Această lucrare propune o antenă de bandă largă compactă integrată cu mai multe intrări și ieșiri multiple (MIMO) metasurface (MS) pentru sistemele de comunicații fără fir din a cincea generație (5G) sub-6 GHz. Noutatea evidentă a sistemului MIMO propus este lățimea de bandă largă de operare, câștig mare, distanțe mici între componente și izolarea excelentă în cadrul componentelor MIMO. Punctul radiant al antenei este trunchiat în diagonală, parțial împământat, iar metasuprafețele sunt folosite pentru a îmbunătăți performanța antenei. Prototipul de antenă MS integrată unică propusă are dimensiuni miniaturale de 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Rezultatele simulării și măsurătorilor demonstrează performanța în bandă largă de la 3,11 GHz la 7,67 GHz, inclusiv cel mai mare câștig atins de 8 dBi. Sistemul MIMO cu patru elemente este proiectat astfel încât fiecare antenă să fie ortogonală între ele, menținând în același timp o dimensiune compactă și o performanță în bandă largă de la 3,2 la 7,6 GHz. Prototipul MIMO propus este proiectat și fabricat pe substrat Rogers RT5880 cu pierderi reduse și dimensiuni miniaturizate de 1,05? 1.05? 0,02?, iar performanța sa este evaluată folosind matricea rezonatoare cu inel închis pătrat propus cu un inel divizat 10 x 10. Materialul de bază este același. Metasuprafața propusă pentru backplane reduce semnificativ radiația din spate a antenei și manipulează câmpurile electromagnetice, îmbunătățind astfel lățimea de bandă, câștigul și izolarea componentelor MIMO. În comparație cu antenele MIMO existente, antena MIMO cu 4 porturi propusă realizează un câștig ridicat de 8,3 dBi cu o eficiență generală medie de până la 82% în banda 5G sub-6 GHz și este în acord cu rezultatele măsurate. Mai mult, antena MIMO dezvoltată prezintă performanțe excelente în ceea ce privește coeficientul de corelație al anvelopei (ECC) mai mic de 0,004, câștig de diversitate (DG) de aproximativ 10 dB (>9,98 dB) și izolație ridicată între componentele MIMO (>15,5 dB). caracteristici. Astfel, antena MIMO propusă bazată pe MS confirmă aplicabilitatea sa pentru rețelele de comunicații 5G sub-6 GHz.
Tehnologia 5G este un progres incredibil în comunicațiile fără fir care va permite rețele mai rapide și mai sigure pentru miliarde de dispozitive conectate, va oferi utilizatorilor experiențe cu latență „zero” (latență de mai puțin de 1 milisecundă) și va introduce noi tehnologii, inclusiv electronice. Îngrijire medicală, educație intelectuală. , orașele inteligente, casele inteligente, realitatea virtuală (VR), fabricile inteligente și Internetul vehiculelor (IoV) ne schimbă viețile, societatea și industriile1,2,3. Comisia Federală de Comunicații din SUA (FCC) împarte spectrul 5G în patru benzi de frecvență4. Banda de frecvență sub 6 GHz este de interes pentru cercetători deoarece permite comunicații la distanță lungă cu rate mari de date5,6. Alocarea spectrului 5G sub 6 GHz pentru comunicațiile 5G globale este prezentată în Figura 1, indicând faptul că toate țările iau în considerare spectrul sub 6 GHz pentru comunicațiile 5G7,8. Antenele sunt o parte importantă a rețelelor 5G și vor necesita mai multe stații de bază și antene terminale de utilizator.
Antenele microstrip patch au avantajele subțirii și structurii plate, dar sunt limitate ca lățime de bandă și câștig9,10, atât de multe cercetări au fost făcute pentru a crește câștigul și lățimea de bandă a antenei; În ultimii ani, metasuprafețele (MS) au fost utilizate pe scară largă în tehnologiile antenei, în special pentru a îmbunătăți câștigul și debitul11,12, cu toate acestea, aceste antene sunt limitate la un singur port; Tehnologia MIMO este un aspect important al comunicațiilor fără fir, deoarece poate folosi mai multe antene simultan pentru a transmite date, îmbunătățind astfel ratele de date, eficiența spectrală, capacitatea canalului și fiabilitatea13,14,15. Antenele MIMO sunt potențiali candidați pentru aplicațiile 5G, deoarece pot transmite și primi date pe mai multe canale fără a necesita putere suplimentară16,17. Efectul de cuplare reciprocă între componentele MIMO depinde de locația elementelor MIMO și de câștigul antenei MIMO, ceea ce reprezintă o provocare majoră pentru cercetători. Figurile 18, 19 și 20 arată diverse antene MIMO care funcționează în banda 5G sub-6 GHz, toate demonstrând o bună izolare și performanță MIMO. Cu toate acestea, câștigul și lățimea de bandă de operare a acestor sisteme propuse sunt scăzute.
