Filtro bandgap eletromagnético inspirado em metamaterial para ultra

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13347 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Aqui é apresentada uma linha de transmissão de microfita carregada reativamente que exibe um bandgap ultra-amplo. A carga reativa é distribuída periodicamente ao longo da linha de transmissão, que é acoplada eletromagneticamente. A carga reativa consiste em um remendo de formato circular que é convertido em uma estrutura de metamaterial por meio de dois anéis de fenda concêntricos embutidos nele. O patch é conectado ao plano de aterramento por meio de um orifício. A estrutura resultante exibe propriedades de bandgap eletromagnético (EBG). O tamanho e a folga entre os anéis de fenda determinam a magnitude da carga reativa. A estrutura foi primeiro modelada teoricamente para obter informações sobre os parâmetros caracterizadores. O circuito equivalente foi verificado usando um solucionador eletromagnético (EM) 3D de onda completa. Os resultados medidos mostram que a estrutura EBG proposta tem uma saia altamente nítida de 3 dB e um bandgap muito amplo, que é substancialmente maior do que qualquer estrutura EBG relatada até o momento. A rejeição de bandgap da célula unitária EBG única é melhor que - 30 dB, e a célula unitária EBG de cinco elementos é melhor que - 90 dB. A inovação pode ser usada em diversas aplicações, como aplicações biomédicas que exigem taxas de roll-off acentuadas e alta rejeição de banda de parada, permitindo assim o uso eficiente do espectro EM. Isto pode reduzir a banda de guarda e, assim, aumentar a capacidade do canal dos sistemas sem fio.

Estruturas de microondas podem ser montadas para exibir características de bandgap eletromagnético (EBG) . Para ser mais preciso, as estruturas EBG são periódicas e projetadas para impedir ou permitir a propagação de ondas eletromagnéticas (EM) em uma banda de frequência especificada. Estruturas periódicas, quando aplicadas a guias de onda de linhas de transmissão planares de RF/microondas, podem produzir características de banda passante ou banda parada. Pela seleção adequada das dimensões e periodicidade da estrutura, a resposta EM da estrutura pode ser controlada para transmitir ou suprimir certos sinais para se propagarem através dela . Esta característica das estruturas EBG as torna atraentes em aplicações que requerem blindagem EM, por exemplo, equipamentos médicos5,6,7,8,9,10,11,12,13,14.

A propriedade EBG pode ser implementada carregando periodicamente uma linha de transmissão de microfita com ressonadores ou criando ranhuras no plano de terra de um substrato dielétrico sob uma linha de microfita de propagação ou empilhando materiais de diferentes dielétricos . Uma linha de transmissão também pode exibir propriedades EBG alterando periodicamente sua impedância. Em9, é mostrado que o estreitamento do perfil das seções de baixa impedância na linha de transmissão eliminará ondulações na banda passante, que são causadas pela periodicidade da estrutura EBG. Em 10,11,12,13,14,15,16,17,18, é demonstrado que o EBG pode ser estabelecido localizando manchas de microfita em curto, semelhantes a estruturas semelhantes a cogumelos, sob a linha de microfita. Outra técnica de criação de EBG é através do carregamento reativo periódico de uma linha de microfita em propagação . A carga reativa periódica reduz a velocidade da fase (efeito de onda lenta), em comparação com linhas comuns. Isto aumenta a capacitância e/ou indutância efetiva da linha25. Em26, a variação retangular/senoidal da largura da linha de microfita foi usada para criar periodicidade27. Porém, no caso de variação na largura da linha de microfita são necessários períodos mais longos para exibir características EBG que resultam em uma estrutura maior. Em outra técnica, defeitos periódicos de diferentes formatos são introduzidos no plano de terra, resultando em estruturas compactas22,23,24,26. Essas estruturas de solo defeituosas oferecem desafios na embalagem. Uma abordagem alternativa para induzir carga reativa é usar estruturas de patch em curto sob a linha de microfita27. A realização destas estruturas é realizada através de um empilhamento de três camadas metálicas. Nesta estrutura a propriedade EBG é criada pela variação periódica das propriedades dielétricas efetivas do material. Esta metodologia é compatível com o processo de circuito integrado monolítico de micro-ondas (MMIC) GaAs/GaN, o que a torna atraente para aplicações de micro-ondas e ondas milimétricas.