Performance de l’antenne CRLH-TL-Hilbert inspirée par la structure chargée d’un réflecteur AMC pour des applications sans fil

Résumé

Cette étude présente une antenne de ligne de transmission CRLH à gain élevé intégrée à un EBG fractal de Hilbert et un réflecteur conducteur magnétique artificiel pour des applications 5G sous 6 GHz. La conception atteint un gain de 20 dBi, une bande passante de 2,1 GHz, un rapport avant-arrière amélioré et un biais optique limité de la direction du faisceau grâce à des résistances dépendantes de la lumière pour une reconfigurabilité.

Résumé

Cette étude présente une conception novatrice d’antenne reconfigurable pour les réseaux de communication 5G à moins de 6 GHz, permettant d’améliorer significativement le gain et de diriger le faisceau grâce à l’intégration synergique d’une ligne de transmission composite droite/gauche (CRLH-TL), d’une structure à bande interdite électromagnétique (EBG) à courbe de Hilbert, et d’un réflecteur conducteur magnétique artificiel (AMC). L’antenne comprend 17 cellules unitaires CRLH TL couplées à un EBG fractal de Hilbert de troisième ordre, éliminant les trous de via conventionnels et minimisant les pertes en ondes de surface. Sans le réflecteur AMC, l’antenne atteint un gain de pic de 16 dBi à 5,6 GHz. L’intégration d’un réseau de réflecteurs AMC hexagonaux 7 × 10 présentant une phase de réflexion nulle augmente le gain avant à 20 dBi à 5,6 GHz, ce qui représente une amélioration de 4 dB tout en supprimant les lobes arrière et en produisant un diagramme de rayonnement unidirectionnel. La reconfigurabilité et le balayage du faisceau sont rendus possibles via un mécanisme de commutation optique utilisant des résistances dépendant de la lumière (LDR), permettant une variation de gain et une direction du faisceau de ±5° à 5 GHz. La conception atteint une bande passante d’impédance de 2,1 GHz (S11 < –10 dB) et une efficacité de rayonnement de 78 %. Comparé aux antennes CRLH-TL précédentes, ce travail démontre une amélioration du gain de 4 dB et introduit une reconfigurabilité optique sans complexité de fabrication basée sur la via. Les résultats de simulation et de mesure montrent une excellente concordance, validant la méthodologie de conception. L’antenne proposée convient aux stations de base adaptatives 5G, aux communications par satellite et aux systèmes radar orientables par faisceau.

Introduction

La demande croissante d’antennes adaptatives et haute performance dans les systèmes de communication sans fil de cinquième génération (5G) a accéléré la recherche sur les conceptions basées sur les métamatériaux (^{MTM) 1,2}. Les métamatériaux offrent des propriétés électromagnétiques uniques, notamment une permittivité négative et une perméabilité, qui permettent une résonance d’ordre zéro dans les structures composites droite/gauche de ligne de transmission (CRLH-TL), facilitant une miniaturisation significative des^{antennes 3,4}. Cependant, les antennes MTM conventionnelles souffrent fréquemment d’un faible gain, d’une bande passante d’impédance étroite et d’une complexité de fabrication due aux exigences de trou^{via 5,6}.

Pour répondre à ces limitations, des structures de bande interdite électromagnétique (EBG) et des réflecteurs à conducteurs magnétiques artificiels (AMC) ont été intégrés afin de supprimer la propagation de surface de l’onde, améliorer l’adaptation d’impédance et renforcer le gain avant ^7,8. Des études récentes ont démontré une augmentation du gain de 2 à 6 dB en utilisant des réflecteurs AMC dans des configurations double et multi-bande⁹/^��18. Par exemple, Jwair et ^al.9 ont rapporté une antenne métasurface atteignant un gain de 14 dBi à 5,5 GHz, tandis qu’Ali et ^al.12 ont démontré un réseau fractal MIMO de Hilbert avec un gain de 12,5 dBi. Malgré ces avancées, les conceptions existantes présentent des limitations de gain (généralement 12–16 dBi), manquent de reconfigurabilité ou nécessitent une fabrication complexe basée sur des vias.

