Published May 6, 2022 | Version v1
Publication Open

Gap coupled symmetric split ring resonator based near zero index ENG metamaterial for gain improvement of monopole antenna

Creators

  • 1. National University of Malaysia
  • 2. Patuakhali Science and Technology University
  • 3. Aswan University
  • 4. Taif University
  • 5. University of Ha'il
  • 6. Multimedia University

Description

Abstract In this article, a symmetric split ring resonator (SRR) based metamaterial (MTM) is presented that exhibits three resonances of transmission coefficient (S 21 ) covering S, C, and X-bands with epsilon negative (ENG) and near zero index properties. The proposed MTM is designed on an FR4 substrate with the copper resonator at one side formed with two square rings and one circular split ring. The two square rings are coupled together around the split gap of the outer ring, whereas two split semicircles are also coupled together near the split gaps. Thus, gap coupled symmetric SRR is formed, which helps to obtain resonances at 2.78 GHz, 7.7 GHz and 10.16 GHz with desired properties of the MTM unit cell. The MTM unit cell's symmetric nature helps reduce the mutual coupling effect among the array elements. Thus, different array of unit cells provides a similar response to the unit cell compared with numerical simulation performed in CST microwave studio and validated by measurement. The equivalent circuit is modelled for the proposed MTM unit cell in Advanced Design System (ADS) software, and circuit validation is accomplished by comparing S 21 obtained in ADS with the same of CST. The effective medium ratio (EMR) of 10.7 indicates the compactness of the proposed MTM. A test antenna is designed to observe the effect of the MTM over it. Numerical analysis shows that the proposed MTM have an impact on the antenna when it is used as the superstrate and helps to increase the gain of the antenna by 95% with increased directivity. Thus, compact size, high EMR, negative permittivity, near zero permeability and refractive index makes this MTM suitable for S, C and X band applications, especially for antenna gain with directivity enhancement.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الملخص في هذه المقالة، يتم تقديم مادة استثنائية (MTM) قائمة على الرنين الحلقي المنقسم المتماثل (SRR) والتي تُظهر ثلاثة رنين لمعامل الإرسال (S 21 ) الذي يغطي النطاقات S و C و X مع خصائص مؤشر إبسيلون السلبية (ENG) وقريبة من الصفر. تم تصميم MTM المقترح على ركيزة FR4 مع مرنان نحاسي على جانب واحد مكون من حلقتين مربعتين وحلقة تقسيم دائرية واحدة. تقترن الحلقتان المربعتان معًا حول الفجوة المنقسمة للحلقة الخارجية، في حين تقترن دائرتان منقسمتان معًا بالقرب من الفجوات المنقسمة. وبالتالي، يتم تشكيل SRR المتماثل المقترن بالفجوة، مما يساعد على الحصول على رنين عند 2.78 جيجاهرتز و 7.7 جيجاهرتز و 10.16 جيجاهرتز مع الخصائص المطلوبة لخلية وحدة MTM. تساعد الطبيعة المتماثلة لخلية وحدة MTM على تقليل تأثير الاقتران المتبادل بين عناصر المصفوفة. وبالتالي، توفر مجموعة مختلفة من خلايا الوحدة استجابة مماثلة لخلية الوحدة مقارنة بالمحاكاة العددية التي يتم إجراؤها في استوديو الموجات الدقيقة CST والتحقق من صحتها عن طريق القياس. يتم نمذجة الدائرة المكافئة لخلية وحدة MTM المقترحة في برنامج نظام التصميم المتقدم (ADS)، ويتم التحقق من صحة الدائرة من خلال مقارنة S 21 التي تم الحصول عليها في ADS مع نفس CST. تشير النسبة المتوسطة الفعالة (EMR) البالغة 10.7 إلى ضغط MTM المقترح. تم تصميم هوائي الاختبار لمراقبة تأثير MTM عليه. يظهر التحليل العددي أن MTM المقترح له تأثير على الهوائي عند استخدامه كطبقة علوية ويساعد على زيادة كسب الهوائي بنسبة 95 ٪ مع زيادة الاتجاهية. وبالتالي، فإن الحجم الصغير، والسجل الكهرومغناطيسي العالي، والسماحية السلبية، والنفاذية القريبة من الصفر، ومؤشر الانكسار تجعل MTM هذا مناسبًا لتطبيقات النطاق S و C و X، خاصة بالنسبة لكسب الهوائي مع تحسين الاتجاهية.

