Wydajność anteny inspirowanej strukturą CRLH-TL-Hilbert wyposażonej w reflektory AMC do zastosowań bezprzewodowych

Podsumowanie

Badanie przedstawia antenę linii transmisyjnej o wysokim zysku CRLH, zintegrowaną z frektalnym EBG Hilberta oraz reflektorem z przewodnikiem magnetycznym do zastosowań 5G poniżej 6 GHz. Projekt ten zapewnia wzmocnienie 20 dBi, szerokość pasma 2,1 GHz, poprawiony stosunek przód-tył oraz ograniczone sterowanie wiązką optyczną dzięki rezystorom zależnym od światła dla możliwości rekonfiguracji.

Streszczenie

Niniejsze badanie przedstawia nowatorski projekt rekonfigurowalnej anteny dla sieci komunikacyjnych 5G-sub6 GHz, osiągający znaczące wzmocnienie zysku i zdolność sterowania wiązką dzięki synergicznej integracji kompozytowej linii transmisyjnej prawo/lewej (CRLH-TL), struktury elektromagnetycznej szczeliny pasmowej Hilberta (EBG) oraz reflektora z przewodnikiem magnetycznym (AMC). Antena składa się z 17 komórek jednostkowych CRLH TL sprzężonych z fraktalnym EBG trzeciego rzędu Hilberta, eliminując konwencjonalne otwory przez i minimalizując straty fal powierzchniowych. Bez reflektora AMC antena osiąga szczytowe wzmocnienie 16 dBi przy 5,6 GHz. Zastosowanie 7 × 10 sześciokątnej matrycy reflektorów AMC o zerowej fazie odbicia zwiększa wzmocnienie do przodu do 20 dBi przy 5,6 GHz, co oznacza poprawę o 4 dB, jednocześnie tłumiąc płaty tylne i generując jednokierunkowy wzór promieniowania. Rekonfiguracja i skanowanie wiązki są możliwe dzięki optycznemu mechanizmowi przełączającemu wykorzystującemu rezystory zależne od światła (LDR), co pozwala na zmienność wzmocnienia i kierowanie wiązką o ±5° na częstotliwości 5 GHz. Projekt osiąga pasmo impedancji 2,1 GHz (S11 <–10 dB) oraz 78% efektywności promieniowania. W porównaniu z wcześniejszymi antenami CRLH-TL, ta praca wykazuje poprawę wzmocnienia o 4 dB i wprowadza możliwość rekonfiguracji optycznej bez konieczności złożoności produkcji opartej na via (via). Wyniki symulacji i pomiarów wykazują doskonałą zgodność, potwierdzając metodologię projektowania. Proponowana antena nadaje się do adaptacyjnych stacji bazowych 5G, komunikacji satelitarnej oraz systemów radarowych sterowanych wiązką.

Wprowadzenie

Rosnące zapotrzebowanie na adaptacyjne, wysokowydajne anteny w bezprzewodowych systemach komunikacji piątej generacji (5G) przyspieszyło badania nad projektami opartymi na metamateriałach (MTM) ^1,2. Metamateriały oferują unikalne właściwości elektromagnetyczne, w tym ujemną przenikliwość i przenikalność, które umożliwiają rezonans zerowego rzędu w strukturach kompozytowych linii transmisyjnych po prawej/lewej stronie (CRLH-TL), umożliwiając znaczącą miniaturyzację anten ^3,4. Jednak konwencjonalne anteny MTM często cierpią na niskie wzmocnienie, wąską impedancję oraz złożoność produkcji wynikającą z wymagań przejściowych ^5,6.

Aby rozwiązać te ograniczenia, zintegrowano struktury z elektromagnetyczną przerwą energetyczną (EBG) oraz reflektory z przewodnikiem magnetycznym (AMC), które tłumią propagację fal powierzchniowych, poprawiają dopasowanie impedancji oraz zwiększają wzmocnienie w kierunku przodu ^7,8. Najnowsze badania wykazały wzrost wzmocnienia o 2–6 dB przy użyciu reflektorów AMC w konfiguracjach dwupasmowych i wielopasmowych⁹⁻¹⁸. Na przykład Jwair i ^in.9 opisali antenę metasurface osiągającą wzmocnienie 14 dBi przy 5,5 GHz, podczas gdy Ali i ^in.12 zaprezentowali fraktalną matrycę MIMO Hilberta z wzmocnieniem 12,5 dBi. Pomimo tych postępów, istniejące konstrukcje wykazują ograniczenia wzmocnienia (zazwyczaj 12–16 dBi), brakuje ich możliwości rekonfiguracji lub wymagają złożonej produkcji opartej na via.