Metamaterialele (MM) sunt materiale noi care nu există în natură și pot manipula undele electromagnetice, îmbunătățind astfel performanța antenelor21,22,23,24. MM este acum utilizat pe scară largă în tehnologia antenei pentru a îmbunătăți modelul de radiație, lățimea de bandă, câștigul și izolarea dintre elementele antenei și sistemele de comunicații fără fir, așa cum sa discutat în 25, 26, 27, 28. În 2029, un sistem MIMO cu patru elemente bazat pe metasuprafață, în care secțiunea antenei este intercalată între metasuprafață și sol fără un spațiu de aer, ceea ce îmbunătățește performanța MIMO. Cu toate acestea, acest design are o dimensiune mai mare, o frecvență de operare mai mică și o structură complexă. Un bandgap electromagnetic (EBG) și o buclă de masă sunt incluse în antena MIMO de bandă largă cu 2 porturi propusă pentru a îmbunătăți izolarea componentelor MIMO30. Antena proiectată are performanțe bune de diversitate MIMO și izolație excelentă între două antene MIMO, dar folosind doar două componente MIMO, câștigul va fi scăzut. În plus, in31 a propus și o antenă MIMO cu două porturi în bandă ultra-largă (UWB) și a investigat performanța sa MIMO folosind metamateriale. Deși această antenă este capabilă să funcționeze UWB, câștigul său este scăzut și izolarea dintre cele două antene este slabă. Lucrarea in32 propune un sistem MIMO cu 2 porturi care utilizează reflectoare electromagnetice bandgap (EBG) pentru a crește câștigul. Deși matricea de antene dezvoltată are un câștig ridicat și o performanță bună de diversitate MIMO, dimensiunea sa mare face dificilă aplicarea în dispozitivele de comunicație de generație următoare. O altă antenă de bandă largă bazată pe reflector a fost dezvoltată în 33, unde reflectorul a fost integrat sub antenă cu un spațiu mai mare de 22 mm, prezentând un câștig de vârf mai mic de 4,87 dB. Paper 34 proiectează o antenă MIMO cu patru porturi pentru aplicațiile mmWave, care este integrată cu stratul MS pentru a îmbunătăți izolarea și câștigul sistemului MIMO. Cu toate acestea, această antenă oferă un câștig și o izolare bună, dar are lățime de bandă limitată și proprietăți mecanice slabe din cauza spațiului mare de aer. În mod similar, în 2015, a fost dezvoltată o antenă MIMO integrată în metasuprafață, cu trei perechi și 4 porturi, în formă de papion, pentru comunicațiile mmWave, cu un câștig maxim de 7,4 dBi. B36 MS este utilizat pe partea din spate a unei antene 5G pentru a crește câștigul antenei, unde metasuprafața acționează ca un reflector. Cu toate acestea, structura MS este asimetrică și s-a acordat mai puțină atenție structurii celulei unitare.
Conform rezultatelor analizei de mai sus, niciuna dintre antenele de mai sus nu are câștig mare, izolare excelentă, performanță MIMO și acoperire în bandă largă. Prin urmare, este încă nevoie de o antenă MIMO metasuprafață care să poată acoperi o gamă largă de frecvențe din spectrul 5G sub 6 GHz cu câștig și izolare ridicate. Având în vedere limitările literaturii de mai sus, este propus un sistem de antenă MIMO cu patru elemente în bandă largă, cu câștig ridicat și performanță excelentă de diversitate pentru sistemele de comunicații fără fir sub-6 GHz. În plus, antena MIMO propusă prezintă o izolare excelentă între componentele MIMO, goluri mici ale elementelor și eficiență ridicată a radiațiilor. Patch-ul antenei este trunchiat în diagonală și plasat deasupra metasuprafeței cu un spațiu de aer de 12 mm, care reflectă radiația din spate de la antenă și îmbunătățește câștigul și directivitatea antenei. În plus, antena unică propusă este utilizată pentru a crea o antenă MIMO cu patru elemente, cu performanțe MIMO superioare, poziționând fiecare antenă ortogonal una față de cealaltă. Antena MIMO dezvoltată a fost apoi integrată peste o matrice 10 × 10 MS cu un backplane de cupru pentru a îmbunătăți performanța emisiilor. Designul prezintă o gamă largă de operare (3,08-7,75 GHz), un câștig mare de 8,3 dBi și o eficiență generală medie ridicată de 82%, precum și o izolație excelentă mai mare de -15,5 dB între componentele antenei MIMO. Antena MIMO dezvoltată bazată pe MS a fost simulată folosind pachetul software electromagnetic 3D CST Studio 2019 și validată prin studii experimentale.
Această secțiune oferă o introducere detaliată a arhitecturii propuse și a metodologiei de proiectare a unei singure antene. În plus, rezultatele simulate și observate sunt discutate în detaliu, inclusiv parametrii de împrăștiere, câștigul și eficiența generală cu și fără metasuprafețe. Antena prototip a fost dezvoltată pe un substrat dielectric cu pierderi reduse Rogers 5880 cu o grosime de 1,575 mm cu o constantă dielectrică de 2,2. Pentru a dezvolta și simula designul, a fost utilizat pachetul de simulare electromagnetică CST studio 2019.
Figura 2 prezintă arhitectura și modelul de proiectare propus pentru o antenă cu un singur element. Conform ecuațiilor matematice bine stabilite37, antena constă dintr-un punct radiant pătrat alimentat liniar și un plan de masă de cupru (așa cum este descris în pasul 1) și rezonează cu o lățime de bandă foarte îngustă la 10,8 GHz, așa cum se arată în Figura 3b. Mărimea inițială a radiatorului antenei este determinată de următoarea relație matematică37:
Unde \(P_{L}\) și \(P_{w}\) sunt lungimea și lățimea peticei, c reprezintă viteza luminii, \(\gamma_{r}\) este constanta dielectrică a substratului . , \(\gamma_{reff }\) reprezintă valoarea dielectrică efectivă a punctului de radiație, \(\Delta L\) reprezintă modificarea lungimii spotului. Backplane-ul antenei a fost optimizat în a doua etapă, mărind lățimea de bandă de impedanță în ciuda lățimii de bandă de impedanță foarte scăzută de 10 dB. În a treia etapă, poziția alimentatorului este mutată spre dreapta, ceea ce îmbunătățește lățimea de bandă a impedanței și potrivirea impedanței antenei propuse38. În această etapă, antena demonstrează o lățime de bandă de funcționare excelentă de 4 GHz și, de asemenea, acoperă spectrul de sub 6 GHz în 5G. A patra și ultima etapă implică gravarea canelurilor pătrate în colțurile opuse ale spotului de radiație. Acest slot extinde semnificativ lățimea de bandă de 4,56 GHz pentru a acoperi spectrul 5G sub-6 GHz de la 3,11 GHz la 7,67 GHz, așa cum se arată în Figura 3b. Vederile în perspectivă din față și de jos ale proiectului propus sunt prezentate în Figura 3a, iar parametrii de proiectare optimizați finali sunt după cum urmează: 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) Vederi de sus și din spate ale antenei unice proiectate (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Curba parametrului S.
