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 frequentemente sofrem com baixo ganho, largura de banda de impedância estreita e complexidade de fabricação decorrente dos requisitos de via^{hole 5,6}.

Para resolver essas limitações, estruturas de banda banda eletromagnética (EBG) e refletores de condutor magnético artificial (AMC) foram integrados para suprimir a propagação de onda superficial, melhorar o ajuste de impedância e aumentar o ganho direto ^7,8. Estudos recentes demonstraram um aumento de ganho de 2–6 dB usando refletores AMC em configurações de dupla e multibanda⁹⁻¹⁸. Por exemplo, Jwair et ^al.9 relataram uma antena metasurface alcançando ganho de 14 dBi a 5,5 GHz, enquanto Ali et ^al.12 demonstraram um array fractal MIMO de Hilbert com ganho de 12,5 dBi. Apesar desses avanços, os projetos existentes apresentam limitações de ganho (tipicamente 12–16 dBi), carecem de reconfigurabilidade ou exigem fabricação complexa baseada em via.

Este trabalho propõe uma nova antena CRLH-TL integrando um EBG de curva de Hilbert de terceira ordem e um refletor AMC de fase zero para aplicações 5G abaixo de 6 GHz. As principais inovações incluem: (i) eliminação de vias convencionais via incorporação de EBG baseado em Hilbert, redução da perda de inserção e da complexidade de fabricação; (ii) aumento de ganho de 4 dB em relação ao projeto base, alcançando 20 dBi a 5,6 GHz — uma melhoria significativa em relação às antenas CRLH-TL anteriores (tipicamente 12–16 dBi); (iii) reconfiguração óptica usando LDRs, permitindo direcionamento do feixe e variação de ganho sem linhas de polarização elétrica; e (iv) capacidade direta de modulação de amplitude. Esses avanços abordam coletivamente as limitações críticas de ganho, reconfigurabilidade e complexidade de fabricação nos projetos existentes de antenas MTM.

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 da estrutura; (v) monitores de campo distante: configurados em intervalos de 0,1 GHz em toda a faixa de frequência; (vi) Excitação da porta: porta da guia de onda com impedância de 50 Ω. Um Rogers RT/duroid 8550 foi selecionado com permissividade relativa (εr) de 2,55, espessura de 1,5 mm e tangente de perda (δ tan) de 0,0033. Ponto de verificação visual: Após a conclusão da geometria do modelo, a estrutura da antena deve aparecer conforme mostrado na Figura 1, com células unitárias CRLH claramente definidas, capacitores interdigitais e indutores em T-stub.

Fabricação de antenas CRLH-TL
A antena utilizava uma estrutura assimétrica de guia de onda coplanar (CPW). A capacitância em série foi realizada usando um capacitor interdigital, e a indutância por derivação foi implementada usando um indutor em T-stub, com todas as dimensões geométricas definidas de acordo com o layout mostrado na Figura 2A. A indutância do shunt foi implementada por meio de um indutor em T (largura do caule: 0,5 mm, comprimento do avanço: 15 mm, largura do stub: 6,0 mm, comprimento do stub: 6,0 mm). Em vez dos furos de via convencionais, uma estrutura de curva de Hilbert de terceira ordem (dimensões externas: 7,87 mm × 7,87 mm; largura do traço: 0,48 mm; folga: 1,19 mm; comprimentos adicionais de segmentos de 2,39 mm, 1,43 mm e 3,10 mm, como mostrado na Figura 2B) foi incorporada no lado reverso do substrato para fornecer carga indutiva e minimizar as perdas por^{radiação 11}. Células de dezessete unidades foram organizadas em uma matriz linear de 1 × 17 com espaçamento entre células de 8,5 mm (aproximadamente λg/4 a 5,6 GHz). As dimensões do capacitor interdigital e do indutor em forma de T foram otimizadas parametricamente; o projeto final corresponde à configuração que gera ganho máximo e S11 mínimo, conforme mostrado na Figura 2.

Implementação da estrutura EBG
Um arranjo de 17 × 1 de estruturas de curva de Hilbert de terceira ordem foi impresso na superfície posterior do substrato, alinhado concêntricamente com cada indutor de T-stub. Cada elemento Hilbert ocupava uma área de 7,87 mm × 7,87 mm, com o indutor em T posicionado centralmente nessa área para maximizar o acoplamento^{indutivo 12}. A matriz EBG foi posicionada de modo que seu eixo longitudinal coincidisse com a linha central da matriz CRLH-TL, com registro obtido usando marcas de alinhamento óptico durante a fotolitografia. O EBG de Hilbert suprime a propagação de ondas superficiais e melhora o ajuste de^{impedância 13}. Checkpoint visual: A geometria fractal de Hilbert de terceira ordem usada para implementação do EBG é mostrada na Figura 2B.

