To delo predlaga kompaktno integrirano širokopasovno metasurface (MS) anteno z več vhodi in izhodi (MIMO) za brezžične komunikacijske sisteme pete generacije (5G) pod 6 GHz. Očitna novost predlaganega sistema MIMO je njegova široka delovna pasovna širina, visoko ojačenje, majhne razdalje med komponentami in odlična izolacija znotraj komponent MIMO. Sevalna točka antene je diagonalno okrnjena, delno ozemljena, za izboljšanje zmogljivosti antene pa so uporabljene metapovršine. Predlagani prototip integrirane enojne MS antene ima miniaturne dimenzije 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Rezultati simulacije in meritev kažejo širokopasovno zmogljivost od 3,11 GHz do 7,67 GHz, vključno z največjim doseženim ojačanjem 8 dBi. Sistem MIMO s štirimi elementi je zasnovan tako, da je vsaka antena pravokotna druga na drugo, hkrati pa ohranja kompaktno velikost in širokopasovno zmogljivost od 3,2 do 7,6 GHz. Predlagani prototip MIMO je zasnovan in izdelan na podlagi Rogers RT5880 z nizko izgubo in miniaturiziranimi dimenzijami 1,05? 1,05? 0,02?, njegova zmogljivost pa je ovrednotena z uporabo predlaganega kvadratnega zaprtega obročnega resonatorskega niza z 10 x 10 razcepljenim obročem. Osnovni material je enak. Predlagana metapovršina hrbtne plošče bistveno zmanjša povratno sevanje antene in manipulira z elektromagnetnimi polji, s čimer izboljša pasovno širino, ojačanje in izolacijo komponent MIMO. V primerjavi z obstoječimi antenami MIMO dosega predlagana 4-portna antena MIMO visoko ojačanje 8,3 dBi s povprečno skupno učinkovitostjo do 82 % v pasu 5G pod 6 GHz in se dobro ujema z izmerjenimi rezultati. Poleg tega razvita antena MIMO izkazuje odlično zmogljivost v smislu korelacijskega koeficienta ovojnice (ECC), manjšega od 0,004, povečanja raznolikosti (DG) približno 10 dB (>9,98 dB) in visoke izolacije med komponentami MIMO (>15,5 dB). lastnosti. Tako predlagana antena MIMO na osnovi MS potrjuje svojo uporabnost za komunikacijska omrežja 5G pod 6 GHz.
Tehnologija 5G je neverjeten napredek v brezžičnih komunikacijah, ki bo omogočila hitrejša in varnejša omrežja za milijarde povezanih naprav, zagotovila uporabniško izkušnjo z »ničelno« zakasnitvijo (zakasnitev manj kot 1 milisekundo) in uvedla nove tehnologije, vključno z elektroniko. Zdravstvena oskrba, intelektualna vzgoja. , pametna mesta, pametni domovi, virtualna resničnost (VR), pametne tovarne in internet vozil (IoV) spreminjajo naša življenja, družbo in industrije1,2,3. Ameriška zvezna komisija za komunikacije (FCC) deli spekter 5G na štiri frekvenčne pasove4. Frekvenčni pas pod 6 GHz je zanimiv za raziskovalce, ker omogoča komunikacijo na dolge razdalje z visokimi hitrostmi prenosa podatkov5,6. Dodelitev spektra 5G pod 6 GHz za globalne komunikacije 5G je prikazana na sliki 1, kar kaže, da vse države razmišljajo o spektru pod 6 GHz za komunikacije 5G7,8. Antene so pomemben del omrežij 5G in bodo zahtevale več anten baznih postaj in uporabniških terminalov.
Mikrotrakaste antene imajo prednosti tankosti in ravne strukture, vendar so omejene glede pasovne širine in ojačanja9,10, zato je bilo opravljenih veliko raziskav za povečanje ojačanja in pasovne širine antene; V zadnjih letih so se metapovršine (MS) pogosto uporabljale v antenskih tehnologijah, zlasti za izboljšanje ojačenja in prepustnosti 11, 12, vendar so te antene omejene na ena vrata; Tehnologija MIMO je pomemben vidik brezžičnih komunikacij, saj lahko za prenos podatkov uporablja več anten hkrati, s čimer izboljša hitrost prenosa podatkov, spektralno učinkovitost, zmogljivost kanala in zanesljivost13,14,15. Antene MIMO so potencialni kandidati za aplikacije 5G, ker lahko prenašajo in sprejemajo podatke prek več kanalov, ne da bi potrebovali dodatno napajanje16,17. Učinek medsebojnega spajanja med komponentami MIMO je odvisen od lokacije elementov MIMO in ojačanja antene MIMO, kar je velik izziv za raziskovalce. Slike 18, 19 in 20 prikazujejo različne antene MIMO, ki delujejo v pasu 5G pod 6 GHz, pri čemer vse kažejo dobro izolacijo in zmogljivost MIMO. Vendar sta pridobitev in delovna pasovna širina teh predlaganih sistemov nizka.
