У цій роботі пропонується компактна інтегрована широкосмугова метаповерхнева (MS) антена з кількома входами та виходами (MIMO) для систем бездротового зв’язку п’ятого покоління (5G) на частоті до 6 ГГц. Очевидною новизною запропонованої системи MIMO є її широка робоча смуга пропускання, високий коефіцієнт підсилення, малі міжкомпонентні зазори та чудова ізоляція всередині компонентів MIMO. Пляма випромінювання антени зрізана по діагоналі, частково заземлена, а для покращення продуктивності антени використовуються метаповерхні. Пропонований прототип інтегрованої одиночної антени MS має мініатюрні розміри 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Результати моделювання та вимірювання демонструють широкосмугову продуктивність від 3,11 ГГц до 7,67 ГГц, включаючи найвищий досягнутий посилення 8 дБі. Чотирьохелементна система MIMO розроблена таким чином, що кожна антена ортогональна одна одній, зберігаючи при цьому компактний розмір і широкосмугову продуктивність від 3,2 до 7,6 ГГц. Пропонований прототип MIMO розроблено та виготовлено на підкладці Rogers RT5880 з низькими втратами та мініатюрними розмірами 1,05? 1,05? 0,02?, а його продуктивність оцінюється з використанням запропонованої квадратної решітки замкнутих кільцевих резонаторів із розділеним кільцем 10 x 10 . Основний матеріал той же. Запропонована метаповерхня задньої панелі значно зменшує зворотне випромінювання антени та маніпулює електромагнітними полями, тим самим покращуючи пропускну здатність, посилення та ізоляцію компонентів MIMO. У порівнянні з існуючими MIMO-антенами запропонована 4-портова MIMO-антена забезпечує високий коефіцієнт підсилення 8,3 дБі із середньою загальною ефективністю до 82% у діапазоні 5G нижче 6 ГГц і добре узгоджується з результатами вимірювань. Крім того, розроблена антена MIMO демонструє чудову продуктивність з точки зору коефіцієнта кореляції огинаючої (ECC) менше 0,004, посилення рознесення (DG) близько 10 дБ (>9,98 дБ) і високої ізоляції між компонентами MIMO (>15,5 дБ). характеристики. Таким чином, запропонована антена MIMO на основі MS підтверджує свою придатність для мереж зв’язку 5G на частоті нижче 6 ГГц.
Технологія 5G — це неймовірний прогрес у бездротовому зв’язку, який забезпечить швидші та безпечніші мережі для мільярдів під’єднаних пристроїв, забезпечить роботу користувачів із «нульовою» затримкою (затримка менше 1 мілісекунди) і запровадить нові технології, зокрема електроніку. Медичне обслуговування, інтелектуальне виховання. , розумні міста, розумні будинки, віртуальна реальність (VR), розумні фабрики та Інтернет транспортних засобів (IoV) змінюють наше життя, суспільство та індустрії1,2,3. Федеральна комісія зі зв’язку США (FCC) поділяє спектр 5G на чотири діапазони частот4. Смуга частот нижче 6 ГГц становить інтерес для дослідників, оскільки вона дозволяє здійснювати міжміський зв’язок із високою швидкістю передачі даних5,6. Розподіл спектру 5G нижче 6 ГГц для глобального зв’язку 5G показано на малюнку 1, де вказано, що всі країни розглядають можливість використання спектру нижче 6 ГГц для зв’язку 5G7,8. Антени є важливою частиною мереж 5G і потребуватимуть більше антен базових станцій і терміналів користувачів.
Мікросмугові патч-антени мають такі переваги, як тонкість і плоска структура, але обмежені в смузі пропускання та посиленні9,10, тому було проведено багато досліджень, щоб збільшити посилення та пропускну здатність антени; В останні роки метаповерхні (MS) широко використовувалися в антенних технологіях, особливо для покращення посилення та пропускної здатності11,12, однак ці антени обмежені одним портом; Технологія MIMO є важливим аспектом бездротового зв’язку, оскільки вона може використовувати декілька антен одночасно для передачі даних, покращуючи таким чином швидкість передачі даних, спектральну ефективність, пропускну здатність каналу та надійність13,14,15. Антени MIMO є потенційними кандидатами для додатків 5G, оскільки вони можуть передавати та отримувати дані через декілька каналів, не вимагаючи додаткового живлення16,17. Ефект взаємного зв’язку між компонентами MIMO залежить від розташування елементів MIMO та посилення антени MIMO, що є серйозною проблемою для дослідників. На малюнках 18, 19 і 20 показано різні антени MIMO, що працюють у діапазоні 5G нижче 6 ГГц, усі вони демонструють хорошу ізоляцію та продуктивність MIMO. Однак коефіцієнт підсилення та робоча смуга пропускання цих запропонованих систем є низькими.