Ce travail propose une nouvelle antenne CRLH-TL intégrant un EBG à courbe de Hilbert de troisième ordre et un réflecteur AMC à phase zéro pour des applications 5G sous 6 GHz. Les innovations clés incluent : (i) l’élimination des vias conventionnels via l’intégration d’EBG basée à Hilbert, la réduction des pertes d’insertion et de la complexité de fabrication ; (ii) une amélioration du gain de 4 dB par rapport à la conception de base, atteignant 20 dBi à 5,6 GHz — une amélioration significative par rapport aux antennes CRLH-TL précédentes (typiquement 12–16 dBi) ; (iii) reconfiguration optique à l’aide de LDR, permettant la direction du faisceau et la variation du gain sans lignes de polarisation électrique ; et (iv) capacité de modulation d’amplitude directe. Ces avancées répondent collectivement aux limites critiques du gain, de la reconfigurabilité et de la complexité de fabrication dans les conceptions existantes d’antennes MTM.

Protocole

Conception et configuration de simulation d’antenne
L’antenne a été conçue à l’aide d’un logiciel commercial de simulation électromagnétique 3D basé sur la technique d’intégration finie (FIT⁾¹⁰. Les paramètres de simulation étaient configurés comme suit : (i) type de solveur : solveur dans le domaine temporel avec maillage hexaédrique ; (ii) plage de fréquences : 4–7 GHz ; (iii) densité de maillage : 20 lignes par longueur d’onde, affinement adaptatif du maillage autorisé avec un seuil de précision de –30 dB ; (iv) conditions aux limites : ouvert (ajouter de l’espace) dans toutes les directions avec une distance minimale de λ/4 de la structure ; (v) moniteurs lointains : configurés à des intervalles de 0,1 GHz sur toute la plage de fréquences ; (vi) excitation du port : port de guide d’ondes avec impédance de 50 Ω. Un Rogers RT/duroïde 8550 a été sélectionné avec une permittivité relative (εr) de 2,55, une épaisseur de 1,5 mm et une tangente de perte (δ tan) de 0,0033. Point de contrôle visuel : Une fois la géométrie du modèle terminée, la structure de l’antenne doit apparaître comme illustrée à la Figure 1, avec des cellules unitaires CRLH clairement définies, des condensateurs internumériques et des inductances en T-stub.

Fabrication d’antennes CRLH-TL
L’antenne utilisait une structure d’alimentation asymétrique de guide d’ondes coplanaire (CPW). La capacité en série a été réalisée à l’aide d’un condensateur interdigital, et l’inductance par dérivation a été réalisée à l’aide d’une inductance en T-stub, avec toutes les dimensions géométriques définies selon la disposition présentée à la Figure 2A. L’inductance de la dérivation était réalisée via une inductance en T (largeur de tige : 0,5 mm, longueur de tige : 15 mm, largeur de stub : 6,0 mm, longueur de stub : 6,0 mm). Au lieu des trous via conventionnels, une structure de courbe de Hilbert du troisième ordre (dimensions extérieures : 7,87 mm × 7,87 mm ; largeur de trace : 0,48 mm ; espace : 1,19 mm ; longueurs de segments supplémentaires de 2,39 mm, 1,43 mm et 3,10 mm comme montré à la Figure 2B) a été intégrée sur le côté opposé du substrat pour fournir une charge inductive tout en minimisant les pertes de^{rayonnement 11}. Des cellules de dix-sept unités étaient disposées en un réseau linéaire 1 × 17 avec un espacement inter-cellules de 8,5 mm (environ λg/4 à 5,6 GHz). Les dimensions du condensateur internumérique et de l’inductance en T-stub ont été optimisées paramétriquement ; la conception finale correspond à la configuration qui donne un gain maximal et un S11 minimum, comme montré à la Figure 2.

