Broadband Hybrid Antenna with Directional Radiation Pattern Utilizing Epsilon Negative Zeroth-Order Resonance

In this paper, the hybrid antenna utilizing epsilon negative zeroth-order resonance(ENG ZOR) and $TM_{010}$-mode is presented. The antenna has a directional radiation pattern and improved bandwidth. To obtain a ENG ZOR and $TM_{010}$-mode, the hybrid antenna employs the mushroom structure and the microstrip patch, respectively. Two antennas of the mushroom and the patch are coupled by gap and fed by one coaxial feed. The frequencies of ENG ZOR and of $TM_{010}$ resonance are designed to be 4 GHz and 3.9 GHz, respectively. Because two resonant frequencies are set to be close, the dual-resonance can be formed, resulting in the broader bandwidth. Even though the radiation pattern of an ENG ZOR antenna is omnidirectional, the directional radiation of a microstrip patch antenna compensates the null of omnidirectional pattern of an ENG ZOR antenna. Thus, the hybrid antenna has a directional radiation pattern. The antennas having 4, 3, and 2 unit cells of mushroom structure are designed and analyzed. The antennas have fractional bandwidths of 4.29~4.95 %, gains of 3.16~5.57 dBi, and radiation efficiencies of 62.4~94.2 %.

ENG 영차 공진을 이용하여 대역폭이 개선되고 지향성 방사 패턴을 갖는 하이브리드 안테나

본 논문에서는 epsilon negative(ENG) 영차 공진과 $TM_{010}$-모드를 결합하여 넓은 대역폭을 갖고, 지향성 방사 패턴을 갖는 하이브리드 안테나를 제안한다. ENG 영차 공진을 얻기 위해 버섯 구조를 이용하였고, $TM_{010}$ 모드를 얻기 위해 패치 안테나를 이용하였다. 이 두 개의 안테나 사이에 갭을 주어 하나의 동축 선로 급전 구조로 두 개의 안테나를 결합하였다. ENG ZOR 주파수는 4 GHz, $TM_{010}$의 주파수는 3.9 GHz로 설계하였다. 두 주파수가 근접해 있기 때문에 이중 공진을 형성할 수 있고, 따라서 대역폭을 확장시킬 수가 있다. ENG ZOR 안테나는 전방향성의 방사 패턴을 갖지만, ENG ZOR 주파수와 $TM_{010}$의 주파수가 매우 근접해 있기 때문에 전방향성의 방사 패턴의 널 부분을 $TM_{010}$ 모드 방사가 보상해줄 수 있어 제안된 안테나는 지향성 방사 패턴을 갖는다. 제안된 안테나는 버섯 구조의 단위 셀을 각각 4개, 3개, 2개로 줄여나가면서 3가지 종류로 설계하여 특성을 분석하였다. 각각의 제안된 안테나는 비대역폭 $4.29{\sim}4.95 %$, 이득 3.16~5.57 dBi, 효율 62.4~94.2 %의 특성을 가지고 있다.