Metamateriali (MM) so novi materiali, ki ne obstajajo v naravi in lahko manipulirajo z elektromagnetnimi valovi, s čimer izboljšajo delovanje anten21,22,23,24. MM se zdaj široko uporablja v antenski tehnologiji za izboljšanje sevalnega vzorca, pasovne širine, ojačenja in izolacije med antenskimi elementi in brezžičnimi komunikacijskimi sistemi, kot je razloženo v 25, 26, 27, 28. Leta 2029 je štirielementni sistem MIMO, ki temelji na metapovršino, pri kateri je del antene stisnjen med metapovršino in zemljo brez zračne reže, kar izboljša zmogljivost MIMO. Vendar ima ta zasnova večjo velikost, nižjo delovno frekvenco in kompleksno strukturo. Elektromagnetni pasovni razmik (EBG) in ozemljitvena zanka sta vključena v predlagano 2-portno širokopasovno anteno MIMO za izboljšanje izolacije komponent MIMO30. Načrtovana antena ima dobro zmogljivost raznolikosti MIMO in odlično izolacijo med dvema antenama MIMO, vendar bo z uporabo samo dveh komponent MIMO dobiček nizek. Poleg tega je in31 predlagal tudi ultra-širokopasovno (UWB) dual-port MIMO anteno in raziskal njeno delovanje MIMO z uporabo metamaterialov. Čeprav je ta antena sposobna delovanja UWB, je njeno ojačanje nizko in izolacija med obema antenama je slaba. Delo v 32 predlaga 2-portni sistem MIMO, ki uporablja reflektorje z elektromagnetno pasovno vrzeljo (EBG) za povečanje ojačanja. Čeprav ima razviti antenski niz visoko ojačanje in dobro zmogljivost raznovrstnosti MIMO, je zaradi velike velikosti težko uporabiti v komunikacijskih napravah naslednje generacije. Druga širokopasovna antena na osnovi reflektorja je bila razvita leta 33, kjer je bil reflektor vgrajen pod anteno z večjo režo 22 mm, ki kaže nižji vrh ojačenja 4,87 dB. Dokument 34 oblikuje anteno MIMO s štirimi vrati za aplikacije mmWave, ki je integrirana s plastjo MS za izboljšanje izolacije in ojačanja sistema MIMO. Vendar ta antena zagotavlja dobro ojačanje in izolacijo, vendar ima omejeno pasovno širino in slabe mehanske lastnosti zaradi velike zračne reže. Podobno je bila leta 2015 razvita metapovršinsko integrirana MIMO antena s tremi pari in 4 vrati v obliki metuljčka za mmWave komunikacije z največjim ojačanjem 7,4 dBi. B36 MS se uporablja na hrbtni strani antene 5G za povečanje ojačanja antene, kjer metapovršina deluje kot reflektor. Vendar pa je struktura MS asimetrična in manj pozornosti je bilo namenjene strukturi enotne celice.
Glede na zgornje rezultate analize nobena od zgornjih anten nima visokega ojačanja, odlične izolacije, zmogljivosti MIMO in širokopasovne pokritosti. Zato še vedno obstaja potreba po metapovršinski anteni MIMO, ki lahko pokriva širok razpon frekvenc spektra 5G pod 6 GHz z visokim ojačanjem in izolacijo. Glede na omejitve zgoraj omenjene literature je za brezžične komunikacijske sisteme pod 6 GHz predlagan širokopasovni štirielementni antenski sistem MIMO z visokim ojačanjem in odlično zmogljivostjo raznolikosti. Poleg tega ima predlagana antena MIMO odlično izolacijo med komponentami MIMO, majhne reže med elementi in visoko učinkovitost sevanja. Obliž antene je prirezan diagonalno in nameščen na vrhu metapovršine z 12-milimetrsko zračno režo, ki odbija sevanje antene nazaj in izboljša ojačanje in usmerjenost antene. Poleg tega se predlagana enojna antena uporablja za ustvarjanje štiri-elementne antene MIMO z vrhunsko zmogljivostjo MIMO s postavitvijo vsake antene pravokotno druga na drugo. Razvita antena MIMO je bila nato integrirana na vrhu niza 10 × 10 MS z bakreno hrbtno ploščo za izboljšanje emisijske učinkovitosti. Zasnova ima širok razpon delovanja (3,08–7,75 GHz), visoko ojačenje 8,3 dBi in visoko povprečno skupno učinkovitost 82 %, kot tudi odlično izolacijo, večjo od −15,5 dB med komponentami antene MIMO. Razvita antena MIMO, ki temelji na MS, je bila simulirana s 3D elektromagnetnim programskim paketom CST Studio 2019 in potrjena z eksperimentalnimi študijami.
Ta razdelek nudi podroben uvod v predlagano arhitekturo in metodologijo načrtovanja ene antene. Poleg tega so podrobno obravnavani simulirani in opazovani rezultati, vključno s parametri sipanja, ojačanjem in splošno učinkovitostjo z in brez metapovršin. Prototip antene je bil razvit na dielektričnem substratu z nizkimi izgubami Rogers 5880 debeline 1,575 mm z dielektrično konstanto 2,2. Za razvoj in simulacijo zasnove je bil uporabljen paket elektromagnetnega simulatorja CST studio 2019.
Slika 2 prikazuje predlagano arhitekturo in oblikovni model enoelementne antene. V skladu z dobro uveljavljenimi matematičnimi enačbami37 je antena sestavljena iz linearno napajane kvadratne sevalne točke in bakrene ozemljitvene plošče (kot je opisano v koraku 1) in resonira z zelo ozko pasovno širino pri 10,8 GHz, kot je prikazano na sliki 3b. Začetna velikost antenskega radiatorja je določena z naslednjim matematičnim razmerjem37:
Kjer sta \(P_{L}\) in \(P_{w}\) dolžina in širina zaplate, c predstavlja hitrost svetlobe, \(\gamma_{r}\) je dielektrična konstanta substrata . , \(\gamma_{reff }\) predstavlja efektivno dielektrično vrednost sevalne pege, \(\Delta L\) predstavlja spremembo dolžine pege. Zadnja plošča antene je bila optimizirana v drugi fazi, s čimer se je povečala pasovna širina impedance kljub zelo nizki pasovni širini impedance 10 dB. V tretji stopnji se položaj podajalnika premakne v desno, kar izboljša pasovno širino impedance in ujemanje impedance predlagane antene38. Na tej stopnji antena izkazuje odlično delovno pasovno širino 4 GHz in pokriva tudi spekter pod 6 GHz v 5G. Četrta in zadnja stopnja vključuje jedkanje kvadratnih utorov v nasprotnih kotih sevalne točke. Ta reža znatno razširi pasovno širino 4,56 GHz, da pokrije spekter 5G pod 6 GHz s 3,11 GHz na 7,67 GHz, kot je prikazano na sliki 3b. Pogled od spredaj in od spodaj na predlagano zasnovo je prikazan na sliki 3a, končni optimizirani zahtevani parametri zasnove pa so naslednji: 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) Pogled od zgoraj in od zadaj oblikovane enojne antene (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Krivulja S-parametrov.
