Susunan antena slot SIW digital dengan implementasi beamforming FPGA

Pertama-tama, struktur SIW (ditunjukkan pada Gambar. 1a) dirancang dengan mengacu pada Ref.²⁸. Kemudian, susunan slot empat elemen berbasis SIW dibangun di mana dioda PIN diperkenalkan untuk menjamin setiap elemen dapat dialihkan antara keadaan memancar dan tidak memancar. Akhirnya, susunan slot SIW digital yang terdiri dari elemen 8 kali 4 dibuat, di mana stub decoupling radial digunakan untuk mencegah kebocoran energi ke sirkuit dan perangkat FPGA.

(A) Tiga pandangan struktur SIW. Beberapa parameter utama (panjang dalam mm) adalah: \(h_1=0,762\), \(h_2=0,762\), \(w_1=17,6\), \(w_2=1,7\), \(w_3=4.4\), \(l_1=2\), \(l_2=7\), S = 1, D = 0,3. (B) Parameter hamburan struktur SIW.

(A) Tampilan umum antena slot berbasis SIW tanpa karakteristik on/off. Beberapa parameter kunci yang dioptimalkan (panjang dalam mm) adalah: \(w_Hello=0,5\), \(l_sobat=18,4\), \(d_x=0,5\), P = 30.(B) Array slot berbasis SIW dengan karakteristik on/off yang ideal.

Desain struktur SIW

Pada subbagian ini, struktur SIW dengan transisi mikrostrip ke SIW dioptimalkan (lihat pada Gambar. 1a), di mana dua pelat dielektrik Roger 4350B ( \(\epsilon _r\) = 3,66, tan\(\delta\) = 0,0037 ) diadopsi, masing-masing berfungsi sebagai dukungan untuk SIW dan sirkuit serta perangkat yang dapat disetel, dan keduanya dilaminasi bersama dengan sepotong prepreg. Struktur SIW kami akan diumpankan melalui konektor SMA dengan 50\(\Akhir\) koaksial. Karena ukuran fisik konektor SMA lebih kecil dari lebarnya, \(w_1\) SIW, terdapat ketidaksesuaian impedansi antara SMA dan SIW. Garis berbentuk lancip telah banyak digunakan sebagai transformator impedansi dalam desain mikrostrip, karena garis tersebut mewujudkan transisi yang mulus antara impedansi.²⁹. Oleh karena itu digunakan dua bagian mikrostrip berbentuk lancip untuk mengatasi ketidaksesuaian pada sisi input dan output SIW. Selain itu, tambalan persegi panjang dicetak di bagian belakang substrat multilapis, yang dihubungkan ke struktur SIW melalui lubang tembus logam. Angka 1b adalah hasil simulasi struktur SIW, yang menunjukkan performa pencocokan dan insertion loss yang memuaskan di seluruh pita WiFi-5G.

Array slot empat elemen

Secara berurutan, susunan slot berbasis SIW dengan empat elemen identik dibuat untuk kenyamanan pengoptimalan dan validasi cepat. Kinerja susunan slot SIW³⁰ dapat disesuaikan secara dependen melalui beberapa dimensi yang ditunjukkan pada Gambar. 2a dan prosedur optimasi efisiensi radiasi diterapkan, terutama pada posisi slot, untuk mencapai kinerja yang baik pada pita frekuensi yang diinginkan.

Kemudian, resistor yang disamakan digunakan untuk sekadar meniru kinerja on-off dioda PIN yang dihubungkan melalui pad. Resistor ini dimodelkan sebagai \(R=10^9 \Omega\) Dan \(0 \Omega\) untuk secara kasar mensimulasikan keadaan mati dan hidup masing-masing dioda PIN. Kinerja simulasi dari susunan slot empat elemen ditunjukkan pada Gambar. 2b diplot pada Gambar. 3di mana dioda berada dalam kondisi bias mundur dan maju. Perlu dicatat bahwa slot pada Gambar. 4 berbeda dari yang ada di Gambar. 3 karena bantalan dioda (bagian merah ditunjukkan pada Gambar. 2b) diperlukan dalam eksperimen, dan bantalan ini hampir tidak berpengaruh pada kinerja elemen slot. Terlihat bahwa ketika semua dioda dalam keadaan mati, S21 mencapai nilai terendah pada 5.8GHz, yang berarti sebagian besar energi terpancar melalui slot. Di sisi lain, besaran S21 hampir 0dB yang menunjukkan bahwa slot array berada dalam keadaan cut-off ketika semua dioda dalam keadaan hidup. Artinya, ketika tegangan bias diterapkan ke dioda PIN pada perangkat yang dibuat (lihat berikut), resonansi slot korsleting bergeser ke frekuensi yang lebih tinggi, sehingga properti pemblokiran radiasi in-band terwujud, yang menunjukkan realisasinya. elemen slot digital.

