Tato práce navrhuje kompaktní integrovanou multi-input multi-output (MIMO) metasurface (MS) širokopásmovou anténu pro pod 6 GHz páté generace (5G) bezdrátové komunikační systémy. Zjevnou novinkou navrhovaného MIMO systému je jeho široká operační šířka pásma, vysoký zisk, malé mezisložkové vůle a vynikající izolace v rámci MIMO komponent. Vyzařovací bod antény je diagonálně zkrácen, částečně uzemněn a pro zlepšení výkonu antény se používají metapovrchy. Navržený prototyp integrované jediné MS antény má miniaturní rozměry 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Výsledky simulace a měření ukazují širokopásmový výkon od 3,11 GHz do 7,67 GHz, včetně nejvyššího dosaženého zisku 8 dBi. Čtyřprvkový MIMO systém je navržen tak, aby každá anténa byla navzájem ortogonální při zachování kompaktní velikosti a širokopásmového výkonu od 3,2 do 7,6 GHz. Navrhovaný prototyp MIMO je navržen a vyroben na substrátu Rogers RT5880 s nízkou ztrátou a miniaturizovanými rozměry 1,05? 1,05? 0,02? a jeho výkon je hodnocen pomocí navrženého čtvercového uzavřeného prstencového rezonátorového pole s děleným prstencem 10 x 10. Základní materiál je stejný. Navrhovaný metapovrch zadní roviny výrazně snižuje vyzařování zpět antény a manipuluje s elektromagnetickými poli, čímž zlepšuje šířku pásma, zisk a izolaci MIMO komponent. Ve srovnání se stávajícími MIMO anténami dosahuje navrhovaná 4portová MIMO anténa vysokého zisku 8,3 dBi s průměrnou celkovou účinností až 82 % v pásmu 5G sub-6 GHz a je v dobré shodě s naměřenými výsledky. Kromě toho vyvinutá MIMO anténa vykazuje vynikající výkon, pokud jde o koeficient obálkové korelace (ECC) menší než 0,004, zisk diverzity (DG) asi 10 dB (>9,98 dB) a vysokou izolaci mezi MIMO komponentami (>15,5 dB). vlastnosti. Navrhovaná anténa MIMO založená na MS tedy potvrzuje její použitelnost pro komunikační sítě 5G pod 6 GHz.
Technologie 5G je neuvěřitelný pokrok v bezdrátové komunikaci, který umožní rychlejší a bezpečnější sítě pro miliardy připojených zařízení, poskytne uživatelské zážitky s „nulovou“ latencí (latence menší než 1 milisekunda) a představí nové technologie, včetně elektroniky. Lékařská péče, intelektuální výchova. , chytrá města, chytré domy, virtuální realita (VR), chytré továrny a internet vozidel (IoV) mění naše životy, společnost a průmyslová odvětví1,2,3. Americká Federální komise pro komunikace (FCC) rozděluje spektrum 5G do čtyř frekvenčních pásem4. Frekvenční pásmo pod 6 GHz je zajímavé pro výzkumníky, protože umožňuje komunikaci na dlouhé vzdálenosti s vysokou přenosovou rychlostí5,6. Přidělení spektra 5G pod 6 GHz pro globální komunikaci 5G je znázorněno na obrázku 1, což ukazuje, že všechny země zvažují pro komunikaci 5G spektrum pod 6 GHz7,8. Antény jsou důležitou součástí sítí 5G a budou vyžadovat více antén základnových stanic a uživatelských terminálů.
Mikropáskové patch antény mají výhody tenkosti a ploché struktury, ale jsou omezené v šířce pásma a zisku9,10, takže bylo provedeno mnoho výzkumů pro zvýšení zisku a šířky pásma antény; V posledních letech byly metasurfaces (MS) široce používány v anténních technologiích, zejména pro zlepšení zisku a propustnosti11,12, nicméně tyto antény jsou omezeny na jeden port; Technologie MIMO je důležitým aspektem bezdrátové komunikace, protože může používat více antén současně k přenosu dat, čímž se zlepšuje přenosová rychlost, spektrální účinnost, kapacita kanálu a spolehlivost13,14,15. Antény MIMO jsou potenciálními kandidáty pro aplikace 5G, protože mohou vysílat a přijímat data přes více kanálů bez nutnosti dalšího napájení16,17. Vzájemný vazebný efekt mezi MIMO komponentami závisí na umístění MIMO prvků a zisku MIMO antény, což je pro výzkumníky velká výzva. Obrázky 18, 19 a 20 ukazují různé MIMO antény pracující v pásmu 5G sub-6 GHz, všechny vykazují dobrou MIMO izolaci a výkon. Zisk a provozní šířka pásma těchto navrhovaných systémů jsou však nízké.