Metapovršina je izraz, ki se nanaša na periodični niz enotskih celic, ki se nahajajo na določeni medsebojni razdalji. Metapovršine so učinkovit način za izboljšanje učinkovitosti sevanja antene, vključno s pasovno širino, ojačanjem in izolacijo med komponentami MIMO. Zaradi vpliva širjenja površinskih valov metapovršine ustvarjajo dodatne resonance, ki prispevajo k izboljšani zmogljivosti antene39. To delo predlaga enoto epsilon-negativnega metamateriala (MM), ki deluje v pasu 5G pod 6 GHz. MM s površino 8 mm × 8 mm je bil razvit na substratu Rogers 5880 z nizkimi izgubami z dielektrično konstanto 2,2 in debelino 1,575 mm. Optimizirani resonatorski obliž MM je sestavljen iz notranjega krožnega razcepnega obroča, povezanega z dvema spremenjenima zunanjima razcepnima obročema, kot je prikazano na sliki 4a. Slika 4a povzema končne optimizirane parametre predlagane nastavitve MM. Kasneje so bile razvite metapovršinske plasti 40 × 40 mm in 80 × 80 mm brez bakrene hrbtne plošče in z bakreno hrbtno ploščo z uporabo celičnih nizov 5 × 5 oziroma 10 × 10 . Predlagana struktura MM je bila modelirana s programsko opremo za 3D elektromagnetno modeliranje "CST studio suite 2019". Na sliki 4b je prikazan izdelan prototip predlagane strukture niza MM in nastavitev meritev (dvoportni analizator omrežja PNA in valovodna vrata) za potrditev rezultatov simulacije CST z analizo dejanskega odziva. Merilna nastavitev je uporabila omrežni analizator serije Agilent PNA v kombinaciji z dvema valovodnima koaksialnima adapterjema (A-INFOMW, številka dela: 187WCAS) za pošiljanje in sprejemanje signalov. Prototipni niz 5 × 5 je bil postavljen med dva valovodna koaksialna adapterja, povezana s koaksialnim kablom na dvoportni omrežni analizator (Agilent PNA N5227A). Komplet za umerjanje Agilent N4694-60001 se uporablja za umerjanje analizatorja omrežja v pilotni napravi. Simulirani in CST opazovani parametri sipanja predlaganega prototipa niza MM so prikazani na sliki 5a. Vidimo lahko, da predlagana struktura MM odmeva v frekvenčnem območju 5G pod 6 GHz. Kljub majhni razliki v pasovni širini 10 dB so simulirani in eksperimentalni rezultati zelo podobni. Resonančna frekvenca, pasovna širina in amplituda opazovane resonance se nekoliko razlikujejo od simuliranih, kot je prikazano na sliki 5a. Te razlike med opazovanimi in simuliranimi rezultati so posledica proizvodnih nepopolnosti, majhnih razdalj med prototipom in valovodnimi vrati, učinkov sklopitve med valovodnimi vrati in komponentami niza ter merilnih toleranc. Poleg tega lahko pravilna postavitev razvitega prototipa med vrata valovoda v eksperimentalni nastavitvi povzroči resonančni premik. Poleg tega je bil med fazo kalibracije opažen nezaželen šum, ki je povzročil odstopanja med numeričnimi in izmerjenimi rezultati. Vendar pa poleg teh težav predlagani prototip niza MM deluje dobro zaradi močne korelacije med simulacijo in eksperimentom, zaradi česar je zelo primeren za brezžične komunikacijske aplikacije 5G pod 6 GHz.
(a) Geometrija enotske celice (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) Fotografija merilne postavitve MM.
(a) Simulacija in verifikacija krivulj parametrov sipanja prototipa metamateriala. (b) Krivulja dielektrične konstante enote celice MM.
Pomembne učinkovite parametre, kot so efektivna dielektrična konstanta, magnetna prepustnost in lomni količnik, so proučevali z uporabo vgrajenih tehnik naknadne obdelave elektromagnetnega simulatorja CST za nadaljnjo analizo obnašanja enote celice MM. Učinkoviti parametri MM so pridobljeni iz parametrov sipanja z uporabo robustne metode rekonstrukcije. Naslednji enačbi prepustnosti in koeficienta refleksije: (3) in (4) se lahko uporabita za določitev lomnega količnika in impedance (glejte 40).
Realni in imaginarni del operatorja sta predstavljena z (.)' oziroma (.)” in celoštevilska vrednost m ustreza dejanskemu lomnemu količniku. Dielektrična konstanta in prepustnost sta določeni s formulama \(\varepsilon { } = { }n/z,\) in \(\mu = nz\), ki temeljita na impedanci oziroma lomnem količniku. Krivulja efektivne dielektrične konstante strukture MM je prikazana na sliki 5b. Pri resonančni frekvenci je efektivna dielektrična konstanta negativna. Sliki 6a,b prikazujeta ekstrahirane vrednosti efektivne prepustnosti (μ) in efektivnega lomnega količnika (n) predlagane enote celice. Predvsem ekstrahirane prepustnosti kažejo pozitivne realne vrednosti blizu nič, kar potrjuje epsilon-negativne (ENG) lastnosti predlagane strukture MM. Poleg tega, kot je prikazano na sliki 6a, je resonanca pri prepustnosti blizu ničle močno povezana z resonančno frekvenco. Razvita enota celice ima negativen lomni količnik (slika 6b), kar pomeni, da se predlagani MM lahko uporabi za izboljšanje zmogljivosti antene 21,41.