Projeto do refletor AMC
Um conjunto de refletores AMC 7 × 10 foi projetado usando células unitárias hexagonais (comprimento lateral: 5,2 mm; periodicidade: 9,0 mm). Cada célula unitária possuía três slots retangulares (comprimento: 3,5 mm; largura: 0,4 mm) dispostos em intervalos de 120° no centro do patch para alcançar fase de reflexão zero a 5,6 GHz. O arranjo foi fabricado sobre um substrato idêntico Rogers RT/duroid e posicionado 8,0 mm (aproximadamente λ0/6,7 a 5,6 GHz) abaixo do plano de terra da antena. O espaçamento entre elementos era mantido em 0,5 mm entre hexágonos adjacentes, resultando em uma área total de 200 mm × 100 mm. O alinhamento do conjunto AMC em relação à antena era alcançado usando fixação mecânica com estágios ajustáveis por micrometria, garantindo precisão posicional de ±0,1 mm. Checkpoint visual: A geometria da célula unitária do refletor AMC e o layout completo do array devem corresponder à Figura 3.

Integração com chaves ópticas
Resistores dependentes da luz (LDRs) de montagem superficial foram integrados à seção T de cada célula unitária CRLH. Cada LDR foi posicionado sobre uma folga de 0,5 mm no haste do indutor em T, a 3,0 mm da junção do stub. A fixação à distância foi realizada usando epóxi condutor curado a 80°C por 30 minutos. Um diodo laser vermelho externo de 635 nm (potência óptica: 5 mW; diâmetro do feixe: 3 mm) servia como fonte óptica. O feixe de laser era direcionado por meio de um sistema de espelho galvanômetro controlado por computador, permitindo a iluminação seletiva de LDRs individuais ou grupos de LDRs. Para caracterização em estado OFF, a iluminação foi bloqueada usando coberturas opacas de policloreto de vinilo preto (PVC) (espessura: 1,5 mm; dimensões: 10 mm × 15 mm) fixadas sobre cada LDR. Checkpoint visual: Os pontos de integração à distância dentro da estrutura do T stub devem ser visíveis, como mostrado na Figura 1.

Processo de fabricação e medição
A fabricação de antenas utilizava um processo de gravação química úmida. Os painéis do substrato foram limpos com álcool isopropílico, secos a 60°C por 10 minutos e laminados com fotorresist positivo (AZ 4562, revestido por centrifugação a 3000 rpm por 30 segundos, assado suavemente a 100°C por 90 segundos)¹⁴. A exposição UV (350 nm, 12 mW/^{cm 2}, 25 segundos) foi realizada por meio de uma fotomáscara, seguida pelo revelador em AZ 400K (diluição 1:4 com água desionizada, 45 segundos)¹⁵. A gravação em cobre foi realizada usando solução de cloreto férrico (FeCl₃, 40% v/v, 40°C, 8 minutos⁾¹⁶. O fotorresist residual foi removido com acetona, seguido por enxágue com água desionizada e secagem de^{nitrogênio 17}. Checkpoint visual: O protótipo de antena fabricado conforme mostrado na Figura 4.

As medições foram realizadas dentro de uma câmara blindada por RF (dimensões: 4,5 m × 3,0 m × 2,5 m; isolamento > 90 dB de 1–12 GHz). A antena em teste (AUT) foi montada em um posicionador de azimute/elevação controlado por computador (precisão rotacional: ±0,1°; alcance angular: 360° azimute, ±elevação 90°). Uma antena de chifre de alta banda com duas cristas (1–12 GHz) servia como antena de referência. As medições dos parâmetros S foram realizadas usando um analisador de rede vetorial calibrado com um kit completo de calibração SOLT (short-open-load-thru) de duas portas. O ganho em campo distante foi determinado usando o método de transferência de ganho com um chifre de ganho padrão de ganho conhecido (8,2 dBi a 5,6 GHz). Todas as medições foram realizadas em condições ambientais de laboratório (temperatura: 22 ± 1 °C; umidade relativa: 45 ± 5%).

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