Leistung der von der CRLH-TL-Hilbert Struktur inspirierten Antenne mit AMC-Reflektor für drahtlose Anwendungen

Zusammenfassung

Diese Studie präsentiert eine Hochverstärkungs-CRLH-Übertragungsantenne, die mit einem Hilbert-Fraktal-EBG und einem künstlichen magnetischen Leiterreflektor für 5G-Sub-6-GHz-Anwendungen integriert ist. Das Design erreicht eine Verstärkung von 20 dBi, eine Bandbreite von 2,1 GHz, ein verbessertes Front-Rücken-Verhältnis und eine begrenzte optische Strahlsteuerung unter Verwendung lichtabhängiger Widerstände zur Umkonfiguration.

Zusammenfassung

Diese Studie präsentiert ein neuartiges, umkonfigurierbares Antennendesign für 5G-sub6-GHz-Kommunikationsnetzwerke, das durch die synergetische Integration einer zusammengesetzten Rechts-/Links-Übertragungsleitung (CRLH-TL), einer Hilbert-Kurven-Elektromagnetischen Bandlücke (EBG) und eines künstlichen Magnetleiters (AMC)-Reflektors eine signifikante Gewinnsteigerung und Strahlsteuerungsfähigkeit erzielt. Die Antenne besteht aus 17 CRLH-TL-Einheitszellen, die an ein Hilbert-Fraktal-EBG dritter Ordnung gekoppelt sind, wodurch konventionelle Via-Löcher eliminiert und Oberflächenwellenverluste minimiert werden. Ohne den AMC-Reflektor erreicht die Antenne einen Spitzengewinn von 16 dBi bei 5,6 GHz. Die Einbindung eines 7 × 10 sechseckigen AMC-Reflektorarrays mit null Reflexionsphase verstärkt die Vorwärtsverstärkung auf 20 dBi bei 5,6 GHz, was eine Verbesserung um 4 dB darstellt, während Rückkeulen unterdrückt und ein unidirektionales Strahlungsmuster erzeugt wird. Rekonfigurierbarkeit und Strahlabtastung werden über einen optischen Schaltmechanismus mit lichtabhängigen Widerständen (LDRs) ermöglicht, wodurch Verstärkungsvariation und ±5° Strahlsteuerung bei 5 GHz erreicht werden. Das Design erreicht eine Bandbreite mit 2,1 GHz Impedanz (S11 < –10 dB) und eine Strahlungseffizienz von 78 %. Im Vergleich zu früheren CRLH-TL-Antennen zeigt diese Arbeit eine Verbesserung des Gewinns um 4 dB und führt eine optische Neukonfigurierbarkeit ohne via-basierte Fertigungskomplexität ein. Simulations- und Messergebnisse zeigen eine ausgezeichnete Übereinstimmung und validieren die Designmethodik. Die vorgeschlagene Antenne eignet sich für adaptive 5G-Basisstationen, Satellitenkommunikation und strahllenkbare Radarsysteme.

Einleitung

Die steigende Nachfrage nach adaptiven, leistungsstarken Antennen in drahtlosen Kommunikationssystemen der fünften Generation (5G) hat die Forschung zu metamaterialbasierten (MTM)-basierten Designs^{beschleunigt.} Metamaterialien bieten einzigartige elektromagnetische Eigenschaften, darunter negative Permittivität und Permeabilität, die eine Nullordnungsresonanz in zusammengesetzten Rechts-/Links-Übertragungsleitungsstrukturen (CRLH-TL) ermöglichen und so eine bedeutende Antennenminiaturisierung^{ermöglichen 3,4}. Konventionelle MTM-Antennen leiden jedoch häufig unter geringer Verstärkung, enger Impedanzbandbreite und Fertigungskomplexität, die durch die Via-Hole-Anforderungen ^5,6 entstehen.

Um diese Einschränkungen zu beheben, wurden elektromagnetische Bandlückenstrukturen (EBG) und künstliche magnetische Leiter (AMC) Reflektoren integriert, um die Oberflächenwellenausbreitung zu unterdrücken, die Impedanzanpassung zu verbessern und den Vorwärtsgewinn ^7,8 zu erhöhen. Neuere Studien haben eine Verstärkung von 2–6 dB unter Verwendung von AMC-Reflektoren in Dual- und Multiband-Konfigurationen⁹⁻¹⁸ gezeigt. Beispielsweise berichteten Jwair et ^al.9 von einer Metasurface-Antenne, die bei 5,5 GHz 14 dBi erreichte, während Ali et ^al.12 ein Hilbert-fraktales MIMO-Array mit 12,5 dBi Verstärkung demonstrierten. Trotz dieser Fortschritte weisen bestehende Designs Verstärkungsbeschränkungen auf (typischerweise 12–16 dBi), sind nicht umkonfigurierbar oder erfordern komplexe via-basierte Fertigung.

