Ова дело предлага компактна интегрирана мулти-влезна повеќе-излез (MIMO) метапојасна антена (MS) за безжични комуникациски системи од петтата генерација (5G) под-6 GHz. Очигледната новина на предложениот MIMO систем е неговата широка оперативна пропусност, голема добивка, мали празнини меѓу компонентите и одлична изолација во рамките на MIMO компонентите. Зрачното место на антената е скратено дијагонално, делумно заземјено, а метаповршините се користат за подобрување на перформансите на антената. Предложениот прототип на интегрирана единечна антена MS има минијатурни димензии од 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Резултатите од симулацијата и мерењето покажуваат перформанси на широк опсег од 3,11 GHz до 7,67 GHz, вклучувајќи го и највисокото засилување постигнато од 8 dBi. Системот MIMO со четири елементи е дизајниран така што секоја антена е ортогонална една на друга, додека одржува компактна големина и перформанси на широк опсег од 3,2 до 7,6 GHz. Предложениот прототип MIMO е дизајниран и изработен на подлогата Rogers RT5880 со мала загуба и минијатуризирани димензии од 1,05? 1.05? 0,02?, а неговата изведба се оценува со помош на предложената резонаторна низа со затворен квадрат со прстен со поделен прстен 10 x 10. Основниот материјал е ист. Предложената метаповршина на задната рамнина значително го намалува задното зрачење на антената и манипулира со електромагнетните полиња, а со тоа ја подобрува пропусниот опсег, засилувањето и изолацијата на компонентите MIMO. Во споредба со постоечките MIMO антени, предложената 4-портна MIMO антена постигнува високо засилување од 8,3 dBi со просечна вкупна ефикасност до 82% во опсегот 5G под-6 GHz и е во добра согласност со измерените резултати. Покрај тоа, развиената MIMO антена покажува одлични перформанси во однос на коефициентот на корелација на обвивката (ECC) помал од 0,004, засилување на различноста (DG) од околу 10 dB (>9,98 dB) и висока изолација помеѓу компонентите MIMO (>15,5 dB). карактеристики. Така, предложената MIMO антена базирана на MS ја потврдува нејзината применливост за комуникациски мрежи под 6 GHz 5G.
Технологијата 5G е неверојатен напредок во безжичните комуникации што ќе овозможи побрзи и побезбедни мрежи за милијарди поврзани уреди, ќе обезбеди корисничко искуство со „нула“ латентност (латентност помала од 1 милисекунда) и ќе воведе нови технологии, вклучително и електроника. Медицинска нега, интелектуално образование. , паметните градови, паметните домови, виртуелната реалност (VR), паметните фабрики и Интернетот на возила (IoV) ги менуваат нашите животи, општеството и индустриите1,2,3. Федералната комисија за комуникации на САД (FCC) го дели 5G спектарот на четири фреквенциски опсези4. Фреквенцискиот опсег под 6 GHz е од интерес за истражувачите бидејќи овозможува комуникација на долги растојанија со високи стапки на податоци5,6. Распределбата на спектарот под-6 GHz 5G за глобалните 5G комуникации е прикажана на Слика 1, што покажува дека сите земји размислуваат за спектарот под-6 GHz за 5G комуникации7,8. Антените се важен дел од 5G мрежите и ќе бараат повеќе базни станици и кориснички терминални антени.
Антените за закрпи со микролента ги имаат предностите на тенкост и рамна структура, но се ограничени во пропусниот опсег и добивката9,10, толку многу истражувања се направени за да се зголеми засилувањето и пропусниот опсег на антената; Во последниве години, метаповршините (MS) се широко користени во антените технологии, особено за подобрување на засилувањето и пропусната моќ11,12, меѓутоа, овие антени се ограничени на една порта; Технологијата MIMO е важен аспект на безжичните комуникации бидејќи може да користи повеќе антени истовремено за пренос на податоци, со што се подобруваат стапките на податоци, спектралната ефикасност, капацитетот на каналот и доверливоста13,14,15. Антените MIMO се потенцијални кандидати за 5G апликации бидејќи можат да пренесуваат и примаат податоци преку повеќе канали без да бараат дополнителна енергија16,17. Взаемниот ефект на спојување помеѓу компонентите на MIMO зависи од локацијата на елементите MIMO и засилувањето на MIMO антената, што е голем предизвик за истражувачите. На сликите 18, 19 и 20 се прикажани различни MIMO антени кои работат во опсегот 5G под-6 GHz, а сите покажуваат добра изолација и перформанси MIMO. Сепак, добивката и оперативниот опсег на овие предложени системи се ниски.
