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5G y el Grafeno...la cruda realidad

Análisis de las propiedades de la antena de grafeno para aplicaciones 5G...Centro de comunicaciones inalámbricas, Universiti Teknologi Malaysia, Johor Bahru 81310, Malasia 2 Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universiti Tun Hussein Onn Malaysia, Parit Raja, Batu Pahat 86400, Malasia 3 Departamento de Ingeniería de Sistemas Electrónicos, Instituto Internacional de Tecnología Malasia-Japón, Universiti Teknologi Malaysia, Jalan Sultan Yahya Petra, Kuala Lumpur 54100, Malasia 4 División de Ingeniería de Comunicaciones, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería, Universiti Teknologi Malaysia, Johor Bahru 81310, Malasia

Julio 25, 2023 - 11:58
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5G y el Grafeno...la cruda realidad
La tecnología 5G entrante requiere antenas con una mayor capacidad, una mayor utilización del espectro inalámbrico, alta ganancia y capacidad de dirección. Esto se debe a la estrecha utilización del espectro en la generación anterior. De hecho, las antenas convencionales no pueden servir a la nueva frecuencia debido a las limitaciones en la fabricación e instalación, principalmente para tamaños más pequeños. El uso de material de grafeno promete antenas con tamaños más pequeños y dimensiones más delgadas, pero capaces de emitir frecuencias más altas. Por lo tanto, las antenas de grafeno se estudiaron a una frecuencia de 15 GHz tanto en elementos individuales como en conjuntos. La antena de alta frecuencia contribuyó a un gran ancho de banda y fue excitada por la guía de onda coplanar para una fácil fabricación en una superficie a través de la serigrafía. La estructura del suelo defectuosa se aplicó en un elemento de matriz para mejorar la radiación y aumentar la ganancia. Los resultados mostraron que la antena de grafeno de un solo elemento impresa produjo un ancho de banda de impedancia, ganancia y eficiencia de 48.64%, 2.87 dBi y 67.44%, respectivamente. Mientras tanto, el elemento de matriz produjo una eficiencia ligeramente mejor (72.98%), aproximadamente el mismo ancho de banda de impedancia que el elemento único (48.98%), pero una ganancia mayor (8.41 dBi). Además, proporcionó un ancho de haz de 21.2 ° con capacidad de haz de escaneo de 0 ° hasta 39.05 °. Por lo tanto, se demostró que los materiales de grafeno se pueden aplicar en 5G.