Metasuprafața este un termen care se referă la o serie periodică de celule unitare situate la o anumită distanță unele de altele. Metasuprafețele sunt o modalitate eficientă de a îmbunătăți performanța radiației antenei, inclusiv lățimea de bandă, câștigul și izolarea dintre componentele MIMO. Datorită influenței propagării undelor de suprafață, metasuprafețele generează rezonanțe suplimentare care contribuie la îmbunătățirea performanței antenei39. Această lucrare propune o unitate de metamaterial epsilon negativ (MM) care funcționează în banda 5G sub 6 GHz. MM cu o suprafață de 8 mm×8 mm a fost dezvoltat pe un substrat Rogers 5880 cu pierderi reduse, cu o constantă dielectrică de 2,2 și o grosime de 1,575 mm. Patch-ul de rezonator MM optimizat constă dintr-un inel circular interior conectat la două inele exterioare modificate, așa cum se arată în Figura 4a. Figura 4a rezumă parametrii optimizați finali ai configurației MM propuse. Ulterior, straturi de metasuprafață de 40 × 40 mm și 80 × 80 mm au fost dezvoltate fără un backplane de cupru și cu un backplane de cupru folosind matrice de celule 5 × 5 și, respectiv, 10 × 10. Structura MM propusă a fost modelată folosind software-ul de modelare electromagnetică 3D „CST studio suite 2019”. Un prototip fabricat al structurii matricei MM propuse și al configurației de măsurare (analizator de rețea cu două porturi PNA și port ghid de undă) este prezentat în Figura 4b pentru a valida rezultatele simulării CST prin analiza răspunsului real. Configurația de măsurare a folosit un analizor de rețea din seria PNA Agilent în combinație cu două adaptoare coaxiale pentru ghiduri de undă (A-INFOMW, număr de piesă: 187WCAS) pentru a trimite și a primi semnale. Un prototip de matrice 5×5 a fost plasat între două adaptoare coaxiale cu ghid de undă conectate prin cablu coaxial la un analizor de rețea cu două porturi (Agilent PNA N5227A). Setul de calibrare Agilent N4694-60001 este utilizat pentru calibrarea analizorului de rețea într-o instalație pilot. Parametrii de împrăștiere simulați și observați CST ai matricei MM prototip propuse sunt prezentați în Figura 5a. Se poate observa că structura MM propusă rezonează în intervalul de frecvență 5G sub 6 GHz. În ciuda diferenței mici de lățime de bandă de 10 dB, rezultatele simulate și experimentale sunt foarte asemănătoare. Frecvența de rezonanță, lățimea de bandă și amplitudinea rezonanței observate sunt ușor diferite de cele simulate, așa cum se arată în Figura 5a. Aceste diferențe între rezultatele observate și cele simulate se datorează imperfecțiunilor de fabricație, distanțe mici între prototip și porturile ghidului de undă, efectelor de cuplare între porturile ghidului de undă și componentele matricei și toleranțelor de măsurare. În plus, plasarea corectă a prototipului dezvoltat între porturile ghidului de undă în configurația experimentală poate duce la o schimbare de rezonanță. În plus, în timpul fazei de calibrare a fost observat zgomot nedorit, ceea ce a condus la discrepanțe între rezultatele numerice și cele măsurate. Cu toate acestea, în afară de aceste dificultăți, prototipul de matrice MM propus funcționează bine datorită corelației puternice dintre simulare și experiment, făcându-l bine potrivit pentru aplicațiile de comunicație wireless 5G sub-6 GHz.
(a) Geometria celulei unitare (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) Fotografie cu configurația de măsurare MM.
(a) Simularea și verificarea curbelor parametrilor de împrăștiere ale prototipului metamaterialului. (b) Curba constantă dielectrică a unei celule unitare MM.
Parametrii eficienți relevanți, cum ar fi constanta dielectrică efectivă, permeabilitatea magnetică și indicele de refracție au fost studiați folosind tehnici de post-procesare încorporate ale simulatorului electromagnetic CST pentru a analiza în continuare comportamentul celulei unității MM. Parametrii efectivi MM sunt obținuți din parametrii de împrăștiere folosind o metodă robustă de reconstrucție. Următoarele ecuații ale coeficientului de transmisie și reflexie: (3) și (4) pot fi utilizate pentru a determina indicele de refracție și impedanța (vezi 40).
Părțile reale și imaginare ale operatorului sunt reprezentate prin (.)' și respectiv (.)”, iar valoarea întreagă m corespunde indicelui real de refracție. Constanta dielectrică și permeabilitatea sunt determinate de formulele \(\varepsilon { } = { }n/z,\) și \(\mu = nz\), care se bazează pe impedanță și, respectiv, pe indicele de refracție. Curba constantă dielectrică efectivă a structurii MM este prezentată în Figura 5b. La frecvența de rezonanță, constanta dielectrică efectivă este negativă. Figurile 6a,b prezintă valorile extrase ale permeabilității efective (μ) și ale indicelui efectiv de refracție (n) ale celulei unitare propuse. În special, permeabilitățile extrase prezintă valori reale pozitive apropiate de zero, ceea ce confirmă proprietățile epsilon-negative (ENG) ale structurii MM propuse. Mai mult, așa cum se arată în Figura 6a, rezonanța la permeabilitatea aproape de zero este strâns legată de frecvența de rezonanță. Celula unitară dezvoltată are un indice de refracție negativ (Fig. 6b), ceea ce înseamnă că MM-ul propus poate fi utilizat pentru a îmbunătăți performanța antenei21,41.
