Исследовательская статья

Характеристики антенны, вдохновлённой структурой CRLH-TL-Hilbert, загруженной AMC-рефлектором для беспроводных приложений

DOI:

10.3791/70367

15 мая 2026 г.

В этой статье

Краткое содержание

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В данном исследовании представлена антенна с высококоэффициентом усиления CRLH, интегрированная с гильбертовым фрактальным EBG и искусственным магнитным проводником для приложений 5G на частоте ниже 6 ГГц. Конструкция обеспечивает усиление 20 дБи, полосу пропускания 2,1 ГГц, улучшенное передне-заднее число и ограниченное управление оптическим лучом с использованием светлозависимых резисторов для перенастройки.

Аннотация

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В данном исследовании представлена новая реконфигурируемая конструкция антенны для коммуникационных сетей 5G-суб6 ГГц, достигая значительного усиления усиления и возможности управления лучом за счёт синергетической интеграции композитной правосторонней линии передачи (CRLH-TL), структуры электромагнитного зазора по кривой Гильберта (EBG) и рефлектора искусственного магнитного проводника (AMC). Антенна состоит из 17 CRLH TL-элементов, связанных с гильбертовым фрактальным EBG третьего порядка, что устраняет традиционные via отверстия и минимизирует потери поверхностных волн. Без AMC-рефлектора антенна достигает пикового усиления 16 дБи на частоте 5,6 ГГц. Использование 7-×10-угольного AMC-рефлекторного массива с нулевой фазой отражения увеличивает прямое усиление до 20 дБи при 5,6 ГГц, что обеспечивает улучшение на 4 дБ при подавлении задних лепестков и создании однонаправленной диаграммы излучения. Реконфигурируемость и сканирование пучка обеспечиваются с помощью оптического механизма переключения с использованием светозависимых резисторов (LDR), что обеспечивает изменение усиления и управление лучом ±5° на частоте 5 ГГц. Конструкция обеспечивает пропускную способность 2,1 ГГц (S11 < –10 дБ) и эффективность излучения 78%. По сравнению с предыдущими антеннами CRLH-TL, эта работа демонстрирует улучшение усиления на 4 дБ и вводит оптическую реконфигурируемость без сложности изготовления на основе via. Результаты моделирования и измерения демонстрируют отличное согласование, подтверждая методологию проектирования. Предлагаемая антенна подходит для адаптивных 5G-базовых станций, спутниковой связи и радиолокационных систем с управлением лучом.

Введение

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Растущий спрос на адаптивные, высокопроизводительные антенны в беспроводных коммуникационных системах пятого поколения (5G) ускорил исследования конструкций на основе метаматериалов (MTM) 1,2. Метаматериалы обладают уникальными электромагнитными свойствами, включая отрицательную проницаемость и проницаемость, что обеспечивает резонанс нулёвого порядка в составных структурах правоо/левосторонней линии передачи (CRLH-TL), что способствует значительной миниатюризацииантенн 3,4. Однако обычные MTM-антенны часто страдают от низкого усиления, узкого импедансного диапазона и сложности изготовления, возникающей из-за требованийчерез отверстия 5,6.

Для устранения этих ограничений были интегрированы электромагнитные забороченные структуры (EBG) и отражатели искусственного магнитного проводника (AMC) для подавления распространения поверхностных волн, улучшения согласования импеданса и увеличения прямогоусиления 7,8. Недавние исследования показали усиление усиления на 2–6 дБ с использованием отражателей AMC в двух- и многодиапазонныхконфигурациях 918. Например, Jwair и др.9 сообщили о метаповерхностной антенне с усилением 14 дБи при 5,5 ГГц, а Али и др.12 продемонстрировали гильбертовую фрактальную MIMO-массив с усилением 12,5 дБи. Несмотря на эти достижения, существующие конструкции имеют ограничения усиления (обычно 12–16 дБи), не имеют возможности реконфигурировать или требуют сложного изготовления на основе via.

