Simulación EM de un conjunto de antenas de 140 GHz para comunicaciones inalámbricas 6G
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Introducción
Este ejemplo demuestra el rendimiento de un conjunto de antenas para fines de comunicación inalámbrica a 140 GHz, como por ejemplo para su uso en una aplicación 6G. El diseño del elemento base consiste en un subarray de antena de ranura 2x2 excitada por cavidad integrada en sustrato (SIC) de 340 modos TE en cerámica cocida a baja temperatura (LTCC). Los elementos base se combinan para formar un conjunto de 8x8 con un amplio ancho de banda de 130 a 145 GHz, una ganancia de pico de 20,5 dBi, patrones de radiación estables en todo el rango de frecuencias, eficiencia en torno al 60%, tamaño reducido y construcción simplificada. Las simulaciones se realizan en el software de simulación EM XFdtd y se basan en el diseño original de la antena presentado en (1).
Diseño y simulación de dispositivos
El conjunto de antenas se compone de 8x8 elementos conectados por dos tipos de divisores de potencia integrados en sustrato de unión en H. Cada elemento individual (mostrado en la Figura 1) tiene cuatro capas metálicas separadas por capas de sustrato LTCC de Ferro A6M con constante dieléctrica 5,9 y tangente de pérdida 0,002. La capa superior tiene dos cavidades integradas en el sustrato (SIC) en modo TE 210 que están definidas por vías visibles en la capa metálica superior en la figura 1 y en la figura 2. La figura 2 también muestra la segunda capa metálica con cuatro ranuras radiantes. La capa metálica 3 se muestra en la figura 3 con las vías que definen el SIC alimentando las cuatro ranuras de la figura 2 junto con dos postes de correspondencia en el centro de la cavidad. En el centro de la capa metálica 3 hay una ranura de la capa de alimentación inferior. La capa inferior se muestra en la Figura 4, donde las vías definen la guía de ondas integrada en el sustrato (SIW) de la alimentación. El único poste de adaptación en el SIW también es visible, así como una guía de onda de alimentación aplicada a la abertura en XFdtd.
Para formar el conjunto, se diseña un divisor de potencia de unión en H primario con un único puerto de entrada desde la fuente en el centro y cuatro puertos de salida que alimentarán cada uno a una unión en H secundaria con elementos de antena. En la figura 11 se muestra la unión en H primaria construida en SIW. Cuando se simula con los puertos de guía de ondas en cada uno de los lugares de entrada y salida, la pérdida de retorno se encuentra por debajo de -10 dB en un rango de frecuencias de 120 a 150 GHz, como se muestra en la Figura 12. La unión en H secundaria, que se muestra en la figura 13, tiene un puerto de entrada en la parte inferior central y cuatro puertos de salida que se conectarán a un elemento de antena como el que se muestra en la figura 1. Como se muestra en la figura 14, la pérdida de retorno de la unión en H secundaria es inferior a -10 dB. Como se muestra en la Figura 14, la pérdida de retorno de la unión en H secundaria también está por debajo de -10 dB para todo el rango de frecuencias de 120 a 150 GHz.
El conjunto final de 8x8 se monta uniendo cuatro de las uniones en H secundarias a los puertos de salida de las uniones en H primarias, como se muestra en la Figura 15. En cada uno de los cuatro puertos de salida de cada unión en H secundaria se coloca un elemento de antena. En cada uno de los cuatro puertos de salida de cada unión en H secundaria se coloca un elemento de antena. La estructura final se coloca en un plano de tierra más grande que mide 25 x 10 x 0,616 mm con el array colocado en un extremo y un puerto de alimentación de guía de ondas unido a una línea SIW que se conecta al puerto de entrada de la unión en H primaria. La estructura resultante se muestra en la Figura 16 y en la Figura 17 se muestra una vista de arriba abajo de los elementos del conjunto.
La pérdida de retorno de toda la estructura se sitúa en torno a -10 dB para un ancho de banda de 130 GHz a 146 GHz, como muestra el gráfico de la figura 18. La ganancia sobre el conjunto varía entre unos 19,5 dBi en los extremos de 130 GHz y 146 GHz hasta un pico de casi 21 dBi a 140 GHz. En los planos principales, el diagrama de ganancia tiene un pico a 0 grados con lóbulos laterales al menos 10 dB por debajo del pico. Los diagramas de ganancia para 131 GHz, 135 GHz, 140 GHz y 144 GHz se muestran en las figuras 20, 21, 22 y 23, respectivamente. Las vistas tridimensionales de los patrones de ganancia a las mismas frecuencias se muestran en las figuras 24, 25, 26 y 27, donde la forma del patrón y el nivel de ganancia son bastante similares, mostrando poca variación en el rendimiento del conjunto con la frecuencia. En la Figura 28 se representa la eficiencia del conjunto con valores en torno al 60% para toda la gama de frecuencias.
Conclusión
Este ejemplo demuestra el rendimiento de un conjunto de antenas 8x8 a 140 GHz construido con múltiples cavidades integradas en el sustrato. El conjunto presenta poca variación en la forma y los niveles del patrón de ganancia en un amplio rango de frecuencias. Este conjunto de antenas podría ser útil para las comunicaciones inalámbricas en futuras aplicaciones 6G.
Referencia
J. Xiao, X. Li, Z. Qi y H. Zhu, "140-GHz TE340 -Mode Substrate Integrated Cavities-Fed Slot Antenna Array in LTCC", en IEEE Access, vol. 7, pp. 26307-26313, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2900989.