Razviti prototip ene širokopasovne antene je bil izdelan za eksperimentalno testiranje predlagane zasnove. Sliki 7a, b prikazujeta slike predlaganega prototipa enojne antene, njenih strukturnih delov in nastavitev za merjenje bližnjega polja (SATIMO). Za izboljšanje zmogljivosti antene je razvita metapovršina nameščena v plasteh pod anteno, kot je prikazano na sliki 8a, z višino h. Ena dvoslojna metapovršina 40 mm x 40 mm je bila nanesena na zadnji del posamezne antene v intervalih 12 mm. Poleg tega je na zadnji strani enojne antene na razdalji 12 mm nameščena metapovršina s hrbtno ploščo. Po uporabi metapovršine ena antena kaže znatno izboljšanje zmogljivosti, kot je prikazano na slikah 1 in 2. Sliki 8 in 9. Slika 8b prikazuje simulirane in izmerjene odbojne ploskve za posamezno anteno brez in z metapovršinami. Omeniti velja, da je pas pokritosti antene z metapovršino zelo podoben pasu pokritosti antene brez metapovršine. Sliki 9a,b prikazujeta primerjavo simuliranega in opazovanega ojačenja ene antene in splošne učinkovitosti brez in z MS v delovnem spektru. Vidimo lahko, da je v primerjavi z nemetapovršinsko anteno ojačenje metapovršinske antene znatno izboljšano in se poveča s 5,15 dBi na 8 dBi. Dobiček enoslojne metapovršine, dvoslojne metapovršine in ene antene z metapovršino hrbtne plošče se je povečal za 6 dBi, 6,9 dBi oziroma 8 dBi. V primerjavi z drugimi metapovršinami (enoslojni in dvoslojni MC-ji) je ojačanje antene z enojno metapovršino z bakreno hrbtno ploščo do 8 dBi. V tem primeru metapovršina deluje kot reflektor, ki zmanjšuje povratno sevanje antene in manipulira z elektromagnetnimi valovi v fazi, s čimer se poveča učinkovitost sevanja antene in s tem dobiček. Študija splošne učinkovitosti posamezne antene brez in z metapovršinami je prikazana na sliki 9b. Omeniti velja, da je učinkovitost antene z metapovršino in brez nje skoraj enaka. V spodnjem frekvenčnem območju se učinkovitost antene nekoliko zmanjša. Eksperimentalna in simulirana krivulja ojačenja in učinkovitosti se dobro ujemata. Vendar pa obstajajo majhne razlike med simuliranimi in preizkušenimi rezultati zaradi proizvodnih napak, toleranc meritev, izgube povezave vrat SMA in izgube žice. Poleg tega sta antena in MS reflektor nameščena med najlonskimi distančniki, kar je še ena težava, ki vpliva na opazovane rezultate v primerjavi z rezultati simulacije.
Slika (a) prikazuje dokončano posamezno anteno in njene povezane komponente. (b) Nastavitev merjenja bližnjega polja (SATIMO).
(a) Vzbujanje antene z uporabo metapovršinskih reflektorjev (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Simulirane in eksperimentalne odbojnosti ene same antene brez in z MS.
Rezultati simulacije in merjenja (a) doseženega ojačanja in (b) splošne učinkovitosti predlagane antene z metapovršinskim učinkom.
Analiza vzorca snopa z uporabo MS. Meritve bližnjega polja z eno anteno so bile izvedene v eksperimentalnem okolju SATIMO Near-Field Experimental Environment Laboratorija za sisteme bližnjega polja SATIMO UKM. Sliki 10a, b prikazujeta simulirane in opazovane vzorce sevanja E-ravnine in H-ravnine pri 5,5 GHz za predlagano enojno anteno z in brez MS. Razvita enojna antena (brez MS) zagotavlja dosleden dvosmerni vzorec sevanja z vrednostmi stranskega režnja. Po uporabi predlaganega MS reflektorja antena zagotavlja enosmerni vzorec sevanja in zmanjša nivo zadnjih rež, kot je prikazano na slikah 10a, b. Treba je omeniti, da je predlagani vzorec sevanja z eno anteno bolj stabilen in enosmeren z zelo nizkimi zadnjimi in stranskimi režnji pri uporabi metapovršine z bakreno hrbtno ploščo. Predlagani reflektor nizov MM zmanjšuje zadnji in stranski del antene, hkrati pa izboljšuje učinkovitost sevanja z usmerjanjem toka v enosmernih smereh (sl. 10a, b), s čimer se poveča ojačanje in usmerjenost. Ugotovljeno je bilo, da je bil eksperimentalni vzorec sevanja skoraj primerljiv s tistim iz simulacij CST, vendar se je nekoliko razlikoval zaradi neporavnanosti različnih sestavljenih komponent, toleranc meritev in izgub v kablih. Poleg tega je bil med anteno in MS reflektor vstavljen najlonski distančnik, kar je še en problem, ki vpliva na opazovane rezultate v primerjavi z numeričnimi rezultati.
Simuliran in testiran je bil sevalni vzorec razvite enojne antene (brez MS in z MS) na frekvenci 5,5 GHz.
Predlagana geometrija antene MIMO je prikazana na sliki 11 in vključuje štiri posamezne antene. Štiri komponente antene MIMO so razporejene pravokotno druga na drugo na substratu dimenzij 80 × 80 × 1,575 mm, kot je prikazano na sliki 11. Načrtovana antena MIMO ima medelementno razdaljo 22 mm, kar je manjše od najbližja ustrezna medelementna razdalja antene. Razvita antena MIMO. Poleg tega je del ozemljitvene plošče nameščen na enak način kot posamezna antena. Vrednosti odbojnosti anten MIMO (S11, S22, S33 in S44), prikazane na sliki 12a, se obnašajo enako kot enoelementna antena, ki odmeva v pasu 3,2–7,6 GHz. Zato je impedančna pasovna širina antene MIMO popolnoma enaka pasovni širini ene same antene. Učinek sklopitve med komponentami MIMO je glavni razlog za majhno izgubo pasovne širine anten MIMO. Slika 12b prikazuje učinek medsebojnega povezovanja na komponente MIMO, kjer je bila določena optimalna izolacija med komponentami MIMO. Izolacija med antenama 1 in 2 je najnižja pri približno -13,6 dB, izolacija med antenama 1 in 4 pa je največja pri približno -30,4 dB. Zaradi svoje majhnosti in širše pasovne širine ima ta antena MIMO manjše ojačanje in manjšo prepustnost. Izolacija je nizka, zato je potrebna večja ojačitev in izolacija;
Oblikovalski mehanizem predlagane antene MIMO (a) pogled od zgoraj in (b) ozemljitvena plošča. (CST Studio Suite 2019).