W niniejszej pracy proponowano nowatorską antenę CRLH-TL integrującą trzeciorzędowy EBG Hilberta oraz reflektor AMC o zerowej fazie dla zastosowań 5G poniżej 6 GHz. Kluczowe innowacje obejmują: (i) eliminację konwencjonalnych vis dzięki włączeniu EBG opartej na Hilbert, redukcję strat przy wkładaniu i złożoności produkcji; (ii) wzrost wzmocnienia o 4 dB względem bazowego projektu, osiągający 20 dBi przy 5,6 GHz — znacząca poprawa w porównaniu z wcześniejszymi antenami CRLH-TL (zazwyczaj 12–16 dBi); (iii) rekonfigurację optyczną z wykorzystaniem LDR, umożliwiającą kierowanie wiązką i zmianę wzmocnienia bez linii polaryzacji elektrycznej; oraz (iv) zdolność do bezpośredniej modulacji amplitudy. Te postępy łącznie odpowiadają na kluczowe ograniczenia wzmocnienia, rekonfigurowalności i złożoności produkcji w istniejących projektach anten MTM.

Protokół

Projekt anteny i konfiguracja symulacji
Antena została zaprojektowana przy użyciu komercyjnego oprogramowania do symulacji elektromagnetycznej 3D opartego na technice skończonej integracji (FIT)¹⁰. Parametry symulacji zostały skonfigurowane następująco: (i) typ solvera: solver w dziedzinie czasu z siatką heksaedralną; (ii) zakres częstotliwości: 4–7 GHz; (iii) gęstość siatki: 20 linii na długość fali, adaptacyjne dopracowywanie siatki z progiem dokładności –30 dB; (iv) warunki brzegowe: otwarte (dodaj przestrzeń) we wszystkich kierunkach z minimalną odległością λ/4 od struktury; (v) monitory Farfield: skonfigurowane w odstępach 0,1 GHz w całym zakresie częstotliwości; (vi) wzbudzenie portu: port falowodowe o impedancji 50 Ω. Wybrano Rogers RT/duroid 8550 o względnej przenikalności (εr) 2,55, grubości 1,5 mm oraz straty stycznej (tangens δ) 0,0033. Punkt kontrolny wizualny: Po ukończeniu geometrii modelu struktura anteny powinna wyglądać zgodnie z rysunkiem 1, z wyraźnie zdefiniowanymi komórkami jednostkowymi CRLH, kondensatorami międzycyfrowymi i cewkami T-stub.

Produkcja anten CRLH-TL
Antena wykorzystywała asymetryczną strukturę zasilania falowodowodu koplanarnego (CPW). Pojemność szeregowa została zrealizowana za pomocą kondensatora międzycyfrowego, a indukcyjność zastawkowa została zrealizowana za pomocą induktora T-stub, z wszystkimi wymiarami geometrycznymi zdefiniowanymi zgodnie z układem pokazanym na Rysunku 2A. Indukcyjność zastawkowa była realizowana za pomocą induktora typu T-stub (szerokość trzonka: 0,5 mm, długość trzonka: 15 mm, szerokość stubu: 6,0 mm, długość stupu: 6,0 mm). Zamiast konwencjonalnych otworów przez podłoże, po odwrocie podłoża zastosowano strukturę krzywej Hilberta trzeciego rzędu (wymiary zewnętrzne: 7,87 mm × 7,87 mm; szerokość śladu: 0,48 mm; szczelina: 1,19 mm; dodatkowe długości segmentów 2,39 mm, 1,43 mm i 3,10 mm, jak pokazano na Rysunku 2B), aby zapewnić obciążenie indukcyjne przy jednoczesnym minimalizowaniu strat promieniowania¹¹. Siedemnaście jednostek ogniw zostało ułożonych w liniową matrycę 1× 17 z odstępami między komórkami 8,5 mm (około λg/4 przy 5,6 GHz). Wymiary kondensatora międzycyfrowego i cewki T-stub zostały zoptymalizowane parametrycznie; ostateczny projekt odpowiada konfiguracji dającej maksymalne wzmocnienie i minimalne S11, jak pokazano na Rysunku 2.