Diese Arbeit schlägt eine neuartige CRLH-TL-Antenne vor, die eine Hilbertkurven-EBG dritter Ordnung und einen Nullphasen-AMC-Reflektor für 5G-Sub-6-GHz-Anwendungen integriert. Zu den wichtigsten Innovationen gehören: (i) Beseitigung konventioneller Vias durch Hilbert-basierte EBG-Integration, Reduzierung von Einfügungsverlusten und Herstellungskomplexität; (ii) 4 dB Verstärkung gegenüber dem Basisdesign, erreicht 20 dBi bei 5,6 GHz – eine deutliche Verbesserung gegenüber früheren CRLH-TL-Antennen (typischerweise 12–16 dBi); (iii) optische Neukonfiguration mittels LDRs, die Strahlsteuerung und Verstärkungsvariation ohne elektrische Vorspannungsleitungen ermöglicht; und (iv) die Möglichkeit zur direkten Amplitudenmodulation. Diese Fortschritte adressieren gemeinsam die kritischen Einschränkungen von Verstärkung, Rekonfigurierbarkeit und Herstellungskomplexität in bestehenden MTM-Antennendesigns.

Protokoll

Antennendesign und Simulationsaufbau
Die Antenne wurde mit kommerzieller 3D-Elektromagnetisierungssoftware auf Basis der Finite-Integrationstechnik (FIT)¹⁰ entworfen. Die Simulationsparameter wurden wie folgt konfiguriert: (i) Lösertyp: Zeitdomänenlöser mit hexaedrischem Netz; (ii) Frequenzbereich: 4–7 GHz; (iii) Netzdichte: 20 Linien pro Wellenlänge, adaptive Netzverfeinerung ermöglicht mit einer Genauigkeitsschwelle von –30 dB; (iv) Randbedingungen: offen (Raum hinzufügen) in alle Richtungen mit minimalem Abstand von λ/4 zur Struktur; (v) Fernfeldmonitore: Konfiguriert mit 0,1 GHz Abständen über den gesamten Frequenzbereich; (vi) Port-Anregung: Wellenleiter-Port mit 50 Ω Impedanz. Ein Rogers RT/Duroid 8550 wurde mit relativer Permittivität (εr) von 2,55, einer Dicke von 1,5 mm und einer Verlusttangente (tan δ) von 0,0033 ausgewählt. Visueller Kontrollpunkt: Nach Abschluss der Modellgeometrie sollte die Antennenstruktur wie in Abbildung 1 gezeigt erscheinen, mit klar definierten CRLH-Einheitszellen, interdigitalen Kondensatoren und T-Stub-Induktoren.

CRLH-TL-Antennenfertigung
Die Antenne verwendete eine asymmetrische koplanare Wellenleiterstruktur (CPW). Die Serienkapazität wurde mit einem interdigitalen Kondensator realisiert, und die Shuntinduktivität wurde mit einer T-Stub-Induktivität realisiert, wobei alle geometrischen Abmessungen gemäß der in Abbildung 2A gezeigten Anordnung definiert sind. Die Shunt-Induktivität wurde über eine T-Stub-Induktivität realisiert (Vorbautenbreite: 0,5 mm, Stub-Länge: 15 mm, Stub-Breite: 6,0 mm). Anstelle herkömmlicher Via-Löcher wurde auf der Rückseite des Substrats eine Hilbertkurvenstruktur dritter Ordnung (äußere Abmessungen: 7,87 mm × 7,87 mm; Spurbreite: 0,48 mm; Spalt: 1,19 mm; zusätzliche Segmentlängen von 2,39 mm, 1,43 mm und 3,10 mm, wie in Abbildung 2B dargestellt) auf der Rückseite des Substrats integriert, um induktive Belastung zu erzeugen und gleichzeitig Strahlungsverluste^zu minimieren. Siebzehn Einheiten umfassende Zellen waren in einem linearen Array von 1 × 17 mit einem Abstand zwischen den Zellen von 8,5 mm (etwa λg/4 bei 5,6 GHz) angeordnet. Die Maße des Interdigitalkondensators und der T-Stub-Induktoren wurden parametrisch optimiert; das endgültige Design entspricht der Konfiguration, die maximale Verstärkung und Minimum S11 liefert, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Implementierung der EBG-Struktur
Ein 17 × 1-Array von Hilbert-Kurvenstrukturen dritter Ordnung wurde auf der Rückseite des Substrats gedruckt und konzentrisch mit jedem T-Stub-Induktor ausgerichtet. Jedes Hilbert-Element nahm eine Fläche von 7,87 mm × 7,87 mm ein, wobei der T-Stub-Induktor zentral in diesem Bereich positioniert war, um die induktive^{Kopplung 12} zu maximieren. Das EBG-Array wurde so positioniert, dass seine Längsachse mit der Mittellinie des CRLH-TL-Arrays zusammenfiel, wobei die Registrierung durch optische Ausrichtungsmarkierungen während der Photolithographie erfolgte. Das Hilbert EBG unterdrückt die Oberflächenwellenausbreitung und verbessert die Impedanzanpassung¹³. Visueller Kontrollpunkt: Die Hilbert-Fraktalgeometrie dritter Ordnung, die für die EBG-Implementierung verwendet wird, ist in Abbildung 2B dargestellt.