1. Introducción

En los próximos años, los investigadores y científicos anticipan que la próxima tecnología de comunicación, la tecnología de red celular de quinta generación (5G), tendrá una mayor capacidad general e implementará un nuevo espectro [1]. La capacidad del sistema soportará a los usuarios hasta mil veces más que el nivel actual, mientras que la eficiencia espectral, la eficiencia energética y la velocidad de datos son capaces de aumentar hasta diez veces. Se estima que el rendimiento de la celda logrará un aumento de veinticinco veces [2], y el costo será más efectivo en términos de uso de energía [3]. Se espera que estas características permitan el uso de comunicaciones de banda ancha móvil que conducirían a un aumento de mil veces en el tráfico móvil total para 2020 [4]. Estos requisitos requieren cambios en el diseño arquitectónico y de componentes, como la arquitectura centrada en el dispositivo [5].
Se ha realizado un gran esfuerzo para cumplir con los requisitos de 5G, como antenas de banda ancha de doble banda [6], antenas de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO) [7], matrices móviles en fase [8] y matrices de antenas flexibles [9]. Específicamente, en el diseño de antenas, la mayoría de los espectros de frecuencia estudiados están en la categoría de ondas milimétricas. Este espectro fue seleccionado con el fin de superar las limitaciones de ancho de banda y la congestión. Sin embargo, no se ha normalizado; como se indica en la referencia [10], se espera que la 5G se beneficie de la utilización de 6 GHz en su convocatoria de entrada (CFI) a las partes interesadas. Sin embargo, en el espectro de alta frecuencia, la demanda de mayor capacidad puede resolverse por el gran ancho de banda que produce. Por lo tanto, el servicio de alta velocidad de datos debe alcanzar hasta 1 Gb / s [11,12] lo que implica que el ancho de banda sea de al menos 1 GHz [13]. Según los hallazgos en Referencias [14,15], la aplicación de 5G implicará aproximadamente 70%-80% de comunicación en interiores en comparación con 20%-30% para exteriores. La antena interior convencional comúnmente tiene radiación omnidireccional y ganancia entre -8 y 0 dBi [16]. Este rango de ganancia es demasiado bajo para la penetración de la señal, y las ondas milimétricas experimentan algunas perturbaciones, por ejemplo, cuando la señal se debilita durante la penetración de materiales sólidos o paredes de edificios [4] y cuando es absorbida o dispersada por gases, lluvia, follaje [12] y flora [14]. Además, en la fabricación de antenas 5G, diferentes aplicaciones requieren materiales particulares, principalmente para ahorrar costos, además de la necesidad de que sean flexibles, de fabricación fácil y rápida, adecuados para producciones de pequeño tamaño y ligeros. Algunos dispositivos pueden incluso reducirse [17] en tamaño debido a la mayor utilización del espectro de frecuencias.
Antes de este estudio, se han realizado trabajos previos sobre antenas 5G, particularmente en ancho de banda, ganancia y dirección de haz en términos de proyección de velocidades de datos más altas, mayor distancia y comunicaciones confiables, respectivamente. La mejora del ancho de banda se puede mostrar de muchas maneras, como la integración de balun [18], estructuras resonantes acopladas [19], antenas de ranura [20], matrices planas de microstrip acopladas a proximidad [21], cavidades de aeródromos [22] y microstrips apiladas corporativas [23]. La ganancia se puede mejorar con parásitos de pajarita de doble cara [24], lentes [25] y directores de metal [26]. Otra técnica para mejorar la ganancia es mediante la reducción del acoplamiento mutuo. Esta técnica se puede aplicar entre los elementos de la antena con la implementación de stubs [18], banda prohibida electrónica [27], estructura de tierra defectuosa [28] y resonador de anillo dividido complementario [29]. Para reducir la interferencia, el conjunto de antenas debe tener una dirección de haz de alta directividad [13]; por lo tanto, los trabajos anteriores sobre antenas de matriz en fase se han revisado en Referencias [8,30,31,32].
Junto con la aparición de 5G, las propiedades del grafeno se han considerado en este trabajo. El grafeno es la capa bidimensional más delgada de átomos de carbono [33] unida en una red de panal [34] y exhibe la mayor movilidad del portador, 200,000 cm.2 V−1 s−1 en comparación con otros materiales. Se convierte en un material atractivo para la fabricación de electrónica de ultra alta velocidad [17] además de ofrecer excelentes características de conmutación [35] o propiedades sintonizables [34]. Las propiedades de conmutación y sintonizables se pueden realizar en presencia de voltaje de CC. Además, el grafeno se clasifica como semimetal con banda prohibida cero, lo que significa que las bandas de valencia y conducción se encuentran en los puntos K de la zona de Brillouin [17] o el punto de Dirac [36]. Esta propiedad proporciona la oportunidad de que un dispositivo nunca se apague, incluso si utiliza grafeno a granel. Dado que una capa de grafeno tiene un átomo de espesor, permite un confinamiento electrostático sin precedentes y es extremadamente flexible [36]. Sobre la base de las propiedades antes mencionadas, el grafeno es considerado por investigadores y científicos como un nuevo material que puede ser utilizado en electrónica para radiofrecuencia (RF) o antenas [37,38,39,40,41], sensores [42], dispositivos transparentes [43], interruptores [36,44,45], etc. La Tabla 1 resume el rendimiento de las antenas que utilizan grafeno. Como se puede observar en la Tabla 1, la mayoría de las antenas de grafeno que trabajan a una frecuencia más baja se aplican para la identificación por radiofrecuencia (RFID), dispositivos portátiles y para fines de bajo costo. Por el contrario, cuando las antenas de grafeno están diseñadas para conjuntos de reflectores [46], antenas reconfigurables [47], antenas sintonizables [48] y escaneo de haz [49], las frecuencias de operación utilizadas están en terahercios (THz). A partir de estos estudios, se puede ver que las frecuencias sugeridas para 5G, que están entre 6 GHz y 95 GHz, no se han investigado completamente en el contexto del grafeno.
Tabla 1. El trabajo previo sobre antenas realizadas con grafeno.
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Sobre la base de los requisitos y limitaciones de 5G antes mencionados, este documento propone el desarrollo de antenas de grafeno en una sola y matriz que operan a una frecuencia de 15 GHz para aplicaciones 5G. Se seleccionó la frecuencia de 15 GHz ya que el rango es de alta frecuencia. Por lo tanto, puede producir un gran ancho de banda para admitir una mayor velocidad [10]. Tenga en cuenta que la ubicación de 15 GHz entre 6 GHz a 20 GHz no se exploró tanto como las ondas de mm, ya que el equipo con esta frecuencia se puede obtener fácilmente. El grafeno utilizado en este estudio es un nuevo material que tiene un uso potencial en la electrónica futura debido a su exclusivo hecho de sus propiedades mecánicas y eléctricas exclusivas [55]. La antena única era una ranura rectangular alimentada por guía de onda coplanar (CPW) con chaflán para fines fáciles de fabricar. Luego, el conjunto de antenas en este estudio consistió en cuatro elementos para aumentar la ganancia, de modo que se pudiera lograr una mayor atenuación de la señal, considerando la dirección del haz y el haz estrecho [16]. El aumento de la ganancia al aumentar el número de elementos se estudió en la Referencia [9]. El diseño de la matriz de antenas introdujo una estructura de tierra defectuosa (DGS) para reducir el acoplamiento mutuo con el fin de reducir el nivel del lóbulo lateral (SLL) y mejorar la ganancia. La sección final de este documento presenta los resultados del rendimiento de la dirección del haz.
La estructura de este documento es la siguiente: La Sección 2 describe el diseño y la fabricación de la antena de grafeno, los estudios paramétricos y los resultados para el elemento único. La antena de matriz y el examen de la reducción del acoplamiento mutuo, el espaciado entre elementos, los resultados y la dirección del haz se describen en la Sección 3. La conclusión se extrae en la sección 4.

