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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).
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.
Figura 1: Representación CAD tridimensional del elemento de antena 2x2 excitado por SIC, con las capas metálicas en verde y las capas LTCC en rojo.
Figura 2: Se muestra la cavidad de la capa superior del elemento de antena con los cuatro elementos radiantes en la capa metálica nº 2 alimentando a las cavidades integradas en el sustrato del modo TE210.
Figura 3: El modo TE340 SIC sobre la capa metálica #3 se muestra con la ranura de alimentación en el centro y los dos postes de adaptación por encima y por debajo de la ranura.
Figura 4: La entrada se introduce en la antena a través de una capa de alimentación situada encima de la capa metálica nº 4, que contiene una región SIW y un poste de adaptación situado debajo de la ranura de alimentación de la capa metálica nº 3 (no mostrada).
Tras la simulación EM, la pérdida de retorno resultante mostrada en la Figura 5 demuestra un ancho de banda de -10 dB para el elemento único de 131,63 a 146,45 GHz. La ganancia en un punto por encima del elemento se representa en función de la frecuencia en la Figura 6 y muestra valores de 9 a 11,5 dBi en el ancho de banda de la antena. En la Figura 7 se muestran los diagramas de ganancia en los dos planos principales a 131 GHz con un ancho de haz amplio. En la Figura 8 se muestran resultados similares para 135 GHz, en la Figura 9 para 140 GHz y en la Figura 10 para 147 GHz. Estos gráficos demuestran la estabilidad de los patrones en una amplia gama de frecuencias.
Figura 5: La pérdida de retorno de un único elemento de antena 2x2 muestra un buen rendimiento por debajo de -10 dB desde aproximadamente 132 GHz hasta 146 GHz.
Figura 6: La ganancia en función de la frecuencia se representa en un punto situado directamente encima del elemento de antena y muestra una ganancia que oscila entre 9 dBi en los bordes y un pico de 11,5 dBi en el centro de la gama de frecuencias.
Figura 7: A 131 GHz, el elemento de antena tiene una ganancia copolar similar en los dos planos principales. La radiación de polarización cruzada se reduce significativamente.
Figura 8: La ganancia de la antena en los planos principales a 135 GHz muestra un rendimiento similar con un ligero estrechamiento en el plano YZ en comparación con el plano XZ.
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.
Figura 9: A 140 GHz, los diagramas de ganancia de la antena muestran un rendimiento similar en los dos planos principales, con un ancho de haz ligeramente mayor en el plano XZ.
Figura 10: A 147 GHz, los diagramas de ganancia de la antena siguen teniendo una ganancia similar a la de las frecuencias más bajas, pero la ganancia en el plano YZ no es tan amplia como en el plano XZ y la ganancia de polarización cruzada crece hasta niveles más altos.
Figura 11: La unión en H primaria que distribuye la señal de entrada desde la fuente a las cuatro uniones en H secundarias se muestra con el puerto de entrada en la parte inferior central y los cuatro puertos de salida en las esquinas.
Figura 12: La pérdida de retorno de la unión en H primaria presenta un buen rendimiento en toda la gama de frecuencias de interés.
Figura 13: La unión en H secundaria divide la señal de entrada procedente de la unión en H primaria y la propaga a los cuatro elementos de antena. El puerto de entrada se encuentra en la parte inferior central de la unión, mientras que los puertos de salida están en las cuatro esquinas.
Figura 14: La pérdida de retorno de la unión en H secundaria tiene un buen rendimiento en toda la gama de frecuencias de interés, similar a la de la unión en H primaria.
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.
Figura 15: Se muestra la capa completa del divisor de potencia con la señal de entrada procedente de la parte inferior y alimentando la unión en H primaria con las vías rojas. Las cuatro uniones H secundarias son visibles con las vías de color verde claro. Cada unión en H secundaria se conectará a cuatro elementos de antena.
Figura 16: Se muestra la estructura completa del conjunto de antenas con los elementos 8x8 visibles en la parte superior de una lámina estratificada de 25x10 mm.
Figura 17: Se muestra una vista de arriba abajo de los elementos de antena 8x8.
Figura 18: La pérdida de retorno de todo el conjunto es en su mayor parte inferior a -10 dB de 130 a 146 GHz.
Figura 19: La ganancia del conjunto en un punto situado directamente encima varía suavemente desde 17,5 dBi en los bordes hasta un pico de 21 dBi a 140 GHz.
Figura 20: Los patrones de ganancia en los planos principales a 131 GHz muestran una forma similar con lóbulos laterales por debajo de 10 dB desde el pico y baja ganancia de polarización cruzada.
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.
Figura 21: Los patrones de ganancia a 135 GHz muestran un comportamiento similar a los de 131 GHz.
Figura 22: A 140 GHz, los lóbulos laterales aumentan ligeramente, pero se mantienen al menos 10 dB por debajo del pico.
Figura 23: En la parte superior de la gama de frecuencias, a 144 GHz, los patrones de ganancia siguen siendo muy similares a los de las demás frecuencias.
Figura 28: La eficiencia del conjunto de antenas es de aproximadamente el 60% en toda la gama de frecuencias de interés.
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.