Simulasi kinerja antena slot berbasis SIW yang dirancang (empat elemen slot) dengan dioda (Semua on berarti dioda dalam keadaan hidup, semua mati menunjukkan sebaliknya) (A) Parameter hamburan. (B) Menyadari efisiensi radiasi.

Susunan antena slot SIW yang dapat disetel

Berdasarkan desain di atas, garis bias DC diperkenalkan untuk memberikan tegangan ke dioda, dan garis tersebut terdiri dari stub decoupling radial dan via logam, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a–c. Karena dioda biasing, antena SIW dirancang sebagai struktur multilayer untuk mencetak stub decoupling pada lapisan bawah. Via logam diperkenalkan untuk keperluan sambungan listrik antara bantalan yang ditempatkan pada lapisan atas dan stub pemisah yang ditempatkan pada lapisan bawah dan vias diisolasi dari tanah seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4C. Rintisan decoupling digunakan untuk mengurangi kebocoran energi elektromagnetik frekuensi radio (RF) ke dalam sirkuit biasing DC, dan jika tidak, kinerja antena akan sangat menurun. Oleh karena itu, isolasi yang tinggi perlu dijamin antara sisi RF (antena slot SIW) dan sisi DC (rangkaian biasing PIN). Jaringan biasing telah dipelajari secara intensif dan digunakan dalam amplifier gelombang mikro. Dalam rangkaian mikrostrip, transformator impedansi seperempat gelombang atau transformator impedansi seperempat gelombang dirancang secara luas untuk memainkan peran isolasi, karena ini menciptakan arus pendek RF yang merupakan DC terbuka pada saat yang bersamaan.²⁹. Dalam praktiknya, stub radial sering digunakan karena fitur impedansi rendah dari bentuk kipas dan kinerja broadband yang dihasilkan.^21,31. Dalam desain kami, salah satu parameter utama, \(r_s\)dioptimalkan menjadi 4,7mm yaitu kira-kira seperempat panjang gelombang untuk gelombang mikro 6,0GHz di PCB.

Untuk menguji efek isolasi atau decoupling, kita perlu menghitung kebocoran energi RF di sepanjang garis bias DC. Mengingat tata letak antena slot SIW yang simetris, kami memilih untuk menempatkan port ketiga di tengah struktur untuk mencegah sambungan sirkuit DC ke elemen RF termasuk port input/output. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, kami menetapkan Port-3 di lokasi atas garis bias untuk menguji kinerja decoupling. Pada Gambar. 4d, besarnya S31 mewakili tingkat keparahan kebocoran energi dari struktur SIW ke sirkuit bias. Selain itu, Gambar. 4e menunjukkan perbandingan S21 struktur SIW dengan rintisan (garis padat merah) dan tanpa rintisan (garis padat hitam). Terbukti bahwa pasangan energi yang kuat ke garis bias tanpa stub, sedangkan stub decoupling radial secara efektif mengurangi kebocoran dibandingkan dengan yang sebelumnya. Oleh karena itu, stub decoupling yang kami desain memainkan peran ‘bias TEE’ antara sumber RF dan sirkuit bias, dan memungkinkan untuk mengintegrasikan sirkuit pengontrol yang dapat disetel dengan setiap elemen slot dan untuk mewujudkan kontrol listrik khusus elemen untuk sirkuit tersebut.

Sketsa 2D elemen slot dengan rintisan radial. (A) Tampak depan. (B) Tampak bawah. Beberapa parameter kunci yang dioptimalkan (panjang dalam mm) adalah: \(w_s=0,2\), \(d_1=4\), \(r_s=4.7\). (C) Tampilan struktur SIW yang meledak dengan rintisan pelepasan sambungan, sisipan menunjukkan bahwa lapisan logam diisolasi dari tanah. (D) Parameter hamburan dengan Port-1 di ujung saluran koaksial dan Port-3 terhubung ke ujung saluran bias DC dengan dan tanpa stub decoupling radial. (e) Parameter hamburan antara Port-1 dan Port-2 struktur SIW dengan (garis solid merah) dan tanpa (garis solid hitam) stub decoupling radial.

