Rendimiento de la antena inspirada en la estructura CRLH-TL-Hilbert cargada con reflector AMC para aplicaciones inalámbricas

Resumen

Este estudio presenta una antena de línea de transmisión CRLH de alta ganancia integrada con un EBG fractal de Hilbert y un reflector magnético conductor artificial para aplicaciones 5G sub-6 GHz. El diseño logra una ganancia de 20 dBi, un ancho de banda de 2,1 GHz, una mejor relación delante-trasera y una dirección óptica limitada del haz utilizando resistencias dependientes de la luz para facilitar la reconfiguración.

Resumen

Este estudio presenta un diseño novedoso de antena reconfigurable para redes de comunicación 5G-sub6 GHz, logrando una mejora significativa de ganancia y capacidad de dirección de haz mediante la integración sinérgica de una línea de transmisión compuesta derecha/izquierda (CRLH-TL), una estructura de banda prohibida electromagnética (EBG) en curva de Hilbert y un reflector conductor magnético artificial (AMC). La antena consta de 17 celdas unitarias TL CRLH acopladas a un EBG fractal de Hilbert de tercer orden, eliminando los agujeros convencionales y minimizando las pérdidas en las ondas superficiales. Sin el reflector AMC, la antena alcanza una ganancia máxima de 16 dBi a 5,6 GHz. La incorporación de una matriz de reflectores AMC hexagonales de 7 × 10 que exhibe fase de reflexión cero mejora la ganancia hacia adelante a 20 dBi a 5,6 GHz, representando una mejora de 4 dB mientras suprime los lóbulos posteriores y produce un patrón de radiación unidireccional. La reconfigurabilidad y el escaneo de haz se habilitan mediante un mecanismo óptico de conmutación que emplea resistencias dependientes de la luz (LDR), logrando variación de ganancia y una dirección de haz de ±5° a 5 GHz. El diseño alcanza un ancho de banda de impedancia de 2,1 GHz (S11 < –10 dB) y una eficiencia de radiación del 78%. En comparación con antenas CRLH-TL anteriores, este trabajo demuestra una mejora de 4 dB en la ganancia e introduce la reconfigurabilidad óptica sin la complejidad de fabricación basada en vías. Los resultados de simulación y medición muestran una excelente concordancia, validando la metodología de diseño. La antena propuesta es adecuada para estaciones base adaptativas 5G, comunicaciones satelitales y sistemas de radar dirigidos por haz.

Introducción

La creciente demanda de antenas adaptativas y de alto rendimiento en sistemas de comunicación inalámbrica de quinta generación (5G) ha acelerado la investigación en diseños basados en metamateriales (^{MTM) 1,2}. Los metamateriales ofrecen propiedades electromagnéticas únicas, incluyendo permitividad negativa y permeabilidad, que permiten la resonancia de orden cero en estructuras de línea de transmisión compuesta derecha/izquierda (CRLH-TL), facilitando una miniaturización significativa de la^{antena 3,4}. Sin embargo, las antenas MTM convencionales suelen sufrir baja ganancia, ancho de banda de impedancia estrecho y complejidad de fabricación derivada de los requisitos de vía^{de agujero 5,6}.

Para abordar estas limitaciones, se han integrado estructuras de banda prohibida electromagnética (EBG) y reflectores conductores magnéticos artificiales (AMC) para suprimir la propagación de onda superficial, mejorar la adaptación de impedancias y potenciar la ganancia hacia adelante ^7,8. Estudios recientes han demostrado una mejora de ganancia de 2–6 dB usando reflectores AMC en configuraciones de doble y multibanda⁹⁻¹⁸. Por ejemplo, Jwair et ^al.9 informaron de una antena metasurface que logra una ganancia de 14 dBi a 5,5 GHz, mientras que Ali et ^al.12 demostraron una matriz fractal MIMO de Hilbert con una ganancia de 12,5 dBi. A pesar de estos avances, los diseños existentes presentan limitaciones de ganancia (típicamente 12–16 dBi), carecen de reconfigurabilidad o requieren fabricaciones complejas basadas en vías.