Метаматеріали (ММ) — це нові матеріали, які не існують у природі та можуть маніпулювати електромагнітними хвилями, тим самим покращуючи продуктивність антен21,22,23,24. Зараз ММ широко використовується в антенних технологіях для покращення діаграми спрямованості, пропускної здатності, посилення та ізоляції між елементами антени та системами бездротового зв’язку, як обговорювалося в 25, 26, 27, 28. У 2029 році чотириелементна система MIMO на основі метаповерхня, в якій секція антени затиснута між метаповерхнею та землею без повітряного зазору, що покращує продуктивність MIMO. Однак ця конструкція має більший розмір, меншу робочу частоту і складну структуру. Електромагнітна заборонена зона (EBG) і контур заземлення включені в запропоновану 2-портову широкосмугову антену MIMO для покращення ізоляції компонентів MIMO30. Розроблена антена має гарну продуктивність рознесення MIMO та чудову ізоляцію між двома антенами MIMO, але використання лише двох компонентів MIMO посилення буде низьким. Крім того, in31 також запропонував надширокосмугову (UWB) двопортову MIMO-антену та дослідив її продуктивність MIMO з використанням метаматеріалів. Хоча ця антена здатна працювати в режимі UWB, її коефіцієнт підсилення низький, а ізоляція між двома антенами погана. Робота in32 пропонує 2-портову систему MIMO, яка використовує електромагнітні відбивачі (EBG) для збільшення посилення. Незважаючи на те, що розроблена антенна решітка має високий коефіцієнт підсилення та гарну продуктивність рознесення MIMO, її великий розмір ускладнює застосування в пристроях зв’язку наступного покоління. Ще одна широкосмугова антена на основі рефлектора була розроблена в 33, де рефлектор був інтегрований під антеною з більшим проміжком 22 мм, демонструючи нижчий пік посилення 4,87 дБ. У статті 34 розроблено чотирипортову антену MIMO для додатків mmWave, яка інтегрована з рівнем MS для покращення ізоляції та посилення системи MIMO. Однак ця антена забезпечує гарне посилення та ізоляцію, але має обмежену смугу пропускання та погані механічні властивості через великий повітряний зазор. Подібним чином у 2015 році була розроблена трипарна 4-портова метаповерхнева антена MIMO з інтегрованою метаповерхнею для зв’язку mmWave з максимальним посиленням 7,4 дБі. B36 MS використовується на задній частині антени 5G для збільшення посилення антени, де метаповерхня діє як відбивач. Однак структура MS є асиметричною, тому структурі елементарної комірки приділено менше уваги.
Згідно з наведеними вище результатами аналізу, жодна з наведених вище антен не має високого посилення, чудової ізоляції, продуктивності MIMO та широкосмугового покриття. Тому все ще існує потреба в метаповерхневій антені MIMO, яка може охоплювати широкий діапазон частот спектру 5G нижче 6 ГГц з високим коефіцієнтом підсилення та ізоляції. Враховуючи обмеження вищезазначеної літератури, для систем бездротового зв’язку нижче 6 ГГц пропонується широкосмугова чотириелементна антенна система MIMO з високим коефіцієнтом підсилення та відмінною продуктивністю рознесення. Крім того, запропонована антена MIMO демонструє чудову ізоляцію між компонентами MIMO, малі проміжки між елементами та високу ефективність випромінювання. Накладка антени зрізана по діагоналі та розміщена поверх метаповерхні з повітряним зазором 12 мм, який відбиває випромінювання від антени та покращує посилення та спрямованість антени. Крім того, запропонована одна антена використовується для створення чотириелементної антени MIMO з чудовою продуктивністю MIMO шляхом розташування кожної антени ортогонально одна до одної. Розроблена MIMO-антена була потім інтегрована поверх масиву 10 × 10 MS з мідною об’єднавчою платою для покращення характеристик випромінювання. Конструкція має широкий робочий діапазон (3,08-7,75 ГГц), високий коефіцієнт підсилення 8,3 дБі та високу середню загальну ефективність 82%, а також чудову ізоляцію понад −15,5 дБ між компонентами антени MIMO. Розроблена MIMO-антена на основі MS була змодельована за допомогою 3D електромагнітного пакету програмного забезпечення CST Studio 2019 і перевірена за допомогою експериментальних досліджень.
У цьому розділі міститься детальний вступ до запропонованої архітектури та методології проектування однієї антени. Крім того, детально обговорюються змодельовані та спостережувані результати, включаючи параметри розсіювання, посилення та загальну ефективність з метаповерхнями та без них. Прототип антени був розроблений на діелектричній підкладці з низькими втратами Rogers 5880 товщиною 1,575 мм з діелектричною проникністю 2,2. Для розробки та моделювання конструкції використовувався пакет електромагнітного симулятора CST studio 2019.
На рисунку 2 показана пропонована архітектура та модель конструкції одноелементної антени. Згідно з добре встановленими математичними рівняннями37, антена складається з квадратної випромінювальної плями з лінійним живленням і мідної заземленої поверхні (як описано в кроці 1) і резонує з дуже вузькою смугою частот 10,8 ГГц, як показано на малюнку 3b. Початковий розмір випромінювача антени визначається наступним математичним співвідношенням37:
Де \(P_{L}\) і \(P_{w}\) — довжина та ширина ділянки, c — швидкість світла, \(\gamma_{r}\) — діелектрична проникність підкладки. . , \(\gamma_{reff }\) представляє ефективне діелектричне значення плями випромінювання, \(\Delta L\) представляє зміну довжини плями. Об’ємну плату антени було оптимізовано на другому етапі, збільшивши смугу пропускання опору, незважаючи на дуже низьку смугу пропускання опору 10 дБ. На третьому етапі положення фідера переміщується вправо, що покращує смугу пропускання опору та узгодження імпедансу запропонованої антени38. На цьому етапі антена демонструє чудову робочу смугу пропускання 4 ГГц, а також покриває спектр нижче 6 ГГц у 5G. Четвертий і останній етап включає травлення квадратних канавок у протилежних кутах радіаційної плями. Цей слот значно розширює смугу пропускання 4,56 ГГц для охоплення спектру 5G нижче 6 ГГц від 3,11 ГГц до 7,67 ГГц, як показано на малюнку 3b. Види спереду та знизу в перспективі запропонованої конструкції показані на малюнку 3a, а остаточні оптимізовані необхідні параметри конструкції такі: SL = 40 мм, Pw = 18 мм, PL = 18 мм, gL = 12 мм, fL = 11. мм, fW = 4,7 мм, c1 = 2 мм, c2 = 9,65 мм, c3 = 1,65 мм.
