통합 광대역 조정 가능한 복사 및 낮은 산란 성능을 갖춘 코딩 이방성 메타표면

결과 및 토론

어떤 의미에서 산란 과정은 전자파 반사를 재방사 과정으로 변환하여 이해할 수 있습니다. 따라서 M의 경우 × N EMMS 어레이, 방사선 및 산란 사례 모두에 대한 작동 원리는 표준 어레이 이론으로 해석될 수 있습니다[47]:

여기서 EP는 단일 요소의 패턴 함수, AF 배열 요소, k 파수, Δx 및 Δy x를 따라 인접한 요소 사이의 거리입니다. - 그리고 y -방향, 각각 ϕ (나 , n )는 (m , n ) 요소 및 θ 및 φ 는 입사각의 고도와 방위각입니다. 단순화를 위해 E의 아래 첨자는 _총계 및 E _총계 다음 분석에서 각각 방사선과 산란의 경우를 나타냅니다.

복사의 경우 모든 이방성 요소는 적절하게 공급될 때 라디에이터 역할을 합니다. 당연히 "0" 및 "1" 요소는 2개의 직교 극성 전기장, 즉 EP_'0'을 생성합니다. ⊥ EP_'1' . 그런 다음 EMMS에서 방출되는 EM파의 편광은 공급 소스의 진폭과 위상에 따라 달라집니다. 각 요소의 입력 전력이 같다고 가정하면 |EP_'0' | =|EP_'1' |. ϕ (나 , n ) 피드 소스의 입력 단계를 나타냅니다. 따라서 법선 방향을 따라 (θ , φ ) =(0 ^∘ , 0 ^∘ ), 식. (1) \( {E}_{\mathrm{rtotal}}=8\left({\mathrm{EP}}_{\hbox{'}0\hbox{'}}{e}^ {j{\phi}_{\hbox{'}0\hbox{'}}}+{\mathrm{EP}}_{\hbox{'}1\hbox{'}}{e}^{j{ \phi}_{\hbox{'}1\hbox{'}}}\right) \) 제안된 EMMS에 대해. ϕ인 경우 _'0' − ϕ _'1' =0 ^° 또는 ± 180 ^° , 총 복사는 대각선 평면 내에서 LP가 됩니다. ϕ인 경우 _'0' ϕ보다 90° 앞서 있습니다. _'1' , 총 방사 필드는 RHCP가 됩니다. 그렇지 않으면 ϕ _'0' ϕ보다 90°뒤로 떨어지다 _'1' , LHCP 방사선이 생성됩니다. 요약하면, EMMS에서 방출되는 자기장의 편광은 "0"과 "1" 요소의 입력 위상을 제어하여 마음대로 조정할 수 있습니다.

논문의 간략화를 위해 다음 분석에는 대표적인 두 가지 사례만 포함됩니다. 모든 "0" 및 "1" 요소에는 두 경우 모두 동일한 전력이 공급됩니다. 한편, ϕ의 관점에서 _'0' =ϕ _'1' =0 ^° , LP 방사 성능은 그림 6과 같이 얻어집니다. 4.97 GHz ~ 6.05 GHz(19.6% 상대 대역폭)에서 우수한 임피던스 정합이 달성되는 반면, 정상 방향의 이득은 작동 대역에서 12.6 dBi ~ 17.38 dBi입니다. 그림 6b에 명확하게 표시된 것처럼 E-평면과 H-평면 모두에 대해 넓은 방향에서 대칭 복사 패턴이 관찰됩니다. 반면에 ϕ일 때 _'1' − ϕ _'0' =90 ^° , RHCP 방사선이 예상대로 관찰됩니다. 그림 7과 같이 S₁₁의 대역폭은 <− 10 dB 및 3 dB ARBW(축비 대역폭)는 각각 4.97~6 GHz 및 5.22~6 GHz입니다. S₁₁의 공통 대역폭 <− 10 dB 및 3 dB ARBW는 5.22 GHz ~ 6 GHz(13.9% 상대 대역폭)이며 조준 이득은 13.16 dBi ~ 15.8 dBi입니다. 마찬가지로 5.35, 5.5 및 5.75 GHz에서 대칭, 브로드사이드 및 일반 방사 프로파일이 3D 방사 패턴에서 관찰됩니다.

