅波効果)。 これにより、線路の実効キャパシタンスおよび/またはインダクタンスが強化されます25。 26 では、マイクロストリップ線幅の長方形/正弦波変化が周期性を作り出すために使用されています 27。 ただし、マイクロストリップラインの幅が変化する場合、EBG 特性を示すまでに長い期間が必要となり、構造が大きくなります。 別の技術では、さまざまな形状の周期的欠陥がグランドプレーンに導入され、コンパクトな構造が得られます22、23、24、26。 これらの欠陥のあるグランド構造は、パッケージングに課題をもたらします。 無効負荷を誘発する別のアプローチは、マイクロストリップ ラインの下で短絡したパッチ構造を使用することです27。 これらの構造の実現は、3 つの金属層の積層を使用して実行されます。 この構造では、EBG 特性は、材料の実効誘電特性の周期的変化によって生成されます。 この方法論は、GaAs/GaN モノリシック マイクロ波集積回路 (MMIC) プロセスと互換性があり、マイクロ波およびミリ波アプリケーションにとって魅力的です。