(a) Види спроектованої єдиної антени зверху та ззаду (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Крива S-параметра.
Метаповерхня — це термін, який відноситься до періодичного масиву елементарних комірок, розташованих на певній відстані одна від одної. Метаповерхні — це ефективний спосіб покращити характеристики випромінювання антени, включаючи пропускну здатність, посилення та ізоляцію між компонентами MIMO. Через вплив поверхневого поширення хвилі метаповерхні генерують додаткові резонанси, які сприяють покращенню характеристик антени39. У цій роботі пропонується блок з епсилон-негативним метаматеріалом (MM), що працює в діапазоні 5G нижче 6 ГГц. MM з площею поверхні 8 мм × 8 мм був розроблений на підкладці Rogers 5880 з низькими втратами з діелектричною проникністю 2,2 і товщиною 1,575 мм. Оптимізована накладка резонатора ММ складається з внутрішнього круглого роз’ємного кільця, з’єднаного з двома модифікованими зовнішніми роз’ємними кільцями, як показано на малюнку 4a. На рисунку 4а підсумовано остаточні оптимізовані параметри запропонованої установки ММ. Згодом метаповерхневі шари розміром 40 × 40 мм і 80 × 80 мм були розроблені без мідної об’єднавчої панелі та з мідною об’єднавчою платою з використанням масивів комірок 5 × 5 і 10 × 10 відповідно. Запропонована структура ММ була змодельована за допомогою програмного забезпечення 3D електромагнітного моделювання «CST studio suite 2019». Виготовлений прототип запропонованої структури масиву ММ та вимірювальної установки (двопортовий мережевий аналізатор PNA та хвилеводний порт) показаний на малюнку 4b для перевірки результатів моделювання CST шляхом аналізу фактичної реакції. Для вимірювання використовувався мережевий аналізатор серії Agilent PNA у поєднанні з двома хвилеводними коаксіальними адаптерами (A-INFOMW, номер деталі: 187WCAS) для надсилання та отримання сигналів. Прототип масиву 5×5 був розміщений між двома хвилеводними коаксіальними адаптерами, підключеними коаксіальним кабелем до двопортового мережевого аналізатора (Agilent PNA N5227A). Набір для калібрування Agilent N4694-60001 використовується для калібрування мережевого аналізатора на пілотній установці. Змодельовані та спостережувані CST параметри розсіювання запропонованого прототипу масиву ММ показані на малюнку 5a. Можна побачити, що запропонована структура ММ резонує в діапазоні частот 5G нижче 6 ГГц. Незважаючи на невелику різницю в смузі пропускання в 10 дБ, змодельовані та експериментальні результати дуже схожі. Резонансна частота, смуга пропускання та амплітуда спостережуваного резонансу дещо відрізняються від змодельованих, як показано на малюнку 5a. Ці відмінності між спостережуваними та змодельованими результатами пов’язані з недосконалістю виробництва, малими проміжками між прототипом і портами хвилеводу, ефектами зв’язку між портами хвилеводу та компонентами масиву та допусками вимірювань. Крім того, правильне розміщення розробленого прототипу між портами хвилеводу в експериментальній установці може призвести до резонансного зсуву. Крім того, під час фази калібрування спостерігався небажаний шум, що призвело до розбіжностей між числовими та виміряними результатами. Однак, окрім цих труднощів, запропонований прототип масиву MM працює добре завдяки тісній кореляції між симуляцією та експериментом, що робить його добре придатним для програм бездротового зв’язку 5G нижче 6 ГГц.
(a) Геометрія елементарної комірки (S1 = 8 мм, S2 = 7 мм, S3 = 5 мм, f1, f2, f4 = 0,5 мм, f3 = 0,75 мм, h1 = 0,5 мм, h2 = 1,75 мм) (CST STUDIO SUITE) ) 2019) (b) Фото вимірювальної установки ММ.
(a) Моделювання та перевірка кривих параметрів розсіювання прототипу метаматеріалу. (b) Крива діелектричної проникності елементарної комірки ММ.
Відповідні ефективні параметри, такі як ефективна діелектрична проникність, магнітна проникність і показник заломлення, були вивчені за допомогою вбудованих методів постобробки електромагнітного симулятора CST для подальшого аналізу поведінки елементарної комірки ММ. Ефективні параметри ММ отримані з параметрів розсіювання за допомогою методу надійної реконструкції. Наступні рівняння коефіцієнтів пропускання та відбиття: (3) і (4) можна використовувати для визначення показника заломлення та імпедансу (див. 40).
Дійсна та уявна частини оператора представлені (.)' і (.)” відповідно, а ціле значення m відповідає дійсному показнику заломлення. Діелектрична проникність і проникність визначаються за формулами \(\varepsilon { } = { }n/z,\) і \(\mu = nz\), які засновані на імпедансі та показнику заломлення відповідно. Крива ефективної діелектричної проникності структури ММ показана на малюнку 5b. На резонансній частоті ефективна діелектрична проникність негативна. На малюнках 6a,b показано витягнуті значення ефективної проникності (μ) і ефективного показника заломлення (n) запропонованої елементарної комірки. Примітно, що витягнуті проникності демонструють позитивні реальні значення, близькі до нуля, що підтверджує епсилон-негативні (ENG) властивості запропонованої структури ММ. Крім того, як показано на малюнку 6а, резонанс при проникності, близькій до нуля, сильно пов’язаний з резонансною частотою. Розроблена елементарна комірка має негативний показник заломлення (рис. 6b), що означає, що запропонований ММ можна використовувати для покращення характеристик антени21,41.