AMC-Reflektordesign
Ein 7 × 10 AMC Reflektorarray wurde mit hexagonalen Einheitscellen (Seitenlänge: 5,2 mm; Periodizität: 9,0 mm) entwickelt. Jede Einheitszelle verfügte über drei rechteckige Steckplätze (Länge: 3,5 mm; Breite: 0,4 mm), die in 120° Abständen auf der Patchmitte angeordnet waren, um bei 5,6 GHz eine Null-Reflexionsphase zu erreichen. Das Array wurde auf einem identischen Rogers RT/Duroid-Substrat gefertigt und 8,0 mm (etwa λ0/6,7 bei 5,6 GHz) unterhalb der Antennenbodenebene positioniert. Der Abstand der Elemente wurde zwischen benachbarten Sechsecken auf 0,5 mm gehalten, was zu einem Gesamtarray-Fußabdruck von 200 mm × 100 mm führte. Die Ausrichtung des AMC-Arrays auf die Antenne wurde mittels mechanischer Befestigung mit mikrometerverstellbaren Stufen erreicht, was eine Positionsgenauigkeit von ±0,1 mm gewährleistete. Visueller Kontrollpunkt: Die Geometrie der AMC-Reflektor-Einheit und das vollständige Array-Layout sollten Abbildung 3 entsprechen.

Integration optischer Schalter
Oberflächenmontierte lichtabhängige Widerstände (LDRs) wurden in den T-Abschnitt jeder CRLH-Einheitszelle integriert. Jeder LDR wurde über einen 0,5 mm großen Abstand im T-Stub-Induktorschaft positioniert, 3,0 mm vom Stub-Junction entfernt. Die LDR-Befestigung erfolgte mit leitfähigem Epoxidharz, das 30 Minuten lang bei 80 °C ausgehärtet wurde. Eine externe 635 nm rote Laserdiode (optische Leistung: 5 mW; Strahldurchmesser: 3 mm) diente als optische Quelle. Der Laserstrahl wurde über ein computergesteuertes Galvanometer-Spiegelsystem geleitet, das eine selektive Beleuchtung einzelner LDRs oder Gruppen von LDRs ermöglichte. Für die Off-State-Charakterisierung wurde die Beleuchtung mit undurchsichtigen schwarzen Polyvinylchlorid-(PVC)-Abdeckungen (Dicke: 1,5 mm; Abmessungen: 10 mm × 15 mm) blockiert, die über jedem LDR angebracht wurden. Visueller Kontrollpunkt: Die LDR-Integrationspunkte innerhalb der T-Stub-Struktur sollten sichtbar sein, wie in Abbildung 1 gezeigt.

Herstellungs- und Messprozess
Die Herstellung von Antennen verwendete ein feuchtes chemisches Ätzverfahren. Die Substratplatten wurden mit Isopropylalkohol gereinigt, bei 60°C 10 Minuten getrocknet und mit positivem Photoresist laminiert (AZ 4562, 3000 U/min 30 Sekunden lang mit Spin-Coat, 90 Sekunden bei 100°C weich gebacken)¹⁴. Die UV-Belichtung (350 nm, 12 mW/cm², 25 Sekunden) erfolgte mit einer Photomaske, gefolgt von der Entwicklung im AZ 400K-Entwickler (1:4-Verdünnung mit deionisiertem Wasser, 45 Sekunden^). Die Kupfer-Ätzung wurde mit Eisenchloridlösung (FeCl₃, 40 % W/V, 40 °C, 8 ^{Minuten) durchgeführt}. Der Rest-Photoresist wurde mit Aceton entfernt, gefolgt von einer Spülung mit deionisiertem Wasser und Stickstofftrocknung¹⁷. Visueller Kontrollpunkt: Der gefertigte Antennenprototyp, wie in Abbildung 4 gezeigt.