Implementacja struktury EBG
Na tylnej powierzchni podłoża wydrukowano tablicę 17 × 1 struktur krzywych Hilberta trzeciego rzędu, wyrównaną koncentrycznie z każdym induktorem T-stub. Każdy element Hilberta zajmował powierzchnię 7,87 mm × 7,87 mm, a cewka T-stub umieszczona była centralnie w tym obszarze, aby zmaksymalizować sprzężenie^{indukcyjne 12}. Tablica EBG została ustawiona tak, aby jej oś podłużna pokrywała się z osią środkową układu CRLH-TL, a rejestracja była osiągana za pomocą optycznych znaków wyrównania podczas fotolitografii. Hilbert EBG tłumi propagację fal powierzchniowych i poprawia dopasowanie impedancji¹³. Punkt kontrolny wizualny: Geometria fraktalna trzeciego rzędu Hilberta użyta do implementacji EBG pokazana jest na rysunku 2B.

Konstrukcja reflektora AMC
Zaprojektowano matrycę reflektorową 7 × 10 AMC z użyciem sześciokątnych ogniw jednostkowych (długość boku: 5,2 mm; okresowość: 9,0 mm). Każda komórka jednostkowa miała trzy prostokątne szczeliny (długość: 3,5 mm; szerokość: 0,4 mm) ułożone co 120° na środku patcha, aby osiągnąć zerową fazę odbicia przy 5,6 GHz. Matryca została wykonana na identycznym podłożu Rogers RT/duroid i umieszczona 8,0 mm (około λ0/6,7 przy 5,6 GHz) poniżej płaszczyzny uziemienia anteny. Odstępy między sąsiadującymi sześciokątami były utrzymywane na poziomie 0,5 mm, co dało całkowity wymiar układu 200 mm × 100 mm. Ustawienie układu AMC względem anteny osiągano za pomocą mechanicznego mocowania za pomocą mikrometrowych stopień, co zapewniło dokładność pozycyjną ±0,1 mm. Punkt kontrolny wizualny: Geometria komórki jednostkowej reflektora AMC oraz pełny układ matrycy powinny odpowiadać rysunkowi 3.

Integracja przełączników optycznych
Powierzchniowe rezystory zależne od światła (LDR) zostały zintegrowane w przekroju T każdej komórki jednostkowej CRLH. Każdy LDR był umieszczony na szczelinie 0,5 mm w trzonku cewki T-stub, 3,0 mm od złącza stub. Przyczepienie LDR wykonano za pomocą przewodzącej epoksydu utwardzanego w temperaturze 80°C przez 30 minut. Zewnętrzna czerwona dioda laserowa o średnicy 635 nm (moc optyczna: 5 mW; średnica wiązki: 3 mm) służyła jako źródło optyczne. Promień lasera był kierowany za pomocą komputerowo sterowanego systemu lustra galwanometru, co umożliwiało selektywne oświetlenie poszczególnych LDR-ów lub grup LDR-ów. Do charakterystyki OFF-state oświetlenie blokowano za pomocą nieprzezroczystych czarnych osłon z polichlorku winylu (PVC) (grubość: 1,5 mm; wymiary: 10 mm × 15 mm) przymocowanych na każdą odległość na odległość. Punkt kontrolny wizualny: Punkty integracji LDR w strukturze T stub powinny być widoczne, jak pokazano na Rysunku 1.

Proces wytwarzania i pomiarów
Produkcja anten wykorzystywała mokry proces trawienia chemicznego. Panele podłoża były czyszczone alkoholem izopropylowym, suszone w 60°C przez 10 minut i laminowane dodatnim fotorezystantem (AZ 4562, powlekane spin-coated przy 3000 obr./min przez 30 sekund, miękko wypiekane w 100°C przez 90 sekund)¹⁴. Ekspozycja UV (350 nm, 12 mW/cm², 25 sekund) była wykonywana za pomocą fotomaski, a następnie wywoływano w wywoływaczu AZ 400K (rozcieńczenie 1:4 z wodą dejonizowaną, 45 sekund)¹⁵. Trawienie miedzi przeprowadzono przy użyciu roztworu chlorku żelaza (FeCl₃, 40% objętości, 40°C, 8 minut)¹⁶. Pozostałości fotooporu usunięto acetonem, po czym przepłukano wodą dejonizowaną i suszeniem azotem¹⁷. Punkt kontrolny wizualny: Prototyp anteny wykonanej na Rysunku 4.