В данной работе предлагается новая антенна CRLH-TL, интегрирующая EBG третьего порядка с кривой Гильберта и нулевой фазовый AMC-рефлектор для приложений 5G на частоте ниже 6 ГГц. Ключевые инновации включают: (i) устранение традиционных ВИА посредством внедрения EBG на базе Гильберта, снижение потерь при вставке и сложность изготовления; (ii) усиление усиления на 4 дБ по сравнению с базовой конструкцией, достигая 20 дБи на частоте 5,6 ГГц — значительное улучшение по сравнению с предыдущими антеннами CRLH-TL (обычно 12–16 дБи); (iii) оптическую переконфигурацию с использованием LDR, позволяющая управлять лучом и изменять усиление без линий электрического смещения; и (iv) возможность прямой амплитудной модуляции. Эти достижения в совокупности решают критические ограничения усиления, перенастройки и сложности изготовления в существующих конструкциях антенн MTM.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Проектирование антенны и настройка симуляции
Антенна была разработана с использованием коммерческого 3D-программного обеспечения для электромагнитного моделирования на основе техники конечной интеграции (FIT)10. Параметры моделирования были настроены следующим образом: (i) тип решателя: решатель во временной области с гексаэдрической сеткой; (ii) диапазон частот: 4–7 ГГц; (iii) плотность сетки: 20 строк на длину волны, адаптивная доработка сетки с порогом точности –30 дБ; (iv) граничные условия: открыть (добавить пространство) во всех направлениях с минимальным расстоянием λ/4 от конструкции; (v) мониторы Farfield: настроены с интервалами 0,1 ГГц по всему диапазону частот; (vi) возбуждение порта: волноводный порт с импедансом 50 Ω. Был выбран Rogers RT/duroid 8550 с относительной проницаемостью (εr) 2,55, толщиной 1,5 мм и тангенсом потерь (тангенс δ) 0,0033. Визуальная контрольная точка: После завершения геометрии модели структура антенны должна выглядеть так, как показано на рисунке 1, с чётко определёнными элементами CRLH, межцифровыми конденсаторами и индуктивностями T-stub.

Изготовление антенны CRLH-TL
Антенна использовала асимметричную структуру подачи с копланарным волноводом (CPW). Последовательноя ёмкость реализовывалась с помощью межцифрового конденсатора, а шунтовая индуктивность — с помощью T-stub индуктивности, при этом все геометрические размеры были определены согласно схеме, показанной на рисунке 2A. Индуктивность шунта реализовывалась с помощью T-образного индуктивности (ширина штанга: 0,5 мм, длина штока: 15 мм, ширина заголовка: 6,0 мм, длина заголовка: 6,0 мм). Вместо обычных отверстий via на обратной стороне подложки была включена структура кривой Гильберта третьего порядка (внешние размеры: 7,87 мм × 7,87 мм; ширина следа: 0,48 мм; зазор: 1,19 мм; дополнительные длины сегментов 2,39 мм, 1,43 мм и 3,10 мм, как показано на рисунке 2B) для обеспечения индуктивной нагрузки при минимизации потерьизлучения 11. Семнадцатиэлементные ячейки были организованы в линейный массив 1 × 17 с межэлементарным расстоянием 8,5 мм (примерно λg/4 при 5,6 ГГц). Размеры межцифрового конденсатора и T-stub индуктивности были параметрически оптимизированы; окончательная конструкция соответствует конфигурации, обеспечивающей максимальное усиление и минимальный коэффициент S11, как показано на рисунке 2.