Prototipul dezvoltat al unei singure antene de bandă largă a fost fabricat pentru a testa experimental designul propus. Figurile 7a,b prezintă imagini ale antenei unice prototip propuse, părțile sale structurale și configurația de măsurare în câmp apropiat (SATIMO). Pentru a îmbunătăți performanța antenei, metasuprafața dezvoltată este plasată în straturi sub antenă, așa cum se arată în Figura 8a, cu înălțimea h. O singură metasuprafață cu strat dublu de 40 mm x 40 mm a fost aplicată pe partea din spate a antenei unice la intervale de 12 mm. În plus, o metasuprafață cu un backplane este plasată pe partea din spate a antenei unice la o distanță de 12 mm. După aplicarea metasuprafeței, antena unică prezintă o îmbunătățire semnificativă a performanței, așa cum se arată în figurile 1 și 2. Figurile 8 și 9. Figura 8b prezintă graficele de reflectanță simulate și măsurate pentru antena unică fără și cu metasuprafețe. Este de remarcat faptul că banda de acoperire a unei antene cu metasuprafață este foarte asemănătoare cu banda de acoperire a unei antene fără metasuprafață. Figurile 9a,b arată o comparație a câștigului de antenă singulară simulat și observat și a eficienței generale fără și cu MS în spectrul de operare. Se poate observa că, în comparație cu antena non-metasuprafață, câștigul antenei metasuprafeței este îmbunătățit semnificativ, crescând de la 5,15 dBi la 8 dBi. Câștigul metasuprafeței cu un singur strat, al metasuprafeței cu două straturi și al antenei unice cu metasuprafață de fundal a crescut cu 6 dBi, 6,9 dBi și, respectiv, 8 dBi. În comparație cu alte metasuprafețe (MC-uri cu un singur strat și cu două straturi), câștigul unei singure antene metasuprafețe cu un backplane din cupru este de până la 8 dBi. În acest caz, metasuprafața acționează ca un reflector, reducând radiația din spate a antenei și manipulând undele electromagnetice în fază, crescând astfel eficiența radiației antenei și, prin urmare, câștigul. Un studiu al eficienței generale a unei singure antene fără și cu metasuprafețe este prezentat în Figura 9b. Este de remarcat faptul că eficiența unei antene cu și fără metasuprafață este aproape aceeași. În intervalul de frecvență inferioară, eficiența antenei scade ușor. Curbele de câștig și eficiență experimentale și simulate sunt în acord bun. Cu toate acestea, există mici diferențe între rezultatele simulate și cele testate din cauza defectelor de fabricație, a toleranțelor de măsurare, a pierderii conexiunii portului SMA și a pierderii firelor. În plus, antena și reflectorul MS sunt situate între distanțierele din nailon, ceea ce este o altă problemă care afectează rezultatele observate în comparație cu rezultatele simulării.
Figura (a) prezintă antena unică finalizată și componentele ei asociate. (b) Configurare de măsurare în câmp apropiat (SATIMO).
(a) Excitația antenei folosind reflectoare metasuprafeței (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Reflectanțele simulate și experimentale ale unei singure antene fără și cu MS.
Rezultatele de simulare și măsurare ale (a) câștigului obținut și (b) eficienței generale a antenei cu efect de metasuprafață propusă.
Analiza modelului fasciculului folosind MS. Măsurătorile în câmp apropiat cu o antenă au fost efectuate în mediul experimental SATIMO Near-Field al Laboratorului UKM SATIMO Near-Field Systems. Figurile 10a, b arată modelele de radiație din planul E și planul H simulate și observate la 5,5 GHz pentru antena unică propusă cu și fără MS. Antena unică dezvoltată (fără MS) oferă un model de radiație bidirecțional consistent cu valori ale lobilor laterali. După aplicarea reflectorului MS propus, antena oferă un model de radiație unidirecțională și reduce nivelul lobilor din spate, așa cum se arată în figurile 10a, b. Este demn de remarcat faptul că modelul de radiație propus cu o singură antenă este mai stabil și unidirecțional, cu lobi posteriori și laterali foarte jos, atunci când se utilizează o metasuprafață cu un backplane de cupru. Reflectorul de matrice MM propus reduce lobii din spate și laterali ai antenei, îmbunătățind în același timp performanța radiației prin direcționarea curentului în direcții unidirecționale (Fig. 10a, b), crescând astfel câștigul și directivitatea. Sa observat că modelul de radiație experimental a fost aproape comparabil cu cel al simulărilor CST, dar a variat ușor din cauza nealinierii diferitelor componente asamblate, a toleranțelor de măsurare și a pierderilor de cablare. În plus, a fost introdus un distanțier din nailon între antenă și reflectorul MS, ceea ce este o altă problemă care afectează rezultatele observate în comparație cu rezultatele numerice.
Modelul de radiație al antenei unice dezvoltate (fără MS și cu MS) la o frecvență de 5,5 GHz a fost simulat și testat.
Geometria antenei MIMO propusă este prezentată în Figura 11 și include patru antene individuale. Cele patru componente ale antenei MIMO sunt dispuse ortogonal una față de cealaltă pe un substrat cu dimensiunile 80 × 80 × 1,575 mm, așa cum se arată în Figura 11. Antena MIMO proiectată are o distanță între elemente de 22 mm, care este mai mică decât distanța dintre elementele corespunzătoare cea mai apropiată a antenei. Antena MIMO dezvoltată. În plus, o parte a planului de masă este situată în același mod ca o singură antenă. Valorile reflectanței antenelor MIMO (S11, S22, S33 și S44) prezentate în Figura 12a prezintă același comportament ca o antenă cu un singur element care rezonează în banda de 3,2-7,6 GHz. Prin urmare, lățimea de bandă de impedanță a unei antene MIMO este exact aceeași cu cea a unei singure antene. Efectul de cuplare dintre componentele MIMO este principalul motiv pentru pierderea mică a lățimii de bandă a antenelor MIMO. Figura 12b arată efectul interconectarii asupra componentelor MIMO, unde a fost determinată izolarea optimă între componentele MIMO. Izolarea dintre antenele 1 și 2 este cea mai scăzută la aproximativ -13,6 dB, iar izolarea dintre antenele 1 și 4 este cea mai mare la aproximativ -30,4 dB. Datorită dimensiunilor sale mici și a lățimii de bandă mai largi, această antenă MIMO are un câștig mai mic și un debit mai mic. Izolația este scăzută, așa că sunt necesare armături și izolații sporite;
Mecanismul de proiectare al antenei MIMO propuse (a) vedere de sus și (b) plan de sol. (CST Studio Suite 2019).