Метаматеријалите (ММ) се нови материјали кои не постојат во природата и можат да манипулираат со електромагнетни бранови, а со тоа да ги подобрат перформансите на антените21,22,23,24. MM сега е широко користен во технологијата на антени за да се подобри шемата на зрачење, пропусниот опсег, засилувањето и изолацијата помеѓу елементите на антената и безжичните комуникациски системи, како што е дискутирано во 25, 26, 27, 28. Во 2029 година, MIMO систем со четири елементи базиран на метаповршина, во која делот на антената е сместен меѓу метаповршината и земјата без воздушен јаз, што ги подобрува перформансите на MIMO. Сепак, овој дизајн има поголема големина, помала работна фреквенција и сложена структура. Електромагнетна јамка (EBG) и заземјување се вклучени во предложената 2-портна широкопојасна MIMO антена за да се подобри изолацијата на компонентите MIMO30. Дизајнираната антена има добри перформанси за разновидност на MIMO и одлична изолација помеѓу две MIMO антени, но користејќи само две MIMO компоненти, добивката ќе биде мала. Покрај тоа, in31, исто така, предложи MIMO антена со двојна порта со ултра широк опсег (UWB) и ги истражи нејзините перформанси MIMO користејќи метаматеријали. Иако оваа антена е способна за работа со UWB, нејзината добивка е мала, а изолацијата помеѓу двете антени е слаба. Работата во 32 предлага MIMO систем со 2 порти кој користи рефлектори со електромагнетни bandgap (EBG) за да го зголеми засилувањето. Иако развиената антена низа има висока добивка и добри перформанси на разновидност на MIMO, нејзината голема големина ја отежнува примената кај комуникациските уреди од следната генерација. Друга широкопојасна антена базирана на рефлектор беше развиена во 33 година, каде што рефлекторот беше интегриран под антената со поголем јаз од 22 mm, покажувајќи помало максимално засилување од 4,87 dB. Paper 34 дизајнира четири-портна MIMO антена за mmWave апликации, која е интегрирана со слојот MS за да ја подобри изолацијата и добивката на системот MIMO. Сепак, оваа антена обезбедува добра добивка и изолација, но има ограничен опсег и слаби механички својства поради големиот воздушен јаз. Слично на тоа, во 2015 година, развиена е метаповршинска интегрирана MIMO антена со три пара, 4-порти во форма на машничка, интегрирана за mmWave комуникации со максимална добивка од 7,4 dBi. B36 MS се користи на задната страна на антената 5G за да се зголеми засилувањето на антената, каде што метаповршината делува како рефлектор. Сепак, структурата на MS е асиметрична и помалку внимание е посветено на структурата на единицата клетка.
Според горенаведените резултати од анализата, ниту една од горенаведените антени нема висока добивка, одлична изолација, MIMO перформанси и широкопојасна покриеност. Затоа, сè уште има потреба од метаповршинска MIMO антена која може да покрие широк опсег на фреквенции на спектарот 5G под 6 GHz со голема добивка и изолација. Имајќи ги предвид ограничувањата на горенаведената литература, предложен е широкопојасен систем со четири елементи MIMO антена со висока добивка и одлични перформанси за разновидност за безжични комуникациски системи под-6 GHz. Дополнително, предложената MIMO антена покажува одлична изолација помеѓу компонентите MIMO, мали празнини во елементите и висока ефикасност на зрачење. Закрпата на антената е скратена дијагонално и поставена на врвот на метаповршината со воздушен јаз од 12 mm, што го рефлектира назад зрачењето од антената и го подобрува засилувањето и насоченоста на антената. Дополнително, предложената единечна антена се користи за создавање на четири-елементна MIMO антена со супериорни перформанси MIMO со позиционирање на секоја антена ортогонално една до друга. Развиената MIMO антена потоа беше интегрирана врз низа од 10 × 10 MS со бакарна задна рамнина за да се подобрат перформансите на емисијата. Дизајнот се одликува со широк работен опсег (3,08-7,75 GHz), високо засилување од 8,3 dBi и висока просечна вкупна ефикасност од 82%, како и одлична изолација од поголема од -15,5 dB помеѓу компонентите на MIMO антената. Развиената MIMO антена базирана на MS беше симулирана со користење на 3D електромагнетен софтверски пакет CST Studio 2019 и потврдена преку експериментални студии.
Овој дел дава детален вовед во предложената архитектура и методологијата за дизајн на една антена. Дополнително, детално се дискутираат симулираните и набљудуваните резултати, вклучувајќи ги параметрите на расејување, засилувањето и вкупната ефикасност со и без метаповршини. Прототипот на антена е развиен на диелектрична подлога со мала загуба Rogers 5880 со дебелина од 1,575 mm со диелектрична константа од 2,2. За да се развие и симулира дизајнот, користен е електромагнетниот симулаторски пакет CST studio 2019.
Слика 2 го прикажува предложениот модел на архитектура и дизајн на антена со еден елемент. Според добро воспоставените математички равенки37, антената се состои од линеарно напојувана квадратна зрачна точка и бакарна заземјена рамнина (како што е опишано во чекор 1) и резонира со многу тесен опсег на 10,8 GHz, како што е прикажано на слика 3б. Почетната големина на радијаторот на антената се одредува според следната математичка врска37:
Онаму каде \(P_{L}\) и \(P_{w}\) се должината и ширината на фластерот, c ја претставува брзината на светлината, \(\gamma_{r}\) е диелектричната константа на подлогата . , \(\gamma_{reff }\) ја претставува ефективната диелектрична вредност на местото на зрачење, \(\Delta L\) ја претставува промената во должината на точката. Задниот дел на антената беше оптимизиран во втората фаза, зголемувајќи го пропусниот опсег на импедансата и покрај многу ниската импеданса пропусен опсег од 10 dB. Во третата фаза, позицијата на фидерот се поместува надесно, со што се подобрува пропусниот опсег на импедансата и усогласувањето на импедансата на предложената антена38. Во оваа фаза, антената покажува одличен оперативен опсег од 4 GHz и исто така го покрива спектарот под 6 GHz во 5G. Четвртата и последна фаза вклучува офорт на квадратни жлебови во спротивните агли на местото на зрачење. Овој слот значително го проширува пропусниот опсег од 4,56 GHz за да го покрие 5G спектарот под-6 GHz од 3,11 GHz на 7,67 GHz, како што е прикажано на Слика 3б. Предниот и долниот перспективен поглед на предложениот дизајн се прикажани на слика 3а, а конечните оптимизирани потребни параметри за дизајн се следните: SL = 40 mm, Pw = 18 mm, PL = 18 mm, gL = 12 mm, fL = 11. mm, fW = 4,7 mm, c1 = 2 mm, c2 = 9,65 mm, c3 = 1,65 mm.