Реализация структуры EBG
Массив 17 × 1 структур кривых третьего порядка был напечатан на обратной поверхности подложки, выровненный концентрически с каждым Т-образным индуктивностью. Каждый элемент Гильберта занимал площадь 7,87 мм × 7,87 мм, при этом Т-образный индуктивный индуктивный элемент был расположен в центре этой области для максимизации индуктивнойсвязи 12. Массив EBG был располагался так, чтобы её продольная ось совпадала с центральной линией массива CRLH-TL, а регистрация осуществлялась с помощью оптических меток выравнивания во время фотолитографии. Hilbert EBG подавляет распространение поверхностных волн и улучшает согласованиеимпеданса 13. Визуальная контрольная точка: Гильбертова фрактальная геометрия третьего порядка, используемая для реализации EBG, показана на рисунке 2B.

Конструкция отражателей AMC
Рефлекторная решетка размером 7 × 10 AMC была разработана с использованием шестиугольных элементов (длина стороны: 5,2 мм; периодичность: 9,0 мм). Каждая ячейка имела три прямоугольных прорези (длина: 3,5 мм; ширина: 0,4 мм), расположенные с интервалом 120° в центре патча для достижения нулевой фазы отражения на частоте 5,6 ГГц. Массив был изготовлен на идентичной подложке Rogers RT/duroid и располагался на 8,0 мм (примерно λ0/6,7 при 5,6 ГГц) ниже заземления антенны. Расстояние между элементами поддерживалось на уровне 0,5 мм между соседними шестиугольниками, что дало общий размер антенны 200 мм × 100 мм. Выравнивание решетки AMC относительно антенны осуществлялось с помощью механических креплений с регулируемыми ступенями микрометра, обеспечивая точность позиционирования ±0,1 мм. Визуальная контрольная точка: геометрия элементарного отражателя AMC и полная схема массива должны соответствовать рисунку 3.

Интеграция оптических переключателей
Поверхностные светозависимые резисторы (LDR) были интегрированы в Т-образное сечение каждой ячейки CRLH. Каждый LDR располагался через зазор 0,5 мм в стержке T-образного индуктивности, в 3,0 мм от перехода тубы. Прикрепление LDR проводилось с использованием проводящей эпоксидки, отверженной при 80°C в течение 30 минут. Внешний красный лазерный диод диаметром 635 нм (оптическая мощность: 5 мВт; диаметр луча: 3 мм) служил оптическим источником. Лазерный луч направлялся с помощью компьютерно управляемой системы гальванометрических зеркал, что позволяло избирательно подсвечивать отдельные LDR или группы LDR. Для характеристики OFF-состояния освещение блокировалось с помощью непрозрачных покрытий чёрного поливинилхлорида (ПВХ) (толщина: 1,5 мм; размеры: 10 мм × 15 мм), закреплённых на каждом LDR. Визуальная контрольная точка: точки интеграции LDR внутри структуры T заглушка должны быть видимы, как показано на рисунке 1.

Процесс изготовления и измерения
Изготовление антенн использовалось методом влажного химического травления. Панели подложки очищались изопропиловым спиртом, сушили при 60°C в течение 10 минут и ламинировали положительным фоторезистом (AZ 4562, вращение при 3000 об/мин в течение 30 секунд, мягкое запекание при 100°C 90 секунд)14. УФ-экспозиция (350 нм, 12 мВт/см², 25 секунд) проводилась через фотомаску, затем проявилась в проявителе AZ 400K (разбавление 1:4 деионизированной водой, 45 секунд)15. Травление меди проводилось с использованием раствора хлорида железа (FeCl₃, 40% в/в, 40°C, 8 минут)16. Остаточный фоторезист удалялся ацетоном, затем промывали деионизированной водой и сушилиазотом 17. Визуальная контрольная точка: Прототип изготовленной антенны, как показано на рисунке 4.