Implémentation de la structure EBG
Un réseau de 17 × 1 de structures de courbes de Hilbert de troisième ordre était imprimé sur la surface arrière du substrat, aligné concentriquement avec chaque inductance en T. Chaque élément de Hilbert occupait une surface de 7,87 mm × 7,87 mm, avec l’inductance en T positionnée centralement dans cette zone pour maximiser le couplage^{inductif 12}. Le réseau EBG était positionné de manière à ce que son axe longitudinal coïncide avec la ligne centrale du réseau CRLH-TL, le registre étant obtenu à l’aide de marques d’alignement optique lors de la photolithographie. L’EBG de Hilbert supprime la propagation des ondes de surface et améliore l’adaptation d’impédance¹³. Point de contrôle visuel : La géométrie fractale de Hilbert du troisième ordre utilisée pour l’implémentation de l’EBG est illustrée à la Figure 2B.

Conception des réflecteurs AMC
Un réseau de réflecteurs AMC 7 × 10 a été conçu à l’aide de cellules uniaires hexagonales (longueur des côtés : 5,2 mm ; périodicité : 9,0 mm). Chaque cellule unitaire comportait trois emplacements rectangulaires (longueur : 3,5 mm ; largeur : 0,4 mm) disposés à intervalles de 120° sur le centre du patch pour atteindre une phase de réflexion nulle à 5,6 GHz. Le réseau était fabriqué sur un substrat Rogers RT/duroïde identique et positionné à 8,0 mm (environ λ0/6,7 à 5,6 GHz) sous le plan de masse de l’antenne. L’espacement des éléments était maintenu à 0,5 mm entre les hexagones adjacents, offrant une empreinte totale de 200 mm × 100 mm. L’alignement de l’antenne AMC par rapport à l’antenne était réalisé à l’aide d’un système mécanique avec des étages réglables au micromètre, assurant une précision positionnelle de ±0,1 mm. Point de contrôle visuel : La géométrie de la cellule unitaire du réflecteur AMC et la disposition complète du réseau devraient correspondre à la figure 3.

Intégration des commutateurs optiques
Des résistances dépendant de la lumière (LDR) montées en surface étaient intégrées dans la section T de chaque cellule unité CRLH. Chaque LDR était positionné sur un espace de 0,5 mm dans la tige de l’inductance en T, à 3,0 mm de la jonction en stub. L’attachement à distance a été effectué à l’aide d’époxy conductrice durcie à 80°C pendant 30 minutes. Une diode laser rouge externe de 635 nm (puissance optique : 5 mW ; diamètre du faisceau : 3 mm) servait de source optique. Le faisceau laser était dirigé via un système de miroir galvanométrique contrôlé par ordinateur, permettant l’illumination sélective de LDR individuels ou de groupes de LDR. Pour la caractérisation en état OFF, l’éclairage était bloqué par des caches opaques en polychlorure de vinyle noir (PVC) (épaisseur : 1,5 mm ; dimensions : 10 mm × 15 mm) apposées sur chaque LDR. Point de contrôle visuel : Les points d’intégration LDR à l’intérieur de la structure du stub en T doivent être visibles, comme montré à la Figure 1.

Processus de fabrication et de mesure
La fabrication d’antennes utilisait un procédé de gravure chimique humide. Les panneaux de substrat étaient nettoyés à l’alcool isopropylique, séchés à 60°C pendant 10 minutes, puis laminés avec un photorésine positif (AZ 4562, revêtu à 3000 tr/min pendant 30 secondes, cuit doucement à 100°C pendant 90 secondes⁾¹⁴. L’exposition UV (350 nm, 12 mW/^{cm 2}, 25 secondes) a été réalisée via un photomasque, suivie d’un développement en révélateur AZ 400K (dilution 1:4 avec eau déionisée, 45 secondes⁾¹⁵. La gravure sur cuivre a été réalisée à l’aide d’une solution de chlorure ferrique (FeCl₃, 40 % en va-vers, 40°C, 8 minutes⁾¹⁶. Le photorésine résiduel a été retiré avec de l’acétone, suivi d’un rinçage à l’eau déionisée et du séchage à l’azote¹⁷. Point de contrôle visuel : Le prototype d’antenne fabriqué tel que montré à la Figure 4.