Este trabajo propone una novedosa antena CRLH-TL que integra un EBG de curva de Hilbert de tercer orden y un reflector AMC de fase cero para aplicaciones 5G sub-6 GHz. Las innovaciones clave incluyen: (i) eliminación de vías convencionales mediante la incorporación de EBG con sede en Hilbert, reducción de la pérdida de inserción y la complejidad de fabricación; (ii) mejora de ganancia de 4 dB respecto al diseño base, logrando 20 dBi a 5,6 GHz—una mejora significativa respecto a antenas CRLH-TL anteriores (típicamente 12–16 dBi); (iii) reconfiguración óptica usando LDR, permitiendo la dirección del haz y la variación de ganancia sin líneas de polarización eléctrica; y (iv) capacidad de modulación directa de amplitud. Estos avances abordan colectivamente las limitaciones críticas de ganancia, reconfigurabilidad y complejidad de fabricación en los diseños existentes de antenas MTM.

Protocolo

Diseño de antenas y configuración de simulación
La antena fue diseñada utilizando software comercial de simulación electromagnética 3D basado en la técnica de integración finita (FIT⁾¹⁰. Los parámetros de simulación se configuraron de la siguiente manera: (i) tipo de solucionador: solucionador en el dominio del tiempo con malla hexaédrica; (ii) rango de frecuencia: 4–7 GHz; (iii) densidad de malla: 20 líneas por longitud de onda, refinamiento adaptativo de malla habilitado con umbral de precisión de –30 dB; (iv) condiciones de contorno: abierto (añadir espacio) en todas las direcciones con distancia mínima de λ/4 desde la estructura; (v) monitores de campo lejano: configurados a intervalos de 0,1 GHz en todo el rango de frecuencias; (vi) Excitación del puerto: puerto de guía de onda con impedancia de 50 Ω. Se seleccionó un Rogers RT/duroid 8550 con permitividad relativa (εr) de 2,55, espesor de 1,5 mm y tangente de pérdida (δ tan) de 0,0033. Punto de control visual: Al completar la geometría del modelo, la estructura de la antena debe aparecer tal como se muestra en la Figura 1, con celdas unitarias CRLH claramente definidas, condensadores interdigitales e inductores en forma de T.

Fabricación de antenas CRLH-TL
La antena empleaba una estructura asimétrica de alimentación de guía de onda coplanar (CPW). La capacitancia en serie se realizó usando un condensador interdigital, y la inductancia por derivación se implementó mediante un inductor en forma de T-stub, con todas las dimensiones geométricas definidas según la disposición mostrada en la Figura 2A. La inductancia de derivación se implementaba mediante un inductor de tubo en T (ancho de vástago: 0,5 mm, longitud de vástago: 15 mm, ancho de tronco: 6,0 mm, longitud de tronco: 6,0 mm). En lugar de los orificios de vía convencionales, se incorporó una estructura de curva de Hilbert de tercer orden (dimensiones exteriores: 7,87 mm × 7,87 mm; ancho de traza: 0,48 mm; espacio: 1,19 mm; longitudes adicionales de segmento de 2,39 mm, 1,43 mm y 3,10 mm como se muestra en la Figura 2B) en el lado reverso del sustrato para proporcionar carga inductiva minimizando las pérdidas por^{radiación 11}. Diecisiete celdas unitarias se dispusieron en una matriz lineal de 1 × 17 con un espaciamiento entre celdas de 8,5 mm (aproximadamente λg/4 a 5,6 GHz). Las dimensiones del condensador interdigital y del inductor en forma de T estaban optimizadas paramétricamente; el diseño final corresponde a la configuración que produce la ganancia máxima y el mínimo S11, como se muestra en la Figura 2.