Розроблений прототип єдиної широкосмугової антени був виготовлений для експериментальної перевірки запропонованої конструкції. На малюнках 7a,b показано зображення запропонованого прототипу одиночної антени, її структурних частин і вимірювальної установки ближнього поля (SATIMO). Щоб покращити характеристики антени, розроблену метаповерхню розміщують шарами під антеною, як показано на малюнку 8a, висотою h. Одна двошарова метаповерхня розміром 40 мм x 40 мм була нанесена на задню частину однієї антени з інтервалом 12 мм. Крім того, на задній стороні одиночної антени на відстані 12 мм розміщена метаповерхня з задньою платою. Після застосування метаповерхні одинична антена демонструє значне покращення продуктивності, як показано на малюнках 1 і 2. На малюнках 8 і 9. На малюнку 8b показано змодельовані та виміряні графіки відбиття для одиночної антени без і з метаповерхнями. Варто зазначити, що смуга покриття антени з метаповерхнею дуже схожа на смугу покриття антени без метаповерхні. На рисунках 9a,b показано порівняння змодельованого та спостережуваного коефіцієнтів підсилення однієї антени та загальної ефективності без і з MS у робочому спектрі. Можна побачити, що порівняно з неметаповерхневою антеною коефіцієнт підсилення метаповерхневої антени значно покращився, збільшившись із 5,15 дБі до 8 дБі. Коефіцієнт посилення одношарової метаповерхні, двошарової метаповерхні та однієї антени з метаповерхнею задньої плати збільшився на 6 дБі, 6,9 дБі та 8 дБі відповідно. Порівняно з іншими метаповерхнями (одношаровими та двошаровими MC), посилення однієї метаповерхневої антени з мідною об’єднавчою платою становить до 8 дБі. У цьому випадку метаповерхня діє як відбивач, зменшуючи зворотне випромінювання антени та маніпулюючи електромагнітними хвилями в фазі, тим самим збільшуючи ефективність випромінювання антени, а отже, і посилення. Дослідження загальної ефективності однієї антени без і з метаповерхнями показано на малюнку 9b. Варто відзначити, що ефективність антени з метаповерхнею і без неї практично однакова. У нижньому діапазоні частот ККД антени трохи знижується. Експериментальна та змодельована криві посилення та ефективності добре узгоджуються. Проте існують невеликі відмінності між результатами моделювання та випробувань через виробничі дефекти, допуски вимірювання, втрати з’єднання порту SMA та втрати дроту. Крім того, антена та рефлектор MS розташовані між нейлоновими прокладками, що є ще однією проблемою, яка впливає на результати спостереження порівняно з результатами моделювання.
На малюнку (a) показана завершена одиночна антена та пов’язані з нею компоненти. (b) Налаштування вимірювання ближнього поля (SATIMO).
(a) Збудження антени за допомогою метаповерхневих відбивачів (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Змодельовані та експериментальні коефіцієнти відбиття однієї антени без і з MS.
Результати моделювання та вимірювання (а) досягнутого посилення та (б) загальної ефективності запропонованої антени з метаповерхневим ефектом.
Аналіз діаграми променя за допомогою MS. Вимірювання ближнього поля з використанням однієї антени проводилися в експериментальному середовищі SATIMO Near-Field Experimental Environment лабораторії UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. На малюнках 10a, b показано змодельовані та спостережувані діаграми спрямованості випромінювання в E-площині та H-площині на частоті 5,5 ГГц для запропонованої однієї антени з MS і без нього. Розроблена одна антена (без MS) забезпечує послідовну двонаправлену діаграму спрямованості зі значеннями бічних пелюсток. Після застосування запропонованого рефлектора MS антена забезпечує односпрямовану діаграму спрямованості та знижує рівень задніх пелюсток, як показано на малюнках 10а, б. Варто зазначити, що запропонована діаграма спрямованості однієї антени є більш стабільною та односпрямованою з дуже низькими задньою та бічними пелюстками при використанні метаповерхні з мідною об’єднавчою платою. Запропонований рефлектор ММ-решітки зменшує задній і бічні пелюстки антени, одночасно покращуючи характеристики випромінювання, спрямовуючи струм в однонаправлених напрямках (рис. 10а, б), тим самим збільшуючи посилення та спрямованість. Було помічено, що експериментальна діаграма спрямованості була майже порівнянна з моделюванням CST, але дещо змінювалась через неправильне розташування різних зібраних компонентів, допуски вимірювань і втрати в кабелях. Крім того, між антеною та рефлектором MS була вставлена нейлонова прокладка, що є ще однією проблемою, яка впливає на результати спостереження порівняно з чисельними результатами.
Проведено моделювання та перевірку діаграми спрямованості розробленої одиночної антени (без МС та з МС) на частоті 5,5 ГГц.
Запропонована геометрія антени MIMO показана на малюнку 11 і включає чотири окремі антени. Чотири компоненти антени MIMO розташовані перпендикулярно один одному на підкладці розміром 80 × 80 × 1,575 мм, як показано на малюнку 11. Розроблена антена MIMO має відстань між елементами 22 мм, що менше, ніж у антени MIMO. найближча відповідна відстань між елементами антени. Розроблена антена MIMO. Крім того, частина заземлення розташована так само, як і одна антена. Коефіцієнт відбиття антен MIMO (S11, S22, S33 і S44), показаних на малюнку 12а, демонструє таку саму поведінку, що й одноелементна антена, яка резонує в діапазоні 3,2–7,6 ГГц. Тому смуга пропускання імпедансу антени MIMO точно така ж, як і в однієї антени. Ефект зв’язку між компонентами MIMO є основною причиною невеликих втрат пропускної здатності антен MIMO. На малюнку 12b показано вплив взаємозв’язку на компоненти MIMO, де визначено оптимальну ізоляцію між компонентами MIMO. Ізоляція між антенами 1 і 2 є найнижчою і становить близько -13,6 дБ, а ізоляція між антенами 1 і 4 є найвищою і становить близько -30,4 дБ. Завдяки невеликому розміру та ширшій смузі пропускання ця антена MIMO має менший коефіцієнт підсилення та меншу пропускну здатність. Теплоізоляція низька, тому потрібно посилене армування та утеплення;
Механізм конструкції запропонованої антени MIMO (а) вид зверху та (б) площина заземлення. (CST Studio Suite 2019).