2. Antena de grafeno única

2.1. Diseño de la antena

La Figura 1 muestra la longitud del parámetro de la antena de grafeno, modelada en un sustrato de película de poliimida Kapton con constante dieléctrica, εr = 3,5, y tan δ = 0,002 a 1 kHz. El grafeno utilizado fue de dispersión de grafeno con etilcelulosa en terpineol, o comúnmente conocida como tinta de grafeno, que tiene una resistividad de lámina entre 0.003 Ω.cm y 0.008 Ω.cm con un espesor cercano a 100 nm. La antena fue impresa por un método de serigrafía y alimentada por un CPW de 50 Ω. El sustrato superior se recubrió con el parche y el plano del suelo. Luego, la antena se excitó a través de CPW para lograr un gran ancho de banda [9,56], mientras que se introdujo una ranura rectangular con chaflán para realizar la adaptación de impedancia y la frecuencia de resonancia requerida. La antena de grafeno impresa se fabricó para lograr el tamaño más delgado, así como para realizar la teoría de la reducción de escala.
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Figura 1. El parámetro de la antena de grafeno impresa con ranura rectangular alimentada por CPW con chaflán.
Antes de la optimización, el ancho del parche, el tamaño de la antena Wp se estimaba mediante la ecuación (1):
��=�2����+12,
donde c es la velocidad de la luz, 3 × 108 M/s fο es la frecuencia central, y εr es la constante dieléctrica de un sustrato. Luego, la distancia de la separación entre los dos planos de tierra de la guía de onda (CPW), Dcpw, se calculó mediante la Ecuación (2) [57,58]:
����=2.�1+��,
donde s1 es el ancho de ranura entre el plano de tierra y la línea de alimentación, y Wf es el ancho del conductor de la banda central o el ancho de la línea de alimentación.
La antena fue simulada en Computer Simulation Technology (CST) Microwave Studio. La antena de grafeno impreso tenía un ancho y largo de 12,2 mm y 11,8 mm, respectivamente, y un grosor de 76 μm. Los detalles de los parámetros de la antena se resumen en la Tabla 2.
Tabla 2. Resumen del parámetro, descripción y longitud de la antena de grafeno impresa.
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La serigrafía es una técnica de impresión de patrones de diseño a partir de una solución de tinta sobre una superficie de sustrato a través de una máscara utilizando un movimiento de goma de escobilla. El método ha sido ampliamente utilizado en la fabricación electrónica [51,59,60,61,62,63,64,65,66]. La serigrafía ofrece bajo costo [65], alta velocidad [66], compatibilidad con una variedad de tintas y sustratos [62], un proceso respetuoso con el medio ambiente y buena precisión [60]. En este trabajo, se utilizó la serigrafía para imprimir la antena de grafeno propuesta utilizando tinta de grafeno sobre un sustrato de película de poliimida Kapton. La pantalla, que se llama plantilla, contiene el patrón de antena con una resolución de 120 μm. Antes de imprimir, la película Kapton se colocó debajo de la plantilla con un espaciador a cada lado de la plantilla. El espaciador se utilizó para evitar que la película o el sustrato se adhirieran a la plantilla después de la impresión. Luego, se colocó una pequeña cantidad de tinta de grafeno cerca del patrón de antena utilizando un gotero desechable. La impresión se realizó moviendo la escobilla de la tinta de grafeno colocada hacia todo el patrón de antena única. Mientras se movía, la escobilla tenía que inclinarse y presionarse a 45 ° simultáneamente. La figura 2a-c muestra la condición durante el proceso de serigrafía y el resultado después de la serigrafía. La tinta de grafeno se curó a 300 °C a 350 °C durante 20 min a 30 min para la descomposición del aglutinante directamente en la tinta de grafeno, aumentando la conductividad del grafeno. La Figura 3a,b muestra la antena de grafeno impresa que fue cortada en su tamaño y conectada a un conector Sub Miniature version-A (SMA) de 2,92 mm de diámetro.
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Figura 2. a) La disposición de la plantilla y la película Kapton antes de la serigrafía; b) la tinta de grafeno se imprime en la película Kapton utilizando la plantilla; y c) la tinta de grafeno formó un patrón de antena después de la serigrafía.
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Figura 3. (a) La antena de grafeno después del curado y (b) después de que se ensambla con un conector SMA.
En relación con la tinta de grafeno que necesita un proceso de curado, se adoptó una película Kapton como sustrato. Esto se debió a la combinación única de propiedades de la película que la hacen ideal para una variedad de aplicaciones en muchas industrias diferentes [67]. También tiene excelentes propiedades físicas, eléctricas y mecánicas, ya que mantiene su rendimiento en un amplio rango de temperaturas, incluso tan bajas como -269 ° C y tan altas como 400 ° C. Por lo tanto, la película de poliimida Kapton es recomendable y es más adecuada para su uso con tinta de grafeno que necesita ser tratada a alta temperatura en comparación con los sustratos convencionales que no son resistentes al calor.