(а) Горниот и заден поглед на дизајнираната единечна антена (CST STUDIO SUITE 2019). (б) Крива на параметарот S.
Метаповршина е термин кој се однесува на периодична низа од единечни ќелии лоцирани на одредено растојание една од друга. Метаповршините се ефикасен начин за подобрување на перформансите на зрачењето на антената, вклучително и пропусниот опсег, засилувањето и изолацијата помеѓу компонентите на MIMO. Поради влијанието на ширењето на површинските бранови, метаповршините генерираат дополнителни резонанции кои придонесуваат за подобрување на перформансите на антената39. Оваа работа предлага епсилон-негативна метаматеријална единица (MM) која работи во опсегот 5G под 6 GHz. MM со површина од 8mm×8mm е развиен на подлога Rogers 5880 со мала загуба со диелектрична константа од 2,2 и дебелина од 1,575mm. Оптимизираната MM резонаторска лепенка се состои од внатрешен кружен поделен прстен поврзан со два модифицирани надворешни сплит прстени, како што е прикажано на Слика 4а. Слика 4а ги сумира конечните оптимизирани параметри на предложеното поставување MM. Последователно, метаповршинските слоеви од 40 × 40 mm и 80 × 80 mm беа развиени без бакарна задна рамнина и со бакарна задна рамнина користејќи 5 × 5 и 10 × 10 клеточни низи, соодветно. Предложената ММ структура беше моделирана со користење на софтвер за 3Д електромагнетно моделирање „CST studio suite 2019“. Фабрикуван прототип на предложената структура на MM низа и поставување на мерење (мрежен анализатор со две порти PNA и порта за брановоди) е прикажан на Слика 4б за да се потврдат резултатите од симулацијата на CST со анализа на вистинскиот одговор. Поставувањето на мерењето користеше мрежен анализатор од серијата Agilent PNA во комбинација со два брановодни коаксијални адаптери (A-INFOMW, број на дел: 187WCAS) за испраќање и примање сигнали. Прототип 5×5 низа беше поставена помеѓу два брановодни коаксијални адаптери поврзани со коаксијален кабел со мрежен анализатор со две порти (Agilent PNA N5227A). Комплетот за калибрација Agilent N4694-60001 се користи за калибрирање на мрежниот анализатор во пилот постројка. Симулираните и CST набљудуваните параметри на расејување на предложениот прототип MM низа се прикажани на Слика 5а. Може да се види дека предложената MM структура резонира во фреквенцискиот опсег 5G под 6 GHz. И покрај малата разлика во пропусниот опсег од 10 dB, симулираните и експерименталните резултати се многу слични. Резонантната фреквенција, пропусниот опсег и амплитудата на набљудуваната резонанца се малку различни од симулираните, како што е прикажано на слика 5а. Овие разлики помеѓу набљудуваните и симулираните резултати се должат на производствени несовршености, мали празнини помеѓу прототипот и портите на брановоди, ефектите на спојување помеѓу портите на брановодот и компонентите на низата и толеранциите за мерење. Дополнително, правилното поставување на развиениот прототип помеѓу портите за брановоди во експерименталното поставување може да резултира со поместување на резонанца. Дополнително, беше забележан несакан шум во фазата на калибрација, што доведе до несовпаѓања помеѓу нумеричките и измерените резултати. Како и да е, освен овие тешкотии, предложениот прототип на MM низа функционира добро поради силната корелација помеѓу симулацијата и експериментот, што го прави добро прилагоден за апликации за безжична комуникација 5G под 6 GHz.
(а) Геометрија на единицата ќелија (S1 = 8 mm, S2 = 7 mm, S3 = 5 mm, f1, f2, f4 = 0,5 mm, f3 = 0,75 mm, h1 = 0,5 mm, h2 = 1,75 mm) (CST STUDIO SUITE) ) 2019) (б) Фотографија од поставката за мерење MM.
(а) Симулација и верификација на кривите на параметарот на расејување на прототипот на метаматеријалот. (б) Диелектрична константна крива на MM единечна ќелија.
Релевантните ефективни параметри како што се ефективната диелектрична константа, магнетната пропустливост и индексот на рефракција беа проучувани со користење на вградени техники за пост-обработка на електромагнетниот симулатор CST за понатамошно анализирање на однесувањето на единицата MM ќелија. Ефективните MM параметри се добиваат од параметрите на расејување со користење на робустен метод на реконструкција. Следниве равенки за пропустливост и коефициент на рефлексија: (3) и (4) може да се користат за одредување на индексот на прекршување и импедансата (види 40).
Реалните и имагинарните делови на операторот се претставени со (.)' и (.)“, соодветно, а цел бројната вредност m одговара на реалниот индекс на прекршување. Диелектричната константа и пропустливоста се одредуваат со формулите \(\varepsilon { } = {}n/z,\) и \(\mu = nz\), кои се базираат на импеданса и индекс на рефракција, соодветно. Ефективната диелектрична константа крива на структурата ММ е прикажана на слика 5б. На резонантната фреквенција, ефективната диелектрична константа е негативна. На сликите 6а,б се прикажани извлечените вредности на ефективна пропустливост (μ) и ефективен индекс на рефракција (n) на предложената единица ќелија. Имено, извлечените пропусти покажуваат позитивни реални вредности блиску до нула, што ги потврдува ипсилон-негативните (ENG) својства на предложената ММ структура. Покрај тоа, како што е прикажано на Слика 6а, резонанцијата при пропустливост блиску до нула е силно поврзана со резонантната фреквенција. Развиената единица ќелија има негативен индекс на рефракција (сл. 6б), што значи дека предложениот MM може да се користи за подобрување на перформансите на антената21,41.
Развиениот прототип на една широкопојасна антена беше фабрикуван за експериментално тестирање на предложениот дизајн. На сликите 7а, б се прикажани слики од предложениот прототип на една антена, нејзините структурни делови и поставувањето за мерење во близина на поле (SATIMO). За да се подобрат перформансите на антената, развиената метаповршина се поставува во слоеви под антената, како што е прикажано на слика 8а, со висина h. На задната страна на единечната антена беше нанесена единечна метаповршина со двослој од 40 mm x 40 mm во интервали од 12 mm. Покрај тоа, метаповршина со задна рамнина е поставена на задната страна на една антена на растојание од 12 mm. По примената на метаповршината, единечната антена покажува значително подобрување во перформансите, како што е прикажано на сликите 1 и 2. Слика 8 и 9. Слика 8б ги прикажува симулираните и измерените графици на рефлексија за една антена без и со метаповршини. Вреди да се напомене дека опсегот на покривање на антена со метаповршина е многу сличен на опсегот на покриеност на антена без метаповршина. На сликите 9а,б е прикажана споредба на симулираното и набљудуваното засилување на една антена и вкупната ефикасност без и со MS во оперативниот спектар. Може да се види дека, во споредба со неметаповршинската антена, засилувањето на метаповршинската антена е значително подобрено, зголемувајќи се од 5,15 dBi на 8 dBi. Добивањето на еднослојната метаповршина, двослојната метаповршина и единечната антена со метаповршина на задна рамнина се зголеми за 6 dBi, 6,9 dBi и 8 dBi, соодветно. Во споредба со другите метаповршини (еднослојни и двослојни MCs), засилувањето на една метаповршинска антена со бакарна задна рамнина е до 8 dBi. Во овој случај, метаповршината делува како рефлектор, намалувајќи го задното зрачење на антената и манипулирајќи со електромагнетните бранови во фаза, а со тоа ја зголемува ефикасноста на зрачењето на антената, а со тоа и засилувањето. Студија за вкупната ефикасност на една антена без и со метаповршини е прикажана на слика 9б. Вреди да се напомене дека ефикасноста на антената со и без метаповршина е речиси иста. Во долниот фреквентен опсег, ефикасноста на антената малку се намалува. Експерименталните и симулираните криви на засилување и ефикасност се во добра согласност. Сепак, постојат мали разлики помеѓу симулираните и тестираните резултати поради производствени дефекти, мерните толеранции, загубата на SMA приклучокот за поврзување и загубата на жица. Покрај тоа, антената и MS рефлекторот се наоѓаат помеѓу најлонските разделници, што е уште еден проблем што влијае на набљудуваните резултати во споредба со резултатите од симулацијата.
Слика (а) ја прикажува комплетираната единечна антена и нејзините придружни компоненти. (б) Поставување мерење во близина (SATIMO).
(а) Побудување на антената со помош на метаповршински рефлектори (CST STUDIO SUITE 2019). (б) Симулирани и експериментални рефлектирања на една антена без и со MS.
Резултати од симулација и мерење на (а) постигнатото засилување и (б) целокупната ефикасност на предложената антена со метаповршински ефект.
Анализа на шема на зрак со помош на MS. Мерењата на блиско поле со една антена беа извршени во SATIMO Near-Field Experimental Environment на UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Слики 10а, б ги прикажуваат симулираните и набљудуваните модели на зрачење на E-рамнина и H-рамнина на 5,5 GHz за предложената единечна антена со и без MS. Развиената единечна антена (без MS) обезбедува конзистентна двонасочна шема на зрачење со вредности на страничните лобуси. По примената на предложениот MS рефлектор, антената обезбедува еднонасочна шема на зрачење и го намалува нивото на задните лобуси, како што е прикажано на сликите 10а, б. Вреди да се напомене дека предложената шема на зрачење со една антена е постабилна и еднонасочна со многу низок грб и странични лобуси кога се користи метаповршина со бакарна задна рамнина. Предложениот рефлектор со низа ММ ги намалува задните и страничните лобуси на антената додека ги подобрува перформансите на зрачењето со насочување на струјата во еднонасочни насоки (сл. 10а, б), со што се зголемува засилувањето и насоченоста. Беше забележано дека експерименталната шема на зрачење е речиси споредлива со онаа на CST симулациите, но малку варираше поради неусогласеноста на различните составени компоненти, толеранциите за мерење и загубите на каблите. Дополнително, меѓу антената и рефлекторот MS беше вметнат најлонски разделник, што е уште еден проблем што влијае на набљудуваните резултати во споредба со нумеричките резултати.
Моделот на зрачење на развиената единечна антена (без MS и со MS) на фреквенција од 5,5 GHz беше симулиран и тестиран.
Предложената геометрија на MIMO антената е прикажана на Слика 11 и вклучува четири единечни антени. Четирите компоненти на MIMO антената се распоредени ортогонално една до друга на подлога со димензии 80 × 80 × 1,575 mm, како што е прикажано на слика 11. Дизајнираната MIMO антена има растојание меѓу елементите од 22 mm, што е помало од најблиското соодветно растојание меѓу елементите на антената. Развиена антена MIMO. Покрај тоа, дел од рамнината на земјата се наоѓа на ист начин како и една антена. Вредностите на рефлексија на MIMO антените (S11, S22, S33 и S44) прикажани на Слика 12а го покажуваат истото однесување како антената со еден елемент што резонира во опсегот 3,2-7,6 GHz. Затоа, пропусниот опсег на импедансата на MIMO антената е сосема ист како оној на една антена. Ефектот на спојување помеѓу MIMO компонентите е главната причина за малата загуба на пропусниот опсег на MIMO антените. Слика 12б го прикажува ефектот на меѓусебното поврзување на MIMO компонентите, каде што беше одредена оптималната изолација помеѓу MIMO компонентите. Изолацијата помеѓу антените 1 и 2 е најниска од околу -13,6 dB, а изолацијата помеѓу антените 1 и 4 е најголема со околу -30,4 dB. Поради својата мала големина и поширокиот пропусен опсег, оваа MIMO антена има помала добивка и помала пропусност. Изолацијата е ниска, затоа е потребно зголемено засилување и изолација;
Дизајнерски механизам на предложената MIMO антена (а) поглед одозгора и (б) рамнина на земјата. (CST Studio Suite 2019).
Геометрискиот распоред и методот на возбудување на предложената метаповршинска MIMO антена се прикажани на Слика 13а. Матрица од 10x10mm со димензии 80x80x1.575mm е дизајнирана за задната страна на 12mm висока MIMO антена, како што е прикажано на Слика 13а. Дополнително, метаповршините со бакарни задни рамни се наменети за употреба во MIMO антените за подобрување на нивните перформанси. Растојанието помеѓу метаповршината и антената MIMO е критично за да се постигне голема добивка, притоа овозможувајќи конструктивна интерференција помеѓу брановите генерирани од антената и оние што се рефлектираат од метаповршината. Беше изведено опширно моделирање за да се оптимизира висината помеѓу антената и метаповршината додека се одржуваа стандардите за четвртина бранови за максимална добивка и изолација помеѓу елементите MIMO. Значителните подобрувања во перформансите на MIMO антената постигнати со користење на метаповршини со задни рамнини во споредба со метаповршини без задни рамнини ќе бидат прикажани во следните поглавја.
(а) Поставување на CST симулација на предложената MIMO антена со помош на MS (CST STUDIO SUITE 2019), (б) Криви на рефлексија на развиениот систем MIMO без MS и со MS.
Рефлексиите на MIMO антените со и без метаповршини се прикажани на Слика 13б, каде што се претставени S11 и S44 поради речиси идентичното однесување на сите антени во системот MIMO. Вреди да се напомене дека пропусниот опсег на импеданса од -10 dB на MIMO антена без и со една метаповршина е речиси иста. Спротивно на тоа, пропусниот опсег на импедансата на предложената MIMO антена е подобрен со MS со двослоен и MS задна рамнина. Вреди да се напомене дека без MS, антената MIMO обезбедува фракционален пропусен опсег од 81,5% (3,2-7,6 GHz) во однос на централната фреквенција. Интегрирањето на MS со задната рамнина го зголемува пропусниот опсег на импедансата на предложената MIMO антена на 86,3% (3,08–7,75 GHz). Иако двослојниот MS ја зголемува пропусната моќ, подобрувањето е помало од она на MS со бакарна задна рамнина. Покрај тоа, двослојниот MC ја зголемува големината на антената, ја зголемува нејзината цена и го ограничува нејзиниот опсег. Дизајнираната MIMO антена и метаповршинскиот рефлектор се направени и потврдени за да се потврдат резултатите од симулацијата и да се оценат реалните перформанси. Слика 14а го прикажува фабрикуваниот MS слој и MIMO антената со склопени различни компоненти, додека на Слика 14б е прикажана фотографија од развиениот MIMO систем. Антената MIMO е поставена на врвот на метаповршината со помош на четири најлонски разделувачи, како што е прикажано на Слика 14б. Слика 15а покажува слика од експерименталното поставување во близина на полето на развиениот MIMO антенски систем. Анализатор на PNA мрежа (Agilent Technologies PNA N5227A) беше користен за да се проценат параметрите на расејување и да се проценат и карактеризираат карактеристиките на емисиите во близина на полето во Лабораторијата за системи на блиско поле на UKM SATIMO.
(а) Фотографии од мерења на SATIMO во близина на поле (б) Симулирани и експериментални кривини на антената S11 MIMO со и без MS.
Овој дел претставува компаративна студија на симулираните и набљудуваните S-параметри на предложената 5G MIMO антена. Слика 15б го прикажува експерименталниот заплет на рефлексија на интегрираната 4-елементна MIMO MS антена и ја споредува со резултатите од CST симулацијата. Беше откриено дека експерименталните рефлексии се исти како пресметките на CST, но беа малку различни поради производствените дефекти и експерименталните толеранции. Дополнително, набљудуваната рефлексија на предложениот прототип MIMO базиран на MS го покрива спектарот 5G под 6 GHz со пропусен опсег на импеданса од 4,8 GHz, што значи дека се можни апликации за 5G. Сепак, измерената резонантна фреквенција, пропусниот опсег и амплитудата малку се разликуваат од резултатите од CST симулацијата. Производните дефекти, загубите при спојување од коаксијален кон SMA и поставките за мерење на отворено може да предизвикаат разлики помеѓу измерените и симулираните резултати. Сепак, и покрај овие недостатоци, предложениот MIMO работи добро, обезбедувајќи силна согласност помеѓу симулациите и мерењата, што го прави добро прилагоден за безжични апликации 5G под 6 GHz.
Симулираните и набљудуваните криви на засилување на MIMO антената се прикажани на сликите 2 и 2. Како што е прикажано на сликите 16a,b и 17a,b, соодветно, е прикажана меѓусебната интеракција на MIMO компонентите. Кога метаповршините се применуваат на MIMO антените, изолацијата помеѓу MIMO антените е значително подобрена. Парцелите за изолација помеѓу соседните антени елементи S12, S14, S23 и S34 покажуваат слични кривини, додека дијагоналните MIMO антени S13 и S42 покажуваат слично висока изолација поради поголемото растојание меѓу нив. Симулираните преносни карактеристики на соседните антени се прикажани на Слика 16а. Вреди да се напомене дека во оперативниот спектар на 5G под 6 GHz, минималната изолација на MIMO антена без метаповршина е -13,6 dB, а за метаповршина со задна рамнина - 15,5 dB. Графикот на засилување (Слика 16а) покажува дека метаповршината на задната рамнина значително ја подобрува изолацијата помеѓу елементите на антената MIMO во споредба со еднослојните и двослојните метаповршини. На соседните антени елементи, еднослојните и двослојните метаповршини обезбедуваат минимална изолација од приближно -13,68 dB и -14,78 dB, а метаповршината на бакарната задна рамнина обезбедува приближно -15,5 dB.
Симулирани изолациски криви на MIMO елементи без MS слој и со MS слој: (а) S12, S14, S34 и S32 и (б) S13 и S24.
Експериментални криви на засилување на предложените MS-базирани MIMO антени без и со: (а) S12, S14, S34 и S32 и (б) S13 и S24.
Дијагоналните дијагонала на MIMO графовите за засилување пред и по додавањето на слојот MS се прикажани на Слика 16б. Вреди да се напомене дека минималната изолација помеѓу дијагоналните антени без метаповршина (антени 1 и 3) е – 15,6 dB низ оперативниот спектар, а метаповршина со задна рамнина е – 18 dB. Метаповршинскиот пристап значително ги намалува ефектите на спојување помеѓу дијагоналните MIMO антени. Максималната изолација за еднослојна метаповршина е -37 dB, додека за двослојна метаповршина оваа вредност паѓа на -47 dB. Максималната изолација на метаповршината со бакарна задна рамнина е -36,2 dB, што се намалува со зголемување на опсегот на фреквенција. Во споредба со еднослојните и двослојните метаповршини без задна рамнина, метаповршините со задна рамнина обезбедуваат супериорна изолација низ целиот потребен опсег на работна фреквенција, особено во опсегот 5G под 6 GHz, како што е прикажано на сликите 16а, б. Во најпопуларниот и најшироко користен опсег на 5G под 6 GHz (3,5 GHz), еднослојните и двослојните метаповршини имаат помала изолација помеѓу компонентите на MIMO отколку метаповршините со бакарни задни рамнини (речиси без MS) (види Слика 16а), б) . Мерењата на засилувањето се прикажани на сликите 17а, б, прикажувајќи ја изолацијата на соседните антени (S12, S14, S34 и S32) и дијагоналните антени (S24 и S13), соодветно. Како што може да се види од овие слики (сл. 17а, б), експерименталната изолација помеѓу компонентите на MIMO добро се согласува со симулираната изолација. Иако постојат мали разлики помеѓу симулираните и измерените вредности на CST поради дефекти во производството, приклучоците на SMA портите и загубите на жица. Покрај тоа, антената и MS рефлекторот се наоѓаат помеѓу најлонските разделници, што е уште еден проблем што влијае на набљудуваните резултати во споредба со резултатите од симулацијата.
ја проучувал дистрибуцијата на површинската струја на 5,5 GHz за да ја рационализира улогата на метаповршините во намалувањето на меѓусебното спојување преку потиснување на површинските бранови42. Распределбата на површинската струја на предложената MIMO антена е прикажана на Слика 18, каде што антената 1 е управувана, а остатокот од антената е завршен со оптоварување од 50 оми. Кога антената 1 е вклучена, значителни меѓусебни струи на спојување ќе се појават на соседните антени на 5,5 GHz во отсуство на метаповршина, како што е прикажано на Слика 18а. Напротив, преку употреба на метаповршини, како што е прикажано на Сл. 18б-г, се подобрува изолацијата помеѓу соседните антени. Треба да се забележи дека ефектот на меѓусебното спојување на соседните полиња може да се минимизира со ширење на струјата на спојување на соседните прстени на единечните ќелии и соседните MS единечни ќелии долж слојот MS во антипаралелни насоки. Вбризгувањето струја од дистрибуираните антени до единиците MS е клучен метод за подобрување на изолацијата помеѓу компонентите на MIMO. Како резултат на тоа, струјата на спојување помеѓу компонентите MIMO е значително намалена, а изолацијата е исто така значително подобрена. Бидејќи полето за спојување е широко распространето во елементот, метаповршината на бакарната задна рамнина значително повеќе го изолира склопот на антената MIMO од еднослојните и двослојните метаповршини (Слика 18г). Покрај тоа, развиената MIMO антена има многу ниско задно ширење и странично ширење, создавајќи еднонасочна шема на зрачење, со што се зголемува засилувањето на предложената MIMO антена.
Модели на површинска струја на предложената MIMO антена на 5,5 GHz (а) без MC, (б) еднослоен MC, (в) двослоен MC и (г) еднослоен MC со бакарна задна рамнина. (CST Studio Suite 2019).
Во рамките на работната фреквенција, Слика 19а ги прикажува симулираните и набљудуваните засилувања на дизајнираната MIMO антена без и со метаповршини. Симулираното постигнато засилување на MIMO антената без метаповршина е 5,4 dBi, како што е прикажано на Слика 19а. Поради взаемниот ефект на спојување помеѓу MIMO компонентите, предложената MIMO антена всушност постигнува 0,25 dBi поголема добивка од една антена. Додавањето метаповршини може да обезбеди значителни придобивки и изолација помеѓу компонентите на MIMO. Така, предложената метаповршинска MIMO антена може да постигне високо реализирано засилување до 8,3 dBi. Како што е прикажано на слика 19а, кога се користи една метаповршина на задната страна на антената MIMO, засилувањето се зголемува за 1,4 dBi. Кога метаповршината е двојно зголемена, засилувањето се зголемува за 2,1 dBi, како што е прикажано на слика 19а. Сепак, очекуваното максимално засилување од 8,3 dBi се постигнува при користење на метаповршината со бакарна задна рамнина. Имено, максималното постигнато засилување за еднослојните и двослојните метаповршини е 6,8 dBi и 7,5 dBi, соодветно, додека максималната постигната добивка за метаповршината со долниот слој е 8,3 dBi. Метаповршинскиот слој на задната страна на антената делува како рефлектор, рефлектирајќи го зрачењето од задната страна на антената и го подобрува односот напред-назад (F/B) на дизајнираната MIMO антена. Дополнително, рефлекторот MS со висока импеданса манипулира со електромагнетни бранови во фаза, а со тоа создава дополнителна резонанца и ја подобрува ефикасноста на зрачењето на предложената MIMO антена. Рефлекторот MS инсталиран зад MIMO антената може значително да го зголеми постигнатото засилување, што е потврдено со експериментални резултати. Набљудуваните и симулираните засилувања на развиениот прототип MIMO антена се речиси исти, меѓутоа, на некои фреквенции измерената добивка е поголема од симулираната добивка, особено за MIMO без MS; Овие варијации во експерименталната добивка се должат на мерните толеранции на најлонските перничиња, загубите на кабелот и спојувањето во системот на антена. Максималното измерено засилување на MIMO антената без метаповршина е 5,8 dBi, додека метаповршината со бакарна задна рамнина е 8,5 dBi. Вреди да се напомене дека предложениот комплетен 4-портен MIMO антенски систем со MS рефлектор покажува голема добивка во експериментални и нумерички услови.
Симулација и експериментални резултати на (а) постигнатото засилување и (б) севкупните перформанси на предложената MIMO антена со метаповршински ефект.
Слика 19б ги прикажува севкупните перформанси на предложениот MIMO систем без и со метаповршински рефлектори. На Слика 19б, најниската ефикасност со користење на MS со задна рамнина беше над 73% (надолу до 84%). Целокупната ефикасност на развиените MIMO антени без MC и со MC е речиси иста со мали разлики во споредба со симулираните вредности. Причините за тоа се мерните толеранции и употребата на разделувачи помеѓу антената и MS рефлекторот. Измереното постигнато засилување и севкупната ефикасност низ целата фреквенција се речиси слични на резултатите од симулацијата, што покажува дека перформансите на предложениот прототип MIMO се очекувани и дека препорачаната MIMO антена базирана на MS е погодна за 5G комуникации. Поради грешки во експерименталните студии, постојат разлики помеѓу вкупните резултати од лабораториските експерименти и резултатите од симулациите. Изведбата на предложениот прототип е под влијание на несовпаѓањето на импедансата помеѓу антената и SMA конекторот, загубите на спојување на коаксијалниот кабел, ефектите на лемење и близината на различни електронски уреди до експерименталното поставување.
Слика 20 го опишува напредокот на дизајнот и оптимизацијата на споменатата антена во форма на блок дијаграм. Овој блок дијаграм дава чекор-по-чекор опис на предложените принципи за дизајн на антената MIMO, како и параметрите кои играат клучна улога во оптимизирањето на антената за да се постигне потребната голема добивка и висока изолација на широка работна фреквенција.
Мерењата на блиското поле на MIMO антената беа измерени во SATIMO Near-Field Experimental Environment во UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Сликите 21а, б ги прикажуваат симулираните и набљудуваните шеми на зрачење на E-рамнина и H-рамнина на бараната MIMO антена со и без MS на работна фреквенција од 5,5 GHz. Во опсегот на работна фреквенција од 5,5 GHz, развиената не-MS MIMO антена обезбедува конзистентна двонасочна шема на зрачење со вредности на страничните лобуси. По нанесувањето на рефлекторот MS, антената обезбедува еднонасочна шема на зрачење и го намалува нивото на задните лобуси, како што е прикажано на сликите 21а, б. Вреди да се напомене дека со користење на метаповршина со бакарна задна рамнина, предложената шема на антена MIMO е постабилна и еднонасочна отколку без MS, со многу низок грб и странични лобуси. Предложениот рефлектор со низа ММ ги намалува задните и страничните лобуси на антената и исто така ги подобрува карактеристиките на зрачењето со насочување на струјата во еднонасочна насока (сл. 21а, б), со што се зголемува засилувањето и насоченоста. Измерената шема на зрачење е добиена за портата 1 со оптоварување од 50 оми поврзано со преостанатите порти. Беше забележано дека експерименталната шема на зрачење е речиси идентична со онаа симулирана од CST, иако имаше одредени отстапувања поради неусогласеност на компонентите, рефлексии од приклучоците на терминалите и загуби во кабелските врски. Дополнително, меѓу антената и рефлекторот MS беше вметнат најлонски разделник, што е уште еден проблем што влијае на набљудуваните резултати во споредба со предвидените резултати.
Моделот на зрачење на развиената MIMO антена (без MS и со MS) на фреквенција од 5,5 GHz беше симулиран и тестиран.
Важно е да се забележи дека изолацијата на пристаништето и нејзините придружни карактеристики се од суштинско значење кога се оценуваат перформансите на MIMO системите. Изведбата на различноста на предложениот MIMO систем, вклучувајќи го коефициентот на корелација на обвивката (ECC) и засилувањето на различноста (DG), се испитуваат за да се илустрира робусноста на дизајнираниот MIMO антенски систем. ECC и DG на MIMO антената може да се користат за да се проценат нејзините перформанси бидејќи тие се важни аспекти на перформансите на системот MIMO. Следните делови ќе ги опишат овие карактеристики на предложената MIMO антена.
Коефициент на корелација на обвивката (ECC). При разгледување на кој било MIMO систем, ECC го одредува степенот до кој составните елементи корелираат едни со други во однос на нивните специфични својства. Така, ECC го демонстрира степенот на изолација на каналот во безжичната комуникациска мрежа. ECC (коефициент на корелација на обвивката) на развиениот систем MIMO може да се одреди врз основа на S-параметрите и емисијата на далечно поле. Од равенството. (7) и (8) може да се одреди ECC на предложената MIMO антена 31.
Коефициентот на рефлексија е претставен со Sii, а Sij го претставува коефициентот на пренос. Тродимензионалните шеми на зрачење на j-тата и i-тата антена се дадени со изразите \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) и \( \vec {{R_{ i } }} Цврст агол претставен со \left( {\theta ,\varphi } \десно)\) и \({\Omega }\). Кривата ECC на предложената антена е прикажана на Слика 22а и нејзината вредност е помала од 0,004, што е далеку под прифатливата вредност од 0,5 за безжичен систем. Затоа, намалената вредност на ECC значи дека предложениот 4-портен MIMO систем обезбедува супериорна разновидност43.
Добивка на разновидност (DG) DG е друга метрика за перформансите на системот MIMO која опишува како шемата за разновидност влијае на зрачената моќност. Релацијата (9) го одредува DG на MIMO антенскиот систем што се развива, како што е опишано во 31.
Слика 22б го прикажува дијаграмот DG на предложениот MIMO систем, каде што вредноста на DG е многу блиску до 10 dB. Вредностите на DG на сите антени на дизајнираниот систем MIMO надминуваат 9,98 dB.
Табела 1 ја споредува предложената метаповршинска MIMO антена со неодамна развиените слични MIMO системи. Споредбата ги зема предвид различните параметри на изведбата, вклучително и пропусниот опсег, добивката, максималната изолација, севкупната ефикасност и перформансите на различноста. Истражувачите претставија различни прототипови на MIMO антени со техники за подобрување на засилување и изолација во 5, 44, 45, 46, 47. Во споредба со претходно објавените дела, предложениот MIMO систем со метаповршински рефлектори ги надминува во однос на пропусниот опсег, засилувањето и изолацијата. Дополнително, во споредба со пријавени слични антени, развиениот MIMO систем покажува супериорни перформанси на разновидност и севкупна ефикасност со помали димензии. Иако антените опишани во Дел 5.46 имаат поголема изолација од нашите предложени антени, овие антени имаат голема големина, мала добивка, тесен опсег и слаби перформанси MIMO. Антената MIMO со 4 порти предложена во 45 покажува висока добивка и ефикасност, но нејзиниот дизајн има мала изолација, големи димензии и слаби перформанси во различноста. Од друга страна, малиот антенски систем предложен во 47 има многу мала добивка и оперативен опсег, додека нашиот предложен MS систем со 4 порти MIMO покажува мала големина, голема добивка, висока изолација и подобри перформанси MIMO. Така, предложената метаповршинска антена MIMO може да стане главен конкурент за комуникациски системи под 6 GHz 5G.
Предложена е широкопојасна MIMO антена со метаповршински рефлектор со четири порти со висока добивка и изолација за поддршка на апликациите 5G под 6 GHz. Линијата на микроленти дава квадрат што зрачи, кој е скратен со квадрат на дијагоналните агли. Предложениот MS и емитер на антена се имплементирани на материјали за подлога слични на Rogers RT5880 за да се постигнат одлични перформанси во комуникациските системи со голема брзина 5G. Антената MIMO се одликува со широк опсег и голема добивка и обезбедува звучна изолација помеѓу компонентите MIMO и одлична ефикасност. Развиената единечна антена има минијатурни димензии од 0,58?0,58?0,02? со 5×5 метаповршинска низа, обезбедува широк работен опсег од 4,56 GHz, врвно засилување од 8 dBi и супериорна измерена ефикасност. Предложената четири-портна MIMO антена (низа 2 × 2) е дизајнирана со ортогонално усогласување на секоја предложена единечна антена со друга антена со димензии од 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Препорачливо е да се состави низа од 10×10 MM под MIMO антена висока 12 mm, што може да го намали позадинското зрачење и да го намали меѓусебното спојување помеѓу компонентите MIMO, а со тоа да ја подобри добивката и изолацијата. Експерименталните и симулациските резултати покажуваат дека развиениот прототип MIMO може да работи во широк фреквентен опсег од 3,08–7,75 GHz, покривајќи го 5G спектарот под 6 GHz. Дополнително, предложената MIMO антена базирана на MS го подобрува своето засилување за 2,9 dBi, постигнувајќи максимално засилување од 8,3 dBi и обезбедува одлична изолација (>15,5 dB) помеѓу MIMO компонентите, потврдувајќи го придонесот на MS. Покрај тоа, предложената MIMO антена има висока просечна вкупна ефикасност од 82% и ниско растојание меѓу елементите од 22 mm. Антената покажува одлични перформанси на разновидност на MIMO, вклучувајќи многу висока DG (над 9,98 dB), многу низок ECC (помалку од 0,004) и шема на еднонасочно зрачење. Резултатите од мерењето се многу слични со резултатите од симулацијата. Овие карактеристики потврдуваат дека развиениот систем за антена со четири порти MIMO може да биде остварлив избор за 5G комуникациски системи во опсегот на фреквенција под-6 GHz.
Cowin може да обезбеди широкопојасна PCB антена од 400-6000 MHz и поддршка за дизајнирање нова антена според вашите барања, ве молиме контактирајте не без двоумење ако имате какво било барање.
Време на објавување: Октомври-10-2024 година