Metamateriály (MM) jsou nové materiály, které v přírodě neexistují a mohou manipulovat s elektromagnetickými vlnami, čímž zlepšují výkon antén21,22,23,24. MM se nyní široce používá v anténní technologii ke zlepšení vyzařovacího diagramu, šířky pásma, zisku a izolace mezi anténními prvky a bezdrátovými komunikačními systémy, jak je diskutováno v 25, 26, 27, 28. V roce 2029 bude čtyřprvkový MIMO systém založený na metasurface, ve kterém je sekce antény vložena mezi metasurface a zem bez vzduchové mezery, což zlepšuje MIMO výkon. Tato konstrukce má však větší velikost, nižší provozní frekvenci a složitou strukturu. V navrhované 2-portové širokopásmové MIMO anténě jsou zahrnuty elektromagnetické pásmo (EBG) a zemní smyčka, aby se zlepšila izolace komponent MIMO30. Navržená anténa má dobrý výkon MIMO diverzity a vynikající izolaci mezi dvěma MIMO anténami, ale při použití pouze dvou MIMO komponent bude zisk nízký. Kromě toho in31 také navrhl ultraširokopásmovou (UWB) dvouportovou MIMO anténu a zkoumal její MIMO výkon pomocí metamateriálů. Přestože je tato anténa schopna provozu UWB, její zisk je nízký a izolace mezi oběma anténami je špatná. Práce in32 navrhuje 2portový MIMO systém, který využívá elektromagnetické bandgap (EBG) reflektory pro zvýšení zisku. Ačkoli vyvinuté anténní pole má vysoký zisk a dobrý výkon MIMO diverzity, jeho velká velikost ztěžuje použití v komunikačních zařízeních nové generace. Další širokopásmová anténa založená na reflektoru byla vyvinuta v roce 33, kde byl reflektor integrován pod anténu s větší mezerou 22 mm, vykazující nižší špičkový zisk 4,87 dB. Paper 34 navrhuje čtyřportovou MIMO anténu pro mmWave aplikace, která je integrována s MS vrstvou pro zlepšení izolace a zisku MIMO systému. Tato anténa však poskytuje dobrý zisk a izolaci, ale má omezenou šířku pásma a špatné mechanické vlastnosti kvůli velké vzduchové mezeře. Podobně byla v roce 2015 vyvinuta třípárová, 4portová, metapovrchově integrovaná MIMO anténa ve tvaru motýlka pro mmWave komunikaci s maximálním ziskem 7,4 dBi. B36 MS se používá na zadní straně 5G antény pro zvýšení zisku antény, kde metapovrch působí jako reflektor. Struktura MS je však asymetrická a méně pozornosti bylo věnováno struktuře jednotkové buňky.
