Onderzoeksartikel
Deze studie presenteert een hoogversterking CRLH transmissielijnantenne geïntegreerd met een Hilbert fractale EBG en een kunstmatige magnetische geleiderreflector voor 5G sub-6 GHz toepassingen. Het ontwerp bereikt 20 dBi versterking, 2,1 GHz bandbreedte, verbeterde voor-achter-verhouding en beperkte optische bundelbesturing met lichtafhankelijke weerstanden voor herconfigureerbaarheid.
Deze studie presenteert een nieuw herconfigureerbaar antenneontwerp voor 5G-sub6 GHz communicatienetwerken, waarbij aanzienlijke versterking en straalstuurcapaciteit worden bereikt door de synergetische integratie van een samengestelde rechts/linkshandse transmissielijn (CRLH-TL), een Hilbert-curve elektromagnetische bandgapstructuur (EBG) en een kunstmatige magnetische geleider (AMC) reflector. De antenne bestaat uit 17 CRLH TL-eenheidscellen gekoppeld aan een derde-orde Hilbert-fractale EBG, waarmee conventionele via-gaten worden geëlimineerd en oppervlaktegolfverliezen worden geminimaliseerd. Zonder de AMC-reflector bereikt de antenne een piekversterking van 16 dBi bij 5,6 GHz. Het inbouwen van een 7 × 10 zeshoekige AMC-reflectorarray met nulreflectiefase verbetert de voorwaartse versterking tot 20 dBi bij 5,6 GHz, wat een verbetering van 4 dB vertegenwoordigt terwijl de achterlobben worden onderdrukt en een unidirectioneel stralingspatroon wordt geproduceerd. Herconfigureerbaarheid en straalscanning worden mogelijk gemaakt via een optisch schakelmechanisme met behulp van lichtafhankelijke weerstanden (LDR's), wat versterkingsvariatie en ±5° bundelsturing bij 5 GHz bereikt. Het ontwerp bereikt een impedantiebandbreedte van 2,1 GHz (S11 < –10 dB) en een stralingsefficiëntie van 78%. In vergelijking met eerdere CRLH-TL-antennes toont dit werk een verbetering van 4 dB versterking en introduceert het optische herconfigureerbaarheid zonder via-gebaseerde fabricagecomplexiteit. Simulatie- en meetresultaten vertonen uitstekende overeenkomst, wat de ontwerpmethodologie valideert. De voorgestelde antenne is geschikt voor adaptieve 5G-basisstations, satellietcommunicatie en straalstuurbare radarsystemen.
De toenemende vraag naar adaptieve, hoogpresterende antennes in vijfde generatie (5G) draadloze communicatiesystemen heeft het onderzoek naar op metamateriaal (MTM) gebaseerde ontwerpen versneld 1,2. Metamaterialen bieden unieke elektromagnetische eigenschappen, waaronder negatieve permittiviteit en permeabiliteit, die nulorde resonantie mogelijk maken in composiet rechter/linker transmissielijnstructuren (CRLH-TL), wat aanzienlijke antenneminiaturisatiemogelijk maakt 3,4. Conventionele MTM-antennes hebben echter vaak last van lage versterking, smalle impedantiebandbreedte en fabricagecomplexiteit als gevolg van via-hole eisen 5,6.
Om deze beperkingen aan te pakken, zijn elektromagnetische bandgap (EBG) structuren en kunstmatige magnetische geleiders (AMC) reflectoren geïntegreerd om oppervlaktegolfvoortplanting te onderdrukken, impedantieaanpassing te verbeteren en voorwaartse versterking 7,8 te vergroten. Recente studies hebben een versterkingsverbetering van 2–6 dB aangetoond met AMC-reflectoren in dual- en multi-band configuraties9⁻18. Zo rapporteerden Jwair et al.9 een metasurface-antenne die 14 dBi versterking behaalde bij 5,5 GHz, terwijl Ali et al.12 een Hilbert fractal MIMO-array met 12,5 dBi versterking demonstreerden. Ondanks deze vooruitgang vertonen bestaande ontwerpen versterkingsbeperkingen (meestal 12–16 dBi), zijn ze niet herconfigureerbaar of vereisen ze complexe via-gebaseerde fabricage.