Die Messungen wurden in einer RF-abgeschirmten Kammer durchgeführt (Abmessungen: 4,5 m × 3,0 m × 2,5 m; Isolation > 90 dB von 1–12 GHz). Die zu testende Antenne (AUT) war auf einem computergesteuerten Azimut-/Elevationspositionierer montiert (Rotationsgenauigkeit: ±0,1°; Winkelbereich: 360° Azimut, ±90° Elevation). Eine breitbandige Dual-Ridge-Hornantenne (1–12 GHz) diente als Referenzantenne. S-Parameter-Messungen wurden mit einem Vektornetzwerkanalysator durchgeführt, der mit einem vollständigen zweiportigen SOLT (Short-Open-Load-Thru) Kalibrierungskit kalibriert war. Die Fernfeldverstärkung wurde mit der Verstärkungsübertragungsmethode mit einem Standard-Verstärkungshorn mit bekannter Verstärkung (8,2 dBi bei 5,6 GHz) bestimmt. Alle Messungen wurden unter Umgebungslaborbedingungen durchgeführt (Temperatur: 22 ± 1 °C; relative Luftfeuchtigkeit: 45 ± 5 %).

Ergebnisse

Antennendesign und Simulationsaufbau
Die simulierten und gemessenen S11-Parameter für die Basisantenne CRLH-TL (ohne AMC-Reflektor) zeigten eine ausgezeichnete Übereinstimmung über den Frequenzbereich 3–6 GHz. Die Antenne zeigte eine –10 dB-Impedanzbandbreite von 2,1 GHz (3,7–5,8 GHz), wobei die minimale S11 von –32 dB bei 5,6 GHz auftrat. Der entsprechende VSWR lag über die gesamte Betriebsbandbreite unter 1,5. Parametrische Studien zeigten, dass die Erhöhung der Anz...

Diskussion

Diese Arbeit schlägt eine neuartige Methodik vor, um hochverstärkende, rekonfigurierbare Strahlung in einer planaren Metamaterialantenne durch die synergetische Integration von drei komplementären Technologien zu erreichen: via-less CRLH TL mit Hilbert EBG zur Verlustminimierung, einen Nullphasen-AMC-Reflektor zur Gewinnverstärkung und optische LDR-Schaltung für die von Al Naiemy²¹ inspirierte Neukonfiguration. Der Ansatz eliminiert auf einzigartige Weise die Fert...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Substrat	Taconic	www.taconic.co.kr/rf-43	Rogers RT/duroid 8550, ε r=2,55, h=1,5 mm
Photoresist	MicroChemicals	www.microchemicals.com/products/az-4562	AZ 4562 positiver Photoresist
Entwickler	MicroChemicals	www.microchemicals.com/products/az-400k	AZ 400K Entwicklerkonzentrat
Etchant	Sigma-Aldrich	270290-1KG	Eisenchlorid, 40 % w/v
Lösungsmittel	Sigma-Aldrich	270725-1L	Aceton, Halbleiterqualität
Lösungsmittel	Sigma-Aldrich	278475-1L	Isopropylalkohol, Halbleiterqualität
Leitendes Epoxidharz	CircuitWorks	www.chemtronics.com/cw2400	CW2400 leitfähiges Epoxidharz
Fernbeziehung	Fortgeschrittenes Photonix	PDV-P8103	Lichtabhängiger Widerstand, 5-10 kΩ (Licht) / 1 MΩ (dunkel)
Laserdiode	Thorlabs	L635P5	635 nm, 5 mW, elliptischer Strahl
Galvanometer	Cambridge Technology	6215H	Optische Spiegelabtastung
VNA	Keysight	37347A	Vektornetzwerkanalysator, 10 MHz-20 GHz
Hornantenne	ETS-Lindgren	3117	Dual-Ridge-Horn, 1-12 GHz
Positionierer	ORBIT/FR	AL-4163-4A	Azimut-/Höhenpositionssystem
HF-Kammer	ETS-Lindgren	FAKT-3	Geschütztes Gehege, 4,5 Zoll; 3.0&Times; 2,5 m
Simulationssoftware	Dassault Systè Mes	CST Studio Suite 2023	3D-Elektromagnetischer Simulator