Dispunerea geometrică și metoda de excitare a antenei MIMO metasuprafețe propuse sunt prezentate în Figura 13a. O matrice de 10x10mm cu dimensiuni de 80x80x1,575mm este proiectată pentru partea din spate a unei antene MIMO de 12mm înălțime, așa cum se arată în Figura 13a. În plus, metasuprafețele cu backplane din cupru sunt destinate utilizării în antenele MIMO pentru a le îmbunătăți performanța. Distanța dintre metasuprafață și antena MIMO este critică pentru a obține un câștig mare, permițând în același timp interferența constructivă între undele generate de antenă și cele reflectate de metasuprafață. A fost efectuată o modelare extinsă pentru a optimiza înălțimea dintre antenă și metasuprafață, menținând în același timp standardele de sfert de undă pentru câștig maxim și izolarea între elementele MIMO. Îmbunătățirile semnificative ale performanței antenei MIMO obținute prin utilizarea metasuprafețelor cu backplane în comparație cu metasuprafețele fără backplane vor fi demonstrate în capitolele următoare.
(a) Configurarea simulării CST a antenei MIMO propuse utilizând MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Curbele de reflexie ale sistemului MIMO dezvoltat fără MS și cu MS.
Reflectanțele antenelor MIMO cu și fără metasuprafețe sunt prezentate în Figura 13b, unde S11 și S44 sunt prezentate datorită comportamentului aproape identic al tuturor antenelor din sistemul MIMO. Este de remarcat faptul că lățimea de bandă de impedanță de -10 dB a unei antene MIMO fără și cu o singură metasuprafață este aproape aceeași. Spre deosebire de aceasta, lățimea de bandă de impedanță a antenei MIMO propuse este îmbunătățită de MS cu două straturi și MS de backplane. Este de remarcat faptul că, fără MS, antena MIMO oferă o lățime de bandă fracțională de 81,5% (3,2-7,6 GHz) față de frecvența centrală. Integrarea MS cu backplane crește lățimea de bandă de impedanță a antenei MIMO propuse la 86,3% (3,08–7,75 GHz). Deși MS cu două straturi crește debitul, îmbunătățirea este mai mică decât cea a MS cu un backplane din cupru. Mai mult, un MC cu două straturi mărește dimensiunea antenei, îi crește costul și îi limitează raza de acțiune. Antena MIMO proiectată și reflectorul metasuprafeței sunt fabricate și verificate pentru a valida rezultatele simulării și pentru a evalua performanța reală. Figura 14a prezintă stratul MS fabricat și antena MIMO cu diferite componente asamblate, în timp ce Figura 14b prezintă o fotografie a sistemului MIMO dezvoltat. Antena MIMO este montată deasupra metasuprafeței folosind patru distanțiere din nailon, așa cum se arată în Figura 14b. Figura 15a prezintă un instantaneu al configurației experimentale în câmp apropiat a sistemului de antenă MIMO dezvoltat. Un analizor de rețea PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) a fost utilizat pentru a estima parametrii de împrăștiere și pentru a evalua și caracteriza caracteristicile de emisie în câmp apropiat în Laboratorul de sisteme de câmp apropiat SATIMO UKM.
(a) Fotografii ale măsurătorilor în câmp apropiat SATIMO (b) Curbe simulate și experimentale ale antenei S11 MIMO cu și fără MS.
Această secțiune prezintă un studiu comparativ al parametrilor S simulați și observați ai antenei 5G MIMO propuse. Figura 15b prezintă graficul experimental de reflectare a antenei integrate MIMO MS cu 4 elemente și o compară cu rezultatele simulării CST. S-a constatat că reflectanțe experimentale sunt aceleași cu calculele CST, dar au fost ușor diferite din cauza defectelor de fabricație și a toleranțelor experimentale. În plus, reflectanța observată a prototipului MIMO propus pe bază de MS acoperă spectrul 5G sub 6 GHz cu o lățime de bandă de impedanță de 4,8 GHz, ceea ce înseamnă că sunt posibile aplicații 5G. Cu toate acestea, frecvența de rezonanță, lățimea de bandă și amplitudinea măsurate diferă ușor de rezultatele simulării CST. Defectele de fabricație, pierderile de cuplare coaxial la SMA și configurațiile de măsurare în aer liber pot cauza diferențe între rezultatele măsurate și cele simulate. Cu toate acestea, în ciuda acestor deficiențe, MIMO propus funcționează bine, oferind un acord puternic între simulări și măsurători, făcându-l bine potrivit pentru aplicațiile wireless 5G sub-6 GHz.
Curbele de amplificare a antenei MIMO simulate și observate sunt prezentate în figurile 2 și 2. Așa cum se arată în figurile 16a,b și, respectiv, 17a,b, este prezentată interacțiunea reciprocă a componentelor MIMO. Când metasuprafețele sunt aplicate antenelor MIMO, izolarea dintre antenele MIMO este îmbunătățită semnificativ. Graficele de izolare dintre elementele antenei adiacente S12, S14, S23 și S34 prezintă curbe similare, în timp ce antenele diagonale MIMO S13 și S42 prezintă o izolare la fel de mare datorită distanței mai mari dintre ele. Caracteristicile de transmisie simulate ale antenelor adiacente sunt prezentate în Figura 16a. Este de remarcat faptul că în spectrul de operare 5G sub 6 GHz, izolarea minimă a unei antene MIMO fără metasuprafață este de -13,6 dB, iar pentru o metasuprafață cu backplane – 15,5 dB. Graficul câștigului (Figura 16a) arată că metasuprafața backplane îmbunătățește semnificativ izolarea dintre elementele antenei MIMO în comparație cu metasuprafețele cu un singur și dublu strat. Pe elementele antenei adiacente, metasuprafețele cu un singur strat și cu două straturi asigură o izolare minimă de aproximativ -13,68 dB și -14,78 dB, iar metasuprafața de cupru a planului de bază oferă aproximativ -15,5 dB.