Implementación de la estructura EBG
Una matriz de 17 × 1 de estructuras de curvas de Hilbert de tercer orden se imprimió en la superficie posterior del sustrato, alineada concéntricamente con cada inductor en T-stub. Cada elemento Hilbert ocupaba un área de 7,87 mm × 7,87 mm, con el inductor en forma de T situado en el centro de esta zona para maximizar el acoplamiento^{inductivo 12}. La matriz EBG se posicionó de modo que su eje longitudinal coincidiera con la línea central de la matriz CRLH-TL, lográndose el registro mediante marcas de alineación óptica durante la fotolitografía. El EBG de Hilbert suprime la propagación de ondas superficiales y mejora la adaptación de^{impedancia 13}. Punto de control visual: La geometría fractal de Hilbert de tercer orden utilizada para la implementación de EBG se muestra en la Figura 2B.

Diseño de reflectores AMC
Se diseñó una matriz de reflectores de 7 × 10 AMC utilizando celdas unitarias hexagonales (longitud lateral: 5,2 mm; periodicidad: 9,0 mm). Cada celda unitaria contaba con tres ranuras rectangulares (longitud: 3,5 mm; ancho: 0,4 mm) dispuestas a intervalos de 120° en el centro del parche para lograr una fase de reflexión cero a 5,6 GHz. La matriz se fabricó sobre un sustrato idéntico Rogers RT/duroid y se posicionó 8,0 mm (aproximadamente λ0/6,7 a 5,6 GHz) por debajo del plano de tierra de la antena. El espaciamiento entre elementos se mantuvo en 0,5 mm entre hexágonos adyacentes, lo que proporcionaba una huella total de 200 mm × 100 mm. La alineación del conjunto AMC respecto a la antena se lograba mediante dispositivos mecánicos con etapas ajustables al micrometro, asegurando una precisión posicional de ±0,1 mm. Punto de control visual: La geometría de celda unitaria del reflector AMC y la disposición completa del array deberían corresponder a la Figura 3.

Integración de conmutadores ópticos
Las resistencias dependientes de la luz (LDR) de montaje superficial se integraron en la sección T de cada celda unidad CRLH. Cada LDR se posicionaba a lo largo de un espacio de 0,5 mm en el vástago del inductor en T, a 3,0 mm de la unión del tronco. La inserción a distancia se realizó utilizando epoxi conductor curado a 80°C durante 30 minutos. Un diodo láser rojo externo de 635 nm (potencia óptica: 5 mW; diámetro del haz: 3 mm) servía como fuente óptica. El haz láser se dirigía mediante un sistema de espejo galvanómetro controlado por ordenador, lo que permitía la iluminación selectiva de LDRs individuales o grupos de LDRs. Para la caracterización en estado apagado, la iluminación se bloqueaba usando cubiertas opacas de cloruro de polivinilo negro (PVC) (grosor: 1,5 mm; dimensiones: 10 mm × 15 mm) colocadas sobre cada LDR. Punto de control visual: Los puntos de integración a distancia dentro de la estructura del T stub deberían ser visibles, como se muestra en la Figura 1.

Proceso de fabricación y medición
La fabricación de antenas empleaba un proceso de grabado químico húmedo. Los paneles del sustrato se limpiaban con alcohol isopropílico, se secaban a 60°C durante 10 minutos y se laminaban con fotorresist positivo (AZ 4562, recubierto por centrifugación a 3000 rpm durante 30 segundos, cocido suavemente a 100°C durante 90 segundos)¹⁴. La exposición a los rayos UV (350 nm, 12 mW/^{cm 2}, 25 segundos) se realizó mediante fotomáscara, seguida del revelado en revelador AZ 400K (dilución 1:4 con agua desionizada, 45 segundos)¹⁵. El grabado en cobre se realizó utilizando solución de cloruro férrico (FeCl₃, 40% p/v, 40°C, 8 minutos⁾¹⁶. Se eliminó el fotorresist residual con acetona, seguido de un enjuague con agua desionizada y secado de nitrógeno¹⁷. Punto de control visual: El prototipo de antena fabricado como se muestra en la Figura 4.