Dit werk stelt een nieuwe CRLH-TL-antenne voor, die een Hilbert-curve EBG van de derde orde en een nulfase AMC-reflector integreert voor 5G sub-6 GHz toepassingen. De belangrijkste innovaties zijn: (i) het elimineren van conventionele via's via Hilbert-gebaseerde EBG-incorporatie, vermindering van insertieverlies en fabricagecomplexiteit; (ii) 4 dB versterking ten opzichte van het basisontwerp, met 20 dBi bij 5,6 GHz—een aanzienlijke verbetering ten opzichte van eerdere CRLH-TL antennes (meestal 12–16 dBi); (iii) optische herconfiguratie met LDR's, waardoor bundelsturing en versterkingsvariatie mogelijk zijn zonder elektrische biaslijnen; en (iv) directe amplitudemodulatiemogelijkheid. Deze vooruitgang pakt samen de kritieke beperkingen aan op het gebied van versterking, herconfigureerbaarheid en fabricagecomplexiteit in bestaande MTM-antenneontwerpen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Antenneontwerp en simulatie-opstelling
De antenne is ontworpen met commerciële 3D elektromagnetische simulatiesoftware gebaseerd op de Finite Integration Technique (FIT)10. De simulatieparameters waren als volgt geconfigureerd: (i) type solver: tijddomein-oplosser met hexaëdrisch rooster; (ii) frequentiebereik: 4–7 GHz; (iii) maasdichtheid: 20 lijnen per golflengte, adaptieve gaasverfijning mogelijk met een nauwkeurigheidsdrempel van –30 dB; (iv) randvoorwaarden: open (ruimte toevoegen) in alle richtingen met minimale afstand van λ/4 van de structuur; (v) verre veldmonitoren: geconfigureerd met intervallen van 0,1 GHz over het hele frequentiebereik; (vi) Poortexcitatie: golfgeleiderpoort met 50 Ω impedantie. Een Rogers RT/duroid 8550 werd geselecteerd met relatieve permittiviteit (εr) van 2,55, dikte van 1,5 mm en verliestangens (tan δ) van 0,0033. Visueel controlepunt: Na voltooiing van de modelgeometrie zou de antennestructuur moeten verschijnen zoals weergegeven in Figuur 1, met duidelijk gedefinieerde CRLH-eenheidscellen, interdigitale condensatoren en T-stub-spoelen.
CRLH-TL antennefabricage
De antenne gebruikte een asymmetrische coplanaire golfgeleider (CPW) voedingsstructuur. De serie-capaciteit werd gerealiseerd met een interdigitale condensator, en de shuntinductantie werd geïmplementeerd met een T-stub-spoel, waarbij alle geometrische afmetingen werden gedefinieerd volgens de indeling in Figuur 2A. De shuntinductantie werd geïmplementeerd via een T-stub-spoel (stuurbreedte: 0,5 mm, stuurlengte: 15 mm, stubbreedte: 6,0 mm, stublengte: 6,0 mm). In plaats van conventionele via-gaten werd een Hilbert-curvestructuur van de derde orde (buitenafmetingen: 7,87 mm × 7,87 mm; spoorbreedte: 0,48 mm; spleet: 1,19 mm; extra segmentlengtes van 2,39 mm, 1,43 mm en 3,10 mm zoals weergegeven in Figuur 2B) aan de achterzijde van het substraat ingebouwd om inductieve belasting te bieden en stralingsverliezen te minimaliseren11. Zeventien-eenheidscellen waren gerangschikt in een lineaire array van 1 × 17 met een afstand tussen cellen van 8,5 mm (ongeveer λg/4 bij 5,6 GHz). De afmetingen van de interdigitale condensator en T-stub spoel waren parametrisch geoptimaliseerd; het uiteindelijke ontwerp komt overeen met de configuratie die maximale versterking en minimale S11 oplevert, zoals weergegeven in Figuur 2.