Dengan mempertimbangkan isolasi tinggi antara port tereksitasi dan stub decoupling radial, dan fakta bahwa sirkuit dan perangkat yang dapat disetel ditempatkan di bagian belakang antena yang memiliki efek yang dapat diabaikan untuk keseluruhan array, kami memperluas model 4 elemen di atas ke struktur antena panel yang mencakup 8 kali 4 elemen dan ditunjukkan pada Gambar. 5. Pembagi daya SIW diterapkan dan dioptimalkan untuk integrasi dengan susunan slot. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, masing-masing dari dua pembagi daya mengadaptasi desain pertigaan klasik, di mana lubang tembus yang tersebar padat menentukan dinding samping pertigaan^32,33,34. Terlihat riam tiga pertigaan membagi tenaga menjadi \(2^pengemar\) bagian yang sama di sisi masukan dan menggabungkannya menjadi satu saluran di sisi keluaran, seperti yang digambarkan pada Gambar. 5A. Di bagian belakang antena terdapat stub decoupling, dan masing-masing stub tersebut dapat secara individual mengontrol status hidup/mati elemen antena slot yang sesuai dengan mengubah tegangan bias yang diterapkan ke dioda. Dalam simulasi, perubahan keadaan dioda ditiru dengan mengatur resistansi yang disamakan untuk setiap dioda, seperti yang dilakukan pada Gambar. 3 Dan 6. Dalam contoh praktis, setiap stub disuplai oleh sebuah kabel yang dihubungkan dengan saluran sinyal individual di unit pengontrol FPGA, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8B.

Skema 3D susunan antena slot SIW. (A) Tampak depan. (B) Tampak bawah.

Kinerja simulasi susunan antena slot SIW yang dirancang (elemen slot 8 kali 4) (A) Parameter hamburan. (B) Menyadari efisiensi radiasi.

Kinerja antena array struktur penuh yang diusulkan ditunjukkan pada Gambar. 6jelas bahwa antena kita dapat beroperasi sekitar 5,8 GHz ketika dioda berada dalam keadaan mati, sedangkan penerapan tegangan bias maju ke semua dioda dapat menghentikan radiasi energi dari slot dalam pita operasi, serupa dengan susunan slot empat elemen yang disebutkan di atas. Pada saat yang sama, efisiensi menurun karena jaringan pembagian daya dan kerugian dielektrik. Namun, hal ini lumayan dibandingkan dengan kasus di Refs.^12,13,14.

Selain itu, array dapat disetel untuk menghasilkan berbagai pola kompleks setelah beragam tegangan bias diterapkan ke dioda. Oleh karena itu, kami mendefinisikan 1/0 sebagai level tinggi/rendah, yang sesuai dengan keadaan dioda hidup/mati. Demi kenyamanan, urutan 0/1 berubah sepanjang arah rambat gelombang elektromagnetik dalam struktur SIW dan tetap sama sepanjang arah ortogonal terhadap arah di atas, yang dinyatakan lebih jelas pada Gambar. 7A.

Di sini, tiga urutan biner khas dipilih untuk disimulasikan pada CST Microwave Studio, dan penguatan yang direalisasikan untuk dioda on/off dan pola radiasi yang dinormalisasi pada frekuensi tengah 5,8 GHz diplot pada Gambar. 7b,c, masing-masing, dari mana kita dapat secara intuitif melihat berkas yang dialihkan dalam urutan yang berbeda, yang bertindak seperti array bertahap, meskipun modul T/R tidak ada.

Secara teoritis, urutan ‘0101’ atau ‘0110’ sesuai dengan jarak yang lebih besar antara dua elemen yang terpancar dibandingkan dengan ‘0000’, yang berarti akan lebih banyak lobus yang muncul, yang konsisten dengan hasil simulasi. Selubung sinar yang diplot dalam titik hijau dapat diekstraksi dari pola-pola ini yang mewakili rentang dinamis untuk pemindaian sinar yang dapat dikontrol berdasarkan rangkaian urutan saat ini. Disimpulkan bahwa urutan biner yang bervariasi dalam dua dimensi akan menghasilkan lebih banyak derajat kebebasan, sehingga dengan mudah mewujudkan sintesis berkas sewenang-wenang dalam wilayah sudut padat yang luas dikombinasikan dengan metode DDA selama terdapat cukup elemen merdu menurut Pustaka.¹⁸.

(A) Pengkodean biner untuk distribusi tegangan bias (status ‘0101’ sebagai contoh). (B) Simulasi realisasi keuntungan dari status ‘0000’ dan ‘1111’. (C) Simulasi pola radiasi medan jauh yang dinormalisasi dari susunan antena slot SIW yang dirancang dapat disetel dalam beberapa keadaan dioda hidup/mati (\(\varphi =90^\circ\)).