2.2. Estudios paramétricos

Se realizaron varios estudios paramétricos para observar el rendimiento de la antena e identificar problemas. Hay muchos factores que podrían alterar la precisión de los resultados de la antena que ocurren durante el proceso de fabricación y otros trabajos técnicos. Durante la fabricación, la tinta de grafeno se manejó manualmente; Por lo tanto, la antena producida puede tener un tamaño inexacto para piezas pequeñas. Durante el proceso de curado, la temperatura y el tiempo establecidos pueden haber afectado la condición del grafeno y el sustrato. Luego, después de que se completó el proceso de curado, la antena de grafeno se cortó con una navaja donde se pueden haber creado pequeños defectos.
Los estudios paramétricos fueron la constante dieléctrica del sustrato, la conductividad del grafeno y la longitud de corte. Estos parámetros fueron seleccionados debido al hecho de su influencia significativa en la frecuencia resonante. Se llevó a cabo mediante un solo parámetro que varió mientras que otros se mantuvieron constantes. Los resultados de la simulación de los estudios paramétricos se muestran en la Figura 4a-c.
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Figura 4. La respuesta del coeficiente de reflexión y la frecuencia de resonancia en la (a) constante dieléctrica del sustrato, (b) la conductividad del grafeno y (c) la longitud de corte.
La Figura 4a muestra un efecto cuando se cambiaron los valores constantes dieléctricos en el sustrato de Kapton. La frecuencia de resonancia se desplazó hacia la izquierda alrededor de 1,65 GHz, que fue de 15 GHz a 13,35 GHz cuando el valor dieléctrico se cambió de 3,5 a 9,5. El cambio dieléctrico podría ser causado por el proceso de curado en grafeno que se curó junto con el sustrato de Kapton dentro de un rango de temperatura y tiempo. Por otro lado, el impacto de la conductividad sobre el grafeno se mostró en la Figura 4b. El aumento de la conductividad del grafeno de 3,33 × 102 S/m a 3,33 × 106 S/m desplazó la frecuencia de resonancia hacia la derecha en aproximadamente 1,53 GHz, de 13,65 GHz a 15,18 GHz. La variación de la conductividad también puede ser causada por el valor del tratamiento térmico o la duración del proceso de curado. El estudio paramétrico sobre la longitud de corte se representa en la Figura 4c. La frecuencia de resonancia se movió de 15,48 GHz a 15 GHz cuando la longitud de corte varió de 0,5 mm a 1 mm. La longitud de corte, Lc, es una parte crítica del proceso de fabricación de la antena serigrafiada propuesta.