Implementatie van EBG-structuur
Een 17 × 1 array van derde-orde Hilbert-curvestructuren werd op het achteroppervlak van het substraat geprint, concentrisch uitgelijnd met elke T-stub-spoel. Elk Hilbert-element besloeg een oppervlakte van 7,87 mm × 7,87 mm, waarbij de T-stub-spoel centraal binnen dit gebied was geplaatst om inductieve koppeling12 te maximaliseren. De EBG-array was zo gepositioneerd dat de longitudinale as samenviel met de middenlijn van de CRLH-TL array, waarbij registratie werd bereikt met optische uitlijningsmarkeringen tijdens fotolithografie. De Hilbert EBG onderdrukt oppervlaktegolfvoortplanting en verbetert impedantieaanpassing13. Visueel controlepunt: De derde-orde Hilbert-fractale geometrie die wordt gebruikt voor EBG-implementatie is weergegeven in Figuur 2B.
AMC-reflectorontwerp
Een reflectorarray van 7 × 10 AMC werd ontworpen met hexagonale eenheidscellen (zijlengte: 5,2 mm; periodiciteit: 9,0 mm). Elke eenheidscel had drie rechthoekige slots (lengte: 3,5 mm; breedte: 0,4 mm) die op 120° intervallen op het midden van de patch waren gerangschikt om nul reflectiefase te bereiken bij 5,6 GHz. De array werd vervaardigd op een identiek Rogers RT/duroid substraat en gepositioneerd 8,0 mm (ongeveer λ0/6,7 bij 5,6 GHz) onder het antennegrondvlak. De elementafstand bleef 0,5 mm tussen aangrenzende zeshoeken, wat resulteerde in een totale array-footprint van 200 mm × 100 mm. De uitlijning van de AMC-array ten opzichte van de antenne werd bereikt met mechanische bevestiging en micrometer-instelbare trappen, wat ±0,1 mm positienauwkeurigheid garandeerde. Visueel controlepunt: De geometrie van de AMC-reflectorunit-cel en de volledige array-indeling zouden overeenkomen met Figuur 3.
Optische schakelaarintegratie
Oppervlaktegemonteerde lichtafhankelijke weerstanden (LDR's) werden geïntegreerd in de T-sectie van elke CRLH-eenheidscel. Elke LDR werd geplaatst over een 0,5 mm grote opening in de T-stub spoelsteel, 3,0 mm van de stub-verbinding. LDR-bevestiging werd uitgevoerd met geleidende epoxy die 30 minuten bij 80°C werd uitgehard. Een externe 635 nm rode laserdiode (optisch vermogen: 5 mW; bundeldiameter: 3 mm) diende als optische bron. De laserstraal werd geleid via een computergestuurd galvanometerspiegelsysteem, waardoor selectieve verlichting van individuele LDR's of groepen LDR's mogelijk was. Voor OFF-state karakterisering werd de verlichting geblokkeerd met ondoorzichtige zwarte polyvinylchloride (PVC) afdekkingen (dikte: 1,5 mm; afmetingen: 10 mm × 15 mm) die over elke LDR werden bevestigd. Visueel controlepunt: De LDR-integratiepunten binnen de T-stubstructuur zouden zichtbaar moeten zijn, zoals weergegeven in Figuur 1.
Fabricage- en meetproces
De fabricage van antennes maakte gebruik van een natchemisch etsproces. Substraatpanelen werden gereinigd met isopropylalcohol, 10 minuten gedroogd bij 60°C en gelamineerd met positieve fotoresist (AZ 4562, 300 seconden lang gespincoat bij 3000 rpm, 90 seconden zacht gebakken bij 100°C). UV-blootstelling (350 nm, 12 mW/cm2, 25 seconden) werd uitgevoerd met een fotomasker, gevolgd door ontwikkeling in AZ 400K-ontwikkelaar (1:4 verdunning met gedeioniseerd water, 45 seconden)15. Koperetsen werd uitgevoerd met een oplossing van ferrichloride (FeCl₃, 40% w/v, 40°C, 8 minuten). Restfotoresist werd verwijderd met aceton, gevolgd door spoelen met gedeïoniseerd water en stikstofdroog17. Visueel controlepunt: Het gefabriceerde antenneprototype zoals weergegeven in Figuur 4.