Curbe de izolare simulate ale elementelor MIMO fără strat MS și cu strat MS: (a) S12, S14, S34 și S32 și (b) S13 și S24.
Curbele de câștig experimentale ale antenelor MIMO propuse bazate pe MS fără și cu: (a) S12, S14, S34 și S32 și (b) S13 și S24.
Graficele câștigului antenei diagonale MIMO înainte și după adăugarea stratului MS sunt prezentate în Figura 16b. Este de remarcat faptul că izolarea minimă între antenele diagonale fără metasuprafață (antenele 1 și 3) este de – 15,6 dB pe întregul spectru de operare, iar o metasuprafață cu un backplane este de – 18 dB. Abordarea metasuprafeței reduce semnificativ efectele de cuplare între antenele MIMO diagonale. Izolația maximă pentru o metasuprafață cu un singur strat este de -37 dB, în timp ce pentru o metasuprafață cu două straturi această valoare scade la -47 dB. Izolarea maximă a metasuprafeței cu un backplane de cupru este de -36,2 dB, care scade odată cu creșterea intervalului de frecvență. În comparație cu metasuprafețele cu un singur strat și cu două straturi fără backplane, metasuprafețele cu backplane oferă o izolare superioară pe întregul interval de frecvență de operare necesar, în special în intervalul 5G sub 6 GHz, așa cum se arată în figurile 16a, b. În cea mai populară și utilizată bandă 5G sub 6 GHz (3,5 GHz), metasuprafețele cu un singur și cu dublu strat au o izolare mai mică între componentele MIMO decât metasuprafețele cu backplane de cupru (aproape fără MS) (vezi Figura 16a), b) . Măsurătorile câștigului sunt prezentate în figurile 17a, b, arătând izolarea antenelor adiacente (S12, S14, S34 și S32) și respectiv a antenelor diagonale (S24 și S13). După cum se poate observa din aceste figuri (Fig. 17a, b), izolarea experimentală între componentele MIMO este de acord cu izolarea simulată. Deși există diferențe minore între valorile CST simulate și măsurate din cauza defectelor de fabricație, a conexiunilor portului SMA și a pierderilor de fire. În plus, antena și reflectorul MS sunt situate între distanțierele din nailon, ceea ce este o altă problemă care afectează rezultatele observate în comparație cu rezultatele simulării.
a studiat distribuția curentului de suprafață la 5,5 GHz pentru a raționaliza rolul metasuprafețelor în reducerea cuplării reciproce prin suprimarea undelor de suprafață42. Distribuția curentului de suprafață a antenei MIMO propuse este prezentată în Figura 18, unde antena 1 este condusă și restul antenei este terminată cu o sarcină de 50 ohmi. Când antena 1 este alimentată, curenți semnificativi de cuplare reciprocă vor apărea la antenele adiacente la 5,5 GHz în absența unei metasuprafețe, așa cum se arată în Figura 18a. Dimpotrivă, prin utilizarea metasuprafețelor, așa cum se arată în Fig. 18b–d, izolarea dintre antenele adiacente este îmbunătățită. Trebuie remarcat faptul că efectul cuplării reciproce a câmpurilor adiacente poate fi minimizat prin propagarea curentului de cuplare către inelele adiacente ale celulelor unitare și celulele unitare MS adiacente de-a lungul stratului MS în direcții antiparalele. Injectarea curentului de la antenele distribuite către unitățile MS este o metodă cheie pentru îmbunătățirea izolației dintre componentele MIMO. Ca rezultat, curentul de cuplare dintre componentele MIMO este mult redus, iar izolarea este, de asemenea, mult îmbunătățită. Deoarece câmpul de cuplare este distribuit pe scară largă în element, metasuprafața de cupru a planului de bază izolează ansamblul antenei MIMO semnificativ mai mult decât metasuprafețele cu un singur și dublu strat (Figura 18d). În plus, antena MIMO dezvoltată are o propagare inversă și o propagare laterală foarte scăzută, producând un model de radiație unidirecțională, crescând astfel câștigul antenei MIMO propuse.
Modele de curent de suprafață ale antenei MIMO propuse la 5,5 GHz (a) fără MC, (b) MC cu un singur strat, (c) MC cu două straturi și (d) MC cu un singur strat cu backplane de cupru. (CST Studio Suite 2019).