Геометричне розташування та метод збудження запропонованої метаповерхневої MIMO-антени показано на малюнку 13a. Матриця 10x10 мм із розмірами 80x80x1,575 мм призначена для задньої сторони MIMO-антени висотою 12 мм, як показано на малюнку 13a. Крім того, метаповерхні з мідними об’єднувальними панелями призначені для використання в антенах MIMO для покращення їх продуктивності. Відстань між метаповерхнею та антеною MIMO має вирішальне значення для досягнення високого коефіцієнта підсилення, одночасно дозволяючи конструктивну інтерференцію між хвилями, які генерує антена, і хвилями, відбитими від метаповерхні. Було виконано масштабне моделювання для оптимізації висоти між антеною та метаповерхнею, зберігаючи стандарти чверті хвилі для максимального посилення та ізоляції між елементами MIMO. У наступних розділах буде продемонстровано суттєве покращення продуктивності антени MIMO, досягнуте завдяки використанню метаповерхень із об’єднавчою платою порівняно з метаповерхнями без об’єднавчої плати.
(a) Налаштування моделювання CST запропонованої антени MIMO з використанням MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Криві відбиття розробленої системи MIMO без MS і з MS.
Коефіцієнти відбиття антен MIMO з метаповерхнями та без них показані на малюнку 13b, де S11 і S44 представлені через майже однакову поведінку всіх антен у системі MIMO. Варто зазначити, що смуга пропускання імпедансу -10 дБ антени MIMO без і з однією метаповерхнею майже однакова. Навпаки, смуга пропускання імпедансу запропонованої MIMO-антени покращена двошаровою MS і об’єднавчою платою MS. Варто зазначити, що без MS антена MIMO забезпечує фракційну смугу пропускання 81,5% (3,2-7,6 ГГц) відносно центральної частоти. Інтеграція MS із задньою платою збільшує смугу пропускання імпедансу запропонованої MIMO-антени до 86,3% (3,08–7,75 ГГц). Хоча двошаровий MS збільшує пропускну здатність, покращення є меншим, ніж у MS з мідною задньою платою. Крім того, двошаровий МК збільшує розміри антени, підвищує її вартість і обмежує радіус дії. Розроблені антена MIMO та рефлектор метаповерхні виготовлені та перевірені для підтвердження результатів моделювання та оцінки фактичних характеристик. На малюнку 14a показано виготовлений шар MS і антену MIMO з різними зібраними компонентами, а на малюнку 14b показано фотографію розробленої системи MIMO. Антена MIMO встановлена на верхній частині метаповерхні за допомогою чотирьох нейлонових прокладок, як показано на малюнку 14b. На малюнку 15а показаний знімок експериментальної установки ближнього поля розробленої антенної системи MIMO. Аналізатор мережі PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) використовувався для оцінки параметрів розсіювання, а також для оцінки та характеристики характеристик випромінювання ближнього поля в лабораторії UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory.
(a) Фотографії вимірювань ближнього поля SATIMO (b) Змодельовані та експериментальні криві антени S11 MIMO з і без MS.
У цьому розділі представлено порівняльне дослідження змодельованих і спостережених S-параметрів запропонованої антени 5G MIMO. На малюнку 15b показано експериментальний графік коефіцієнта відбиття інтегрованої 4-елементної антени MIMO MS і порівняння його з результатами моделювання CST. Експериментальні коефіцієнти відбиття виявилися такими ж, як і розрахунки CST, але дещо відрізнялися через виробничі дефекти та експериментальні допуски. Крім того, спостережуваний коефіцієнт відбиття запропонованого прототипу MIMO на базі MS охоплює спектр 5G нижче 6 ГГц із смугою пропускання опору 4,8 ГГц, що означає, що застосування 5G можливо. Однак виміряна резонансна частота, смуга пропускання та амплітуда дещо відрізняються від результатів CST моделювання. Виробничі дефекти, втрати зв’язку між коаксіальним кабелем і SMA та налаштування вимірювання поза приміщеннями можуть спричинити відмінності між виміряними та змодельованими результатами. Однак, незважаючи на ці недоліки, запропонований MIMO працює добре, забезпечуючи сильну узгодженість між моделюванням і вимірюваннями, що робить його добре придатним для бездротових додатків 5G нижче 6 ГГц.