Las mediciones se realizaron dentro de una cámara blindada por RF (dimensiones: 4,5 m × 3,0 m × 2,5 m; aislamiento > 90 dB de 1 a 12 GHz). La antena bajo prueba (AUT) estaba montada en un posicionador de azimut/elevación controlado por ordenador (precisión rotacional: ±0,1°; rango angular: 360° de azimut, ±elevación 90°). Una antena de doble cumbrera de banda ancha (1–12 GHz) servía como antena de referencia. Las mediciones de parámetros S se realizaron utilizando un analizador de red vectorial calibrado con un kit completo de calibración SOLT (short-open-load-thru) de dos puertos. La ganancia en campo lejano se determinó mediante el método de transferencia de ganancia con un cuerno de ganancia estándar de ganancia conocida (8,2 dBi a 5,6 GHz). Todas las mediciones se realizaron en condiciones ambientales de laboratorio (temperatura: 22 ± 1 °C; humedad relativa: 45 ± 5%).

Resultados

Diseño de antenas y configuración de simulación
Los parámetros S11 simulados y medidos para la antena base CRLH-TL (sin reflector AMC) demostraron una excelente concordancia en el rango de frecuencias de 3–6 GHz. La antena mostraba un ancho de banda de impedancia de –10 dB de 2,1 GHz (3,7–5,8 GHz), con un mínimo de S11 de –32 dB a 5,6 GHz. El VSWR correspondiente estaba por debajo de 1,5 en todo el ancho de banda operativo. Los estudios paramétricos revelaron que aume...

Discusión

Este trabajo propone una metodología novedosa para lograr radiación reconfigurable y de alta ganancia en una antena de metamaterial planar mediante la integración sinérgica de tres tecnologías complementarias: TL CRLH sin vía con Hilbert EBG para minimizar pérdidas, un reflector AMC de fase cero para mejorar la ganancia, y conmutación óptica de LDR para reconfiguración, inspirada en Al Naiemy²¹. Este enfoque elimina de forma única la complejidad de fabricación aso...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Sustrato	Taconic	www.taconic.co.kr/rf-43	Rogers RT/duroid 8550, ε r=2,55, h=1,5 mm
Fotorresist	Microquímicos	www.microchemicals.com/products/az-4562	AZ 4562 fotorresist positivo
Desarrollador	Microquímicos	www.microchemicals.com/products/az-400k	AZ 400K developer concentrate
Grabado	Sigma-Aldrich	270290-1KG	Cloruro férrico, 40% p/v
Disolvente	Sigma-Aldrich	270725-1L	Acetona, grado semiconductor
Disolvente	Sigma-Aldrich	278475-1L	Alcohol isopropílico, grado semiconductor
Epoxi conductora	CircuitWorks	www.chemtronics.com/cw2400	Epoxi conductora CW2400
LDR	Fotonix avanzado	PDV-P8103	Resistencia dependiente de la luz, 5-10 kΩ (luz) / 1 MΩ (oscuro)
Diodo láser	Thorlabs	L635P5	635 nm, 5 mW, haz elíptico
Galvanómetro	Tecnología de Cambridge	6215H	Sistema de espejo óptico de escaneo
VNA	Keysight	37347A	Analizador de red vectorial, 10 MHz-20 GHz
Antena de cuerno	ETS-Lindgren	3117	Bocina de doble cumbrera, 1-12 GHz
Posicionador	ÓRBITA/FR	AL-4163-4A	Sistema de posicionamiento por azimut/elevación
Cámara RF	ETS-Lindgren	HECHO-3	Recinto blindado, 4,5 y más veces; 3.0 y veces; 2,5 m
Software de simulación	Dassault Systè mes	CST Studio Suite 2023	Simulador electromagnético 3D