2.3. Resultados

La Figura 5 muestra la magnitud del coeficiente de reflexión entre los resultados simulados y medidos de la antena de grafeno impresa. Como se muestra, la frecuencia de resonancia medida fue de 13,8 GHz, mientras que la simulada fue de 15 GHz. Los anchos de banda de impedancia medidos y simulados para la magnitud del coeficiente de reflexión a -10 dB fueron 48.63% (10.35–17 GHz) y 9.87% (14.25–15.73 GHz), respectivamente. La frecuencia de resonancia medida obtenida fue la más cercana a la frecuencia simulada y fue la mejor adaptación de impedancia por debajo de -10 dB que se registró después de varias fabricaciones y mediciones. La frecuencia de resonancia medida cambió a una frecuencia más baja debido al aumento en el valor constante dieléctrico durante el proceso de curado. Fue apoyado por los estudios paramétricos, donde la frecuencia más cercana que resonó a 13.8 GHz fue la constante dieléctrica en un valor de 7.5, como se muestra en la Figura 4a, que resonó a 13.83 GHz. Sin embargo, medimos el dieléctrico de la antena de grafeno después del proceso de curado y lo comparamos con la simulación utilizando el valor dieléctrico medido que fue de 8,21. El resultado simulado mostró que la frecuencia resonó a 13,65 GHz, que también estaba cerca de la medición a 13,8 GHz. Los resultados medidos también mostraron un ancho de banda más amplio en comparación con la simulación.
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Figura 5. Simulación y medición de la magnitud del coeficiente de reflexión, representado por una curva sólida y una curva discontinua, respectivamente.
El proceso de curado era necesario para romper el aglutinante contenido en la tinta de grafeno, de modo que la conductividad aumentara. El aglutinante contenido en el grafeno funcionó para cambiar las escamas de grafeno en solución de tinta y como aislante [68]. La conductividad de la antena de grafeno impresa se exhibió en una serie de iteraciones sucesivas, incluido el grosor de la capa, la temperatura y los intervalos de tiempo involucrados en los procesos de curado [9].
La figura 6a,b muestra la simulación y medición de los patrones de radiación en el plano E y el plano H. El plano E mostró un patrón bidireccional, mientras que el plano H exhibió un patrón omnidireccional. Tenga en cuenta que había dos lóbulos menores que aparecieron en el plano E medido, mientras que el plano H estaba deteriorado. Estos patrones de radiación se deterioraron debido al hecho de varias perturbaciones incluidas en el complejo material grafeno. Dado que la antena de grafeno se curó en un rango de temperaturas durante un cierto período, la conductividad compleja del grafeno y el valor del sustrato dieléctrico no se pudieron controlar para que coincida con los valores proporcionados en la hoja de datos del fabricante. Además, con una conductividad insuficiente y los cambios en el valor dieléctrico, el pequeño tamaño de la antena permitió una fácil perturbación por el adaptador en forma de L durante la medición del plano E y el conector SMA para la medición del plano H, como se muestra en la Figura 7a, b. Esto se debe a que la medición lee el diagrama de radiación de la antena de grafeno junto con el adaptador y el conector.
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Figura 6. Comparación de los patrones de radiación simulados y medidos en (a) el plano E y (b) el plano H.
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Figura 7. La medición del diagrama de radiación se leyó junto con el (a) adaptador en forma de L y (b) el conector SMA.
Se observaron perturbaciones en el otro tipo de antena de grafeno con el mismo diseño y frecuencia de funcionamiento. Los dos lóbulos menores que aparecieron en el patrón de radiación en el plano E para la antena hecha con tinta de grafeno también aparecieron en la antena hecha por lámina de grafeno, pero en menor grado debido a la mayor conductividad, mientras que el patrón de radiación en el plano H para la hoja de grafeno fue similar a la simulación. Cuando el grafeno tiene una conductividad más alta, no será perturbado por el adaptador y el conector durante la medición del patrón de radiación en comparación con la tinta de grafeno que no tiene suficiente conductividad como se indica en la hoja de datos del fabricante. Además, la lámina de grafeno no pasa por un proceso de curado que podría afectar los resultados. Sin embargo, el patrón de radiación de la lámina de grafeno no se incluyó en este trabajo.
Con respecto a la frecuencia de resonancia en tinta de grafeno, el valor de ganancia simulado fue de 2,39 dBi, mientras que la ganancia medida fue de 2,87 dBi. Las eficiencias totales obtenidas para la simulación y medición fueron 65.25% y 67.44%, respectivamente. La eficiencia total, eo, se estimó mediante el cálculo de la multiplicación entre la eficiencia de reflexión (desajuste), er, y la eficiencia de la radiación de la antena, eCD [69]. La eficiencia de la radiación viene dada por la división de la ganancia con la directividad. La eficiencia total medida fue mayor que la simulada debido a la mayor ganancia en la medición en comparación con la simulación. Esto se debió a que la ganancia medida solo se midió a la radiación lateral y a una alta intensidad de radiación. Todos los datos recogidos se resumen en la Tabla 3.
Tabla 3. Detalles de las propiedades de la antena de grafeno impresa para simulación y medición.
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3. Conjunto de antenas