Змодельовані та спостережувані криві підсилення антени MIMO показані на малюнках 2 і 2. Як показано на малюнках 16a,b і 17a,b відповідно, показано взаємну взаємодію компонентів MIMO. Коли метаповерхні застосовуються до антен MIMO, ізоляція між антенами MIMO значно покращується. Діаграми ізоляції між сусідніми елементами антени S12, S14, S23 і S34 показують подібні криві, тоді як діагональні антени MIMO S13 і S42 демонструють таку ж високу ізоляцію через більшу відстань між ними. Змодельовані характеристики передачі суміжних антен показані на малюнку 16а. Варто зазначити, що в робочому спектрі 5G нижче 6 ГГц мінімальна ізоляція MIMO-антени без метаповерхні становить -13,6 дБ, а для метаповерхні з задньою платою – 15,5 дБ. Графік посилення (рис. 16а) показує, що метаповерхня об’єднавчої плати значно покращує ізоляцію між елементами антени MIMO порівняно з одно- та двошаровими метаповерхнями. На суміжних елементах антени одно- та двошарові метаповерхні забезпечують мінімальну ізоляцію приблизно -13,68 дБ і -14,78 дБ, а метаповерхня мідної задньої плати забезпечує приблизно -15,5 дБ.
Змодельовані криві ізоляції елементів MIMO без рівня MS і з шаром MS: (a) S12, S14, S34 і S32 і (b) S13 і S24.
Експериментальні криві підсилення запропонованих антен MIMO на основі MS без і з: (a) S12, S14, S34 і S32 і (b) S13 і S24.
Графіки посилення діагональної антени MIMO до і після додавання рівня MS показані на малюнку 16b. Варто зазначити, що мінімальна ізоляція між діагональними антенами без метаповерхні (антени 1 і 3) становить – 15,6 дБ по робочому спектру, а метаповерхня з об’єднавчою платою – 18 дБ. Підхід до метаповерхні значно зменшує ефект зв’язку між діагональними антенами MIMO. Максимальна ізоляція для одношарової метаповерхні становить -37 дБ, тоді як для двошарової метаповерхні це значення падає до -47 дБ. Максимальна ізоляція метаповерхні з мідною об’єднавчою платою становить −36,2 дБ, що зменшується зі збільшенням діапазону частот. Порівняно з одно- та двошаровими метаповерхнями без об’єднавчої плати, метаповерхні з об’єднавчою платою забезпечують чудову ізоляцію в усьому необхідному діапазоні робочих частот, особливо в діапазоні 5G нижче 6 ГГц, як показано на малюнках 16a, b. У найпопулярнішому та широко використовуваному діапазоні 5G нижче 6 ГГц (3,5 ГГц) одно- та двошарові метаповерхні мають нижчу ізоляцію між компонентами MIMO, ніж метаповерхні з мідними об’єднавчими платами (майже без MS) (див. рис. 16a, b). Вимірювання посилення показано на малюнках 17a, b, де показано ізоляцію суміжних антен (S12, S14, S34 і S32) і діагональних антен (S24 і S13), відповідно. Як видно з цих малюнків (рис. 17a, b), експериментальна ізоляція між компонентами MIMO добре узгоджується з змодельованою ізоляцією. Хоча існують незначні відмінності між змодельованими та виміряними значеннями CST через виробничі дефекти, підключення до порту SMA та втрати проводів. Крім того, антена та рефлектор MS розташовані між нейлоновими прокладками, що є ще однією проблемою, яка впливає на результати спостереження порівняно з результатами моделювання.
досліджували розподіл поверхневого струму на частоті 5,5 ГГц, щоб раціоналізувати роль метаповерхень у зменшенні взаємного зв’язку через придушення поверхневих хвиль42. Розподіл поверхневого струму запропонованої антени MIMO показано на малюнку 18, де антена 1 керується, а решта антени має навантаження 50 Ом. Коли на антену 1 подається напруга, значні взаємні струми зв’язку з’являться на сусідніх антенах на частоті 5,5 ГГц за відсутності метаповерхні, як показано на малюнку 18a. Навпаки, завдяки використанню метаповерхонь, як показано на рис. 18b–d, покращується ізоляція між сусідніми антенами. Слід зазначити, що ефект взаємного зв'язку сусідніх полів можна мінімізувати шляхом поширення струму зв'язку до сусідніх кілець елементарних комірок і суміжних елементарних комірок MS уздовж шару MS в антипаралельних напрямках. Подача струму від розподілених антен до блоків MS є ключовим методом покращення ізоляції між компонентами MIMO. У результаті струм зв’язку між компонентами MIMO значно зменшується, а також значно покращується ізоляція. Оскільки поле зв’язку широко розподілено в елементі, мідна метаповерхня об’єднавчої плати ізолює вузол антени MIMO значно сильніше, ніж одно- та двошарові метаповерхні (рис. 18d). Крім того, розроблена MIMO-антена має дуже низький зворотний і бічний розповсюдження, створюючи односпрямовану діаграму спрямованості, тим самим збільшуючи посилення запропонованої MIMO-антени.
Діаграмми поверхневого струму запропонованої антени MIMO на 5,5 ГГц (a) без MC, (b) одношаровий MC, (c) двошаровий MC, і (d) одношаровий MC з мідною об’єднавчою платою. (CST Studio Suite 2019).
