Integrated Multi-Port SIW Antenna with Self-Quadruplexing Capability and Circular Polarization Features for 6G Communication System

Draadloze communicatie is altijd een spel van ruimte en efficiëntie geweest. Naarmate onze apparaten meer data en snellere verbindingen eisen, moeten de antennes die deze signalen verzenden en ontvangen kleiner, slimmer en in staat zijn om meerdere taken tegelijkertijd uit te voeren. Traditioneel gezien, als een apparaat op vier verschillende radiofrequenties tegelijkertijd moest communiceren, had het een complex web van externe draden en filters nodig om de signalen van elkaar te scheiden. Dit voegde omvang en complexiteit toe, wat een probleem is voor de gestroomlijnde, compacte apparaten van de toekomst. Ingenieurs hebben gewerkt aan een manier om antennes te bouwen die deze signalen van nature binnen één enkel, plat stuk hardware kunnen scheiden, waardoor de noodzaak voor die extra componenten wordt geëlimineerd. Dit concept, bekend als zelf-multiplexing, stelt een enkele antenne in staat om als vier verschillende radio's te fungeren, elk afgestemd op zijn eigen frequentie, die allemaal samenwerken zonder elkaar in de weg te zitten.

In een recente studie hebben onderzoekers van het Jabalpur Engineering College in India dit idee een stap verder gebracht door een nieuw type antenne te ontwerpen die niet alleen vier frequenties tegelijkertijd verwerkt, maar ook de radiogolven op een specifieke manier vormgeeft om de signaalkwaliteit te verbeteren. Ze creëerden een compact, plat apparaat gebouwd op een standaard printplaatmateriaal, waarbij ze een techniek gebruikten die radiogolven gevangen houdt in een minuscule, afgesloten kamer gemaakt van metalen pinnen. Dit ontwerp stelt de antenne in staat om op vier afzonderlijke banden te werken, die cruciaal zijn voor de volgende generatie draadloze netwerken. Wat dit werk bijzonder opmerkelijk maakt, is dat de onderzoekers de antenne de speciale eigenschap van circulaire polarisatie hebben kunnen geven. In plaats van golven te verzenden die in één enkel vlak trillen, zendt deze antenne golven uit die draaien terwijl ze reizen, vergelijkbaar met een kurkentrekker. Deze draaiende beweging helpt het signaal sterk te blijven, zelfs als het ontvangende apparaat gekanteld of gedraaid is, een veelvoorkomend probleem in mobiele communicatie.

Het team begon met een platte, rechthoekige holte omringd door een ring van kleine metalen palen die fungeren als wanden om de energie binnen te houden. Binnen deze holte plaatsten ze vier verschillende stralende patches, die elk op een specifieke grootte zijn gesneden om op een andere frequentie te resoneren. Door de lengte van deze patches zorgvuldig aan te passen, stemden ze de antenne af om te werken op 5,3 GHz, 5,7 GHz, 6,8 GHz en 7,6 GHz. Om ervoor te zorgen dat deze vier signalen niet in elkaar overvloeien, testten de onderzoekers de isolatie tussen de poorten, oftewel de aansluitpunten voor de signalen. Ze ontdekten dat de signalen volledig gescheiden bleven, met een isolatieniveau dat de 30 decibel overschreed, wat betekent dat de interferentie tussen kanalen verwaarloosbaar was. Dit hoge niveau van scheiding is cruciaal voor een systeem om betrouwbaar te functioneren zonder gegevens te verliezen of ruis te creëren.

Om het effect van de draaiende golf te bereiken, sneden de onderzoekers een unieke, trapvormige gleuf in elke van de vier stralende patches. Deze eenvoudige modificatie veranderde de manier waarop de elektrische stroom over het oppervlak stroomde, waardoor er twee licht verschillende golfpatronen ontstonden die samen de gewenste circulaire draai vormden. Wanneer ze de antenne testten, bevestigden ze dat deze circulaire polarisatie produceerde over alle vier de frequentiebanden. De prestaties werden gemeten met een prototype gebouwd op een gangbaar printplaatmateriaal, en de resultaten kwamen nauw overeen met hun computersimulaties. De antenne vertoonde piekversterkingen, een maatstaf voor hoe goed het energie in een specifieke richting kan focussen, variërend van 5,12 tot 6,0 decibel. Deze cijfers duiden op een sterk, efficiënt signaal dat goed geschikt is voor moderne communicatiebehoeften.

De onderzoekers ontdekten ook dat het ontwerp maakte dat onafhankelijke afstemming mogelijk was. Als ze een van de frequenties omhoog of omlaag moesten verschuiven, konden ze de grootte van slechts één specifieke patch aanpassen zonder de andere drie te verstoren. Deze flexibiliteit is een aanzienlijk voordeel voor de productie, aangezien het betekent dat de antenne gemakkelijk kan worden aangepast aan verschillende netwerkvereisten zonder het hele systeem opnieuw te ontwerpen. De studie concludeert dat deze enkele, platte structuur succesvol vier afzonderlijke werkbanden combineert met een hoge isolatie en circulaire polarisatie, waardoor de noodzaak voor volumineuze externe filters wordt weggenomen. Door te bewijzen dat een dergelijk complex, multifunctioneel systeem kan worden gebouwd in een klein, eenvoudig pakket, biedt dit werk een praktische oplossing voor de compacte, hoogwaardige draadloze apparaten die in de komende jaren worden verwacht.