Prestazioni dell'antenna ispirata dalla struttura CRLH-TL-Hilbert caricata con riflettore AMC per applicazioni wireless

Sommario

Questo studio presenta un'antenna di linea di trasmissione CRLH ad alto guadagno integrata con un EBG frattale di Hilbert e un riflettore magnetico conduttore artificiale per applicazioni 5G sotto i 6 GHz. Il progetto raggiunge un guadagno di 20 dBI, una larghezza di banda di 2,1 GHz, un rapporto migliorato tra anteriore e posteriore e un limitato indirizzamento ottico del fascio utilizzando resistori dipendenti dalla luce per la riconfigurabilità.

Abstract

Questo studio presenta un design innovativo di antenna riconfigurabile per reti di comunicazione 5G-sub6 GHz, ottenendo un significativo miglioramento del guadagno e capacità di guida del fascio grazie all'integrazione sinergica di una linea di trasmissione composita destra/sinistra (CRLH-TL), una struttura a banda banda elettromagnetica a curva di Hilbert (EBG) e un riflettore a conduttore magnetico artificiale (AMC). L'antenna è composta da 17 celle unitarie CRLH TL accoppiate a un EBG frattale di Hilbert di terzo ordine, eliminando i buchi via convenzionali e minimizzando le perdite sulle onde superficiali. Senza il riflettore AMC, l'antenna raggiunge un guadagno massimo di 16 dBi a 5,6 GHz. L'incorporazione di un array riflettore AMC esagonale da 7 × 10 con fase di riflessione zero aumenta il guadagno in avanti a 20 dBi a 5,6 GHz, rappresentando un miglioramento di 4 dB mentre sopprime i lobi posteriori e produce un schema di radiazione unidirezionale. La riconfigurabilità e la scansione del fascio sono abilitate tramite un meccanismo ottico di commutazione che impiega resistenze dipendenti dalla luce (LDR), ottenendo variazioni di guadagno e una direzione del fascio di ±5° a 5 GHz. Il progetto raggiunge una larghezza di banda di impedenza di 2,1 GHz (S11 < –10 dB) e un'efficienza di radiazione del 78%. Rispetto alle precedenti antenne CRLH-TL, questo lavoro dimostra un miglioramento del guadagno di 4 dB e introduce la riconfigurabilità ottica senza la complessità di fabbricazione basata su via. I risultati della simulazione e delle misurazioni mostrano un'eccellente concordanza, validando la metodologia di progettazione. L'antenna proposta è adatta a stazioni base 5G adattive, comunicazioni satellitari e sistemi radar a guida del fascio.

Introduzione

La crescente domanda di antenne adattive ad alte prestazioni nei sistemi di comunicazione wireless di quinta generazione (5G) ha accelerato la ricerca sui progetti basati su metamateriali (MTM^{) 1,2}. I metamateriali offrono proprietà elettromagnetiche uniche, tra cui permittività negativa e permeabilità, che permettono la risonanza di ordine zero nelle strutture composite di linea di trasmissione destra/sinistra (CRLH-TL), facilitando una significativa miniaturizzazione delle^{antenne 3,4}. Tuttavia, le antenne MTM convenzionali spesso soffrono di basso guadagno, banda di impedenza ridotta e complessità di fabbricazione derivanti da requisiti^{via hole 5,6}.

Per affrontare queste limitazioni, sono state integrate strutture a banda banda elettromagnetica (EBG) e riflettori a conduttore magnetico artificiale (AMC) per sopprimere la propagazione delle onde superficiali, migliorare l'adattamento delle impedenze e incrementare il guadagno in^{avanti 7,8}. Studi recenti hanno dimostrato un aumento del guadagno di 2–6 dB utilizzando riflettori AMC in configurazioni dual- e multi-band⁹/^��18. Ad esempio, Jwair et ^al.9 hanno riportato un'antenna metasurface che raggiunge un guadagno di 14 dBi a 5,5 GHz, mentre Ali et ^al.12 hanno dimostrato un array MIMO frattale di Hilbert con guadagno di 12,5 dBi. Nonostante questi progressi, i progetti esistenti presentano limitazioni di guadagno (tipicamente 12–16 dBi), mancano di riconfigurabilità o richiedono una complessa fabbricazione basata su via.