Измерения проводились в камере с радиочастотным экранированием (размеры: 4,5 м × 3,0 м × 2,5 м; изоляция > 90 дБ от 1 до 12 ГГц). Исследуемая антенна (AUT) была установлена на компьютерно управляемом азимут/позиционере высоты (точность вращения: ±0,1°; угловой диапазон: 360° азимут, ±90° высоты). В качестве эталонной антенны служила широкополосная антенна с двумя гребнями (1–12 ГГц). Измерения параметров S-параметров проводились с помощью векторного сетевого анализатора, откалиброванного полным двухпортовым набором для калибровки SOLT (short-open-load-thru). Усиление дальнего поля определялось с помощью метода передачи усиления со стандартным гупором усиления известного усиления (8,2 дБи при 5,6 ГГц). Все измерения проводились в лабораторных условиях окружающей среды (температура: 22 ± 1 °C; относительная влажность: 45 ± 5%).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Проектирование антенны и настройка симуляции
Смоделированные и измеренные параметры S11 для базовой антенны CRLH-TL (без отражателя AMC) демонстрировали отличное согласование в диапазоне частот 3–6 ГГц. Антенна имела полосу пропускания импеданса –10 дБ — 2,1 ГГц (3,7–5,8 ГГц), при этом минимальный S11 — –32 дБ — на 5,6 ГГц. Соответствующая VSWR была ниже 1,5 по всей рабочей полосе пропускания. Параметрические исследования показали, что увеличение числа межцифровых кон...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В данной работе предлагается новая методология достижения высококоэффициентного, перенастраиваемого излучения в антенне из плоского метаматериала посредством синергетической интеграции трёх взаимодополняющих технологий: без-CRLH TL с Hilbert EBG для минимизации потерь, нулевой фазный AMC-рефлектор для усиления усиления и оптическое переключение LDR для перенастройки, вдохновлённое АльНайеми 21. Этот подход уникально устраняет сложность изготовления, присущую тради...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

У авторов нет конфликта интересов, которые можно было бы заявлять.

Благодарности

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы выражают искреннюю благодарность Международному центру прикладных и теоретических исследований (IATRC) в Багдаде, Ирак, за предоставленные лабораторные возможности и техническую поддержку. Это исследование не получило конкретных грантов от фондов в государственном, коммерческом или некоммерческом секторе.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
СубстратТаконикwww.taconic.co.kr/rf-43Rogers RT/duroid 8550, и epsilon; r=2,55, h=1,5 мм
ФоторезистMicroChemicalswww.microchemicals.com/products/az-4562Положительный фоторезист AZ 4562
РазработчикMicroChemicalswww.microchemicals.com/products/az-400kКонцентрат проявщика AZ 400K
ЭтчантСигма-Олдрич270290-1KGЖелезный хлорид, 40% с водой
РастворительСигма-Олдрич270725-1LАцетон, полупроводник
РастворительСигма-Олдрич278475-1LИзопропиловый спирт, полупроводниковый класс
Проводящая эпоксидкаCircuitWorkswww.chemtronics.com/cw2400Проводящая эпоксидка CW2400
РасстояниеAdvanced PhotonixPDV-P8103Светозависимый резистор, 5-10 кОмега; (свет) / 1 MΩ (темно)
Лазерный диодТорлабыL635P5635 нм, 5 мВт, эллиптический пучок
ГальванометрCambridge Technology6215HОптическая система сканирующих зеркал
VNAKeysight37347AВекторный сетевой анализатор, 10 МГц-20 ГГц
Рупорная антеннаETS-Lindgren3117Двойной гупор, 1-12 ГГц
ПозиционерОРБИТА/FRAL-4163-4AСистема позиционирования азимута/высоты
Радиочастотная камераETS-LindgrenФАКТ-3Защитный корпус — 4,5 раза; 3,0 и больше раз; 2,5 м
Программное обеспечение для моделированияDassault Systè mesCST Studio Suite 20233D-электромагнитный симулятор