Podle výše uvedených výsledků analýzy nemá žádná z výše uvedených antén vysoký zisk, vynikající izolaci, MIMO výkon a širokopásmové pokrytí. Proto stále existuje potřeba metapovrchové MIMO antény, která dokáže pokrýt široký rozsah frekvencí 5G spektra pod 6 GHz s vysokým ziskem a izolací. S ohledem na omezení výše uvedené literatury je pro bezdrátové komunikační systémy pod 6 GHz navržen širokopásmový čtyřprvkový anténní systém MIMO s vysokým ziskem a vynikajícím diverzním výkonem. Kromě toho navrhovaná MIMO anténa vykazuje vynikající izolaci mezi součástmi MIMO, malé mezery mezi prvky a vysokou účinnost vyzařování. Patch antény je diagonálně zkrácen a umístěn na horní části metapovrchu s 12mm vzduchovou mezerou, která odráží zpětné záření z antény a zlepšuje zisk a směrovost antény. Kromě toho je navrhovaná jediná anténa použita k vytvoření čtyřprvkové MIMO antény s vynikajícím MIMO výkonem umístěním každé antény ortogonálně k sobě. Vyvinutá MIMO anténa byla poté integrována na vrchol pole 10 × 10 MS s měděnou propojovací plochou pro zlepšení emisního výkonu. Konstrukce se vyznačuje širokým provozním rozsahem (3,08-7,75 GHz), vysokým ziskem 8,3 dBi a vysokou průměrnou celkovou účinností 82 %, stejně jako vynikající izolací větší než -15,5 dB mezi součástmi MIMO antény. Vyvinutá anténa MIMO založená na MS byla simulována pomocí 3D elektromagnetického softwarového balíku CST Studio 2019 a ověřena pomocí experimentálních studií.
Tato část poskytuje podrobný úvod do navrhované architektury a metodologie návrhu jedné antény. Kromě toho jsou podrobně diskutovány simulované a pozorované výsledky, včetně parametrů rozptylu, zisku a celkové účinnosti s metapovrchy a bez nich. Prototyp antény byl vyvinut na nízkoztrátovém dielektrickém substrátu Rogers 5880 o tloušťce 1,575 mm s dielektrickou konstantou 2,2. Pro vývoj a simulaci návrhu byl použit balíček elektromagnetického simulátoru CST studio 2019.
Obrázek 2 ukazuje navrženou architekturu a konstrukční model jednoprvkové antény. Podle dobře zavedených matematických rovnic37 se anténa skládá z lineárně napájeného čtvercového vyzařovacího bodu a měděné zemní plochy (jak je popsáno v kroku 1) a rezonuje s velmi úzkou šířkou pásma na 10,8 GHz, jak je znázorněno na obrázku 3b. Počáteční velikost anténního zářiče je určena následujícím matematickým vztahem37:
Kde \(P_{L}\) a \(P_{w}\) jsou délka a šířka pole, c představuje rychlost světla, \(\gamma_{r}\) je dielektrická konstanta substrátu . , \(\gamma_{reff }\) představuje efektivní dielektrickou hodnotu bodu záření, \(\Delta L\) představuje změnu délky bodu. Propojovací deska antény byla optimalizována ve druhé fázi, čímž se zvýšila impedanční šířka pásma i přes velmi nízkou impedanční šířku pásma 10 dB. Ve třetí fázi je pozice podavače posunuta doprava, což zlepšuje impedanční šířku pásma a impedanční přizpůsobení navrhované antény38. V této fázi anténa vykazuje vynikající provozní šířku pásma 4 GHz a také pokrývá spektrum pod 6 GHz v 5G. Čtvrtá a poslední fáze zahrnuje leptání čtvercových drážek v protilehlých rozích radiační skvrny. Tento slot výrazně rozšiřuje šířku pásma 4,56 GHz, aby pokrylo spektrum 5G pod 6 GHz z 3,11 GHz na 7,67 GHz, jak je znázorněno na obrázku 3b. Přední a spodní perspektivní pohledy na navrhovanou konstrukci jsou znázorněny na obrázku 3a a konečné optimalizované požadované konstrukční parametry jsou následující: 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) Pohled shora a zezadu na navrženou jedinou anténu (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Křivka S-parametru.