Translated Description (French)

Résumé Dans cet article, un métamatériau (MTM) basé sur un résonateur à anneau divisé symétrique (SRR) est présenté qui présente trois résonances de coefficient de transmission (S 21 ) couvrant les bandes S, C et X avec des propriétés d'indice epsilon négatif (ENG) et proche de zéro. Le MTM proposé est conçu sur un substrat FR4 avec le résonateur en cuivre sur un côté formé avec deux anneaux carrés et un anneau fendu circulaire. Les deux anneaux carrés sont couplés ensemble autour de l'espace fendu de l'anneau externe, tandis que deux demi-cercles fendus sont également couplés ensemble près des espaces fendus. Ainsi, un SRR symétrique couplé à l'entrefer est formé, ce qui permet d'obtenir des résonances à 2,78 GHz, 7,7 GHz et 10,16 GHz avec les propriétés souhaitées de la cellule unitaire MTM. La nature symétrique de la cellule unitaire MTM aide à réduire l'effet de couplage mutuel entre les éléments du réseau. Ainsi, un réseau différent de cellules unitaires fournit une réponse similaire à la cellule unitaire par rapport à la simulation numérique effectuée dans le studio micro-ondes CST et validée par mesure. Le circuit équivalent est modélisé pour la cellule unitaire MTM proposée dans le logiciel Advanced Design System (ADS), et la validation du circuit est effectuée en comparant S 21 obtenu dans ADS avec le même de CST. Le rapport moyen effectif (EMR) de 10,7 indique la compacité du MTM proposé. Une antenne de test est conçue pour observer l'effet du MTM sur elle. L'analyse numérique montre que le MTM proposé a un impact sur l'antenne lorsqu'il est utilisé comme superstrat et permet d'augmenter le gain de l'antenne de 95% avec une directivité accrue. Ainsi, une taille compacte, un EMR élevé, une permittivité négative, une perméabilité et un indice de réfraction proches de zéro rendent ce MTM adapté aux applications en bandes S, C et X, en particulier pour le gain d'antenne avec amélioration de la directivité.

Translated Description (Spanish)

Resumen En este artículo, se presenta un metamaterial (MTM) basado en un resonador de anillo dividido simétrico (SRR) que exhibe tres resonancias de coeficiente de transmisión (S 21 ) que cubren las bandas S, C y X con propiedades negativas épsilon (ENG) e índice cercano a cero. El MTM propuesto está diseñado sobre un sustrato FR4 con el resonador de cobre en un lado formado por dos anillos cuadrados y un anillo dividido circular. Los dos anillos cuadrados están acoplados entre sí alrededor del espacio dividido del anillo exterior, mientras que dos semicírculos divididos también están acoplados entre sí cerca de los espacios divididos. Por lo tanto, se forma un SRR simétrico acoplado a la brecha, lo que ayuda a obtener resonancias a 2.78 GHz, 7.7 GHz y 10.16 GHz con las propiedades deseadas de la celda unitaria MTM. La naturaleza simétrica de la celda unitaria MTM ayuda a reducir el efecto de acoplamiento mutuo entre los elementos de la matriz. Por lo tanto, una matriz diferente de celdas unitarias proporciona una respuesta similar a la celda unitaria en comparación con la simulación numérica realizada en el estudio de microondas CST y validada por medición. El circuito equivalente se modela para la celda unitaria MTM propuesta en el software Advanced Design System (Ads), y la validación del circuito se logra comparando S 21 obtenido en ADS con el mismo de CST. La relación media efectiva (EMR) de 10.7 indica la compacidad del MTM propuesto. Una antena de prueba está diseñada para observar el efecto del MTM sobre ella. El análisis numérico muestra que el MTM propuesto tiene un impacto en la antena cuando se utiliza como superestrato y ayuda a aumentar la ganancia de la antena en un 95% con una mayor directividad. Por lo tanto, el tamaño compacto, la alta EMR, la permitividad negativa, la permeabilidad cercana a cero y el índice de refracción hacen que este MTM sea adecuado para aplicaciones de banda S, C y X, especialmente para la ganancia de antena con mejora de la directividad.