У межах робочої частоти на малюнку 19a показано змодельоване та спостережене підсилення розробленої MIMO-антени без і з метаповерхнями. Змодельоване досягнуте посилення антени MIMO без метаповерхні становить 5,4 дБі, як показано на малюнку 19a. Завдяки ефекту взаємного зв’язку між компонентами MIMO запропонована антена MIMO фактично досягає на 0,25 дБі більшого посилення, ніж одна антена. Додавання метаповерхень може забезпечити значні переваги та ізоляцію між компонентами MIMO. Таким чином, запропонована метаповерхнева антена MIMO може досягти високого реалізованого посилення до 8,3 дБі. Як показано на малюнку 19a, коли на задній частині антени MIMO використовується одна метаповерхня, посилення збільшується на 1,4 дБі. Коли метаповерхня подвоюється, посилення збільшується на 2,1 дБі, як показано на малюнку 19а. Однак очікуваний максимальний посилення 8,3 дБі досягається при використанні метаповерхні з мідною об’єднавчою платою. Примітно, що максимальне досягнуте посилення для одношарової та двошарової метаповерхень становить 6,8 дБі та 7,5 дБі відповідно, тоді як максимальне досягнуте посилення для метаповерхні нижнього шару становить 8,3 дБі. Шар метаповерхні на задній стороні антени діє як рефлектор, відбиваючи випромінювання від задньої сторони антени та покращуючи співвідношення спереду до тилу (F/B) розробленої антени MIMO. Крім того, високоімпедансний рефлектор MS управляє електромагнітними хвилями в синфазі, тим самим створюючи додатковий резонанс і покращуючи ефективність випромінювання запропонованої антени MIMO. Рефлектор MS, встановлений за антеною MIMO, може значно підвищити досягнуте посилення, що підтверджено результатами експерименту. Спостережувані та змодельовані підсилення розробленого прототипу MIMO-антени майже однакові, однак на деяких частотах виміряне підсилення вище, ніж змодельоване, особливо для MIMO без MS; Ці варіації в експериментальному посиленні зумовлені допусками вимірювання нейлонових прокладок, втратами в кабелі та зв’язком в системі антени. Піковий виміряний коефіцієнт підсилення антени MIMO без метаповерхні становить 5,8 дБі, а для метаповерхні з мідною об’єднавчою платою – 8,5 дБі. Варто зазначити, що запропонована повна 4-портова антенна система MIMO з рефлектором MS демонструє високе посилення в експериментальних і чисельних умовах.
Моделювання та експериментальні результати (а) досягнутого підсилення та (б) загальної продуктивності запропонованої MIMO-антени з метаповерхневим ефектом.
На малюнку 19b показано загальну продуктивність запропонованої системи MIMO без і з метаповерхневими відбивачами. На малюнку 19b найнижча ефективність використання MS із задньою платою становила понад 73% (до 84%). Загальна ефективність розроблених антен MIMO без MC та з MC майже однакова з незначними відмінностями порівняно з модельованими значеннями. Причинами цього є допуски вимірювання та використання прокладок між антеною та рефлектором MS. Виміряне досягнуте посилення та загальна ефективність на всій частоті майже подібні до результатів моделювання, що вказує на те, що продуктивність запропонованого прототипу MIMO відповідає очікуванням і що рекомендована антена MIMO на базі MS підходить для зв’язку 5G. Через помилки в експериментальних дослідженнях існують відмінності між загальними результатами лабораторних експериментів і результатами моделювання. На продуктивність запропонованого прототипу впливає невідповідність імпедансу між антеною та роз’ємом SMA, втрати на з’єднанні коаксіального кабелю, ефекти пайки та близькість різних електронних пристроїв до експериментальної установки.
Малюнок 20 описує проектування та прогрес оптимізації згаданої антени у формі блок-схеми. Ця блок-схема надає покроковий опис запропонованих принципів конструкції антени MIMO, а також параметрів, які відіграють ключову роль в оптимізації антени для досягнення необхідного високого коефіцієнта посилення та високої ізоляції на широкій робочій частоті.
Вимірювання антен ближнього поля MIMO було проведено в експериментальному середовищі SATIMO Near-Field Experimental Environment в Лабораторії UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. На малюнках 21a,b зображено змодельовані та спостережувані діаграми спрямованості випромінювання в площині E та площині H заявленої MIMO-антени з MS і без нього на робочій частоті 5,5 ГГц. У робочому діапазоні частот 5,5 ГГц розроблена антена MIMO без MS забезпечує узгоджену двонаправлену діаграму спрямованості зі значеннями бічних пелюсток. Після застосування рефлектора MS антена забезпечує односпрямовану діаграму спрямованості та знижує рівень задніх пелюсток, як показано на малюнках 21a, b. Варто зазначити, що завдяки використанню метаповерхні з мідною об’єднавчою платою запропонована діаграма спрямованості антени MIMO є більш стабільною та односпрямованою, ніж без MS, із дуже низькими задньою та бічними пелюстками. Запропонований рефлектор ММ решітки зменшує задній і бічні пелюстки антени, а також покращує характеристики випромінювання, направляючи струм в однонаправленому напрямку (рис. 21а, б), тим самим збільшуючи посилення і спрямованість. Виміряна діаграма спрямованості була отримана для порту 1 з навантаженням 50 Ом, підключеним до решти портів. Було помічено, що експериментальна діаграма спрямованості була майже ідентичною тій, що змодельована CST, хоча були деякі відхилення через несумісність компонентів, відбиття від термінальних портів і втрати в кабельних з’єднаннях. Крім того, між антеною та рефлектором MS було вставлено нейлонову прокладку, що є ще однією проблемою, яка впливає на спостережувані результати порівняно з прогнозованими.
Змодельовано та протестовано діаграму спрямованості розробленої MIMO-антени (без МС та з МС) на частоті 5,5 ГГц.
Важливо відзначити, що ізоляція портів і пов’язані з нею характеристики є важливими при оцінці продуктивності систем MIMO. Ефективність рознесення запропонованої системи MIMO, включаючи коефіцієнт кореляції огинаючої (ECC) і посилення рознесення (DG), розглядається, щоб проілюструвати надійність розробленої антенної системи MIMO. ECC і DG антени MIMO можна використовувати для оцінки її продуктивності, оскільки вони є важливими аспектами продуктивності системи MIMO. У наступних розділах детально описано ці функції запропонованої антени MIMO.