3.1. Reducción del acoplamiento mutuo

La Figura 8a exhibe el conjunto original de antenas de grafeno impreso que consistía en dos capas y propiedades de cuatro elementos de la antena de grafeno con una guía de onda coplanar. El grafeno se imprimió en la capa superior, y los cuatro elementos se conectaron con un divisor de potencia de 1 a 4 externamente, y cada suelo de cada elemento adyacente se terminó en la misma capa. Las propiedades de la antena se analizaron mediante simulación para determinar el comportamiento de la matriz de antenas de grafeno impreso. Los parámetros S se presentan en la Figura 9a. Se observó que el conjunto de antenas de grafeno impreso tenía una S11 de menos de -10 dB de 14,32 GHz a 15,87 GHz que cubrían las bandas de frecuencia propuestas para la comunicación 5G, mientras que S12, S23, y S34 fueron −17.47 dB a 15 GHz. Sin embargo, cuando cada elemento del conjunto de antenas de grafeno impreso se combinó con el elemento adyacente para formar un elemento 4 y terminar en el mismo plano de tierra, el patrón de radiación en el plano E presentó un patrón omnidireccional, mientras que el plano H se deterioró con un nivel de lóbulo lateral más alto (SLL) a −9.6 dB, como se muestra en la Figura 10a, b, que estaba representado por una línea recta. La ganancia obtenida en el diseño inicial fue de 5,63 dBi.
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Figura 8. Matriz de antenas de grafeno impresa (a) antes de introducir la ranura rectangular y (b) después de introducir la ranura rectangular.
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Figura 9. Aislamiento de la matriz de antenas de grafeno impreso (a) antes de la ranura rectangular y (b) después de la ranura rectangular.
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Figura 10. Diagramas de radiación del conjunto de antenas de grafeno impreso antes de introducir la ranura rectangular y después de introducir la ranura rectangular en (a) E-plane y (b) H-plane.
De acuerdo con el deterioro del patrón de radiación, el acoplamiento mutuo de los elementos adyacentes debe reducirse a través de una técnica de estructura de tierra defectuosa (DGS) para la mejora del patrón de radiación. Luego se introdujeron ranuras rectangulares con un ancho, Wd, de 2 mm y una longitud, Ld, de 10.8 mm entre elementos adyacentes, como se muestra en la Figura 8b, que redujo con éxito el acoplamiento directo de campo cercano. La Figura 9b muestra la consecuencia de la arquitectura de múltiples ranuras rectangulares en la reducción del acoplamiento mutuo. S11 mostró que la matriz de antenas de grafeno impresas tenía un rango de frecuencia de 14.30-15.71 GHz, donde el ancho de banda de impedancia se redujo a 140 MHz en comparación con la matriz de antenas antes de introducir la ranura rectangular, pero aún era más grande que 1 GHz, que es suficiente para la alta velocidad de datos 5G, mientras que el acoplamiento mutuo se redujo en aproximadamente -4.66 dB. A pesar de que se produjo una pequeña reducción en el acoplamiento mutuo, un gran efecto apareció en el patrón de radiación y la ganancia, donde se exhibió un patrón bidireccional en el plano E y el haz directivo en el plano H, como se muestra en la Figura 10a, b, representada por una línea discontinua. El plano H tenía dos haces a 0° y 180° y un SLL bajo a -12,2 dB. Luego, la ganancia aumentó hasta un 65% que fue de 9.28 dBi. Las especificaciones de la matriz de antenas de grafeno impreso antes y después de introducir la ranura rectangular se enumeran en la Tabla 4.
Tabla 4. Especificaciones de la matriz de antenas de grafeno impresas antes de introducir la ranura rectangular y después de introducir la ranura rectangular.
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3.2. Espaciado entre elementos