Metingen werden uitgevoerd in een RF-afgeschermde kamer (afmetingen: 4,5 m × 3,0 m × 2,5 m; isolatie > 90 dB van 1–12 GHz). De antenne die werd getest (AUT) was gemonteerd op een computergestuurde azimut-/elevatiepositioneerder (rotatienauwkeurigheid: ±0,1°; hoekbereik: 360° azimut, ±90° elevatie). Een breedbandige dual-ridge hoornantenne (1–12 GHz) diende als referentieantenne. S-parameter metingen werden uitgevoerd met een vectornetwerkanalyzer die gekalibreerd was met een volledige tweepoorts SOLT (short-open-load-thru) kalibratiekit. De verre verre veldversterking werd bepaald met de versterkingsoverdrachtsmethode en een standaard versterkingshoorn met bekende versterking (8,2 dBi bij 5,6 GHz). Alle metingen werden uitgevoerd onder laboratoriumomstandigheden (temperatuur: 22 ± 1 °C; relatieve luchtvochtigheid: 45 ± 5%).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Antenneontwerp en simulatie-opstelling
De gesimuleerde en gemeten S11-parameters voor de basisantenne CRLH-TL (zonder AMC-reflector) vertoonden uitstekende overeenstemming over het 3–6 GHz frequentiebereik. De antenne had een impedantiebandbreedte van –10 dB van 2,1 GHz (3,7–5,8 GHz), met een minimale S11 van –32 dB bij 5,6 GHz. De overeenkomstige VSWR lag onder de 1,5 over de gehele operationele bandbreedte. Parametrische studies toonden aan dat het verhogen van het ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Dit werk stelt een nieuwe methodologie voor om hoogversterkte, herconfigureerbare straling te bereiken in een vlakke metamateriaalantenne door de synergetische integratie van drie complementaire technologieën: via-less CRLH TL met Hilbert EBG voor verliesminimalisatie, een nulfase AMC-reflector voor versterking, en optische LDR-schakeling voor herconfiguratie die geïnspireerd is door Al Naiemy21. De aanpak elimineert op unieke wijze de fabricagecomplexiteit die ge...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hoeven geen belangenconflicten aan te geven.
De auteurs spreken hun oprechte dank uit aan het International Applied and Theoretical Research Center (IATRC), Bagdad, Irak, voor het leveren van laboratoriumfaciliteiten en technische ondersteuning. Dit onderzoek heeft geen specifieke subsidie ontvangen van financieringsinstanties in de publieke, commerciële of non-profitsector.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Substraat | Taconic | www.taconic.co.kr/rf-43 | Rogers RT/duroid 8550, εr=2.55, h=1.5 mm |
| Fotoresist | MicroChemicals | www.microchemicals.com/products/az-4562 | AZ 4562 positieve fotoresist |
| Ontwikkelaar | MicroChemicals | www.microchemicals.com/products/az-400k | AZ 400K ontwikkelaar concentraat |
| Etsmiddel | Sigma-Aldrich | 270290-1KG | Ferric chloride, 40% w/v |
| Solvent | Sigma-Aldrich | 270725-1L | Aceton, halfgeleiderkwaliteit |
| Solvent | Sigma-Aldrich | 278475-1L | Isopropylalcohol, halfgeleiderkwaliteit |
| Geleidend epoxy | CircuitWorks | www.chemtronics.com/cw2400 | CW2400 geleidend epoxy |
| LDR | Advanced Photonix | PDV-P8103 | Lichtafhankelijke weerstand, 5-10 kΩ (licht) / 1 MΩ (donker) |
| Laserdiode | Thorlabs | L635P5 | 635 nm, 5 mW, elliptische straal |
| Galvanometer | Cambridge Technology | 6215H | Optisch scanspiegelsysteem |
| VNA | Keysight | 37347A | Vector netwerkanalysator, 10 MHz-20 GHz |
| Hoorn antenne | ETS-Lindgren | 3117 | Dual-ridge hoorn, 1-12 GHz |
| Positioneerder | ORBIT/FR | AL-4163-4A | Azimuth/elevatie positioneringssysteem |
| RF kamer | ETS-Lindgren | FACT-3 | Afgeschermde behuizing, 4.5×3.0×2.5 m |
| Simulatiesoftware | Dassault Systèmes | CST Studio Suite 2023 | 3D elektromagnetische simulator |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen