Ez a munka egy kompakt, integrált többbemenetes, több kimenetű (MIMO) metasurface (MS) szélessávú antennát javasol a 6 GHz alatti, ötödik generációs (5G) vezeték nélküli kommunikációs rendszerekhez. A javasolt MIMO rendszer nyilvánvaló újdonsága a széles működési sávszélesség, a nagy nyereség, a kis komponensek közötti távolságok, valamint a MIMO komponenseken belüli kiváló szigetelés. Az antenna sugárzó pontja átlósan csonkolt, részben földelt, és metafelületeket használnak az antenna teljesítményének javítására. A javasolt prototípus integrált egyetlen MS antenna miniatűr méretei 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. A szimulációs és mérési eredmények szélessávú teljesítményt mutatnak 3,11 GHz-től 7,67 GHz-ig, beleértve a legmagasabb, 8 dBi-es erősítést. A négy elemből álló MIMO rendszert úgy tervezték, hogy minden antenna egymásra merőleges legyen, miközben megtartja a kompakt méretet és a 3,2-7,6 GHz-es szélessávú teljesítményt. A javasolt MIMO prototípust Rogers RT5880 hordozóra tervezték és gyártották alacsony veszteséggel és miniatürizált 1,05? 1.05? 0,02?, és teljesítményét a javasolt négyzet alakú zárt gyűrűs rezonátor tömb segítségével értékeljük ki, 10 x 10 osztott gyűrűvel. Az alapanyag ugyanaz. A javasolt hátlap metafelülete jelentősen csökkenti az antenna hátsó sugárzását és manipulálja az elektromágneses mezőket, ezáltal javítva a MIMO komponensek sávszélességét, erősítését és izolálását. A meglévő MIMO antennákkal összehasonlítva a javasolt 4 portos MIMO antenna 8,3 dBi-es nagy nyereséget ér el, átlagosan akár 82%-os teljes hatékonysággal az 5G 6 GHz alatti sávban, és jó összhangban van a mért eredményekkel. Ezenkívül a kifejlesztett MIMO antenna kiváló teljesítményt mutat a 0,004-nél kisebb burkológörbekorrelációs együttható (ECC), a körülbelül 10 dB (>9,98 dB) diverzitáserősítés (DG) és a MIMO komponensek közötti nagy szigetelés (>15,5 dB) tekintetében. jellemzői. Így a javasolt MS-alapú MIMO antenna megerősíti a 6 GHz alatti 5G kommunikációs hálózatokban való alkalmazhatóságát.
Az 5G technológia hihetetlen előrelépés a vezeték nélküli kommunikációban, amely gyorsabb és biztonságosabb hálózatokat tesz lehetővé több milliárd csatlakoztatott eszköz számára, „nulla” késleltetésű felhasználói élményt biztosít (kevesebb, mint 1 ezredmásodperc), és új technológiákat vezet be, beleértve az elektronikát is. Orvosi ellátás, értelmiségi nevelés. , intelligens városok, okosotthonok, virtuális valóság (VR), intelligens gyárak és az Internet of Vehicles (IoV) megváltoztatják életünket, társadalmunkat és iparágainkat1,2,3. Az Egyesült Államok Szövetségi Kommunikációs Bizottsága (FCC) az 5G spektrumot négy frekvenciasávra osztja4. A 6 GHz alatti frekvenciasáv azért érdekes a kutatóknak, mert nagy adatsebességgel nagy távolságú kommunikációt tesz lehetővé5,6. Az 1. ábrán látható a 6 GHz alatti 5G spektrumkiosztás a globális 5G kommunikációhoz, ami azt jelzi, hogy minden ország fontolóra veszi a 6 GHz alatti spektrumot az 5G kommunikációhoz7,8. Az antennák az 5G hálózatok fontos részét képezik, és több bázisállomásra és felhasználói terminálantennára lesz szükség.
A mikrocsíkos patch antennák előnye a vékonyság és a lapos szerkezet, de korlátozott a sávszélességük és az erősítésük9,10, ezért sok kutatást végeztek az antenna erősítésének és sávszélességének növelésére; Az elmúlt években a metafelületeket (MS) széles körben használták az antennatechnológiákban, különösen az erősítés és az áteresztőképesség javítására11,12, azonban ezek az antennák egyetlen portra korlátozódnak; A MIMO technológia fontos szempont a vezeték nélküli kommunikációban, mivel egyszerre több antennát is használhat az adatok továbbítására, ezáltal javítva az adatátviteli sebességet, a spektrális hatékonyságot, a csatornakapacitást és a megbízhatóságot13,14,15. A MIMO antennák potenciális jelöltek az 5G alkalmazásokhoz, mivel több csatornán keresztül tudnak adatokat továbbítani és fogadni anélkül, hogy további teljesítményre lenne szükségük16,17. A MIMO komponensek közötti kölcsönös csatoló hatás a MIMO elemek elhelyezkedésétől és a MIMO antenna erősítésétől függ, ami komoly kihívást jelent a kutatók számára. A 18., 19. és 20. ábrák különböző MIMO antennákat mutatnak be az 5G 6 GHz alatti sávban, amelyek mindegyike jó MIMO szigetelést és teljesítményt mutat. Azonban ezeknek a javasolt rendszereknek az erősítése és működési sávszélessége alacsony.
A metaanyagok (MM) olyan új anyagok, amelyek nem léteznek a természetben, és képesek manipulálni az elektromágneses hullámokat, ezáltal javítva az antennák teljesítményét21,22,23,24. Az MM-et ma már széles körben használják az antennatechnológiában a sugárzási mintázat, a sávszélesség, az erősítés és az antennaelemek és a vezeték nélküli kommunikációs rendszerek közötti izoláció javítására, amint azt a 25, 26, 27, 28 tárgyalja. 2029-ben egy négy elemből álló MIMO rendszer, amely a metasurface, amelyben az antennaszakasz légrés nélkül a metafelület és a talaj közé kerül, ami javítja a MIMO teljesítményét. Ennek a kialakításnak azonban nagyobb a mérete, alacsonyabb a működési frekvenciája és összetett a szerkezete. A javasolt 2 portos szélessávú MIMO antenna elektromágneses sávszélességet (EBG) és földhurkot tartalmaz a MIMO30 komponensek izolálásának javítása érdekében. A tervezett antenna jó MIMO diverzitási teljesítményt és kiváló izolációt biztosít két MIMO antenna között, de csak két MIMO komponens használatával az erősítés alacsony lesz. Ezenkívül az in31 egy ultraszéles sávú (UWB) kétportos MIMO antennát is javasolt, és metaanyagok segítségével vizsgálta a MIMO teljesítményét. Bár ez az antenna képes UWB működésre, az erősítése alacsony, és a két antenna közötti szigetelés is rossz. A 32-ben található munka egy 2 portos MIMO rendszert javasol, amely elektromágneses sávszélesség (EBG) reflektorokat használ az erősítés növelésére. Bár a kifejlesztett antennatömb nagy nyereséggel és jó MIMO-diverzitási teljesítménnyel rendelkezik, nagy mérete megnehezíti az alkalmazását a következő generációs kommunikációs eszközökben. Egy másik reflektor alapú szélessávú antennát 33-ban fejlesztettek ki, ahol a reflektort nagyobb, 22 mm-es hézaggal az antenna alá integrálták, ami alacsonyabb, 4,87 dB-es csúcserősítést mutatott. A Paper 34 egy négyportos MIMO antennát tervez mmWave alkalmazásokhoz, amely integrálva van az MS réteggel, hogy javítsa a MIMO rendszer izolációját és erősítését. Ez az antenna azonban jó erősítést és szigetelést biztosít, de korlátozott sávszélességgel és rossz mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik a nagy légrés miatt. Hasonlóan, 2015-ben kifejlesztettek egy három párból álló, 4 portos csokornyakkendő alakú, metafelületbe integrált MIMO antennát mmWave kommunikációhoz, 7,4 dBi maximális erősítéssel. A B36 MS-t az 5G antenna hátoldalán használják az antenna erősítésének növelésére, ahol a metafelület reflektorként működik. Az MS szerkezete azonban aszimmetrikus, és kevesebb figyelmet fordítottak az egységcella szerkezetére.
A fenti elemzési eredmények szerint a fenti antennák egyike sem rendelkezik nagy erősítéssel, kiváló szigeteléssel, MIMO teljesítménnyel és szélessávú lefedettséggel. Ezért továbbra is szükség van egy olyan metafelületi MIMO antennára, amely nagy erősítéssel és szigeteléssel képes lefedni az 5G spektrum széles tartományát 6 GHz alatt. Figyelembe véve a fent említett irodalom korlátait, a 6 GHz alatti vezeték nélküli kommunikációs rendszerek számára egy szélessávú, négyelemes MIMO antennarendszert javasolunk nagy nyereséggel és kiváló diverzitási teljesítménnyel. Ezenkívül a javasolt MIMO antenna kiváló szigetelést biztosít a MIMO alkatrészek között, kis elemrésekkel és magas sugárzási hatékonysággal rendelkezik. Az antennafolt átlósan csonka, és a metafelület tetejére van helyezve 12 mm-es légréssel, ami visszaveri az antenna sugárzását, és javítja az antenna erősítését és irányíthatóságát. Ezen túlmenően a javasolt egyetlen antennát egy négy elemből álló MIMO antenna létrehozására használják, kiváló MIMO teljesítménnyel, az egyes antennák egymásra merőleges elhelyezésével. A kifejlesztett MIMO antennát ezután egy 10 × 10 MS tömb tetejére integrálták réz hátlappal, hogy javítsák a kibocsátási teljesítményt. A kialakítás széles működési tartományt (3,08-7,75 GHz), nagy, 8,3 dBi-es erősítést és magas, 82%-os átlagos összhatékonyságot, valamint –15,5 dB-nél nagyobb, kiváló szigetelést biztosít a MIMO antennakomponensek között. A kifejlesztett MS-alapú MIMO antennát a CST Studio 2019 3D elektromágneses szoftvercsomaggal szimulálták, és kísérleti tanulmányokkal validálták.
Ez a rész részletesen bemutatja a javasolt architektúrát és egyantennás tervezési módszertant. Ezenkívül a szimulált és megfigyelt eredményeket részletesen tárgyaljuk, beleértve a szórási paramétereket, az erősítést és az általános hatékonyságot metafelületekkel és anélkül. Az antenna prototípusát egy Rogers 5880 alacsony veszteségű dielektromos hordozóra fejlesztették ki, amelynek vastagsága 1,575 mm, dielektromos állandója 2,2. A tervezés fejlesztéséhez és szimulálásához a CST studio 2019 elektromágneses szimulátorcsomagot használták.
A 2. ábra egy egyelemes antenna javasolt architektúráját és tervezési modelljét mutatja. A jól bevált matematikai egyenletek37 szerint az antenna egy lineárisan táplált négyzetes sugárzó pontból és egy réz alapsíkból áll (az 1. lépésben leírtak szerint), és nagyon szűk sávszélességgel rezonál 10,8 GHz-en, amint az a 3b. ábrán látható. Az antennasugárzó kezdeti méretét a következő matematikai összefüggés határozza meg37:
Ahol \(P_{L}\) és \(P_{w}\) a folt hossza és szélessége, c a fénysebesség, \(\gamma_{r}\) a hordozó dielektromos állandója . , \(\gamma_{reff }\) a sugárzási folt effektív dielektromos értékét, \(\Delta L\) a folt hosszának változását jelenti. Az antenna hátlapját a második szakaszban optimalizálták, növelve az impedancia sávszélességét a nagyon alacsony, 10 dB-es impedancia sávszélesség ellenére. A harmadik szakaszban az adagoló pozícióját jobbra mozgatjuk, ami javítja a javasolt antenna impedancia sávszélességét és impedancia illesztését38. Ebben a szakaszban az antenna kiváló, 4 GHz-es működési sávszélességet mutat, és lefedi a 6 GHz alatti spektrumot is 5G-ben. A negyedik és egyben utolsó szakaszban négyzet alakú barázdákat marnak a sugárzási folt ellentétes sarkaiban. Ez a bővítőhely jelentősen kibővíti a 4,56 GHz-es sávszélességet, hogy lefedje a 6 GHz alatti 5G spektrumot 3,11 GHz-ről 7,67 GHz-re, amint az a 3b. ábrán látható. A javasolt terv elöl- és alulnézeti perspektivikus képe a 3a. ábrán látható, a végső optimalizált szükséges tervezési paraméterek pedig a következők: 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.
(a) A tervezett egyetlen antenna felül- és hátulnézete (CST STUDIO SUITE 2019). (b) S-paraméter görbe.
A metafelület egy olyan kifejezés, amely az egymástól bizonyos távolságra elhelyezkedő egységcellák periodikus tömbjére utal. A metafelületek hatékony módszert jelentenek az antenna sugárzási teljesítményének javítására, beleértve a sávszélességet, az erősítést és a MIMO-komponensek közötti szigetelést. A felületi hullámok terjedésének hatására a metafelületek további rezonanciákat generálnak, amelyek hozzájárulnak az antenna teljesítményének javulásához39. Ez a munka egy epszilon-negatív metaanyag (MM) egységet javasol, amely az 5G sávban működik 6 GHz alatt. A 8 mm × 8 mm felületű MM-t alacsony veszteségű Rogers 5880 hordozóra fejlesztették ki, amelynek dielektromos állandója 2,2 és vastagsága 1,575 mm. Az optimalizált MM rezonátor patch egy belső kör alakú osztott gyűrűből áll, amely két módosított külső osztott gyűrűhöz van csatlakoztatva, amint az a 4a ábrán látható. A 4a. ábra a javasolt MM-beállítás végső optimalizált paramétereit foglalja össze. Ezt követően 40 × 40 mm-es és 80 × 80 mm-es metafelületi rétegeket alakítottunk ki réz hátlap nélkül, illetve réz hátlappal, 5 × 5 és 10 × 10 cellatömbök felhasználásával. A javasolt MM szerkezetet a „CST studio suite 2019” 3D elektromágneses modellező szoftverrel modellezték. A javasolt MM tömb szerkezetének és mérési elrendezésének (kétportos hálózati analizátor PNA és hullámvezető port) legyártott prototípusa a 4b. ábrán látható a CST szimuláció eredményeinek érvényesítésére a tényleges válasz elemzésével. A mérési elrendezés egy Agilent PNA sorozatú hálózati elemzőt használt két hullámvezető koaxiális adapterrel (A-INFOMW, cikkszám: 187WCAS) kombinálva a jelek küldésére és fogadására. Egy 5×5-ös tömb prototípusát két, koaxiális kábellel egy kétportos hálózati analizátorhoz (Agilent PNA N5227A) csatlakoztatott hullámvezető koaxiális adapter közé helyezték. Az Agilent N4694-60001 kalibrációs készlet a hálózati analizátor kalibrálására szolgál egy kísérleti üzemben. A javasolt prototípus MM tömb szimulált és CST megfigyelt szórási paramétereit az 5a. ábra mutatja. Látható, hogy a javasolt MM-struktúra a 6 GHz alatti 5G frekvenciatartományban rezonál. A kis, 10 dB-es sávszélesség-különbség ellenére a szimulált és a kísérleti eredmények nagyon hasonlóak. A megfigyelt rezonancia rezonanciafrekvenciája, sávszélessége és amplitúdója kissé eltér a szimuláltakétól, amint az az 5a. ábrán látható. Ezek a különbségek a megfigyelt és a szimulált eredmények között a gyártási tökéletlenségekből, a prototípus és a hullámvezető portok közötti kis távolságokból, a hullámvezető portok és a tömb komponensei közötti csatolási hatásokból, valamint a mérési tűrésekből adódnak. Ezenkívül a kifejlesztett prototípus megfelelő elhelyezése a kísérleti elrendezésben a hullámvezető portok között rezonanciaeltolódást eredményezhet. Ezenkívül a kalibrálási fázis során nem kívánt zajt figyeltek meg, ami eltérésekhez vezetett a numerikus és a mért eredmények között. Ezektől a nehézségektől eltekintve azonban a javasolt MM-tömb prototípus jól teljesít a szimuláció és a kísérlet közötti erős korreláció miatt, így kiválóan alkalmas 6 GHz alatti 5G vezeték nélküli kommunikációs alkalmazásokhoz.
(a) Egységcella geometriája (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) (b) Fotó az MM mérési beállításáról.
(a) A metaanyag prototípus szórási paramétergörbéinek szimulációja és ellenőrzése. (b) MM egységcella dielektromos állandó görbéje.
A CST elektromágneses szimulátor beépített utófeldolgozási technikáival tanulmányozták a releváns effektív paramétereket, például az effektív dielektromos állandót, a mágneses permeabilitást és a törésmutatót, hogy tovább elemezzék az MM egységcella viselkedését. Az effektív MM paramétereket a szórási paraméterekből kapjuk egy robusztus rekonstrukciós módszerrel. A következő transzmissziós és reflexiós együttható egyenletek: (3) és (4) használhatók a törésmutató és az impedancia meghatározására (lásd 40).
Az operátor valós és képzetes részét (.)', illetve (.)” jelöli, és az m egész érték a valós törésmutatónak felel meg. A dielektromos állandót és a permeabilitást a \(\varepsilon { } = { }n/z,\) és \(\mu = nz\) képletek határozzák meg, amelyek az impedancián, illetve a törésmutatón alapulnak. Az MM szerkezet effektív dielektromos állandó görbéjét az 5b. ábra mutatja. A rezonancia frekvencián az effektív dielektromos állandó negatív. A 6a, b ábrák a javasolt egységcella effektív permeabilitásának (μ) és effektív törésmutatójának (n) kivont értékeit mutatják. Nevezetesen, a kivont permeabilitások pozitív valós értéket mutatnak közel nullához, ami megerősíti a javasolt MM-struktúra epszilon-negatív (ENG) tulajdonságait. Ezen túlmenően, amint az a 6a. ábrán látható, a nullához közeli permeabilitási rezonancia erősen összefügg a rezonanciafrekvenciával. A kifejlesztett egységcella törésmutatója negatív (6b. ábra), ami azt jelenti, hogy a javasolt MM segítségével javítható az antenna teljesítménye21,41.
Az egyetlen szélessávú antenna kifejlesztett prototípusát a javasolt terv kísérleti tesztelésére készítették el. A 7a, b ábrák a javasolt prototípus egyantennáról, szerkezeti részeiről és a közeli mérési elrendezésről (SATIMO) mutatják be a képeket. Az antenna teljesítményének javítása érdekében a kifejlesztett metafelületet rétegekbe helyezzük az antenna alá, a 8a. ábrán látható módon, h magassággal. Egyetlen 40 mm x 40 mm-es kétrétegű metafelületet helyeztek el az egyetlen antenna hátulján 12 mm-es időközönként. Ezenkívül az egyetlen antenna hátoldalán 12 mm-es távolságban egy hátlappal rendelkező metafelületet helyeznek el. A metafelület alkalmazása után az egyetlen antenna teljesítménye jelentős javulást mutat, amint azt az 1. és 2. ábra mutatja. 8. és 9. ábra. A 8b. ábra az egyetlen antenna szimulált és mért reflexiós görbéit mutatja metafelületek nélkül és metafelületekkel. Érdemes megjegyezni, hogy egy metafelülettel rendelkező antenna lefedettségi sávja nagyon hasonló a metafelület nélküli antenna lefedettségi sávjához. A 9a, b ábrák a szimulált és megfigyelt egyetlen antenna erősítésének és a teljes hatékonyságnak az összehasonlítását mutatják MS nélkül és MS-sel a működési spektrumban. Látható, hogy a nem-metasurface antennához képest a metasurface antenna erősítése jelentősen javult, 5,15 dBi-ről 8 dBi-re nő. Az egyrétegű metafelület, a kétrétegű metafelület és az egyetlen antenna erősítése a hátlapi metafelülettel rendre 6 dBi-vel, 6,9 dBi-vel és 8 dBi-vel nőtt. Más metafelületekkel (egyrétegű és kétrétegű MC-kkel) összehasonlítva egy réz hátlappal rendelkező egyetlen metafelületi antenna erősítése akár 8 dBi. Ebben az esetben a metafelület reflektorként működik, csökkentve az antenna hátsó sugárzását, és fázisban manipulálja az elektromágneses hullámokat, ezáltal növelve az antenna sugárzási hatékonyságát és ezáltal az erősítést. Egyetlen antenna általános hatékonyságának tanulmányozása metafelületek nélkül és metafelületekkel a 9b. ábrán látható. Érdemes megjegyezni, hogy egy antenna hatásfoka metafelülettel és anélkül szinte azonos. Az alsó frekvenciatartományban az antenna hatásfoka kissé csökken. A kísérleti és szimulált nyereség- és hatékonysággörbék jó egyezést mutatnak. A szimulált és a tesztelt eredmények között azonban enyhe eltérések mutatkoznak a gyártási hibák, a mérési tűrések, az SMA port csatlakozási veszteségei és a vezetékveszteség miatt. Ezenkívül az antenna és az MS reflektor a nejlon távtartók között található, ami egy másik probléma, amely a szimulációs eredményekhez képest befolyásolja a megfigyelt eredményeket.
Az (a) ábra az elkészült egyetlen antennát és a hozzá tartozó alkatrészeket mutatja. (b) Near-field mérési beállítás (SATIMO).
(a) Antenna gerjesztés metafelületi reflektorokkal (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Egyetlen antenna szimulált és kísérleti reflexiói MS nélkül és MS-sel.
A javasolt metasurface effektus antenna (a) elért erősítésének és (b) általános hatékonyságának szimulációja és mérési eredményei.
Nyalábmintázat-elemzés MS segítségével. Az egyantennás közelmezős méréseket az UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory SATIMO Near-Field Kísérleti Környezetében végezték. A 10a, b ábrák a szimulált és megfigyelt E-sík és H-sík sugárzási mintázatokat mutatják 5,5 GHz-en a javasolt egyetlen antenna esetében MS-sel és anélkül. A kifejlesztett egyetlen antenna (MS nélkül) konzisztens kétirányú sugárzási mintát biztosít oldallebeny értékekkel. A javasolt MS reflektor alkalmazása után az antenna egyirányú sugárzási mintát biztosít, és csökkenti a hátsó lebenyek szintjét, amint az a 10a, b ábrákon látható. Érdemes megjegyezni, hogy a javasolt egyantennás sugárzási mintázat stabilabb és egyirányúbb, nagyon alacsony hát- és oldallebenyekkel, ha réz hátlappal rendelkező metafelületet használunk. A javasolt MM tömb reflektor csökkenti az antenna hátsó és oldalsó lebenyét, miközben javítja a sugárzási teljesítményt azáltal, hogy az áramot egyirányú irányba irányítja (10a, b ábra), ezáltal növeli az erősítést és az irányíthatóságot. Megfigyelték, hogy a kísérleti sugárzási mintázat majdnem összevethető a CST-szimulációkéval, de némileg változott a különböző összeszerelt alkatrészek eltolódása, a mérési tűrések és a kábelezési veszteségek miatt. Ezen túlmenően az antenna és az MS reflektor közé nejlon távtartót helyeztek, ami a számszerű eredményekhez képest a megfigyelt eredményeket is befolyásolja.
A kifejlesztett egyetlen antenna (MS nélkül és MS-sel) sugárzási mintázatát 5,5 GHz-es frekvencián szimulálták és tesztelték.
A javasolt MIMO antennageometria a 11. ábrán látható, és négy különálló antennát tartalmaz. A MIMO antenna négy komponense egymásra merőlegesen van elrendezve egy 80 × 80 × 1,575 mm méretű hordozón, amint az a 11. ábrán látható. A tervezett MIMO antenna elemek közötti távolsága 22 mm, ami kisebb, mint a 11. ábra. az antenna legközelebbi megfelelő elemközi távolsága. MIMO antenna fejlesztése. Ezenkívül az alaplap egy része ugyanúgy helyezkedik el, mint egyetlen antenna. A 12a ábrán látható MIMO antennák (S11, S22, S33 és S44) reflexiós értékei ugyanazt a viselkedést mutatják, mint a 3,2–7,6 GHz-es sávban rezonáló egyelemes antennák. Ezért a MIMO antenna impedancia sávszélessége pontosan megegyezik egyetlen antennáéval. A MIMO antennák kis sávszélesség-veszteségének fő oka a MIMO komponensek közötti csatolási hatás. A 12b. ábra az összekapcsolás hatását mutatja a MIMO komponensekre, ahol meghatároztuk a MIMO komponensek közötti optimális elszigetelést. Az 1. és 2. antenna közötti szigetelés a legalacsonyabb, körülbelül -13,6 dB, az 1. és 4. antenna közötti szigetelés pedig a legmagasabb, körülbelül -30,4 dB. Kis méretének és szélesebb sávszélességének köszönhetően ez a MIMO antenna kisebb erősítéssel és kisebb áteresztőképességgel rendelkezik. A szigetelés alacsony, ezért fokozott megerősítésre és szigetelésre van szükség;
A javasolt MIMO antenna tervezési mechanizmusa (a) felülnézet és (b) alaplap. (CST Studio Suite 2019).
A javasolt metafelületi MIMO antenna geometriai elrendezését és gerjesztési módszerét a 13a. ábra mutatja. A 10x10 mm-es, 80x80x1,575 mm-es mátrixot egy 12 mm magas MIMO antenna hátoldalára tervezték, amint az a 13a. ábrán látható. Ezenkívül a réz hátlappal ellátott metafelületeket MIMO antennákban való használatra tervezték, hogy javítsák teljesítményüket. A metafelület és a MIMO antenna közötti távolság kritikus fontosságú a nagy nyereség eléréséhez, miközben lehetővé teszi az antenna által generált és a metafelületről visszaverődő hullámok közötti konstruktív interferenciát. Kiterjedt modellezést végeztek az antenna és a metafelület közötti magasság optimalizálása érdekében, miközben megtartották a negyedhullám-szabványokat a maximális erősítés és a MIMO elemek közötti izoláció érdekében. A MIMO antenna teljesítményének jelentős javulását a hátlappal rendelkező metafelületek használatával a hátlap nélküli metafelületekhez képest a következő fejezetekben mutatjuk be.
(a) A javasolt MIMO antenna CST szimulációs beállítása MS használatával (CST STUDIO SUITE 2019), (b) A kifejlesztett MIMO rendszer reflexiós görbéi MS nélkül és MS-sel.
A metafelülettel rendelkező és metafelület nélküli MIMO antennák reflexióját a 13b. ábra mutatja, ahol az S11 és S44 látható a MIMO rendszerben lévő összes antenna majdnem azonos viselkedése miatt. Érdemes megjegyezni, hogy egy MIMO antenna -10 dB impedancia sávszélessége egyetlen metafelület nélkül és egyetlen metafelülettel is közel azonos. Ezzel szemben a javasolt MIMO antenna impedancia sávszélességét a kétrétegű MS és a hátlapi MS javítja. Érdemes megjegyezni, hogy MS nélkül a MIMO antenna 81,5%-os (3,2-7,6 GHz) sávszélességet biztosít a középfrekvenciához képest. Az MS integrálása a hátlappal 86,3%-ra (3,08–7,75 GHz) növeli a javasolt MIMO antenna impedancia sávszélességét. Bár a kétrétegű MS növeli az átviteli sebességet, a javulás kisebb, mint a réz hátlappal rendelkező MS-é. Ezenkívül a kétrétegű MC növeli az antenna méretét, növeli a költségét és korlátozza a hatótávolságát. A tervezett MIMO antennát és metasurface reflektort a szimulációs eredmények validálására és a tényleges teljesítmény értékelésére gyártják és ellenőrzik. A 14a. ábra a legyártott MS réteget és a MIMO antennát mutatja különféle összeszerelt alkatrészekkel, míg a 14b. ábra a kifejlesztett MIMO rendszer fényképét mutatja. A MIMO antennát a metafelület tetejére szerelik fel négy nylon távtartó segítségével, amint az a 14b. ábrán látható. A 15a. ábra a kifejlesztett MIMO antennarendszer közeli terepi kísérleti elrendezésének pillanatfelvételét mutatja. Az UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratoryban a szórási paraméterek becslésére és a közeli emissziós jellemzők értékelésére és jellemzésére PNA-hálózatelemzőt (Agilent Technologies PNA N5227A) használtak.
(a) Fényképek SATIMO-közeli mérésekről (b) S11 MIMO antenna szimulált és kísérleti görbéi MS-sel és anélkül.
Ez a rész a javasolt 5G MIMO antenna szimulált és megfigyelt S-paramétereinek összehasonlító tanulmányát mutatja be. A 15b. ábra az integrált 4 elemes MIMO MS antenna kísérleti reflexiós diagramját mutatja, és összehasonlítja a CST szimulációs eredményekkel. A kísérleti reflexiós értékek megegyeztek a CST-számításokkal, de a gyártási hibák és a kísérleti tűrések miatt kissé eltértek. Ezenkívül a javasolt MS-alapú MIMO prototípus megfigyelt reflexiója lefedi a 6 GHz alatti 5G spektrumot 4,8 GHz-es impedancia sávszélességgel, ami azt jelenti, hogy lehetségesek az 5G alkalmazások. A mért rezonanciafrekvencia, sávszélesség és amplitúdó azonban kis mértékben eltér a CST szimuláció eredményeitől. A gyártási hibák, a koax-SMA csatolási veszteségek és a kültéri mérési beállítások eltéréseket okozhatnak a mért és a szimulált eredmények között. E hiányosságok ellenére azonban a javasolt MIMO jól teljesít, erős egyezést biztosít a szimulációk és a mérések között, így kiválóan alkalmas 6 GHz alatti 5G vezeték nélküli alkalmazásokhoz.
A szimulált és megfigyelt MIMO antenna erősítési görbék a 2. és 2. ábrán láthatók. A 16a, b és 17a, b ábrák szerint a MIMO komponensek kölcsönös kölcsönhatása látható. Ha metafelületeket alkalmaznak a MIMO antennákon, a MIMO antennák közötti szigetelés jelentősen javul. A szomszédos S12, S14, S23 és S34 antennaelemek közötti leválasztási diagramok hasonló görbéket mutatnak, míg az S13 és S42 átlós MIMO antennák hasonlóképpen nagy szigetelést mutatnak a köztük lévő nagyobb távolság miatt. A szomszédos antennák szimulált átviteli jellemzőit a 16a. ábra mutatja. Érdemes megjegyezni, hogy a 6 GHz alatti 5G működési spektrumban a metafelület nélküli MIMO antenna minimális szigetelése -13,6 dB, a hátlappal rendelkező metafelület esetében pedig 15,5 dB. Az erősítési diagram (16a. ábra) azt mutatja, hogy a hátlap metafelülete jelentősen javítja a MIMO antennaelemek közötti izolációt az egy- és kétrétegű metafelületekhez képest. A szomszédos antennaelemeken az egy- és kétrétegű metafelületek körülbelül -13,68 dB és -14,78 dB, a réz hátlap metafelülete pedig körülbelül -15,5 dB minimális szigetelést biztosít.
MIMO elemek szimulált izolációs görbéi MS réteg nélkül és MS réteggel: (a) S12, S14, S34 és S32 és (b) S13 és S24.
A javasolt MS-alapú MIMO antennák kísérleti erősítési görbéi a következőkkel és nélkül: (a) S12, S14, S34 és S32 és (b) S13 és S24.
Az MS réteg hozzáadása előtti és utáni MIMO átlós antennaerősítési diagramok a 16b. ábrán láthatók. Érdemes megjegyezni, hogy a metafelület nélküli átlós antennák (1. és 3. antenna) közötti minimális szigetelés a működési spektrumban –15,6 dB, a hátlappal rendelkező metafelületek között pedig –18 dB. A metasurface megközelítés jelentősen csökkenti az átlós MIMO antennák közötti csatolási hatásokat. Az egyrétegű metafelület maximális szigetelése -37 dB, míg a kétrétegű metafelület esetében ez az érték -47 dB-re csökken. A metafelület maximális szigetelése réz hátlappal –36,2 dB, ami a frekvenciatartomány növekedésével csökken. A hátlap nélküli egy- és kétrétegű metafelületekhez képest a hátlappal rendelkező metafelületek kiváló szigetelést biztosítanak a teljes szükséges működési frekvencia tartományban, különösen a 6 GHz alatti 5G tartományban, amint az a 16a, b ábrákon látható. A legnépszerűbb és legszélesebb körben használt 6 GHz (3,5 GHz) alatti 5G sávban az egy- és kétrétegű metafelületek kisebb izolációt mutatnak a MIMO komponensek között, mint a réz hátlappal (szinte nincs MS) (lásd 16a), b) ábrát. Az erősítési méréseket a 17a, b ábrák mutatják, amelyek a szomszédos antennák (S12, S14, S34 és S32) és az átlós antennák (S24 és S13) izolálását mutatják be. Amint ezeken az ábrákon látható (17a, b ábra), a MIMO komponensek közötti kísérleti izolálás jól illeszkedik a szimulált izolációhoz. Bár a szimulált és mért CST értékek között kisebb eltérések vannak a gyártási hibák, az SMA port csatlakozások és a vezetékveszteségek miatt. Ezenkívül az antenna és az MS reflektor a nejlon távtartók között található, ami egy másik probléma, amely a szimulációs eredményekhez képest befolyásolja a megfigyelt eredményeket.
tanulmányozta a felületi árameloszlást 5,5 GHz-en, hogy racionalizálja a metafelületek szerepét a kölcsönös csatolás csökkentésében a felületi hullámok elnyomásán keresztül42. A javasolt MIMO antenna felületi árameloszlása a 18. ábrán látható, ahol az 1. antennát hajtják, az antenna többi részét pedig 50 ohmos terhelés zárja le. Amikor az 1. antenna feszültség alatt van, jelentős kölcsönös csatolási áramok jelennek meg a szomszédos antennákon 5,5 GHz-en, metafelület hiányában, amint az a 18a. ábrán látható. Éppen ellenkezőleg, a metafelületek használatával, amint az a 18b–d ábrán látható, a szomszédos antennák közötti szigetelés javul. Meg kell jegyezni, hogy a szomszédos mezők kölcsönös csatolásának hatása minimálisra csökkenthető, ha a csatolóáramot az MS réteg mentén antiparallel irányban továbbítjuk az egységcellák szomszédos gyűrűire és a szomszédos MS egységcellákra. Az áramnak az elosztott antennákról az MS egységekbe történő injektálása kulcsfontosságú módszer a MIMO-komponensek közötti izoláció javítására. Ennek eredményeként a MIMO komponensek közötti csatolóáram nagymértékben csökken, és a szigetelés is jelentősen javul. Mivel a csatolási mező szélesen eloszlik az elemben, a réz hátlap metafelülete lényegesen jobban elszigeteli a MIMO antennaszerelvényt, mint az egy- és kétrétegű metafelületek (18d. ábra). Ezenkívül a kifejlesztett MIMO antenna nagyon alacsony visszaterjedési és oldalirányú terjedéssel rendelkezik, így egyirányú sugárzási mintát hoz létre, ezáltal növelve a javasolt MIMO antenna erősítését.
A javasolt MIMO antenna felületi árammintái 5,5 GHz-en (a) MC nélkül, (b) egyrétegű MC, (c) kétrétegű MC és (d) egyrétegű MC réz hátlappal. (CST Studio Suite 2019).
A működési frekvencián belül a 19a. ábra mutatja a tervezett MIMO antenna szimulált és megfigyelt erősítését metafelületek nélkül és metafelületekkel. A MIMO antenna szimulált elért erősítése metafelület nélkül 5,4 dBi, amint az a 19a. ábrán látható. A MIMO komponensek közötti kölcsönös csatolási hatás miatt a javasolt MIMO antenna valójában 0,25 dBi-el nagyobb erősítést ér el, mint egyetlen antenna. A metafelületek hozzáadása jelentős nyereséget és elszigeteltséget biztosíthat a MIMO komponensek között. Így a javasolt metasurface MIMO antenna nagy, akár 8,3 dBi realizált erősítést is képes elérni. A 19a. ábrán látható módon, ha egyetlen metafelületet használnak a MIMO antenna hátulján, az erősítés 1,4 dBi-vel nő. Ha a metafelületet megduplázzuk, az erősítés 2,1 dBi-vel nő, amint az a 19a. ábrán látható. A várt maximális, 8,3 dBi-es erősítést azonban elérjük, ha a metafelületet réz hátlappal használjuk. Figyelemre méltó, hogy az egyrétegű és a kétrétegű metafelületek maximálisan elért erősítése 6,8 dBi, illetve 7,5 dBi, míg az alsó réteg metafelületén elért maximális erősítés 8,3 dBi. Az antenna hátoldalán lévő metasurface réteg reflektorként működik, visszaveri az antenna hátoldaláról érkező sugárzást, és javítja a tervezett MIMO antenna elülső-hátul (F/B) arányát. Ezenkívül a nagy impedanciájú MS reflektor az elektromágneses hullámokat fázisban manipulálja, ezáltal további rezonanciát hoz létre és javítja a javasolt MIMO antenna sugárzási teljesítményét. A MIMO antenna mögé telepített MS reflektor jelentősen növelheti az elért erősítést, amit kísérleti eredmények is alátámasztanak. A kifejlesztett MIMO antenna prototípus megfigyelt és szimulált erősítése közel azonos, azonban bizonyos frekvenciákon a mért erősítés nagyobb, mint a szimulált erősítés, különösen MS nélküli MIMO esetén; A kísérleti erősítés ezen eltérései a nylon betétek mérési tűrésének, a kábelveszteségeknek és az antennarendszer csatolásainak tudhatók be. A MIMO antenna legnagyobb mért erősítése metafelület nélkül 5,8 dBi, míg a réz hátlappal rendelkező metafelületé 8,5 dBi. Érdemes megjegyezni, hogy a javasolt teljes, 4 portos MIMO antennarendszer MS reflektorral kísérleti és numerikus körülmények között nagy erősítést mutat.
A javasolt MIMO antenna metasurface hatású (a) elért erősítésének és (b) általános teljesítményének szimulációja és kísérleti eredményei.
A 19b. ábra a javasolt MIMO rendszer általános teljesítményét mutatja metafelületi reflektorok nélkül és metafelületi reflektorokkal. A 19b. ábrán a legalacsonyabb hatásfok hátlappal rendelkező MS-t használva 73% felett volt (84%). A kifejlesztett MIMO antennák összhatásfoka MC nélkül és MC-vel is közel azonos, kisebb eltérésekkel a szimulált értékekhez képest. Ennek oka a mérési tűrések, valamint az antenna és az MS reflektor közötti távtartók használata. A mért elért nyereség és általános hatékonyság a teljes frekvencián szinte hasonló a szimulációs eredményekhez, ami azt jelzi, hogy a javasolt MIMO prototípus teljesítménye megfelel az elvárásoknak, és az ajánlott MS-alapú MIMO antenna alkalmas 5G kommunikációra. A kísérleti vizsgálatok hibái miatt eltérések vannak a laboratóriumi kísérletek összesített eredményei és a szimulációk eredményei között. A javasolt prototípus teljesítményét befolyásolja az antenna és az SMA csatlakozó közötti impedancia eltérés, a koaxiális kábel illesztési veszteségei, a forrasztási hatások, valamint a különböző elektronikus eszközök közelsége a kísérleti elrendezéshez.
A 20. ábra az említett antenna tervezési és optimalizálási folyamatát mutatja be blokkdiagram formájában. Ez a blokkdiagram lépésről lépésre ismerteti a javasolt MIMO antennatervezési elveket, valamint azokat a paramétereket, amelyek kulcsszerepet játszanak az antenna optimalizálása során, hogy elérjék a szükséges nagy erősítést és nagy leválasztást széles működési frekvencián.
A közeli MIMO antenna méréseit az UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory SATIMO Near-Field Kísérleti Környezetében mérték. A 21a, b ábrák az igényelt MIMO antenna szimulált és megfigyelt E-síkú és H-síkú sugárzási mintáit mutatják MS-sel és anélkül, 5,5 GHz-es működési frekvencián. Az 5,5 GHz-es működési frekvencia tartományban a kifejlesztett nem MS MIMO antenna konzisztens kétirányú sugárzási mintát biztosít oldallebeny értékekkel. Az MS reflektor alkalmazása után az antenna egyirányú sugárzási mintát biztosít, és csökkenti a hátsó lebenyek szintjét, amint az a 21a, b ábrákon látható. Érdemes megjegyezni, hogy réz hátlappal ellátott metafelület használatával a javasolt MIMO antennamintázat stabilabb és egyirányúbb, mint MS nélkül, nagyon alacsony hát- és oldallebenyekkel. A javasolt MM array reflektor csökkenti az antenna hátsó és oldalsó lebenyét, valamint javítja a sugárzási jellemzőket azáltal, hogy az áramot egyirányú irányba irányítja (21a, b ábra), ezáltal növeli az erősítést és az irányíthatóságot. A mért sugárzási mintát az 1. portra kaptuk, 50 ohmos terhelés mellett a többi porthoz. Megfigyelték, hogy a kísérleti sugárzási mintázat majdnem teljesen megegyezett a CST által szimulálttal, bár volt néhány eltérés az alkatrészek eltolódása, a terminálportokról való visszaverődés és a kábelcsatlakozások veszteségei miatt. Ezenkívül egy nylon távtartót helyeztek az antenna és az MS reflektor közé, ami egy másik probléma, amely befolyásolja a megfigyelt eredményeket az előre jelzett eredményekhez képest.
A kifejlesztett MIMO antenna (MS nélkül és MS-sel) sugárzási mintázatát 5,5 GHz-es frekvencián szimulálták és tesztelték.
Fontos megjegyezni, hogy a port leválasztása és a hozzá kapcsolódó jellemzők elengedhetetlenek a MIMO rendszerek teljesítményének értékelésekor. A javasolt MIMO rendszer diverzitási teljesítményét, beleértve a burkológörbekorrelációs együtthatót (ECC) és a diverzitáserősítést (DG), megvizsgáljuk a tervezett MIMO antennarendszer robusztusságának szemléltetésére. A MIMO-antenna ECC-je és DG-je felhasználható a teljesítmény értékelésére, mivel ezek fontos szempontok a MIMO-rendszer teljesítményében. A következő szakaszok a javasolt MIMO antenna ezen jellemzőit részletezik.
Borítékkorrelációs együttható (ECC). Bármely MIMO rendszer mérlegelésekor az ECC meghatározza, hogy az alkotóelemek milyen mértékben korrelálnak egymással sajátos tulajdonságaik tekintetében. Így az ECC bemutatja a vezeték nélküli kommunikációs hálózat csatornaizolációjának mértékét. A kifejlesztett MIMO rendszer ECC (envelope correlation coefficient) S-paraméterek és távoli emisszió alapján határozható meg. Az Eq. (7) és (8) a javasolt 31 MIMO-antenna ECC-je meghatározható.
A visszaverődési együttható Sii, Sij pedig az átviteli együttható. A j-edik és az i-edik antenna háromdimenziós sugárzási mintázatát a \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) és \( \vec {{R_{ i } }} Térszög, amelyet a \left( {\theta ,\varphi } \right)\) és a \({\Omega }\) jelképez. A javasolt antenna ECC-görbéje a 22a. ábrán látható, és értéke kisebb, mint 0,004, ami jóval a vezeték nélküli rendszereknél elfogadható 0,5-ös érték alatt van. Ezért a csökkentett ECC érték azt jelenti, hogy a javasolt 4 portos MIMO rendszer kiváló diverzitást biztosít43.
A Diversity Gain (DG) DG egy másik MIMO-rendszer teljesítménymutatója, amely leírja, hogy a diverzitási séma hogyan befolyásolja a kisugárzott teljesítményt. A (9) reláció határozza meg a fejlesztés alatt álló MIMO antennarendszer főigazgatóságát a 31. pontban leírtak szerint.
A 22b. ábra a javasolt MIMO rendszer DG diagramját mutatja, ahol a DG érték nagyon közel van a 10 dB-hez. A tervezett MIMO rendszer összes antennájának DG értéke meghaladja a 9,98 dB-t.
Az 1. táblázat összehasonlítja a javasolt metasurface MIMO antennát a közelmúltban kifejlesztett hasonló MIMO rendszerekkel. Az összehasonlítás különféle teljesítményparamétereket vesz figyelembe, beleértve a sávszélességet, az erősítést, a maximális szigetelést, az általános hatékonyságot és a diverzitásteljesítményt. A kutatók 5, 44, 45, 46, 47 technikákkal különböző MIMO antenna prototípusokat mutattak be 5, 44, 45, 46, 47 technikákkal. A korábban publikált munkákkal összehasonlítva a javasolt MIMO rendszer metasurface reflektorokkal felülmúlja azokat a sávszélesség, az erősítés és az izoláció tekintetében. Ezenkívül a bejelentett hasonló antennákhoz képest a kifejlesztett MIMO rendszer kiváló diverzitási teljesítményt és általános hatékonyságot mutat kisebb méretben. Bár az 5.46. szakaszban leírt antennák nagyobb szigeteléssel rendelkeznek, mint a javasolt antennáink, ezek az antennák nagy méretben, alacsony erősítéssel, szűk sávszélességben és gyenge MIMO-teljesítményben szenvednek. A 45-ben javasolt 4-portos MIMO antenna nagy nyereséget és hatékonyságot mutat, de kialakítása alacsony szigetelésű, nagy mérete és gyenge diverzitási teljesítménye. Másrészt a 47-ben javasolt kis méretű antennarendszer nagyon alacsony erősítéssel és működési sávszélességgel rendelkezik, míg a javasolt MS alapú 4 portos MIMO rendszerünk kis méretet, nagy erősítést, nagy szigetelést és jobb teljesítményű MIMO-t mutat. Így a javasolt metasurface MIMO antenna a 6 GHz alatti 5G kommunikációs rendszerek fő vetélytársává válhat.
A 6 GHz alatti 5G-alkalmazások támogatására egy négyportos metasurface reflektor alapú szélessávú MIMO antenna javasolt nagy erősítéssel és szigeteléssel. A mikroszalag vonal egy négyzet alakú sugárzó szakaszt táplál, amelyet az átlós sarkoknál négyzet csonkol. A javasolt MS-t és antennakibocsátót a Rogers RT5880-hoz hasonló hordozóanyagokon valósítják meg, hogy kiváló teljesítményt érjenek el a nagy sebességű 5G kommunikációs rendszerekben. A MIMO antenna széles hatótávolsággal és nagy nyereséggel rendelkezik, hangszigetelést és kiváló hatékonyságot biztosít a MIMO alkatrészek között. A kifejlesztett egyetlen antenna miniatűr méretei 0,58-0,58-0,02? 5 × 5-ös metasurface tömbbel széles, 4,56 GHz-es működési sávszélességet, 8 dBi csúcserősítést és kiváló mért hatékonyságot biztosít. A javasolt négyportos MIMO antennát (2 × 2 tömb) úgy tervezték, hogy az egyes javasolt antennákat ortogonálisan igazítják egy másik, 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ méretű antennához. Javasoljuk, hogy egy 10 × 10 MM-es tömböt állítsanak össze egy 12 mm magas MIMO antenna alá, amely csökkentheti a visszasugárzást és csökkenti a MIMO alkatrészek közötti kölcsönös csatolást, ezáltal javítva az erősítést és az izolációt. A kísérleti és szimulációs eredmények azt mutatják, hogy a kifejlesztett MIMO prototípus széles, 3,08–7,75 GHz-es frekvenciatartományban képes működni, lefedve a 6 GHz alatti 5G spektrumot. Ezenkívül a javasolt MS-alapú MIMO antenna 2,9 dBi-vel javítja az erősítést, ami 8,3 dBi-es maximális erősítést ér el, és kiváló szigetelést (>15,5 dB) biztosít a MIMO komponensek között, igazolva az MS hozzájárulását. Ezen túlmenően a javasolt MIMO antenna magas, átlagosan 82%-os teljes hatékonysággal és alacsony, 22 mm-es távolsággal rendelkezik. Az antenna kiváló MIMO diverzitási teljesítményt mutat, beleértve a nagyon magas DG-t (9,98 dB felett), a nagyon alacsony ECC-t (kevesebb, mint 0,004) és az egyirányú sugárzási mintát. A mérési eredmények nagyon hasonlóak a szimulációs eredményekhez. Ezek a jellemzők megerősítik, hogy a kifejlesztett négyportos MIMO antennarendszer életképes választás lehet az 5G kommunikációs rendszerek számára a 6 GHz alatti frekvenciatartományban.
A Cowin 400-6000 MHz-es szélessávú PCB antennát tud biztosítani, és támogatja az új antenna tervezését az Ön igényei szerint, kérjük, habozás nélkül lépjen kapcsolatba velünk, ha bármilyen kérése van.
Feladás időpontja: 2024.10.10