Geometrična razporeditev in metoda vzbujanja predlagane metapovršinske antene MIMO sta prikazana na sliki 13a. Matrica 10 x 10 mm z dimenzijami 80 x 80 x 1,575 mm je zasnovana za zadnjo stran 12 mm visoke antene MIMO, kot je prikazano na sliki 13a. Poleg tega so metapovršine z bakrenimi hrbtnimi ploščami namenjene uporabi v antenah MIMO za izboljšanje njihove učinkovitosti. Razdalja med metapovršino in anteno MIMO je ključnega pomena za doseganje visokega ojačanja, hkrati pa omogoča konstruktivno interferenco med valovi, ki jih ustvarja antena, in tistimi, ki se odbijajo od metapovršine. Izvedeno je bilo obsežno modeliranje za optimizacijo višine med anteno in metapovršino ob ohranjanju četrtvalovnih standardov za največji dobiček in izolacijo med elementi MIMO. Znatne izboljšave v zmogljivosti antene MIMO, dosežene z uporabo metapovršin z hrbtnimi ploščami v primerjavi z metapovršinami brez hrbtnih plošč, bodo prikazane v naslednjih poglavjih.
(a) Nastavitev simulacije CST predlagane antene MIMO z uporabo MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Odbojne krivulje razvitega sistema MIMO brez MS in z MS.
Odbojnosti anten MIMO z metapovršinami in brez njih so prikazane na sliki 13b, kjer sta S11 in S44 predstavljena zaradi skoraj enakega obnašanja vseh anten v sistemu MIMO. Omeniti velja, da je pasovna širina impedance -10 dB antene MIMO brez in z eno samo metapovršino skoraj enaka. Nasprotno pa je impedančna pasovna širina predlagane antene MIMO izboljšana z dvoslojnim MS in MS na hrbtni plošči. Omeniti velja, da brez MS antena MIMO zagotavlja delno pasovno širino 81,5 % (3,2–7,6 GHz) glede na srednjo frekvenco. Integracija MS s hrbtno ploščo poveča pasovno širino impedance predlagane antene MIMO na 86,3 % (3,08–7,75 GHz). Čeprav dvoslojni MS poveča prepustnost, je izboljšava manjša kot pri MS z bakreno hrbtno ploščo. Poleg tega dvoslojni MC poveča velikost antene, poveča njeno ceno in omeji njen doseg. Načrtovana antena MIMO in metapovršinski reflektor sta izdelana in preverjena za potrditev rezultatov simulacije in ovrednotenje dejanske zmogljivosti. Slika 14a prikazuje izdelano plast MS in anteno MIMO z različnimi sestavljenimi komponentami, medtem ko slika 14b prikazuje fotografijo razvitega sistema MIMO. Antena MIMO je nameščena na vrhu metapovršine z uporabo štirih najlonskih distančnikov, kot je prikazano na sliki 14b. Slika 15a prikazuje posnetek eksperimentalne nastavitve bližnjega polja razvitega antenskega sistema MIMO. Mrežni analizator PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) je bil uporabljen za oceno parametrov sipanja ter za oceno in karakterizacijo značilnosti emisij bližnjega polja v laboratoriju UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory.
(a) Fotografije meritev bližnjega polja SATIMO (b) Simulirane in eksperimentalne krivulje antene S11 MIMO z in brez MS.
Ta razdelek predstavlja primerjalno študijo simuliranih in opazovanih S-parametrov predlagane antene 5G MIMO. Slika 15b prikazuje eksperimentalni graf odbojnosti integrirane 4-elementne antene MIMO MS in jo primerja z rezultati simulacije CST. Ugotovljeno je bilo, da so eksperimentalne odbojnosti enake izračunom CST, vendar so bile nekoliko drugačne zaradi proizvodnih napak in eksperimentalnih toleranc. Poleg tega opažena odbojnost predlaganega prototipa MIMO, ki temelji na MS, pokriva spekter 5G pod 6 GHz s pasovno širino impedance 4,8 GHz, kar pomeni, da so aplikacije 5G možne. Vendar se izmerjena resonančna frekvenca, pasovna širina in amplituda nekoliko razlikujejo od rezultatov simulacije CST. Proizvodne napake, izgube v povezavi koaksialnega kabla s SMA in nastavitve merjenja na prostem lahko povzročijo razlike med izmerjenimi in simuliranimi rezultati. Kljub tem pomanjkljivostim pa predlagani MIMO deluje dobro, saj zagotavlja močno skladnost med simulacijami in meritvami, zaradi česar je zelo primeren za brezžične aplikacije 5G pod 6 GHz.
Simulirane in opazovane krivulje ojačanja antene MIMO so prikazane na slikah 2 in 2. Kot je prikazano na slikah 16a,b oziroma 17a,b, je prikazana medsebojna interakcija komponent MIMO. Ko se metapovršine uporabijo za antene MIMO, se izolacija med antenami MIMO znatno izboljša. Grafi izolacije med sosednjimi antenskimi elementi S12, S14, S23 in S34 kažejo podobne krivulje, medtem ko diagonalni MIMO anteni S13 in S42 kažeta podobno visoko izolacijo zaradi večje razdalje med njima. Simulirane značilnosti prenosa sosednjih anten so prikazane na sliki 16a. Treba je omeniti, da je v spektru delovanja 5G pod 6 GHz najmanjša izolacija antene MIMO brez metapovršine -13,6 dB, za metapovršine s hrbtno ploščo pa 15,5 dB. Graf ojačanja (slika 16a) kaže, da metapovršina hrbtne plošče znatno izboljša izolacijo med elementi antene MIMO v primerjavi z eno- in dvoslojnimi metapovršinami. Na sosednjih antenskih elementih eno- in dvoslojne metapovršine zagotavljajo najmanjšo izolacijo približno -13,68 dB in -14,78 dB, bakrena metapovršina hrbtne plošče pa približno -15,5 dB.