Files

s41598-022-11029-7.pdf.pdf

Files (11.3 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:adbb31cf010a96213f02dd0f98c08d4a
11.3 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
مرنان حلقة الانقسام المتماثل المقترن بالفجوة على أساس مؤشر قريب من الصفر ENG metamaterial لتحسين كسب الهوائي أحادي القطب
Translated title (French)
Résonateur en anneau fendu symétrique couplé à un espace basé sur un métamatériau ENG d'indice proche de zéro pour l'amélioration du gain de l'antenne monopolaire
Translated title (Spanish)
Resonador de anillo dividido simétrico acoplado por hueco basado en metamaterial ENG de índice cercano a cero para mejorar la ganancia de la antena monopolo

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4229061010
DOI
10.1038/s41598-022-11029-7

Is supplement to
https://openalex.org/W75536252 (Other)
https://openalex.org/W2520775183 (Other)
https://openalex.org/W2094241994 (Other)
https://openalex.org/W2081747674 (Other)
https://openalex.org/W2068098957 (Other)
https://openalex.org/W2034486684 (Other)
https://openalex.org/W2017082258 (Other)
https://openalex.org/W2010118559 (Other)
https://openalex.org/W1655714189 (Other)
https://openalex.org/W1555872197 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W2040517465
  • https://openalex.org/W2088262931
  • https://openalex.org/W2103706789
  • https://openalex.org/W2286731123
  • https://openalex.org/W2476416779
  • https://openalex.org/W2580767461
  • https://openalex.org/W2765648088
  • https://openalex.org/W2795073596
  • https://openalex.org/W2799832533
  • https://openalex.org/W2901985698
  • https://openalex.org/W2905810565
  • https://openalex.org/W2912436913
  • https://openalex.org/W2938627817
  • https://openalex.org/W2946231268
  • https://openalex.org/W2982217658
  • https://openalex.org/W2997256994
  • https://openalex.org/W3003728973
  • https://openalex.org/W3008336862
  • https://openalex.org/W3009301521
  • https://openalex.org/W3026220030
  • https://openalex.org/W3039673458
  • https://openalex.org/W3046387343
  • https://openalex.org/W3048914030
  • https://openalex.org/W3082224521
  • https://openalex.org/W3092535304
  • https://openalex.org/W3094613760
  • https://openalex.org/W3095387916
  • https://openalex.org/W3109457541
  • https://openalex.org/W3113862559
  • https://openalex.org/W3118577024
  • https://openalex.org/W3119382382
  • https://openalex.org/W3127521560
  • https://openalex.org/W3130842748
  • https://openalex.org/W3131009475
  • https://openalex.org/W3133118408
  • https://openalex.org/W3133224536
  • https://openalex.org/W3134932540
  • https://openalex.org/W3136731520
  • https://openalex.org/W3137279725
  • https://openalex.org/W3144263393
  • https://openalex.org/W3155231147
  • https://openalex.org/W3158170927
  • https://openalex.org/W3160591384
  • https://openalex.org/W3163473295
  • https://openalex.org/W3163666895
  • https://openalex.org/W3171220225
  • https://openalex.org/W3172268864
  • https://openalex.org/W3173068514
  • https://openalex.org/W3181780399
  • https://openalex.org/W3185902445
  • https://openalex.org/W4231324123
  • https://openalex.org/W649258662