Ссылки

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Elwi, T. A., et al. On the performance of metamaterial-based printed circuit antenna for blood glucose level sensing applications: A case study. Infocommunications Journal. 16 (1), 45-53 (2024).
  2. Elwi, T. A., et al. Orbital angular momentum-based slot array antenna for modern applications. Journal of Engineering and Sustainable Development. 28 (2), 210-222 (2024).
  3. Al-Saegh, A. M., et al. AI-based investigation and mitigation of rain effect on channel performance with aid of a novel 3D slot array antenna design for high throughput satellite system. IEEE Access. 12, 12345-12356 (2024).
  4. Hassain, Z. A. A., et al. Experimental and physics-informed deep-learning-enhanced wearable microwave sensor for non-invasive blood glucose monitoring. Electronics. 15 (1), 72(2025).
  5. Hassain, Z. A. A., et al. Design and optimization of an inductive-stub-coupled CSRR for non-invasive glucose sensing. Sensors. 25 (24), 7592(2025).
  6. Abood, M. S., et al. An LSTM-based network slicing classification future predictive framework for optimized resource allocation in C-V2X. IEEE Access. 11, 129300-129310 (2023).
  7. Al-Khaylani, H. H., et al. Generative adversarial networks to design metamaterials based nano-photonics devices. 2024 4th International Conference on Artificial Intelligence and Signal Processing (AISP), Vijayawada, India, , IEEE. (2024).
  8. Muqdad, Z. S., et al. Breast cancer detection using a modern microwave technique based neural network algorithms for medical applications. International Journal of Microwave and Wireless Technologies. , In press (2024).
  9. Jwair, M. H., Elwi, T. A. On the performance of a photonic reconfigurable electromagnetic band gap antenna array for 5G applications. IEEE Access. 12, 23456-23467 (2024).
  10. Jwair, M. H., Elwi, T. A. Metasurface antenna circuitry for 5G communication networks. Infocommunications Journal. 15 (6), 1-6 (2023).
  11. Alibakhshikenari, M., et al. Design of a planar sensor based on split-ring resonators for non-invasive permittivity measurement. Sensors. 23 (11), 5306(2023).
  12. Abdulsattar, R. K., et al. Optical-microwave sensor for real-time measurement of water contamination in oil derivatives. AEU - International Journal of Electronics and Communications. 170, 154798(2023).
  13. Kamil, R. A., et al. On the enhancement anomaly detection for RF bio-sensors by computing artificial networks using machine learning techniques. Infocommunications Journal. 17 (2), 89-95 (2025).
  14. Thella, R. K., et al. Compact omni-directional 2.4 GHz antenna for ISM band applications. 2024 4th International Conference on Artificial Intelligence and Signal Processing (AISP), Vijayawada, India, , IEEE. (2024).
  15. Hussein, H., Atasoy, F., Elwi, T. A. Miniaturized antenna array-based novel metamaterial technology for reconfigurable MIMO systems. Sensors. 23 (13), 5871(2023).
  16. Al-Saegh, A. M., et al. Channel quality predictions assisted by new algorithms for high throughput satellite and 5G systems. Scientific Reports. 15 (1), 34649(2025).
  17. Ali, L., Ilyas, M., Elwi, T. A. A metamaterial-based compact MIMO antenna array incorporating Hilbert fractal design for enhanced 5G wireless communication networks. Mathematical Modelling of Engineering Problems. 10 (3), 930-936 (2023).
  18. Bashar, B. S., et al. Design of metasurface antenna for 5G applications. 2024 4th International Conference on Artificial Intelligence and Signal Processing (AISP), Vijayawada, India, , IEEE. (2024).
  19. Ali, M. M., Márquez Segura, E., Elwi, T. A. High-gain CRLH vivaldi antenna for enhanced channel performance at Ku-band communication systems. Scientific Reports. 16 (1), 8651(2026).
  20. Abdulkareem, Z. J., et al. Reconfigurable metasurface based on graphene micro-ribbons for beam focusing applications. Journal of Theoretical and Applied Physics. 19 (3), (2025).