Simulirane izolacijske krivulje elementov MIMO brez plasti MS in s plastjo MS: (a) S12, S14, S34 in S32 ter (b) S13 in S24.
Eksperimentalne krivulje ojačanja predlaganih anten MIMO na osnovi MS brez in z: (a) S12, S14, S34 in S32 ter (b) S13 in S24.
Grafi diagonalnega ojačanja antene MIMO pred in po dodajanju sloja MS so prikazani na sliki 16b. Treba je omeniti, da je najmanjša izolacija med diagonalnimi antenami brez metapovršine (anteni 1 in 3) – 15,6 dB v celotnem delovnem spektru, metapovršina s hrbtno ploščo pa – 18 dB. Pristop metapovršine znatno zmanjša učinke sklopitve med diagonalnimi antenami MIMO. Največja izolacija za enoslojno metapovršino je -37 dB, medtem ko za dvoslojno metapovršino ta vrednost pade na -47 dB. Največja izolacija metapovršine z bakreno hrbtno ploščo je −36,2 dB, ki se zmanjšuje z naraščanjem frekvenčnega območja. V primerjavi z eno- in dvoslojnimi metapovršinami brez hrbtne plošče metapovršine z hrbtno ploščo zagotavljajo vrhunsko izolacijo v celotnem zahtevanem frekvenčnem območju delovanja, zlasti v območju 5G pod 6 GHz, kot je prikazano na slikah 16a, b. V najbolj priljubljenem in široko uporabljenem pasu 5G pod 6 GHz (3,5 GHz) imajo eno- in dvoslojne metapovršine nižjo izolacijo med komponentami MIMO kot metapovršine z bakrenimi hrbtnimi ploščami (skoraj brez MS) (glejte sliko 16a, b). Meritve ojačanja so prikazane na slikah 17a, b, ki prikazujejo izolacijo sosednjih anten (S12, S14, S34 in S32) oziroma diagonalnih anten (S24 in S13). Kot je razvidno iz teh slik (sl. 17a, b), se eksperimentalna izolacija med komponentami MIMO dobro ujema s simulirano izolacijo. Čeprav obstajajo manjše razlike med simuliranimi in izmerjenimi vrednostmi CST zaradi proizvodnih napak, povezav vrat SMA in izgub žic. Poleg tega sta antena in MS reflektor nameščena med najlonskimi distančniki, kar je še ena težava, ki vpliva na opazovane rezultate v primerjavi z rezultati simulacije.
preučeval porazdelitev površinskega toka pri 5,5 GHz, da bi racionaliziral vlogo metapovršin pri zmanjševanju medsebojnega spajanja z zatiranjem površinskih valov42. Porazdelitev površinskega toka predlagane antene MIMO je prikazana na sliki 18, kjer je antena 1 gnana, preostali del antene pa je zaključen z obremenitvijo 50 ohmov. Ko je antena 1 pod napetostjo, se bodo pri sosednjih antenah pri 5,5 GHz pojavili pomembni medsebojni sklopitveni tokovi v odsotnosti metapovršine, kot je prikazano na sliki 18a. Nasprotno, z uporabo metapovršin, kot je prikazano na slikah 18b–d, se izboljša izolacija med sosednjimi antenami. Opozoriti je treba, da je mogoče učinek medsebojnega spajanja sosednjih polj zmanjšati na minimum s širjenjem sklopitvenega toka na sosednje obroče enotskih celic in sosednjih enotskih celic MS vzdolž plasti MS v antiparalelnih smereh. Vbrizgavanje toka iz porazdeljenih anten v enote MS je ključna metoda za izboljšanje izolacije med komponentami MIMO. Posledično se sklopitveni tok med komponentami MIMO močno zmanjša, izolacija pa se močno izboljša. Ker je sklopno polje široko porazdeljeno v elementu, bakrena metapovršina hrbtne plošče bistveno bolj izolira sklop antene MIMO kot eno- in dvoslojne metapovršine (slika 18d). Poleg tega ima razvita antena MIMO zelo nizko širjenje nazaj in stransko širjenje, kar ustvarja enosmerni vzorec sevanja, s čimer se poveča ojačanje predlagane antene MIMO.
Vzorci površinskega toka predlagane antene MIMO pri 5,5 GHz (a) brez MC, (b) enoslojni MC, (c) dvoslojni MC in (d) enoslojni MC z bakreno hrbtno ploščo. (CST Studio Suite 2019).