În cadrul frecvenței de operare, Figura 19a prezintă câștigurile simulate și observate ale antenei MIMO proiectate fără și cu metasuprafețe. Câștigul obținut simulat al antenei MIMO fără metasuprafață este de 5,4 dBi, așa cum se arată în Figura 19a. Datorită efectului de cuplare reciprocă dintre componentele MIMO, antena MIMO propusă realizează un câștig cu 0,25 dBi mai mare decât o singură antenă. Adăugarea de metasuprafețe poate oferi câștiguri semnificative și izolație între componentele MIMO. Astfel, antena MIMO metasurfață propusă poate obține un câștig ridicat realizat de până la 8,3 dBi. După cum se arată în Figura 19a, atunci când o singură metasuprafață este utilizată în spatele antenei MIMO, câștigul crește cu 1,4 dBi. Când metasuprafața este dublată, câștigul crește cu 2,1 dBi, așa cum se arată în Figura 19a. Cu toate acestea, câștigul maxim așteptat de 8,3 dBi este atins atunci când se utilizează metasuprafața cu un backplane de cupru. În special, câștigul maxim obținut pentru metasuprafețele cu un singur strat și cu două straturi este de 6,8 dBi și, respectiv, 7,5 dBi, în timp ce câștigul maxim obținut pentru metasuprafața stratului inferior este de 8,3 dBi. Stratul de metasuprafață de pe partea din spate a antenei acționează ca un reflector, reflectând radiația din partea din spate a antenei și îmbunătățind raportul față-spate (F/B) al antenei MIMO proiectate. În plus, reflectorul MS de înaltă impedanță manipulează undele electromagnetice în fază, creând astfel rezonanță suplimentară și îmbunătățind performanța de radiație a antenei MIMO propuse. Reflectorul MS instalat în spatele antenei MIMO poate crește semnificativ câștigul obținut, ceea ce este confirmat de rezultatele experimentale. Câștigurile observate și simulate ale antenei prototip dezvoltate MIMO sunt aproape aceleași, totuși, la unele frecvențe, câștigul măsurat este mai mare decât câștigul simulat, în special pentru MIMO fără MS; Aceste variații ale câștigului experimental se datorează toleranțelor de măsurare ale plăcuțelor de nailon, pierderilor de cablu și cuplării în sistemul de antenă. Câștigul de vârf măsurat al antenei MIMO fără metasuprafață este de 5,8 dBi, în timp ce metasuprafața cu un backplane de cupru este de 8,5 dBi. Este de remarcat faptul că sistemul complet de antenă MIMO cu 4 porturi propus cu reflector MS prezintă un câștig mare în condiții experimentale și numerice.
Simularea și rezultatele experimentale ale (a) câștigului obținut și (b) performanței generale a antenei MIMO propuse cu efect de metasuprafață.
Figura 19b prezintă performanța generală a sistemului MIMO propus fără și cu reflectoare de metasuprafață. În Figura 19b, cea mai scăzută eficiență folosind MS cu backplane a fost de peste 73% (până la 84%). Eficiența generală a antenelor MIMO dezvoltate fără MC și cu MC este aproape aceeași, cu diferențe minore față de valorile simulate. Motivele pentru aceasta sunt toleranțele de măsurare și utilizarea distanțierilor între antenă și reflectorul MS. Câștigul obținut măsurat și eficiența generală pe întreaga frecvență sunt aproape similare cu rezultatele simulării, ceea ce indică faptul că performanța prototipului MIMO propus este cea așteptată și că antena MIMO recomandată bazată pe MS este potrivită pentru comunicațiile 5G. Datorită erorilor din studiile experimentale, există diferențe între rezultatele generale ale experimentelor de laborator și rezultatele simulărilor. Performanța prototipului propus este afectată de nepotrivirea impedanței dintre antenă și conectorul SMA, pierderile de îmbinare a cablului coaxial, efectele de lipire și apropierea diferitelor dispozitive electronice de configurația experimentală.
Figura 20 descrie progresul de proiectare și optimizare a antenei menționate sub forma unei diagrame bloc. Această diagramă bloc oferă o descriere pas cu pas a principiilor de proiectare a antenei MIMO propuse, precum și parametrii care joacă un rol cheie în optimizarea antenei pentru a obține câștigul ridicat și izolarea ridicată pe o frecvență largă de operare.
Măsurătorile antenei MIMO în câmp apropiat au fost măsurate în mediul experimental SATIMO Near-Field la Laboratorul UKM SATIMO Near-Field Systems. Figurile 21a,b prezintă modelele de radiație din planul E și planul H simulate și observate ale antenei MIMO revendicate cu și fără MS la o frecvență de operare de 5,5 GHz. În intervalul de frecvență de operare de 5,5 GHz, antena MIMO non-MS dezvoltată oferă un model de radiație bidirecțional consistent cu valori ale lobilor laterali. După aplicarea reflectorului MS, antena oferă un model de radiație unidirecțională și reduce nivelul lobilor din spate, așa cum se arată în figurile 21a, b. Este de remarcat faptul că, prin utilizarea unei metasuprafețe cu un backplane de cupru, modelul de antenă MIMO propus este mai stabil și unidirecțional decât fără MS, cu spate și lobi laterali foarte jos. Reflectorul de matrice MM propus reduce lobii din spate și laterali ai antenei și, de asemenea, îmbunătățește caracteristicile radiației prin direcționarea curentului într-o direcție unidirecțională (Fig. 21a, b), crescând astfel câștigul și directivitatea. Modelul de radiație măsurat a fost obținut pentru portul 1 cu o sarcină de 50 ohmi conectată la porturile rămase. S-a observat că modelul de radiație experimental a fost aproape identic cu cel simulat de CST, deși au existat unele abateri din cauza nealinierii componentelor, reflexiilor de la porturile terminale și pierderilor în conexiunile cablurilor. În plus, a fost introdus un distanțier din nailon între antenă și reflectorul MS, care este o altă problemă care afectează rezultatele observate în comparație cu rezultatele prezise.
Modelul de radiație al antenei MIMO dezvoltate (fără MS și cu MS) la o frecvență de 5,5 GHz a fost simulat și testat.
Este important de menționat că izolarea portului și caracteristicile asociate acesteia sunt esențiale atunci când se evaluează performanța sistemelor MIMO. Performanța de diversitate a sistemului MIMO propus, inclusiv coeficientul de corelație a anvelopei (ECC) și câștigul de diversitate (DG), este examinată pentru a ilustra robustețea sistemului de antenă MIMO proiectat. ECC și DG ale unei antene MIMO pot fi utilizate pentru a evalua performanța acesteia, deoarece acestea sunt aspecte importante ale performanței unui sistem MIMO. Următoarele secțiuni vor detalia aceste caracteristici ale antenei MIMO propuse.
