Filtro bandgap elettromagnetico ispirato al metamateriale per ultra

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13347 (2023) Citare questo articolo

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Qui viene presentata una linea di trasmissione a microstriscia caricata in modo reattivo che presenta un bandgap ultra ampio. Il carico reattivo viene periodicamente distribuito lungo la linea di trasmissione, che è accoppiata elettromagneticamente. Il carico reattivo è costituito da un cerotto di forma circolare che viene convertito in una struttura metamateriale incorporando su di esso due anelli a fessura concentrici. La patch è collegata al piano di massa tramite un foro passante. La struttura risultante presenta proprietà di bandgap elettromagnetico (EBG). La dimensione e lo spazio tra gli anelli a fessura determinano l'entità del carico reattivo. La struttura è stata inizialmente modellata teoricamente per ottenere informazioni sui parametri caratterizzanti. Il circuito equivalente è stato verificato utilizzando un solutore elettromagnetico (EM) 3D a onda intera. I risultati misurati mostrano che la struttura EBG proposta ha un bordo molto affilato da 3 dB e un bandgap molto ampio, che è sostanzialmente più grande di qualsiasi struttura EBG riportata fino ad oggi. Il rifiuto del bandgap della singola cella unitaria EBG è migliore di -30 dB e la cella unitaria EBG a cinque elementi è migliore di -90 dB. L'innovazione può essere utilizzata in varie applicazioni, ad esempio applicazioni biomediche che richiedono tassi di attenuazione elevati e un'elevata reiezione della banda di arresto, consentendo così un uso efficiente dello spettro EM. Ciò può ridurre la banda di guardia e quindi aumentare la capacità del canale dei sistemi wireless.

Le strutture a microonde possono essere assemblate per mostrare caratteristiche di bandgap elettromagnetico (EBG)1,2,3. Per essere precisi, le strutture EBG sono periodiche e progettate per prevenire o consentire la propagazione delle onde elettromagnetiche (EM) in una banda di frequenza specifica. Le strutture periodiche, quando applicate alle guide d'onda delle linee di trasmissione planari RF/microonde, possono produrre caratteristiche di banda passante o di banda ferma. Selezionando opportunamente le dimensioni e la periodicità della struttura, la risposta EM della struttura può essere controllata per trasmettere o sopprimere determinati segnali per propagarsi attraverso di essa1,4. Questa caratteristica delle strutture EBG le rende attraenti in applicazioni che richiedono schermatura EM, ad esempio, apparecchiature mediche5,6,7,8,9,10,11,12,13,14.

La proprietà EBG può essere implementata caricando periodicamente una linea di trasmissione a microstriscia con risonatori o creando fessure nel piano di massa di un substrato dielettrico sotto una linea di microstriscia di propagazione o impilando materiali di dielettrico diverso15,16,17. Una linea di trasmissione può anche mostrare la proprietà EBG modificando periodicamente la sua impedenza. In9, è dimostrato che assottigliando il profilo delle sezioni a bassa impedenza nella linea di trasmissione si elimineranno le increspature nella banda passante, causate dalla periodicità della struttura EBG. In 10,11,12,13,14,15,16,17,18, è dimostrato che l'EBG può essere stabilito individuando aree di microstrip accorciate che assomigliano a strutture simili a funghi sotto la linea della microstrip. Un'altra tecnica per creare EBG è attraverso il caricamento reattivo periodico di una linea di microstriscia di propagazione19,20,21,22,23,24. Il carico reattivo periodico riduce la velocità di fase (effetto onda lenta), rispetto alle linee ordinarie. Ciò migliora la capacità effettiva e/o l'induttanza della linea25. In26, la variazione rettangolare/sinusoidale della larghezza della linea della microstriscia è stata utilizzata per creare periodicità27. Tuttavia, nel caso di variazione della larghezza della linea della microstriscia, sono necessari periodi più lunghi per mostrare caratteristiche EBG che risultano in una struttura più grande. In un'altra tecnica vengono introdotti difetti periodici di diverse forme nel piano terra che si traducono in strutture compatte22,23,24,26. Queste strutture del terreno difettose offrono sfide nella confezione. Un approccio alternativo per indurre il carico reattivo consiste nell'utilizzare strutture di patch cortocircuitate sotto la linea della microstriscia27. La realizzazione di queste strutture viene effettuata mediante una sovrapposizione di tre strati metallici. In questa struttura la proprietà EBG è creata dalla variazione periodica delle proprietà dielettriche effettive del materiale. Questa metodologia è compatibile con il processo del circuito integrato monolitico a microonde (MMIC) GaAs/GaN, che la rende interessante per le applicazioni a microonde e a onde millimetriche.