Znotraj delovne frekvence slika 19a prikazuje simulirane in opazovane dobičke zasnovane antene MIMO brez in z metapovršinami. Simulirano doseženo ojačenje antene MIMO brez metapovršine je 5,4 dBi, kot je prikazano na sliki 19a. Zaradi medsebojnega sklopitvenega učinka med komponentami MIMO predlagana antena MIMO dejansko doseže 0,25 dBi večje ojačenje kot ena sama antena. Dodatek metapovršin lahko zagotovi znatne dobičke in izolacijo med komponentami MIMO. Tako lahko predlagana metapovršinska antena MIMO doseže visok realiziran dobiček do 8,3 dBi. Kot je prikazano na sliki 19a, se pri uporabi ene same metapovršine na zadnji strani antene MIMO ojačanje poveča za 1,4 dBi. Ko se metapovršina podvoji, se ojačanje poveča za 2,1 dBi, kot je prikazano na sliki 19a. Vendar je pričakovano največje povečanje 8,3 dBi doseženo pri uporabi metapovršine z bakreno hrbtno ploščo. Predvsem je največje doseženo ojačenje za enoslojno in dvoslojno metapovršino 6,8 dBi oziroma 7,5 dBi, medtem ko je največje doseženo ojačenje za metapovršino spodnje plasti 8,3 dBi. Metapovršinski sloj na hrbtni strani antene deluje kot reflektor, saj odbija sevanje s hrbtne strani antene in izboljšuje razmerje med sprednjim in zadnjim delom (F/B) zasnovane antene MIMO. Poleg tega reflektor MS z visoko impedanco manipulira z elektromagnetnimi valovi v fazi, s čimer ustvarja dodatno resonanco in izboljša učinkovitost sevanja predlagane antene MIMO. MS reflektor, nameščen za MIMO anteno, lahko bistveno poveča doseženo ojačanje, kar potrjujejo tudi eksperimentalni rezultati. Opazovano in simulirano ojačenje razvite prototipne antene MIMO je skoraj enako, vendar je pri nekaterih frekvencah izmerjeno ojačenje večje od simuliranega ojačenja, zlasti za MIMO brez MS; Te razlike v eksperimentalnem ojačanju so posledica merilnih toleranc najlonskih blazinic, izgub v kablu in sklopitve v antenskem sistemu. Najvišje izmerjeno ojačenje antene MIMO brez metapovršine je 5,8 dBi, medtem ko je metapovršine z bakreno hrbtno ploščo 8,5 dBi. Treba je omeniti, da predlagani popolni 4-portni MIMO antenski sistem z MS reflektorjem kaže visoko ojačenje v eksperimentalnih in numeričnih pogojih.
Simulacija in eksperimentalni rezultati (a) doseženega ojačanja in (b) splošne zmogljivosti predlagane antene MIMO z učinkom metapovršine.
Slika 19b prikazuje celotno zmogljivost predlaganega sistema MIMO brez in z metapovršinskimi reflektorji. Na sliki 19b je bila najnižja učinkovitost pri uporabi MS z hrbtno ploščo več kot 73 % (zmanjšanje na 84 %). Skupna učinkovitost razvitih anten MIMO brez MC in z MC je skoraj enaka z manjšimi razlikami v primerjavi s simuliranimi vrednostmi. Razlogi za to so tolerance meritev in uporaba distančnikov med anteno in MS reflektorjem. Izmerjeni doseženi dobiček in splošna učinkovitost na celotni frekvenci sta skoraj podobna rezultatom simulacije, kar kaže, da je zmogljivost predlaganega prototipa MIMO po pričakovanjih in da je priporočena antena MIMO na osnovi MS primerna za komunikacije 5G. Zaradi napak v eksperimentalnih študijah obstajajo razlike med skupnimi rezultati laboratorijskih poskusov in rezultati simulacij. Na zmogljivost predlaganega prototipa vplivajo neusklajenost impedance med anteno in konektorjem SMA, izgube pri spajanju koaksialnega kabla, učinki spajkanja in bližina različnih elektronskih naprav eksperimentalni postavitvi.
Slika 20 opisuje potek zasnove in optimizacije omenjene antene v obliki blokovnega diagrama. Ta blokovni diagram nudi korak za korakom opis predlaganih načel zasnove antene MIMO, kot tudi parametrov, ki igrajo ključno vlogo pri optimizaciji antene za doseganje zahtevanega visokega ojačenja in visoke izolacije pri široki delovni frekvenci.
Meritve antene MIMO bližnjega polja so bile izmerjene v eksperimentalnem okolju SATIMO Near-Field Experimental Environment v laboratoriju UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Sliki 21a,b prikazujeta simulirane in opazovane vzorce sevanja E-ravnine in H-ravnine zahtevane antene MIMO z in brez MS pri delovni frekvenci 5,5 GHz. V frekvenčnem območju delovanja 5,5 GHz razvita antena MIMO, ki ni MS, zagotavlja dosleden dvosmerni vzorec sevanja z vrednostmi stranskih rež. Po uporabi reflektorja MS antena zagotavlja enosmerni vzorec sevanja in zmanjša nivo zadnjih rež, kot je prikazano na slikah 21a, b. Treba je omeniti, da je z uporabo metapovršine z bakreno hrbtno ploščo predlagani vzorec antene MIMO bolj stabilen in enosmeren kot brez MS, z zelo nizkimi hrbtnimi in stranskimi režnji. Predlagani reflektor niza MM zmanjša zadnji in stranski del antene ter izboljša značilnosti sevanja z usmerjanjem toka v enosmerni smeri (sl. 21a, b), s čimer se poveča ojačanje in usmerjenost. Izmerjeni vzorec sevanja je bil pridobljen za vrata 1 z obremenitvijo 50 ohmov, priključeno na preostala vrata. Ugotovljeno je bilo, da je bil eksperimentalni vzorec sevanja skoraj enak tistemu, ki ga je simuliral CST, čeprav je prišlo do nekaterih odstopanj zaradi neusklajenosti komponent, odbojev od terminalskih vrat in izgub v kabelskih povezavah. Poleg tega je bil med anteno in MS reflektor vstavljen najlonski distančnik, kar je še ena težava, ki vpliva na opazovane rezultate v primerjavi s predvidenimi rezultati.
Simuliran in testiran je bil sevalni vzorec razvite MIMO antene (brez MS in z MS) na frekvenci 5,5 GHz.
Pomembno je omeniti, da so izolacija vrat in z njo povezane značilnosti bistvene pri ocenjevanju delovanja sistemov MIMO. Učinkovitost raznolikosti predlaganega sistema MIMO, vključno s korelacijskim koeficientom ovojnice (ECC) in pridobitvijo raznolikosti (DG), je preučena za ponazoritev robustnosti zasnovanega antenskega sistema MIMO. ECC in DG antene MIMO se lahko uporabita za oceno njene učinkovitosti, saj sta pomembna vidika učinkovitosti sistema MIMO. Naslednji razdelki bodo podrobno opisali te značilnosti predlagane antene MIMO.
korelacijski koeficient ovojnice (ECC). Pri obravnavi katerega koli sistema MIMO ECC določa stopnjo medsebojne korelacije sestavnih elementov glede na njihove specifične lastnosti. Tako ECC prikazuje stopnjo izolacije kanala v brezžičnem komunikacijskem omrežju. ECC (korelacijski koeficient ovojnice) razvitega sistema MIMO je mogoče določiti na podlagi S-parametrov in emisije v daljnem polju. Iz enačbe (7) in (8) se lahko določi ECC predlagane antene 31 MIMO.