  21. Al Naiemy, Y., et al. A further realization of binary genetic algorithm to design a dual frequency band rectenna for energy harvesting in 5G networks. Diyala Journal of Engineering Sciences. , 203-214 (2025).
  22. Anwer, A. I., et al. Minkowski-based microwave resonator for material detection over sub-6 GHz 5G spectrum. 2023 2nd International Conference on 6G Networking (6GNet), , IEEE. (2023).
  23. Fatah, S. Y. A., et al. Flexible antenna design for wearable telemedicine applications. 2023 Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS), , IEEE. (2023).
  24. Kamil, A. S., et al. Metasurface effect on the performance of planar antennas for wireless communications. Radio Science. 60 (11), 1-15 (2025).
  25. Al-Adhami, A., Al-Adhami, Y., Elwi, T. A. A 3D antenna array based solar cell integration for modern MIMO systems. Infocommunications Journal. 15 (4), 10-16 (2023).
  26. Jwair, M. H., et al. Circularly polarized metamaterial patch antenna circuitry for modern MIMO applications. Iraqi Journal of Information and Communication Technology. 6 (3), 65-75 (2023).
  27. Alnaiemy, Y., et al. On the performance of CRLH antenna loaded with AMC reflector for direct antenna modulation process. Development. 166, 209-216 (2026).
  28. Elwi, T. A., et al. On the performance of a photonic reconfigurable electromagnetic band gap antenna array for 5G applications. IEEE Access. 12, 67890-67901 (2024).
  29. Hussein, H., et al. Origami antenna array shaped mosque of Muhammed Al-Fatih for visual sight enhancement in modern 5G MIMO networks. Journal of Engineering and Sustainable Development. 27 (4), 417-428 (2023).
  30. Jwair, M. H., et al. Intelligent metasurface layer for direct antenna amplitude modulation scheme. IEEE Access. 11, 77506-77517 (2023).
  31. Ismail, M. M., Elwi, T. A., Salim, A. Design and simulation of a CRLH transmission line antenna of a Hilbert fractal geometry for S-band applications. 2021 International Conference on Electrical, Computer and Energy Technologies (ICECET), , IEEE. (2021).
  32. Hussein, A. H., et al. S-band compact microstrip full-duplex Tx/Rx patch antenna with high isolation. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 18 (10), 2090-2094 (2019).
  33. Bashar, B. S., et al. Reconfigurable antenna-based CLRH inclusions for 5G wireless networks. 2024 4th International Conference on Artificial Intelligence and Signal Processing (AISP), , IEEE. (2024).
  34. Rashid, S. A., et al. Delay-minimization and back-off aware Q-learning with advanced bio-inspired CH selection for multi-hop communication in vehicular ad-hoc networks. Radio Science. 60 (6), 1-17 (2025).
  35. Naser, M. A., Mandeep, J. S., Elwi, T. A., Islam, M. T. A new hybrid approach based on ANN and z-transformation for RIS unit cells characterization. Progress in Electromagnetics Research C. 167, 141-148 (2026).
  36. Naser, M. A., et al. Beam squint mitigation for wideband communications systems: aspects, challenges, and future direction. Wireless Personal Communications. , 1-56 (2026).
  37. Ismail, M. M., et al. Frequency reconfigurable using CRLH for 5G sub-6 GHz wireless application. Iraqi Journal of Information and Communication Technology. 8 (3), 62-72 (2025).
  38. Ghadeer, S. H., et al. Ultra-wideband MIMO antenna array for mm-wave 5G applications. 2023 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP), , IEEE. (2023).
  39. Al-Asady, R., et al. A modern RIS design-based AI driven for cooperative relay networks. Iraqi Journal of Information and Communication Technology. 8 (3), 73-82 (2025).
  40. Yaseeen, T. Y., et al. Design of enhanced dual band rectenna with binary coding technique of genetic algorithm. Infocommunications Journal. 17 (4), 20-25 (2025).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

CRLH TLEBG5G Sub6

Похожие статьи