Les mesures ont été effectuées à l’intérieur d’une chambre blindée RF (dimensions : 4,5 m × 3,0 m × 2,5 m ; isolation > 90 dB de 1 à 12 GHz). L’antenne testée (AUT) était montée sur un positionneur d’azimut/élévation contrôlé par ordinateur (précision de rotation : ±0,1° ; portée angulaire : 360° azimut, ±90° d’élévation). Une antenne à corne double crête large bande (1–12 GHz) servait d’antenne de référence. Les mesures des paramètres S ont été réalisées à l’aide d’un analyseur de réseau vectoriel calibré avec un kit complet de calibration SOLT (short-open-load-thru) à deux ports. Le gain en champ lointain a été déterminé à l’aide de la méthode gain-transfer avec une corne de gain standard de gain connu (8,2 dBi à 5,6 GHz). Toutes les mesures ont été réalisées dans des conditions de laboratoire ambiantes (température : 22 ± 1 °C ; humidité relative : 45 ± 5 %).

Résultats

Conception et configuration de simulation d’antenne
Les paramètres S11 simulés et mesurés pour l’antenne CRLH-TL de base (sans réflecteur AMC) ont démontré une excellente concordance sur la plage de fréquences 3–6 GHz. L’antenne affichait une bande passante d’impédance de –10 dB de 2,1 GHz (3,7–5,8 GHz), avec un minimum de S11 de –32 dB à 5,6 GHz. Le VSWR correspondant était inférieur à 1,5 sur toute la bande passante opérationnelle. Des études paramétriques ont révél...

Discussion

Ce travail propose une méthodologie novatrice pour obtenir un rayonnement à gain élevé et reconfigurable dans une antenne métamatériau planaire grâce à l’intégration synergique de trois technologies complémentaires : un TL CRLH sans via avec un EBG de Hilbert pour la minimisation des pertes, un réflecteur AMC à phase nulle pour l’amélioration du gain, et la commutation optique LDR pour la reconfiguration, inspirée par Al Naiemy²¹. Cette approche élimine de manière...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Substrat	Taconic	www.taconic.co.kr/rf-43	Rogers RT/duroid 8550, &epsilon ; r=2,55, h=1,5 mm
Photo-résistance	Microchimiques	www.microchemicals.com/products/az-4562	AZ 4562 photorésistance positive
Développeur	Microchimiques	www.microchemicals.com/products/az-400k	AZ 400K developer concentrate
Gravure	Sigma-Aldrich	270290-1KG	Chlorure ferrique, 40 % en v/v
Solvant	Sigma-Aldrich	270725-1L	Acétone, qualité semi-conductrice
Solvant	Sigma-Aldrich	278475-1L	Alcool isopropylique, qualité semi-conductrice
Époxy conducteur	CircuitWorks	www.chemtronics.com/cw2400	Époxy conducteur CW2400
Relation à distance	Photonix avancé	PDV-P8103	Résistance dépendante de la lumière, 5-10 k&Omega ; (lumière) / 1 M&Omega ; (sombre)
Diode laser	Thorlabs	L635P5	635 nm, 5 mW, faisceau elliptique
Galvanomètre	Technologie de Cambridge	6215H	Système de miroir optique à balayage
VNA	Keysight	37347A	Analyseur de réseau vectoriel, 10 MHz-20 GHz
Antenne à corne	ETS-Lindgren	3117	Corne à double crête, 1-12 GHz
Positionneur	ORBITE/FR	AL-4163-4A	Système de positionnement à azimut/élévation
Chambre RF	ETS-Lindgren	FAIT-3	Enclos protégés, 4,5 et plus de fois ; 3.0 & times ; 2,5 m
Logiciels de simulation	Dassault Systè ; mes	CST Studio Suite 2023	Simulateur électromagnétique 3D