Koeficient refleksije predstavlja Sii, Sij pa koeficient prepustnosti. Tridimenzionalni vzorci sevanja j-te in i-te antene so podani z izrazoma \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) in \( \vec {{R_{ i } }} Polski kot, predstavljen z \left( {\theta ,\varphi } \desno)\) in \({\Omega }\). Krivulja ECC predlagane antene je prikazana na sliki 22a in njena vrednost je manjša od 0,004, kar je precej pod sprejemljivo vrednostjo 0,5 za brezžični sistem. Zato zmanjšana vrednost ECC pomeni, da predlagani 4-portni sistem MIMO zagotavlja vrhunsko raznolikost43.
Diversity Gain (DG) DG je še ena metrika zmogljivosti sistema MIMO, ki opisuje, kako shema raznolikosti vpliva na sevano moč. Relacija (9) določa DG antenskega sistema MIMO, ki se razvija, kot je opisano v 31.
Slika 22b prikazuje diagram DG predlaganega sistema MIMO, kjer je vrednost DG zelo blizu 10 dB. Vrednosti DG vseh anten oblikovanega sistema MIMO presegajo 9,98 dB.
Tabela 1 primerja predlagano metapovršinsko anteno MIMO z nedavno razvitimi podobnimi sistemi MIMO. Primerjava upošteva različne parametre zmogljivosti, vključno s pasovno širino, ojačanjem, največjo izolacijo, splošno učinkovitostjo in zmogljivostjo raznolikosti. Raziskovalci so predstavili različne prototipe antene MIMO s tehnikami izboljšanja ojačanja in izolacije v 5, 44, 45, 46, 47. V primerjavi s predhodno objavljenimi deli jih predlagani sistem MIMO z metapovršinskimi reflektorji prekaša v smislu pasovne širine, ojačanja in izolacije. Poleg tega razviti sistem MIMO v primerjavi s prijavljenimi podobnimi antenami izkazuje vrhunsko zmogljivost raznolikosti in splošno učinkovitost pri manjši velikosti. Čeprav imajo antene, opisane v razdelku 5.46, večjo izolacijo kot naše predlagane antene, imajo te antene velike velikosti, nizko ojačanje, ozko pasovno širino in slabo delovanje MIMO. 4-vratna antena MIMO, predlagana v 45, kaže visoko ojačenje in učinkovitost, vendar ima njena zasnova nizko izolacijo, veliko velikost in slabo zmogljivost raznolikosti. Po drugi strani ima antenski sistem majhne velikosti, predlagan v 47, zelo nizko ojačanje in delovno pasovno širino, medtem ko naš predlagani 4-portni MIMO sistem, ki temelji na MS, kaže majhno velikost, visoko ojačanje, visoko izolacijo in boljšo zmogljivost MIMO. Tako lahko predlagana metasurface antena MIMO postane glavni tekmec za komunikacijske sisteme 5G pod 6 GHz.
Za podporo aplikacijam 5G pod 6 GHz je predlagana štiriportna metapovršinska reflektorska širokopasovna antena MIMO z visokim ojačanjem in izolacijo. Mikrotrakasta linija napaja kvadratni sevalni odsek, ki je v diagonalnih vogalih odrezan s kvadratom. Predlagani MS in antenski oddajnik sta izvedena na substratnih materialih, podobnih Rogers RT5880, da se doseže odlična zmogljivost v hitrih komunikacijskih sistemih 5G. Antena MIMO ima širok razpon in visoko ojačanje ter zagotavlja zvočno izolacijo med komponentami MIMO in odlično učinkovitost. Razvita enojna antena ima miniaturne dimenzije 0,58?0,58?0,02? z nizom metapovršin 5×5 zagotavlja široko delovno pasovno širino 4,56 GHz, 8 dBi največje ojačenje in vrhunsko izmerjeno učinkovitost. Predlagana antena MIMO s štirimi vrati (niz 2 × 2) je zasnovana tako, da je vsaka predlagana posamezna antena pravokotno poravnana z drugo anteno z dimenzijami 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Priporočljivo je sestaviti niz 10 × 10 MM pod 12 mm visoko MIMO anteno, ki lahko zmanjša povratno sevanje in zmanjša medsebojno spajanje med komponentami MIMO, s čimer se izboljša ojačanje in izolacija. Eksperimentalni in simulacijski rezultati kažejo, da lahko razviti prototip MIMO deluje v širokem frekvenčnem območju 3,08–7,75 GHz in pokriva spekter 5G pod 6 GHz. Poleg tega predlagana antena MIMO na osnovi MS izboljša svoje ojačenje za 2,9 dBi, s čimer doseže največje ojačenje 8,3 dBi, in zagotavlja odlično izolacijo (>15,5 dB) med komponentami MIMO, kar potrjuje prispevek MS. Poleg tega ima predlagana antena MIMO visoko povprečno splošno učinkovitost 82 % in nizko medelementno razdaljo 22 mm. Antena izkazuje odlično zmogljivost raznovrstnosti MIMO, vključno z zelo visokim DG (nad 9,98 dB), zelo nizkim ECC (manj kot 0,004) in enosmernim vzorcem sevanja. Rezultati meritev so zelo podobni rezultatom simulacije. Te lastnosti potrjujejo, da je lahko razvit antenski sistem MIMO s štirimi vrati izvedljiva izbira za komunikacijske sisteme 5G v frekvenčnem območju pod 6 GHz.
Cowin lahko zagotovi 400-6000MHz širokopasovno PCB anteno in podporo za oblikovanje nove antene v skladu z vašimi zahtevami, brez obotavljanja nas kontaktirajte, če imate kakršno koli zahtevo.
Čas objave: 10. oktober 2024