Metasurface je termín, který označuje periodické pole jednotkových buněk umístěných v určité vzdálenosti od sebe. Metasurfaces jsou účinným způsobem, jak zlepšit výkon vyzařování antény, včetně šířky pásma, zisku a izolace mezi součástmi MIMO. Vlivem šíření povrchových vln metapovrchy generují další rezonance, které přispívají ke zlepšení výkonu antény39. Tato práce navrhuje jednotku epsilon-negativního metamateriálu (MM) pracující v pásmu 5G pod 6 GHz. MM s plochou povrchu 8 mm × 8 mm byl vyvinut na nízkoztrátovém substrátu Rogers 5880 s dielektrickou konstantou 2,2 a tloušťkou 1,575 mm. Optimalizovaná záplata MM rezonátoru se skládá z vnitřního kruhového děleného kroužku spojeného se dvěma upravenými vnějšími dělenými kroužky, jak je znázorněno na obrázku 4a. Obrázek 4a shrnuje konečné optimalizované parametry navrženého nastavení MM. Následně byly vyvinuty metapovrchové vrstvy o rozměrech 40 × 40 mm a 80 × 80 mm bez měděné zadní desky as měděnou zadní plochou pomocí 5 × 5 a 10 × 10 buněk. Navrhovaná struktura MM byla modelována pomocí softwaru pro 3D elektromagnetické modelování „CST studio suite 2019“. Vyrobený prototyp navržené struktury MM pole a nastavení měření (dvouportový síťový analyzátor PNA a port vlnovodu) je znázorněn na obrázku 4b pro ověření výsledků simulace CST analýzou skutečné odezvy. Nastavení měření využívalo síťový analyzátor řady Agilent PNA v kombinaci se dvěma vlnovodnými koaxiálními adaptéry (A-INFOMW, číslo dílu: 187WCAS) k odesílání a přijímání signálů. Prototyp pole 5×5 byl umístěn mezi dva vlnovodné koaxiální adaptéry připojené koaxiálním kabelem k dvouportovému síťovému analyzátoru (Agilent PNA N5227A). Kalibrační sada Agilent N4694-60001 se používá ke kalibraci síťového analyzátoru v poloprovozu. Simulované a CST pozorované parametry rozptylu navrhovaného prototypu MM pole jsou znázorněny na obrázku 5a. Je vidět, že navrhovaná struktura MM rezonuje ve frekvenčním rozsahu 5G pod 6 GHz. Přes malý rozdíl v šířce pásma 10 dB jsou simulované a experimentální výsledky velmi podobné. Rezonanční frekvence, šířka pásma a amplituda pozorované rezonance se mírně liší od simulovaných, jak ukazuje obrázek 5a. Tyto rozdíly mezi pozorovanými a simulovanými výsledky jsou způsobeny výrobními nedokonalostmi, malými vůlemi mezi prototypem a porty vlnovodu, vazebnými efekty mezi porty vlnovodu a součástmi pole a tolerancemi měření. Navíc správné umístění vyvinutého prototypu mezi porty vlnovodu v experimentálním nastavení může vést k rezonančnímu posunu. Během kalibrační fáze byl navíc pozorován nežádoucí šum, který vedl k nesrovnalostem mezi numerickými a naměřenými výsledky. Kromě těchto obtíží však navrhovaný prototyp MM pole funguje dobře díky silné korelaci mezi simulací a experimentem, takže se dobře hodí pro aplikace bezdrátové komunikace 5G pod 6 GHz.
(a) Geometrie jednotkové buňky (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 nastavení měření MM.
(a) Simulace a ověření křivek parametrů rozptylu prototypu metamateriálu. (b) Křivka dielektrické konstanty základního článku MM.
Relevantní efektivní parametry, jako je efektivní dielektrická konstanta, magnetická permeabilita a index lomu, byly studovány pomocí vestavěných technik následného zpracování elektromagnetického simulátoru CST za účelem další analýzy chování základní buňky MM. Efektivní parametry MM jsou získány z parametrů rozptylu pomocí robustní metody rekonstrukce. Pro stanovení indexu lomu a impedance lze použít následující rovnice propustnosti a koeficientu odrazu: (3) a (4) (viz 40).
Reálné a imaginární části operátoru jsou reprezentovány (.)' a (.)“ a celočíselná hodnota m odpovídá skutečnému indexu lomu. Dielektrická konstanta a permeabilita jsou určeny vzorcem \(\varepsilon { } = { }n/z,\) a \(\mu = nz\), které jsou založeny na impedanci a indexu lomu. Křivka efektivní dielektrické konstanty struktury MM je znázorněna na obrázku 5b. Při rezonanční frekvenci je efektivní dielektrická konstanta záporná. Obrázky 6a,b ukazují extrahované hodnoty efektivní permeability (μ) a efektivního indexu lomu (n) navrhované základní buňky. Je pozoruhodné, že extrahované propustnosti vykazují kladné reálné hodnoty blízké nule, což potvrzuje epsilon-negativní (ENG) vlastnosti navrhované struktury MM. Navíc, jak je znázorněno na obrázku 6a, rezonance při permeabilitě blízké nule silně souvisí s rezonanční frekvencí. Vyvinutá základní buňka má negativní index lomu (obr. 6b), což znamená, že navrhovaný MM lze použít ke zlepšení výkonu antény21,41.
