Electromagnetic Metamaterials Transmission Line Theory and Microwave Applications

Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications Chap. 6 Radiated-Wave Applications 6. 3 – 6. 6

6. 3 Electronically Scanned BE LW Antenna 1 � Conventional LW antenna 의 frequency-scanning nature (main beam 의 각도가 주파수의 함수로 변 하는 특성, θMB=θMB(ω)) 은 고정된 주파수에서의 동작을 요구하는 통신 시스템에서는 그 application 이 제한적임. (broadside radiation 및 continuous scanning 이 불가능) � Frequency scanning 를 대신할 수 있는 한 가지 방법이 Electonic scanning � PIN diode 이용 → biased/unbiased 두 상태의 radiation angle 만 사용 가능 � Varactor diode 이용 → 고정된 주파수에서 continuous scanning + beamwidth control 이 가능 6. 3. 1 Electronic Scanning Principle � LW 안테나의 main beam 각도는 전파상수 β 의 함수 ( 수 및 LC 파라미터의 함수 ( ), CRLH TL 의 전파상수 β 는 주파 ) 이므로, - leaky CRLH 구조의 main beam 각도는 1) 주파수, 혹은 2) 고정된 동작주파수에서 LC 값의 변화 를 통해 바꿀 수 있다.

6. 3. 2 Electronic Beamwidth Control Principle 3 � Uniform bias voltage: 모든 셀에 대해 동일한 전압이 인가되며, 이로 인해 모든 셀이 동일한 방향으로 방사하므로 고지향성. � Nonuniform bias voltage: 각 셀에 다른 전압이 인가되므로 다른 방향으로 방사가 일어남 → 중첩의 원리에 의해 beamwidth 증가. � Electronical beamwidth controlling mechanism 은 nonuniform biasing.

6

7 � Uniform biasing 의 경우 전압이 3. 5 V 이상으로 높아지면 backfire radiation 이 발생하는데 nonuniform biasing 에서는 다양한 전압 레벨이 같이 존재하기 때문에 net radiation angle 은 forward 로 보이게 된다. (a): voltage distribution, 0 to 10 V � net radiation angle 은 전압 레벨값을 바꿈으로써 backward 로 바꿀 수도 있다. (b): voltage distribution, 5 to 15 V

6. 4 Reflecto-Directive Systems 8 � Backfire-to-Endfire frequency/Electronically scanned LW antenna 의 개념은 reflector 에도 적용 할 수 있으며 세 가지 LW reflector 예시를 살펴봄 � Purely passive retrodirective reflector � Arbitrary-angle frequency tuned reflector � Arbitrary-angle electonically-tuned reflector

10 � 각도 θ=0 에서 일어나는 반사(specular reflection) 가 전체 반사의 대부분을 차지하므로 이보다는 실 상에서 사용할 수 있는 모델이 필요. → Arbitrary-angle frequency tuned reflector, Arbitrary-angle electonically-tuned reflector

6. 4. 2 Arbitrary-Angle Frequency Tuned Reflector 11 � Passive Retro-Directive Reflector의 두 가지 단점: - Tx 와 Rx 의 주파수가 같기 때문에 reflector 에서의 반사 신호와 Tx, Rx 사이의 leakage 신호를 구 분하기 어려움: Tx 와 Rx 사이의 거리를 처음부터 알고 있어야 구분할 수 있음. - 두 신호가 구분된다고 해도 기생 specular reflection 이 retrodirectrive reflection 보다 클 수 있음. � 위의 단점을 극복하기 위한 모델로 arbitrary-angle frequency tuned reflector 제안 : 고정된 주파수의 입사 신호 수신(patch antenna) 후 원하는 방향으로 송신(CRLH BE LW antenna) � 이 안테나는 frequency-scanned device 이므로 들어오는 신호는 각도-주파수 관계에 따라 주파수를 바꿔야 하며, 이는 heterodyne mixing 으로 이루어진다. � Conventional heterodyne retrodirective array 는 θin=θout 인데 반해 arbitrary-angle frequency tuned reflector 는 θin≠θout. (θout 은 angle-frequency law 에 따라 결정됨) � 또, conventional 한 경우 array 가 필요했지만, 후자는 하나의 안테나만 필요.

12 � fin downconvert to fx, by f. LO, 1 → fx=f. LO, 1 -fx � fx upconvert to fout by f. LO, 2 → fout= f. LO, 2+fx=f. LO, 2+f. LO, 1 -fin � f. LO, 2 와 fout, fin, f. LO, 1 의 관계 → f. LO, 2= fout+fin-f. LO, 1

13 -20°, 50°

6. 4. 3 Arbitrary-Angle Electronically Tuned Reflector 14 � Arbitrary-Angle Frequency Tuned Reflector 의 단점: main beam 의 각도를 바꾸려면 주파수를 바꿔야 한다. � 위의 단점을 극복하기 위한 모델이 Arbitrary-Angle Electrically Tuned Reflector. fin=fout. � Patch antenna 로 신호 수신 후 LNA 를 통해 자유공간 및 수동 소자 감쇄를 보상해주고 BPF 를 통해 고조파를 걸러낸 다음 LWA 를 송신부로 사용한다. fin=fout.

15

6. 5 Two-Dimensional Structures 6. 5. 1 Two-Dimensional LW Radiation 16 � Open mushroom structure → mixed RH-LH mode : purely guided wave

17 � A 와 B 지점에서의 field distribution. LH 와 RH 의 H field 회전 방향이 다름

25

26 � abc