Questo lavoro propone una nuova antenna CRLH-TL che integra un EBG a curva di Hilbert di terzo ordine e un riflettore AMC a fase zero per applicazioni 5G sotto i 6 GHz. Le innovazioni chiave includono: (i) eliminazione dei vias convenzionali tramite l'incorporazione di EBG con sede a Hilbert, riduzione della perdita di inserimento e della complessità di fabbricazione; (ii) aumento del guadagno di 4 dB rispetto al progetto di base, raggiungendo 20 dBi a 5,6 GHz—un miglioramento significativo rispetto alle precedenti antenne CRLH-TL (tipicamente 12–16 dBi); (iii) riconfigurazione ottica tramite LDR, che consente la direzione del fascio e la variazione del guadagno senza linee di polarizzazione elettrica; e (iv) capacità di modulazione diretta di ampiezza. Questi progressi affrontano collettivamente le limitazioni critiche di guadagno, riconfigurabilità e complessità di fabbricazione nei progetti esistenti di antenne MTM.

Protocollo

Progettazione e configurazione dell'antenna
L'antenna è stata progettata utilizzando software commerciale di simulazione elettromagnetica 3D basato sulla tecnica di integrazione finita (FIT⁾¹⁰. I parametri della simulazione erano configurati come segue: (i) tipo di risolutore: risolutore nel dominio del tempo con mesh esaedrica; (ii) intervallo di frequenza: 4–7 GHz; (iii) densità della meglia: 20 linee per lunghezza d'onda, raffinamento adattivo della mesh abilitato con soglia di accuratezza di –30 dB; (iv) condizioni al contorno: aperto (aggiungere spazio) in tutte le direzioni con distanza minima di λ/4 dalla struttura; (v) monitor di campo lontano: configurati a intervalli di 0,1 GHz lungo tutta la gamma di frequenze; (vi) Eccitazione della porta: porta guida d'onda con impedenza di 50 Ω. È stato selezionato un Rogers RT/duroid 8550 con permisività relativa (εr) di 2,55, spessore di 1,5 mm e tangente di perdita (δ beige) di 0,0033. Checkpoint visivo: al completamento della geometria del modello, la struttura dell'antenna dovrebbe apparire come mostrato nella Figura 1, con celle unitarie CRLH chiaramente definite, condensatori interdigitali e induttori a T-stub.

Fabbricazione di antenne CRLH-TL
L'antenna utilizzava una guida d'onda asimmetrica coplanare (CPW). La capacità in serie è stata realizzata utilizzando un condensatore interdigitale, e l'induttanza a shunt è stata implementata tramite un induttore a T-stub, con tutte le dimensioni geometriche definite secondo la disposizione mostrata nella Figura 2A. L'induttanza dello shunt era implementata tramite un induttore a T (larghezza dello stelo: 0,5 mm, lunghezza dello stelo: 15 mm, larghezza dello stub: 6,0 mm, lunghezza del tronco: 6,0 mm). Al posto dei fori via convenzionali, sul lato posteriore del substrato è stata incorporata una struttura a curva di Hilbert di terzo ordine (dimensioni esterne: 7,87 mm × 7,87 mm; larghezza delle tracce: 0,48 mm; gap 1,19 mm; lunghezze di segmento aggiuntive di 2,39 mm, 1,43 mm e 3,10 mm come mostrato nella Figura 2B) sul lato posteriore del substrato per fornire carico induttivo minimizzando le perdite da^{radiazione 11}. Celle di diciassette unità erano disposte in un array lineare 1 × 17 con una distanza intercelle di 8,5 mm (circa λg/4 a 5,6 GHz). Le dimensioni del condensatore interdigitale e dell'induttore a T-stub furono ottimizzate parametricamente; il design finale corrisponde alla configurazione che produce il massimo guadagno e il minimo S11, come mostrato nella Figura 2.