Vyvinutý prototyp jediné širokopásmové antény byl vyroben za účelem experimentálního testování navrhovaného návrhu. Obrázky 7a,b ukazují obrázky navrhovaného prototypu jediné antény, jejích konstrukčních částí a nastavení měření blízkého pole (SATIMO). Pro zlepšení výkonu antény je vytvořený metapovrch umístěn ve vrstvách pod anténou, jak je znázorněno na obrázku 8a, s výškou h. Jediný 40 mm x 40 mm dvouvrstvý metapovrch byl aplikován na zadní stranu jediné antény v 12 mm intervalech. Kromě toho je na zadní straně jediné antény ve vzdálenosti 12 mm umístěn metapovrch s backplane. Po aplikaci metapovrchu vykazuje jediná anténa významné zlepšení výkonu, jak je znázorněno na obrázcích 1 a 2. Obrázky 8 a 9. Obrázek 8b ukazuje simulované a naměřené grafy odrazivosti pro jednu anténu bez a s metapovrchy. Stojí za zmínku, že pásmo pokrytí antény s metapovrchem je velmi podobné pásmu pokrytí antény bez metapovrchu. Obrázky 9a,b ukazují srovnání simulovaného a pozorovaného zisku jedné antény a celkové účinnosti bez a s MS v operačním spektru. Je vidět, že ve srovnání s nemetapovrchovou anténou se zisk metapovrchové antény výrazně zlepšil, a to z 5,15 dBi na 8 dBi. Zisk jednovrstvého metapovrchu, dvouvrstvého metapovrchu a jedné antény s metapovrchem backplane se zvýšil o 6 dBi, 6,9 dBi a 8 dBi, v tomto pořadí. Ve srovnání s jinými metapovrchy (jednovrstvé a dvouvrstvé MC) je zisk jediné metapovrchové antény s měděnou zadní rovinou až 8 dBi. V tomto případě metapovrch působí jako reflektor, který snižuje vyzařování zpět antény a manipuluje s elektromagnetickými vlnami ve fázi, čímž zvyšuje účinnost vyzařování antény a tím i zisk. Studie celkové účinnosti jedné antény bez a s metapovrchy je znázorněna na obrázku 9b. Stojí za zmínku, že účinnost antény s metapovrchem a bez něj je téměř stejná. V nižším frekvenčním rozsahu účinnost antény mírně klesá. Experimentální a simulované křivky zisku a účinnosti jsou v dobré shodě. Existují však drobné rozdíly mezi simulovanými a testovanými výsledky kvůli výrobním vadám, tolerancím měření, ztrátě spojení portu SMA a ztrátě vodiče. Anténa a MS reflektor jsou navíc umístěny mezi nylonovými distančními vložkami, což je další problém, který ovlivňuje pozorované výsledky ve srovnání s výsledky simulace.
Obrázek (a) ukazuje dokončenou jednotlivou anténu a její přidružené součásti. (b) Nastavení měření blízkého pole (SATIMO).
(a) Budení antény pomocí metasurface reflektorů (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Simulované a experimentální odrazy jedné antény bez a s MS.
Výsledky simulace a měření (a) dosaženého zisku a (b) celkové účinnosti navrhované antény s metapovrchovým efektem.