Coeficientul de corelație al plicului (ECC). Atunci când se ia în considerare orice sistem MIMO, ECC determină gradul în care elementele constitutive se corelează între ele în ceea ce privește proprietățile lor specifice. Astfel, ECC demonstrează gradul de izolare a canalului într-o rețea de comunicații fără fir. ECC (coeficientul de corelație al anvelopei) al sistemului MIMO dezvoltat poate fi determinat pe baza parametrilor S și a emisiei în câmp îndepărtat. Din Eq. (7) și (8) poate fi determinată ECC-ul antenei MIMO propuse 31.
Coeficientul de reflexie este reprezentat de Sii iar Sij reprezintă coeficientul de transmisie. Modelele de radiație tridimensionale ale antenelor j-a și i-a sunt date de expresiile \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) și \( \vec {{R_{ i } }} Unghi solid reprezentat de \left( {\theta ,\varphi } \right)\) și \({\Omega }\). Curba ECC a antenei propuse este prezentată în Figura 22a, iar valoarea acesteia este mai mică de 0,004, ceea ce este mult sub valoarea acceptabilă de 0,5 pentru un sistem fără fir. Prin urmare, valoarea ECC redusă înseamnă că sistemul MIMO cu 4 porturi propus oferă o diversitate superioară43.
Diversity Gain (DG) DG este o altă măsurătoare de performanță a sistemului MIMO care descrie modul în care schema de diversitate afectează puterea radiată. Relația (9) determină DG al sistemului de antenă MIMO în curs de dezvoltare, așa cum este descris în 31.
Figura 22b prezintă diagrama DG a sistemului MIMO propus, unde valoarea DG este foarte apropiată de 10 dB. Valorile DG ale tuturor antenelor sistemului MIMO proiectat depășesc 9,98 dB.
Tabelul 1 compară antena MIMO meta suprafață propusă cu sisteme MIMO similare dezvoltate recent. Comparația ia în considerare diferiți parametri de performanță, inclusiv lățimea de bandă, câștigul, izolarea maximă, eficiența generală și performanța diversității. Cercetătorii au prezentat diverse prototipuri de antene MIMO cu tehnici de îmbunătățire a câștigului și a izolației în 5, 44, 45, 46, 47. În comparație cu lucrările publicate anterior, sistemul MIMO propus cu reflectoare metasuprafeței le depășește în ceea ce privește lățimea de bandă, câștigul și izolarea. În plus, în comparație cu antenele similare raportate, sistemul MIMO dezvoltat prezintă performanțe superioare de diversitate și eficiență generală la o dimensiune mai mică. Deși antenele descrise în secțiunea 5.46 au o izolare mai mare decât antenele propuse de noi, aceste antene suferă de dimensiuni mari, câștig redus, lățime de bandă îngustă și performanță MIMO slabă. Antena MIMO cu 4 porturi propusă în 45 prezintă un câștig și o eficiență ridicate, dar designul său are o izolare scăzută, dimensiuni mari și performanțe de diversitate slabe. Pe de altă parte, sistemul de antenă de dimensiuni mici propus în 47 are un câștig și o lățime de bandă de operare foarte scăzute, în timp ce sistemul nostru MIMO cu 4 porturi bazat pe MS prezintă dimensiuni mici, câștig ridicat, izolare ridicată și performanță MIMO mai bună. Astfel, antena MIMO metasurfață propusă poate deveni un competitor major pentru sistemele de comunicații 5G sub-6 GHz.
Se propune o antenă MIMO de bandă largă bazată pe reflectoare metasuprafață cu patru porturi, cu câștig ridicat și izolare, pentru a suporta aplicații 5G sub 6 GHz. Linia microstrip alimentează o secțiune pătrată radiantă, care este trunchiată de un pătrat la colțurile diagonale. MS propus și emițătorul de antenă sunt implementate pe materiale de substrat similare Rogers RT5880 pentru a obține performanțe excelente în sistemele de comunicații 5G de mare viteză. Antena MIMO are o gamă largă și un câștig ridicat și oferă izolare fonică între componentele MIMO și eficiență excelentă. Antena unică dezvoltată are dimensiuni miniaturale de 0,58?0,58?0,02? cu o matrice metasurface 5×5, oferă o lățime de bandă largă de operare de 4,56 GHz, un câștig de vârf de 8 dBi și o eficiență măsurată superioară. Antena MIMO cu patru porturi propusă (matrice 2 × 2) este proiectată prin alinierea ortogonală a fiecărei antene unice propuse cu o altă antenă cu dimensiuni de 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Se recomandă asamblarea unei matrice de 10 × 10 MM sub o antenă MIMO de 12 mm înălțime, care poate reduce radiația din spate și poate reduce cuplarea reciprocă între componentele MIMO, îmbunătățind astfel câștigul și izolarea. Rezultatele experimentale și de simulare arată că prototipul MIMO dezvoltat poate funcționa într-o gamă largă de frecvențe de 3,08–7,75 GHz, acoperind spectrul 5G sub 6 GHz. În plus, antena MIMO propusă bazată pe MS își îmbunătățește câștigul cu 2,9 dBi, realizând un câștig maxim de 8,3 dBi și oferă o izolare excelentă (>15,5 dB) între componentele MIMO, validând contribuția MS. În plus, antena MIMO propusă are o eficiență generală medie ridicată de 82% și o distanță mică între elemente de 22 mm. Antena prezintă performanțe excelente de diversitate MIMO, inclusiv DG foarte ridicat (peste 9,98 dB), ECC foarte scăzut (mai puțin de 0,004) și model de radiație unidirecțională. Rezultatele măsurătorilor sunt foarte asemănătoare cu rezultatele simulării. Aceste caracteristici confirmă faptul că sistemul de antenă MIMO cu patru porturi dezvoltat poate fi o alegere viabilă pentru sistemele de comunicații 5G în intervalul de frecvență sub-6 GHz.
Cowin poate furniza antenă PCB cu bandă largă de 400-6000MHz și suport pentru proiectarea unei noi antene conform cerințelor dvs., vă rugăm să ne contactați fără ezitare dacă aveți orice solicitare.
Ora postării: Oct-10-2024