Desempenho da Antena Inspirada na Estrutura CRLH-TL-Hilbert Carregada com Refletor AMC para Aplicações Sem Fio

Resumo

Este estudo apresenta uma antena de linha de transmissão CRLH de alto ganho integrada com um EBG fractal de Hilbert e um refletor magnético condutor artificial para aplicações em 5G abaixo de 6 GHz. O projeto alcança ganho de 20 dBI, largura de banda de 2,1 GHz, melhor relação frontal-traseira e direcionamento óptico limitado do feixe usando resistores dependentes da luz para reconfigurabilidade.

Resumo

Este estudo apresenta um novo projeto de antena reconfigurável para redes de comunicação 5G-sub6 GHz, alcançando aumento significativo de ganho e capacidade de direcionamento de feixe por meio da integração sinérgica de uma linha de transmissão composta direita/esquerda (CRLH-TL), uma estrutura de banda banda eletromagnética (EBG) em curva de Hilbert e um refletor condutor magnético artificial (AMC). A antena é composta por 17 células unitárias TL CRLH acopladas a um EBG fractal de Hilbert de terceira ordem, eliminando buracos convencionais de via e minimizando as perdas nas ondas superficiais. Sem o refletor AMC, a antena alcança um ganho máximo de 16 dBi em 5,6 GHz. A incorporação de um array de refletores AMC hexagonais 7 × 10 exibindo fase de reflexão zero aumenta o ganho direto para 20 dBi a 5,6 GHz, representando uma melhoria de 4 dB enquanto suprime os lóbulos traseiros e produz um padrão de radiação unidirecional. Reconfigurabilidade e varredura de feixe são viabilizadas por meio de um mecanismo óptico de comutação que utiliza resistores dependentes da luz (LDRs), alcançando variação de ganho e direção de feixe de ±5° a 5 GHz. O projeto alcança uma largura de banda de impedância de 2,1 GHz (S11 < –10 dB) e 78% de eficiência de radiação. Comparado às antenas CRLH-TL anteriores, este trabalho demonstra uma melhoria de ganho de 4 dB e introduz reconfigurabilidade óptica sem complexidade de fabricação baseada em via. Os resultados da simulação e da medição apresentam excelente concordância, validando a metodologia de projeto. A antena proposta é adequada para estações base adaptativas 5G, comunicações via satélite e sistemas de radar direcionados por feixe.

Introdução

A crescente demanda por antenas adaptativas e de alto desempenho em sistemas de comunicação sem fio de quinta geração (5G) acelerou a pesquisa em projetos baseados em metamateriais (MTM^{) 1,2}. Metamateriais oferecem propriedades eletromagnéticas únicas, incluindo permissividade negativa e permeabilidade, que possibilitam ressonância de ordem zero em estruturas compostas de linha de transmissão direita/esquerda (CRLH-TL), facilitando uma miniaturização significativa da^{antena 3,4}. No entanto, antenas MTM convencionais fre....

Protocolo

Projeto de antena e configuração de simulação
A antena foi projetada usando software comercial de simulação eletromagnética 3D baseado na técnica de integração finita (FIT⁾¹⁰. Os parâmetros da simulação foram configurados da seguinte forma: (i) tipo de solucionador: solucionador no domínio do tempo com malha hexaédrica; (ii) faixa de frequência: 4–7 GHz; (iii) densidade da malha: 20 linhas por comprimento de onda, refinamento adaptativo da malha habilitado com limiar de precisão de –30 dB; (iv) condições de contorno: abrir (adicionar espaço) em todas as direções com distância mínima de λ/4 d....

Resultados

Projeto de antena e configuração de simulação
Os parâmetros S11 simulados e medidos para a antena CRLH-TL de base (sem refletor AMC) demonstraram excelente concordância na faixa de frequência de 3–6 GHz. A antena apresentava uma largura de banda de impedância de –10 dB de 2,1 GHz (3,7–5,8 GHz), com o mínimo de S11 de –32 dB ocorrendo a 5,6 GHz. O VSWR correspondente estava abaixo de 1,5 em toda a largura de banda operacional. Estudos paramétricos revelaram que aumenta.......

Discussão

Este trabalho propõe uma metodologia inovadora para alcançar radiação reconfigurável e de alto ganho em uma antena de metamaterial planar por meio da integração sinérgica de três tecnologias complementares: TL CRLH sem via com Hilbert EBG para minimização de perdas, um refletor AMC de fase zero para aprimoramento de ganho, e comutação óptica de LDR para reconfiguração inspirada em Al Naiemy²¹. A abordagem elimina de forma única a complexidade de fabricação associa.......

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Substrato	Taconic	www.taconic.co.kr/rf-43	Rogers RT/duroid 8550, ε r=2,55, h=1,5 mm
Fotorresiste	Microquímicos	www.microchemicals.com/products/az-4562	AZ 4562 fotorresiste positivo
Desenvolvedor	Microquímicos	www.microchemicals.com/products/az-400k	Concentrado de desenvolvedor AZ 400K
Gravador	Sigma-Aldrich	270290-1KG	Cloreto férrico, 40% em termos de peso
Solvente	Sigma-Aldrich	270725-1L	Acetona, grau semicondutor
Solvente	Sigma-Aldrich	278475-1L	Álcool isopropílico, grau semicondutor
Epóxi condutor	CircuitWorks	www.chemtronics.com/cw2400	Epóxi condutor CW2400
LDR	Fotônix Avançado	PDV-P8103	Resistor dependente da luz, 5-10 kΩ (luz) / 1 MΩ (escuro)
Diodo laser	Thorlabs	L635P5	635 nm, 5 mW, feixe elíptico
Galvanômetro	Tecnologia de Cambridge	6215H	Sistema de espelho óptico de varredura
VNA	Keysight	37347A	Analisador de rede vetorial, 10 MHz-20 GHz
Antena de corneta	ETS-Lindgren	3117	Trompa de cumela dupla, 1-12 GHz
Posicionador	ÓRBITA/FR	AL-4163-4A	Sistema de posicionamento de azimute/elevação
Câmara RF	ETS-Lindgren	FATO-3	Recinto blindado, 4,5 e vezes; 3.0 e vezes; 2,5 m
Software de simulação	Dassault Systè mes	CST Studio Suite 2023	Simulador eletromagnético 3D