Antenne ME-Dipole à quatre ports avec méta-lentille

Les antennes MIMO (Multiple-input-multiple-output) sont les plus adaptées aux systèmes de communication sans fil modernes, où la réduction des effets d'évanouissement par trajets multiples, l'amélioration du débit binaire et l'augmentation de la capacité sont simultanément nécessaires dans le cadre de contraintes strictes sur la largeur de bande et les niveaux de puissance du système. Pour les applications MIMO, il est nécessaire de disposer d'une diversité de motifs. Cependant, les antennes à diversité de formes souffrent d'un couplage mutuel. Par conséquent, l'idée proposée est étendue ici à une antenne ME-dipôle à quatre ports chargée de trois plaques SRR, comme le montre la figure 7.11. Il convient de noter que les plaques SRR sont situées au centre de chaque antenne pour assurer la déviation du faisceau. De plus, chaque dalle contient des cellules unitaires SRR de 12 × 12. Dans cette configuration, deux dipôles ME sont situés le long de la direction x et les deux autres le long de la direction y et réalisent deux polarisations orthogonales résultant du découplage entre les ports. Ainsi, une isolation élevée peut être acquise entre eux.

En effet, cette structure MIMO orthogonale basée sur PRGW et chargée avec SRR est proposée pour la première fois dans ce travail pour fournir une diversité spatiale et de diagramme avec une bonne performance d'isolation simultanément pour les applications en ondes millimétriques.

Puisque chaque paire de dipôles ME est orthogonale à l'autre et que la polarisation de chaque paire de dipôles ME est différente, les cellules unitaires SRR devraient supporter les deux polarisations. Pour ce faire, une double cellule unitaire SRR comme celle de la figure 7.12 est utilisée. Cette structure comporte un grand SRR sur le dessus du substrat, qui réagit à la polarisation dans la direction x, et un petit SRR sur la surface inférieure du substrat qui réagit à la polarisation dans la direction y. Il est imprimé sur un substrat RT5870, avec une permittivité relative de 2,3, et une épaisseur de 0,254 mm. La cellule unitaire SRR

Chapitre. 7. Antennes dipôles magnéto-électriques chargées avec une méta-lentille pour les applications MIMO 5G à diversité de formes

proposée, telle que la perméabilité, a été extraite en appliquant les conditions limites PEC et PMC dans les plans yz et xy, respectivement, et deux ports d'onde dans les plans xz lorsque le champ électrique est polarisé dans la direction x. Inversement, lorsque le champ électrique est polarisé dans la direction y, les deux ports d'onde sont situés dans les plans yz et les conditions limites PEC et PMC sont considérées dans les plans xz et xy, respectivement. La figure 7.13 montre les paramètres S et la perméabilité extraite de la cellule unitaire double SRR proposée lorsque le champ électrique est polarisé dans les directions x et y. Elle montre que le coefficient de transmission du SRR est proche de zéro dB sur la bande Ka pour les deux polarisations, ce qui signifie que l'onde TE traverse complètement la dalle du SRR sans aucune réflexion. De plus, une perméabilité effective inférieure à un est générée sur la bande de fréquence Ka pour les polarisations dans les directions x et y lorsque le champ H est normal à l'axe de la cellule unitaire du SRR. Ainsi, nous pouvons considérer un ensemble de cellules unitaires proposées comme une méta-lentille à double polarisation et à faible indice.

Fig. 7.11 : Antenne ME-dipôle à quatre ports chargée avec une méta-lentille SRR.

(a) (b)

Fig. 7.12: Configuration de la cellule unitaire SRR à double polarisation proposée, (a) vue de dessus (les dimensions sont en mm), et (b) vue 3D.

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Fig. 7.13. Paramètres S et perméabilité effective de la cellule unitaire SRR à double polarisation proposée de la Fig. 7.12.

Le diagramme de rayonnement de l'antenne dans le plan E à 30 GHz est illustré à la figure 7.14. On peut y voir qu’en activant un port et en désactivant les autres ports, le faisceau est dévié de 40 degrés par rapport à l'axe de l'antenne (direction z). Plus important encore, avec la structure proposée, quatre régions peuvent être couvertes et des diagrammes de rayonnement reconfigurables peuvent être obtenus. Les diagrammes de rayonnement 3D de l'antenne dipôle ME à quatre ports chargée avec la méta-lentille SRR sont illustrés sur la figure 7.15 à 30 GHz. Les résultats montrent que le faisceau est dévié de ±40º dans chaque quadrant du plan d'élévation avec un gain de crête maximum simulé de 13,56 dBi à 29,5 GHz.

Fig. 7.14 : Diagrammes de rayonnement normalisés simulés du plan E de l'antenne ME-dipôle à quatre ports chargée avec la méta-lentille SRR à 30 GHz, pour une excitation séquentielle des ports dans (a) le plan xz, et (b) le plan yz.

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Fig. 7.15 : Diagrammes de rayonnement 3D simulés à 30 GHz. (a) Port 1 excité, (b) Port 2 excité, (c) Port 3 excité, et (d) Port 4 excité.

Le diagramme de rayonnement de l'antenne en fonction du nombre de couches SRR lorsque le port 1 est excité et que les autres ports sont fermés, est présenté à la figure 7.16. Elle montre qu'un angle de balayage plus important dans le plan E peut être réalisé en augmentant le nombre de dalles le long de la direction z.

De plus, lorsque le faisceau de rayonnement est incliné, le gain de l'antenne s'améliore. Cette caractéristique est contraire à celle des antennes réseaux à déphasage, où le gain diminue à mesure que l'angle de balayage augmente.

L'espacement optimal entre les éléments des dalles SRR a été obtenu à 0,12λ où la distance entre l'antenne et la première dalle est de 0,18λ pour faciliter l'interaction mutuelle entre l'antenne et les dalles. Par conséquent, l'épaisseur de la méta-lentille MNZ dans le sens de la largeur est de 0,45λ à 30 GHz.

Fig. 7.16 : Diagramme de rayonnement simulé dans le plan E de l'antenne ME-dipôle à quatre ports proposée, chargée avec une méta-lentille SRR pour un nombre différent de couches SRR lorsque le port 1 est excité et que les autres ports

sont terminés à 30 GHz.

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