La variación del espaciado o separación entre elementos, d, y el cambio de fase progresivo, β, pueden controlar las características del factor de matriz y el campo total de la matriz [69]. El factor de matriz (AF) viene dado por la ecuación (3):
(Un�)�=���[12(�� ��� �+�)]
donde n es el número de elementos, y θ es el ángulo observado.
Sobre la base de la ecuación (3), se observó el espaciado entre elementos para el efecto de la ganancia obtenida en la matriz de antenas de grafeno impresa después de introducir la ranura rectangular. La variación del espaciado entre elementos fue de entre 0,6λ y λ. El valor de ganancia aumentó de 0.6λ a 0.8λ, luego disminuyó hasta λ. La ganancia frente al espaciado entre elementos se representa en la Figura 11. Mientras tanto, se pretendía que el acoplamiento mutuo disminuyera con el aumento del espaciado entre elementos, como se muestra en la Figura 12. A pesar de que el acoplamiento mutuo se redujo a un mayor espaciado entre elementos entre 0,9 λ y λ, la ganancia fue baja debido al aumento de los lóbulos de rejilla. Por lo tanto, el espaciado entre elementos a 0,7λ era el más adecuado ya que la ganancia obtenida era alta y el espaciado entre elementos no estaba demasiado lejos en comparación con 0,8λ, lo que aumentaría el tamaño de la antena.
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Figura 11. Tendencia del valor de ganancia en el rango del espaciado entre elementos.
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Figura 12. Aislamiento de la S12 a 15 GHz con la variación del espaciado entre elementos.

3.3. Resultados

Para la validación del diseño propuesto, se fabricó el conjunto de antenas de grafeno impreso con una ranura rectangular como se presenta en la Figura 13a. El conjunto de antenas se conectó a un divisor de potencia externo para determinar el S11 medición a través de un analizador de red de rendimiento y luego para la comparación con el S simulado11 como se muestra en la figura 14. Se encontró que tanto el S simulado como el medido11 fueron inferiores a -10 dB en las bandas de frecuencias de 14,30 GHz a 15,70 GHz y de 11,10 GHz a 18,30 GHz, respectivamente, que se incluyen en la frecuencia propuesta para 5G. La frecuencia de resonancia para el resultado medido fue aproximadamente la misma que el resultado de la simulación, 14,78 GHz. Sin embargo, algunas ondulaciones aparecieron en la medida S11 debido a la pérdida de cable de los conjuntos de cables semirrígidos reformables que se conectaron entre el conjunto de antenas de grafeno impreso y el divisor de potencia externo de 1 a 4, como se muestra en la Figura 13b. La S medida11 También tenía un amplio ancho de banda en comparación con la simulación debido a la imprevista dieléctrica, conductividad o composición formada por la tinta de grafeno después del proceso de curado. La figura 15a,b muestra los parámetros S simulados y medidos entre los cuatro elementos, respectivamente. Todos los resultados presentados estuvieron de acuerdo con el nivel de aislamiento.
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Figura 13. Matriz de antenas de grafeno impresas de 4 elementos fabricadas (a) con el conector SMA, (b) conectadas a conjuntos de cables semirrígidos reformables y un divisor de potencia externo de 1 a 4.
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Figure 14. Reflection coefficient magnitude of the antenna array, showing simulated S11 in a solid curve and measured S11 in a dashed curve.
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Figure 15. S-parameter of the printed graphene antenna array for (a) the simulation and (b) measurement.
The performance of the printed graphene antenna array with the rectangular slot was validated by measuring the radiation pattern. The simulated and measured normalised radiation patterns were plotted in the E-plane and H-plane at a respective frequency as shown in Figure 16a,b. It was observed that the measured radiation patterns in the E-plane of the printed graphene antenna array were nearly bidirectional as shown by the simulated radiation pattern, but the reading at 30° to 120° was not similar to that of the simulation since several Re-Formable Semi-Rigid Cable Assemblies were connected to the antenna array which were located at 90° during the rotation of the measurement as shown in Figure 16a. Meanwhile, the radiation pattern of the H-plane showed good agreement between the measurement and the simulation which were two directive beams at 0° and 180° except between 240° to 300° due to the tape used on the foam or disturbance by the holder when holding the antenna array at 270° as shown in Figure 16b. The holder was made by flame retardant-4 (FR-4). These disturbances are shown in Figure 17a,b. The measurements resulted in a half power beam width (HPBW) of 21.2° and an SLL of −13 dB compared to the simulation result with a HPBW bandwidth of 18.9° and −12.3 dB. From the radiation pattern presented, the measured gain achieved was 8.41 dBi and 9.50 dBi for the simulation. Table 5 presents the comparison between the simulation and measurement results of the printed graphene antenna array.
Sensors 19 04835 g016 550
Figure 16. Comparison of the results of the radiation pattern of the printed graphene antenna array at (a) the E-plane and (b) H-plane.
Sensors 19 04835 g017 550
Figure 17. The radiation pattern measurement read together with (a) re-formable semi-rigid cable assemblies and (b) the holder and tape to attach on the foam.
Table 5. Detail of simulation and measurement of antenna array performance.
Table