동일한 크기와 위상으로 공급되는 "0" 및 "1"이 있는 EMMS의 선형 복사 특성. 아 반사 계수 S₁₁ 조준 이득 대 주파수. ㄴ 5.35, 5.5 및 5.75 GHz에서 3D LP 방사 패턴(왼쪽에서 오른쪽으로)

"0" 및 "1"이 동일한 크기 및 90° 위상 편이로 공급되는 EMMS의 RHCP 복사 특성. 아 S₁₁ 그리고 AR 대 빈도. ㄴ 조준 이득 대 주파수. ㄷ 5.35, 5.5 및 5.75 GHz에서 3D RHCP 방사 패턴(왼쪽에서 오른쪽으로)

이상의 분석을 통해 제안하는 EMMS가 입력의 크기와 위상을 제어함으로써 우수한 안테나로 성능을 발휘하고 선형편파와 원형편파 모드를 교대로 방사할 수 있음을 확인할 수 있다. 한편, 시뮬레이션 결과는 제안한 EMMS의 작업 대역폭이 단일 등방성 요소에 비해 잘 유지됨을 보여 제안하는 방법의 효율성을 검증합니다. 다양한 방사 모드에 대한 EMMS의 작동 메커니즘에 대한 직관적인 통찰력을 얻기 위해 다양한 시간 변형을 가진 5.35 GHz의 전기장 분포를 조사했습니다. 공진 E-장이 LP 방사선에 대한 시간 변화에 따라 "0" 및 "1" 요소에 걸쳐 균일하게 분포된다는 것이 그림 8a에서 명확하게 표시됩니다. 그러나 CP 복사의 경우 "1" 요소는 0° 위상에서 더 강한 필드 밀도를 나타내고 "0" 요소는 90° 위상에서 "1" 요소보다 우선합니다. 따라서 0° 또는 90° 위상차가 있는 두 개의 직교 모드가 여기되어 LP 또는 CP 복사를 수행합니다.

5.35 GHz에서 EMMS의 전기장 분포와 다양한 시간 변형. 아 LP방사선 케이스. ㄴ RHCP 방사선 케이스

산란의 경우 "0" 및 "1" 요소는 모두 수동 소자 역할을 합니다. SAA에 의해 최적화된 "0" 및 "1" 요소의 비주기적 레이아웃은 확산 산란 성능을 달성하는 것을 목표로 합니다. 여기에서 식에 대해 (1), ϕ (나 , n )는 (m에서 반사파의 위상 보상을 나타냅니다. , n ) 요소. 우리가 제안한 디자인의 관점에서, ϕ (나 , n ) "0" 및 "1" 요소에 대해 각각 0° 및 180°를 평가합니다. 제안된 EMMS의 낮은 산란 특성을 직관적으로 보여주기 위해 동일한 크기의 금속 기판과 비교하여 주파수에 따른 시뮬레이션된 RCS 결과를 보여줍니다. 그림 9에서 명확하게 볼 수 있듯이 5 GHz에서 18 GHz 범위의 광대역에서 명백한 반사 억제가 달성됩니다. 연속 6dB RCSR은 거의 5 GHz ~ 18 GHz(113.04% 상대 대역폭)에서 달성됩니다. 2개의 RCS 할로우 딥은 5.9 GHz 및 10.4 GHz 주변에 나타나며 최대 RCSR은 최대 31.8 dB에 이릅니다. 그림 9e에서 EMMS의 산란 필드가 8개의 주요 작은 빔으로 분할된다는 것을 알 수 있으며, 이는 그림 9c의 수학적 계산으로 얻은 결과와 적절하게 일치합니다. 전통적인 체스판 구성(4개의 주요 반사 로브)과 비교하여 더 많은 반사 로브가 에너지 절약에 따라 크게 억제된 각 빔에 기여합니다. 그림 9f는 EMMS의 작동 메커니즘을 보여줍니다. 서로 다른 요소가 불일치하게 공진하는 것을 관찰할 수 있으며, 이는 필요한 불연속 위상 이동을 생성하고 최종적으로 확산 반사를 초래합니다. 그림 10과 같이 비스듬한 입사에서 EMMS의 산란 특성을 조사하였다. 마찬가지로 동일한 크기의 금속판에 대한 강한 정반사 대신 다른 입사각을 갖는 EMMS에서 확산 산란이 연속적으로 관찰되었다. 한편, Fig. 11과 같이 6 GHz에서 정규화된 산란패턴과 입사각이 0°~60°로 제공되어 확산반사를 직관적으로 보여주고 있다. 결론적으로, 제안된 EMMS는 예상대로 광대역에서 확산 산란 성능을 보여줍니다.