Analýza tvaru svazku pomocí MS. Jednoanténní měření v blízkém poli byla provedena v experimentálním prostředí SATIMO Near-Field Experimental Environment laboratoře UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Obrázky 10a, b ukazují simulované a pozorované vyzařovací diagramy roviny E a roviny H na 5,5 GHz pro navrhovanou jedinou anténu s a bez MS. Vyvinutá jediná anténa (bez MS) poskytuje konzistentní obousměrný vyzařovací diagram s hodnotami postranních laloků. Po aplikaci navrhovaného MS reflektoru poskytuje anténa jednosměrný vyzařovací diagram a snižuje úroveň zadních laloků, jak je znázorněno na obrázcích 10a, b. Stojí za zmínku, že navrhovaný vyzařovací diagram jediné antény je stabilnější a jednosměrný s velmi nízkými zadními a bočními laloky při použití metapovrchu s měděnou zadní rovinou. Navrhovaný reflektor MM pole redukuje zadní a boční laloky antény a zároveň zlepšuje výkon vyzařování směrováním proudu do jednosměrných směrů (obr. 10a, b), čímž se zvyšuje zisk a směrovost. Bylo pozorováno, že experimentální vyzařovací diagram byl téměř srovnatelný s modelem CST simulací, ale mírně se měnil v důsledku nesprávného vyrovnání různých sestavených součástí, tolerancí měření a ztrát v kabeláži. Mezi anténu a MS reflektor byl navíc vložen nylonový mezikus, což je další problém ovlivňující pozorované výsledky oproti numerickým výsledkům.
Byl simulován a testován vyzařovací diagram vyvinuté jediné antény (bez MS a s MS) na frekvenci 5,5 GHz.
Navrhovaná geometrie MIMO antény je znázorněna na obrázku 11 a zahrnuje čtyři samostatné antény. Čtyři komponenty MIMO antény jsou uspořádány ortogonálně k sobě na substrátu o rozměrech 80 × 80 × 1,575 mm, jak je znázorněno na obrázku 11. Navržená MIMO anténa má meziprvkovou vzdálenost 22 mm, což je menší než nejbližší odpovídající meziprvkové vzdálenosti antény. Anténa MIMO vyvinuta. Kromě toho je část zemní plochy umístěna stejným způsobem jako jedna anténa. Hodnoty odrazivosti MIMO antén (S11, S22, S33 a S44) zobrazené na obrázku 12a vykazují stejné chování jako jednoprvková anténa rezonující v pásmu 3,2–7,6 GHz. Proto je impedanční šířka pásma MIMO antény přesně stejná jako u jedné antény. Vazební efekt mezi MIMO komponentami je hlavním důvodem malé ztráty šířky pásma MIMO antén. Obrázek 12b ukazuje vliv propojení na MIMO komponenty, kde byla stanovena optimální izolace mezi MIMO komponentami. Izolace mezi anténami 1 a 2 je nejnižší asi -13,6 dB a izolace mezi anténami 1 a 4 je nejvyšší asi -30,4 dB. Díky své malé velikosti a širší šířce pásma má tato MIMO anténa nižší zisk a nižší propustnost. Izolace je nízká, takže je zapotřebí zvýšené vyztužení a izolace;
Konstrukční mechanismus navrhované MIMO antény (a) pohled shora a (b) zemní plocha. (CST Studio Suite 2019).
Geometrické uspořádání a způsob buzení navrhované metapovrchové MIMO antény ukazuje obrázek 13a. Matice 10x10mm o rozměrech 80x80x1,575mm je navržena pro zadní stranu 12mm vysoké MIMO antény, jak je znázorněno na obrázku 13a. Navíc jsou metapovrchy s měděnými zadními plochami určeny pro použití v anténách MIMO, aby se zlepšil jejich výkon. Vzdálenost mezi metapovrchem a MIMO anténou je rozhodující pro dosažení vysokého zisku a zároveň umožňuje konstruktivní interferenci mezi vlnami generovanými anténou a vlnami odraženými od metapovrchu. Bylo provedeno rozsáhlé modelování pro optimalizaci výšky mezi anténou a metapovrchem při zachování čtvrtvlnných standardů pro maximální zisk a izolaci mezi MIMO prvky. Významná zlepšení výkonu MIMO antény dosažená použitím metapovrchů s propojovacími rovinami ve srovnání s metapovrchy bez propojovacích rovin budou demonstrována v následujících kapitolách.
(a) CST simulační nastavení navrhované MIMO antény pomocí MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Křivky odrazivosti vyvinutého MIMO systému bez MS a s MS.