3.4. Scanning Performance

Theoretically, scanning phased array can be evaluated by Equation (4):
�=− �� ��� ��.
This means that the maximum radiation can be scanned in any direction by controlling its progressive phase shifts. The scanning performance of a 4 element printed graphene antenna array with a ground slot was simulated with CST Microwave Studio. The simulated angles are listed in Table 6. The arrays were activated by four ports with the same magnitude, while the scanning was operated by the phase control at each port. The array yielded a scan angle up to 39.05° in simulation, and a gain of 6.24 dBi to 9.50 dBi. Figure 18 shows the radiation patterns of the H-plane with the scanning array at 15 GHz.
Sensors 19 04835 g018 550
Figure 18. Simulation of beam scanning array.
Table 6. Simulated beam steering performance.
Mesa

4. Conclusiones

Se estudiaron las prestaciones de las antenas de grafeno impresas para elementos individuales y de matriz a 15 GHz. El conjunto de antenas de 4 elementos se fabricó con éxito mediante la introducción de una ranura rectangular para reducir el acoplamiento mutuo. A partir de los resultados del ancho de banda de impedancia, la ganancia de antena y la eficiencia de la antena, la antena de grafeno impresa en un solo elemento cumple con el requisito de 5G, a la par con el elemento de matriz que tiene alta ganancia, un haz estrecho y es orientable. Esta pequeña antena es comparable con otros metales de película delgada y ofrece otra selección de métodos alternativos para producir antenas de menor tamaño. El desafío en este trabajo fue controlar el sustrato dieléctrico y la conductividad del grafeno durante el proceso de curado, lo que causó un resultado ligeramente diferente. En el futuro, la antena de grafeno se puede mejorar utilizando una tinta de grafeno de mayor conductividad o la elección de la tinta de grafeno no debe implicar un proceso de curado para mantener la conductividad y la estabilidad dieléctrica.

Contribuciones del autor

Conceptualización, investigación, análisis formal, redacción—preparación del borrador original, S.N.H.S.; supervisión, validación, M.H.J.; supervisión, revisión y edición, M.R.K.; supervisión, revisión, F.A.; revisión, recursos de medición, K.K.; recursos de medición, Y.Y.; asistencia de medición, I.H.I.

Financiación

Este trabajo fue apoyado por el Ministerio de Educación Superior (MOHE) bajo FRGS (voto 4F283 y 4F733), Research University Grant (votos 19H56 y 03G59), Higher Centre of Excellence Grant (voto 4J220) y Science Fund Grant (voto 4S134).

Conflictos de intereses

Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.

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