수직 입사에서 EMMS의 확산 산란 특성. 아 동일한 크기의 금속판과 비교한 레이더 단면적 대 주파수. Eq.에 의해 계산된 산란 패턴 (1) 금속판용(b ) 및 EMMS(c ). 금속판(d)에 대해 6 GHz에서 전파 시뮬레이션으로 얻은 산란 패턴 ) 및 EMMS(e ). 에 6 GHz

6 GHz에서 비스듬한 입사에서 EMMS의 확산 산란 특성. 아 –d 입사각이 15°인 금속판의 산란 패턴(a ), 30°(b ), 45°(c ) 및 60°(d ). 이 –h 입사각이 15°인 EMMS의 산란 패턴(e ), 30°(f ), 45°(g ) 및 60°(h )

6 GHz에서 비스듬한 입사에서 정규화된 산란 패턴. 아 –이 입사각이 0°인 금속판의 산란 패턴(a ), 15°(b ), 30°(c ), 45°(d ) 및 60°(e ). 에 –j 입사각이 0°인 EMMS의 산란 패턴(f ), 15°(g ), 30°(h ), 45°(i ) 및 60°(j )

위에서 언급한 복사 및 산란 성능을 검증하기 위해 표준 인쇄 회로 기판(PCB) 기술을 사용하여 4 × 4 코딩 EMMS 샘플을 제작했습니다. 측정은 소음 간섭을 최소화하기 위해 무반사실에서 수행되었습니다. 방사의 경우 1개의 RS2W2080-S와 2개의 RS8W2080-S 전력 분배기를 차례로 연결하여 신호를 16개의 포트에 균등하게 분배하고 길이가 다른 동축 케이블을 사용하여 "0"과 "1" 사이에서 90°위상 변이를 제공합니다. ” 요소는 그림 12와 같습니다. S₁₁에 대해 측정된 대역폭 그림 13a의 ≤ − 10 dB 및 3 dB ARBW는 각각 4.96~6.02 GHz 및 5.22~6.02 GHz입니다. 공통 대역폭은 5.22 GHz ~ 6.02 GHz(상대 대역폭 14.2%)로 시뮬레이션 결과에 따라 만족스럽습니다. 5.35 GHz 및 5.75 GHz에서 정규화된 방사 패턴이 그림 13b 및 c에 나와 있습니다. 시뮬레이션의 예측에 따라 대칭, 법선 방향 및 RHCP 복사가 넓은 방향에서 관찰됩니다. 측정된 사이드 로브 레벨은 메인 로브 레벨보다 최소 10 dB 낮습니다. 또한 RHCP의 필드는 조준 방향으로 LHCP보다 항상 18.6 dB 이상 더 강합니다. 따라서 EMMS는 예상대로 우수한 RHCP 방사선 성능을 달성했다고 결론지을 수 있습니다.

아 , b EMMS 샘플 평면도 제작(a ) 및 측면도(b ). ㄷ 전원 분배기. d 산란에 대한 기본 측정 설정

EMMS의 측정된 방사선 및 산란 특성. 아 측정된 S₁₁ 그리고 AR. 5.35 GHz에서 정규화된 방사 패턴(b ) 및 5.75 GHz(c ). d 풀 메탈 보드에 비해 EMMS의 측정된 반사 감소

산란의 경우 EMMS 샘플을 폼 플랫폼 중앙에 수직으로 배치하고 1~18 GHz에서 작동하는 두 개의 동일한 LP 피라미드 혼 안테나를 송신기와 수신기로 각각 인접하게 배치했습니다. 원하지 않는 결합을 줄이기 위해 두 개의 혼 사이에 흡수 재료 조각이 놓입니다. 샘플의 중심과 두 개의 혼은 같은 높이에 있으며, 그 사이의 거리는 원거리 테스트 조건을 만족하기에 충분합니다. 게이트 반사 라인 보정은 또한 환경에서 바람직하지 않은 신호를 추가로 제거하기 위해 사용되었습니다. 2개의 혼 안테나는 VNA Agilent N5230C의 2개 포트에 연결되어 전송 계수에 대한 반사 전력을 평가합니다. 그림 13d에 도시된 바와 같이 5 GHz ~ 18 GHz(113% 상대 대역폭)에서 동일한 크기의 금속 기판에 비해 상당한 6dB RCSR이 달성되는 반면 5.6~5.6~ 6.5 GHz(14.9% 상대 대역폭), 9.2~13.5 GHz(37.9% 상대 대역폭) 및 15.9~18 GHz(12.4% 상대 대역폭). 두 개의 RCSR 피크는 각각 25.9 dB 및 30.6 dB에 해당하는 6.1 GHz 및 10.2 GHz 부근에서 나타납니다. 측정된 결과는 EMMS의 광대역 저산란 성능을 검증하는 시뮬레이션 결과와 잘 일치합니다.

제안된 설계와 기존의 메타표면 기반 안테나 설계를 비교한 결과는 Table 1과 같다. 특히 [42, 45]는 안테나 어레이의 성능을 보여주고, 나머지는 단일 안테나의 성능을 보여준다. 명확하게 표시된 것처럼 제안된 EMMS는 대역 내 및 대역 외를 포함하는 초광대역 RCSR을 생성하는 동시에 광대역 조정 가능한 복사를 달성합니다.