Коефіцієнт кореляції обвідної (ECC). Розглядаючи будь-яку систему MIMO, ECC визначає ступінь кореляції складових елементів один з одним щодо їхніх конкретних властивостей. Таким чином, ECC демонструє ступінь ізоляції каналу в бездротовій мережі зв'язку. ECC (коефіцієнт кореляції обвідної) розробленої системи MIMO можна визначити на основі S-параметрів і випромінювання в дальньому полі. З рівняння (7) і (8) можна визначити ECC запропонованої MIMO-антени 31.
Коефіцієнт відбиття представлено Sii, а Sij являє собою коефіцієнт пропускання. Тривимірні діаграми спрямованості j-ї та i-ї антен задані виразами \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) і \( \vec {{R_{ i } }} Тілесний кут, представлений \left( {\theta ,\varphi } \right)\) і \({\Omega }\). Крива ECC запропонованої антени показана на малюнку 22a, і її значення менше 0,004, що значно нижче прийнятного значення 0,5 для бездротової системи. Таким чином, зменшене значення ECC означає, що запропонована 4-портова система MIMO забезпечує чудове рознесення43.
Посилення від рознесення (DG) DG — ще один показник продуктивності системи MIMO, який описує, як схема рознесення впливає на випромінювану потужність. Співвідношення (9) визначає DG антенної системи MIMO, що розробляється, як описано в 31.
На малюнку 22b показана діаграма DG запропонованої системи MIMO, де значення DG дуже близько до 10 дБ. Значення DG всіх антен розробленої системи MIMO перевищують 9,98 дБ.
У таблиці 1 порівнюється запропонована метаповерхнева MIMO-антена з нещодавно розробленими аналогічними системами MIMO. Порівняння враховує різні параметри продуктивності, включаючи пропускну здатність, посилення, максимальну ізоляцію, загальну ефективність і продуктивність рознесеності. Дослідники представили різні прототипи антен MIMO з підсиленням і методами посилення ізоляції в 5, 44, 45, 46, 47. У порівнянні з раніше опублікованими роботами, запропонована система MIMO з метаповерхневими відбивачами перевершує їх з точки зору пропускної здатності, посилення та ізоляції. Крім того, порівняно з аналогічними антенами, про які повідомлялося, розроблена система MIMO демонструє чудову продуктивність рознесення та загальну ефективність за меншого розміру. Хоча антени, описані в Розділі 5.46, мають вищу ізоляцію, ніж наші запропоновані антени, ці антени страждають від великого розміру, низького посилення, вузької смуги пропускання та поганої продуктивності MIMO. 4-портова антена MIMO, запропонована в 45, демонструє високе посилення та ефективність, але її конструкція має низьку ізоляцію, великий розмір і низьку продуктивність рознесення. З іншого боку, антенна система малого розміру, запропонована в 47, має дуже низький коефіцієнт підсилення та робочу смугу пропускання, тоді як запропонована нами 4-портова система MIMO на базі MS демонструє невеликий розмір, високий коефіцієнт посилення, високу ізоляцію та кращу продуктивність MIMO. Таким чином, запропонована метаповерхнева антена MIMO може стати головним претендентом на системи зв’язку 5G нижче 6 ГГц.
Запропоновано чотирипортову широкосмугову MIMO-антену на основі метаповерхневого рефлектора з високим посиленням і ізоляцією для підтримки додатків 5G нижче 6 ГГц. Мікросмужкова лінія живить квадратну ділянку випромінювання, яка зрізана квадратом по діагональних кутах. Пропонований MS і антенний випромінювач реалізовані на матеріалах підкладки, подібних до Rogers RT5880, для досягнення чудових характеристик у високошвидкісних системах зв’язку 5G. Антена MIMO має широкий діапазон і високе посилення, а також забезпечує звукоізоляцію між компонентами MIMO та чудову ефективність. Розроблена одиночна антена має мініатюрні розміри 0,58?0,58?0,02? з масивом метаповерхні 5×5 забезпечує широку робочу смугу частот 4,56 ГГц, пікове посилення 8 дБі та чудову виміряну ефективність. Запропонована чотирьохпортова антена MIMO (матриця 2 × 2) розроблена шляхом ортогонального вирівнювання кожної запропонованої окремої антени з іншою антеною з розмірами 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Рекомендується зібрати масив 10 × 10 мм під антену MIMO висотою 12 мм, яка може зменшити зворотне випромінювання та зменшити взаємний зв’язок між компонентами MIMO, тим самим покращуючи посилення та ізоляцію. Результати експериментів і моделювання показують, що розроблений прототип MIMO може працювати в широкому діапазоні частот 3,08–7,75 ГГц, охоплюючи спектр 5G нижче 6 ГГц. Крім того, запропонована антена MIMO на базі MS покращує свій коефіцієнт посилення на 2,9 дБі, досягаючи максимального посилення 8,3 дБі, і забезпечує відмінну ізоляцію (>15,5 дБ) між компонентами MIMO, підтверджуючи внесок MS. Крім того, запропонована антена MIMO має високу середню загальну ефективність 82% і низьку відстань між елементами 22 мм. Антена демонструє чудову продуктивність рознесення MIMO, включаючи дуже високий DG (понад 9,98 дБ), дуже низький ECC (менше 0,004) і односпрямовану діаграму спрямованості. Результати вимірювань дуже схожі на результати моделювання. Ці характеристики підтверджують, що розроблена чотирипортова антенна система MIMO може бути життєздатним вибором для систем зв’язку 5G у діапазоні частот нижче 6 ГГц.
Cowin може надати широкосмугову друковану плату антени 400-6000 МГц і підтримати розробку нової антени відповідно до ваших вимог. Будь ласка, без вагань зв’яжіться з нами, якщо у вас є запит.
Час публікації: 10 жовтня 2024 р