Pomiary przeprowadzono wewnątrz komory ekranowanej RF (wymiary: 4,5 m × 3,0 m × 2,5 m; izolacja > 90 dB od 1 do 12 GHz). Antena testowana (AUT) była zamontowana na komputerowo sterowanym pozycjonatorze azymutu/elewacji (dokładność obrotu: ±0,1°; zasięg kątowy: 360° azymut, ±90° elewacji). Szerokopasmowa antena dwugrzbietowa (1–12 GHz) służyła jako antena referencyjna. Pomiary parametrów S wykonywano za pomocą analizatora sieci wektorowej skalibrowanego z pełnym dwuportowym zestawem kalibracyjnym SOLT (short-open-load-thru). Wzmocnienie w polu dalekim określano metodą wzmocnienia-transferu ze standardowym sygnałem wzmocnienia o znanym wzmocnieniu (8,2 dBi przy 5,6 GHz). Wszystkie pomiary przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych (temperatura: 22 ± 1 °C; wilgotność względna: 45 ± 5%).

Wyniki

Projekt anteny i konfiguracja symulacji
Symulowane i zmierzone parametry S11 dla bazowej anteny CRLH-TL (bez reflektora AMC) wykazały doskonałą zgodność w zakresie częstotliwości 3–6 GHz. Antena wykazywała impedancję –10 dB o szerokości pasma 2,1 GHz (3,7–5,8 GHz), przy minimalnym S11 –32 dB przy 5,6 GHz. Odpowiadający VSWR wynosił poniżej 1,5 na całej przepustowości operacyjnej. Badania parametryczne wykazały, że zwiększenie liczby palców kondensatora międzycyfrowego z jednego do pięciu stopniowo p...

Dyskusja

Praca ta proponuje nowatorską metodologię osiągania wysokiego zysku, rekonfigurowalnego promieniowania w płaskiej antenze metamaterialnej poprzez synergiczną integrację trzech komplementarnych technologii: CRLH TL bez via z Hilbert EBG do minimalizacji strat, reflektora AMC zerowego do wzmocnienia oraz optycznego przełączania LDR do rekonfiguracji, inspirowanego Al Naiemy²¹. Podejście to unikalnie eliminuje złożoność produkcji związaną z konwencjonalnymi implementacjami CRLH-TL opartymi na via ora...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Podłoże	Taconic	www.taconic.co.kr/rf-43	Rogers RT/duroid 8550 i epsilon; r=2,55, h=1,5 mm
Fotorezystyk	Mikrochemikalia	www.microchemicals.com/products/az-4562	Dodatnia fotorezystor AZ 4562
Twórca	Mikrochemikalia	www.microchemicals.com/products/az-400k	Koncentrat wywoływaczy AZ 400K
Trawienie	Sigma-Aldrich	270290-1KG	Chlorek żelaza, 40% objętości i wartości
Rozpuszczalnik	Sigma-Aldrich	270725-1L	Aceton, klasy półprzewodnikowej
Rozpuszczalnik	Sigma-Aldrich	278475-1L	Alkohol izopropylowy, klasy półprzewodnikowej
Przewodząca epoksydowa	CircuitWorks	www.chemtronics.com/cw2400	Epoksyd przewodzący CW2400
LDR	Advanced Photonix	PDV-P8103	Rezystor zależny od światła, 5-10 kΩ (światło) / 1 MΩ (ciemno)
Dioda laserowa	Thorlabs	L635P5	635 nm, 5 mW, wiązka eliptyczna
Galwanometr	Cambridge Technology	6215H	System optycznego lustra skanującego
VNA	Keysight	37347A	Analizator sieci wektorowych, 10 MHz-20 GHz
Antena rogowa	ETS-Lindgren	3117	Dwukalnikowy róg skalenicowy, 1-12 GHz
Pozycjoner	ORBIT/FR	AL-4163-4A	System pozycjonowania azymutu/elewacji
Komora RF	ETS-Lindgren	FAKT-3	Osłonięta obudowa, 4,5&; 3,0 razy; 2,5 m
Oprogramowanie symulacyjne	Dassault Systè MES	CST Studio Suite 2023	3D symulator elektromagnetyczny