Implementazione della struttura EBG
Un array di 17 × 1 di strutture a curva di Hilbert di terzo ordine veniva stampato sulla superficie posteriore del substrato, allineato concentricamente con ciascun induttore a T-stub. Ogni elemento Hilbert occupava un'area di 7,87 mm × 7,87 mm, con l'induttore a T posizionato centralmente in quest'area per massimizzare l'accoppiamento^{induttivo 12}. L'array EBG era posizionato in modo che il suo asse longitudinale coincidesse con la linea centrale dell'array CRLH-TL, con la registrazione ottenuta tramite segni di allineamento ottici durante la fotolitografia. L'EBG di Hilbert sopprime la propagazione delle onde superficiali e migliora l'adattamento^{dell'impedenza 13}. Checkpoint visivo: La geometria frattale di Hilbert di terzo ordine utilizzata per l'implementazione dell'EBG è mostrata nella Figura 2B.

Progettazione del riflettore AMC
Un array riflettore da 7 × 10 AMC fu progettato utilizzando celle unitarie esagonali (lunghezza laterale: 5,2 mm; periodicità: 9,0 mm). Ogni cella unitaria disponeva di tre slot rettangolari (lunghezza: 3,5 mm; larghezza: 0,4 mm) disposti a intervalli di 120° sul centro del patch per ottenere una fase di riflessione zero a 5,6 GHz. L'array fu costruito su un substrato identico Rogers RT/duroid e posizionato 8,0 mm (circa λ0/6,7 a 5,6 GHz) sotto il piano di massa dell'antenna. La distanza tra gli elementi veniva mantenuta a 0,5 mm tra esagoni adiacenti, garantendo un'impronta totale dell'array di 200 mm × 100 mm. L'allineamento dell'array AMC rispetto all'antenna veniva ottenuto tramite sistemi meccanici con stadi regolabili al micrometro, garantendo un'accuratezza posizionale di ±0,1 mm. Checkpoint visivo: La geometria della cella unitaria del riflettore AMC e la disposizione completa dell'array dovrebbero corrispondere alla Figura 3.

Integrazione degli switch ottici
I resistori dipendenti dalla luce (LDR) montati in superficie erano integrati nella sezione T di ciascuna cella unitaria CRLH. Ogni LDR era posizionato su uno spazio di 0,5 mm nell'induttore a T, a 3,0 mm dalla giunzione a tronco. L'attacco a distanza è stato eseguito utilizzando resina epossidica conduttiva indurita a 80°C per 30 minuti. Un diodo laser rosso esterno da 635 nm (potenza ottica: 5 mW; diametro del fascio: 3 mm) fungeva da sorgente ottica. Il fascio laser era diretto tramite un sistema di specchio galvanometrico controllato da computer, permettendo l'illuminazione selettiva di singoli LDR o gruppi di LDR. Per la caratterizzazione in stato OFF, l'illuminazione veniva bloccata con coperture opache in cloruro di polivinile nero (PVC) (spessore: 1,5 mm; dimensioni: 10 mm × 15 mm) applicate sopra ogni LDR. Checkpoint visivo: I punti di integrazione LDR all'interno della struttura a T stub dovrebbero essere visibili, come mostrato nella Figura 1.

Processo di fabbricazione e misurazione
La fabbricazione delle antenne utilizzava un processo di incisione chimica a umido. I pannelli del substrato venivano puliti con alcol isopropilico, asciugati a 60°C per 10 minuti e laminati con fotoresist positivo (AZ 4562, rivestito a 3000 giri/min per 30 secondi, cotto morbidamente a 100°C per 90 secondi⁾¹⁴. L'esposizione ai raggi UV (350 nm, 12 mW/^{cm 2}, 25 secondi) è stata eseguita tramite una fotomaschera, seguita dallo sviluppo in AZ 400K (diluizione 1:4 con acqua deionizzata, 45 secondi⁾¹⁵. L'incisione su rame è stata effettuata utilizzando soluzione di cloruro ferrico (FeCl₃, 40% w/v, 40°C, 8 minuti⁾¹⁶. Il fotoresist residuo è stato rimosso con acetone, seguito da un risciacquo con acqua deionizzata e asciugatura^{con azoto 17}. Checkpoint visivo: Il prototipo dell'antenna fabbricato come mostrato nella Figura 4.

Le misurazioni sono state effettuate all'interno di una camera schermata con RF (dimensioni: 4,5 m × 3,0 m × 2,5 m; isolamento > 90 dB da 1 a 12 GHz). L'antenna in test (AUT) era montata su un posizionatore di azimut/elevazione controllato dal computer (precisione rotazionale: ±0,1°; distanza angolare: 360° azimut, ±90° di elevazione). Un'antenna a doppia corna a doppia colmo a banda larga (1–12 GHz) fungeva da antenna di riferimento. Le misurazioni dei parametri S venivano effettuate utilizzando un analizzatore di rete vettoriale calibrato con un kit completo di calibrazione SOLT (short-open-load-thru) a due porte. Il guadagno in campo lontano è stato determinato utilizzando il metodo guadagno-trasferimento con un corno di guadagno standard di guadagno noto (8,2 dBi a 5,6 GHz). Tutte le misurazioni sono state effettuate in condizioni di laboratorio ambientale (temperatura: 22 ± 1 °C; umidità relativa: 45 ± 5%).

Risultati

Progettazione e configurazione dell'antenna
I parametri S11 simulati e misurati per l'antenna CRLH-TL di base (senza riflettore AMC) hanno dimostrato un'eccellente concordanza nell'intervallo di frequenze 3–6 GHz. L'antenna mostrava una larghezza di banda con impedenza di –10 dB di 2,1 GHz (3,7–5,8 GHz), con una minima S11 di –32 dB che si verifica a 5,6 GHz. Il corrispondente VSWR era inferiore a 1,5 su tutta la larghezza di banda operativa. Gli studi parametrici han...

Discussione

Questo lavoro propone una metodologia innovativa per ottenere radiazione ad alto guadagno e riconfigurabile in un'antenna metamateriale planare attraverso l'integrazione sinergica di tre tecnologie complementari: TL CRLH senza via con Hilbert EBG per la minimizzazione delle perdite, un riflettore AMC a fase zero per il potenziamento del guadagno, e commutazione ottica LDR per la riconfigurazione, ispirata da Al Naiemy²¹. L'approccio elimina in modo unico la comple...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Substrato	Taconic	www.taconic.co.kr/rf-43	Rogers RT/duroid 8550, ε r=2,55, h=1,5 mm
Fotoresist	Microchimici	www.microchemicals.com/products/az-4562	AZ 4562 fotoresist positivo
Sviluppatore	Microchimici	www.microchemicals.com/products/az-400k	AZ 400K developer concentrate
Incisione	Sigma-Aldrich	270290-1KG	Cloruro ferrico, 40% w/v
Solvente	Sigma-Aldrich	270725-1L	Acetone, di grado semiconduttore
Solvente	Sigma-Aldrich	278475-1L	Alcool isopropilico, grado semiconduttore
Epossidica conduttiva	CircuitWorks	www.chemtronics.com/cw2400	Epossidica conduttiva CW2400
LDR	Fotonix avanzato	PDV-P8103	Resistenza dipendente dalla luce, 5-10 kΩ (luce) / 1 MΩ (buio)
Diodo laser	Thorlabs	L635P5	635 nm, 5 mW, fascio ellittico
Galvanometro	Cambridge Technology	6215H	Sistema a specchio ottico a scansione
VNA	Keysight	37347A	Analizzatore di rete vettoriale, 10 MHz-20 GHz
Antenna a corno	ETS-Lindgren	3117	Corno a doppia cresta, 1-12 GHz
Posizionatore	ORBITA/FR	AL-4163-4A	Sistema di posizionamento di azimut/elevazione
Camera RF	ETS-Lindgren	FATTO-3	Terrario schermato, 4,5 e volte; 3.0 & times; 2,5 m
Software di simulazione	Dassault Systè mes	CST Studio Suite 2023	Simulatore elettromagnetico 3D