Odrazy MIMO antén s metapovrchy a bez nich jsou znázorněny na obrázku 13b, kde jsou uvedeny S11 a S44 z důvodu téměř identického chování všech antén v systému MIMO. Stojí za zmínku, že impedanční šířka pásma -10 dB MIMO antény bez a s jediným metapovrchem je téměř stejná. Na rozdíl od toho je impedanční šířka pásma navrhované MIMO antény vylepšena dvouvrstvou MS a propojovací MS. Stojí za zmínku, že bez MS poskytuje MIMO anténa zlomkovou šířku pásma 81,5 % (3,2-7,6 GHz) vzhledem ke střední frekvenci. Integrace MS s backplane zvyšuje impedanční šířku pásma navrhované MIMO antény na 86,3 % (3,08–7,75 GHz). Ačkoli dvouvrstvá MS zvyšuje propustnost, zlepšení je menší než u MS s měděnou propojovací plochou. Dvouvrstvý MC navíc zvětšuje velikost antény, zvyšuje její cenu a omezuje její dosah. Navržená MIMO anténa a metapovrchový reflektor jsou vyrobeny a ověřeny pro ověření výsledků simulace a vyhodnocení skutečného výkonu. Obrázek 14a ukazuje vyrobenou MS vrstvu a MIMO anténu s různými sestavenými komponentami, zatímco obrázek 14b ukazuje fotografii vyvinutého MIMO systému. MIMO anténa je namontována na horní část metapovrchu pomocí čtyř nylonových rozpěrek, jak je znázorněno na obrázku 14b. Obrázek 15a ukazuje snímek experimentálního nastavení v blízkém poli vyvinutého anténního systému MIMO. Síťový analyzátor PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) byl použit k odhadu parametrů rozptylu a k vyhodnocení a charakterizaci emisních charakteristik blízkého pole v laboratoři UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory.
(a) Fotografie měření SATIMO v blízkém poli (b) Simulované a experimentální křivky antény S11 MIMO s a bez MS.
Tato část představuje srovnávací studii simulovaných a pozorovaných S-parametrů navrhované 5G MIMO antény. Obrázek 15b ukazuje experimentální graf odrazivosti integrované 4-prvkové MIMO MS antény a porovnává jej s výsledky simulace CST. Bylo zjištěno, že experimentální odraznosti jsou stejné jako výpočty CST, ale byly mírně odlišné kvůli výrobním vadám a experimentálním tolerancím. Kromě toho pozorovaná odrazivost navrhovaného prototypu MIMO založeného na MS pokrývá spektrum 5G pod 6 GHz s impedanční šířkou pásma 4,8 GHz, což znamená, že jsou možné aplikace 5G. Naměřená rezonanční frekvence, šířka pásma a amplituda se však mírně liší od výsledků simulace CST. Rozdíly mezi naměřenými a simulovanými výsledky mohou způsobit výrobní vady, ztráty ve spojení mezi koaxiálním kabelem a SMA a nastavení venkovního měření. Navzdory těmto nedostatkům však navrhovaný MIMO funguje dobře a poskytuje silnou shodu mezi simulacemi a měřeními, takže se dobře hodí pro bezdrátové aplikace 5G pod 6 GHz.
Simulované a pozorované křivky zisku MIMO antény jsou znázorněny na obrázcích 2 a 2. Jak je znázorněno na obrázcích 16a,ba 17a,b, je znázorněna vzájemná interakce MIMO komponent. Když jsou metapovrchy aplikovány na MIMO antény, výrazně se zlepší izolace mezi MIMO anténami. Grafy izolace mezi sousedními anténními prvky S12, S14, S23 a S34 vykazují podobné křivky, zatímco diagonální MIMO antény S13 a S42 vykazují podobně vysokou izolaci díky větší vzdálenosti mezi nimi. Simulované přenosové charakteristiky sousedních antén jsou znázorněny na obrázku 16a. Za zmínku stojí, že v operačním spektru 5G pod 6 GHz je minimální izolace MIMO antény bez metapovrchu -13,6 dB a pro metapovrch se zadní rovinou – 15,5 dB. Graf zisku (obrázek 16a) ukazuje, že metapovrch zadní roviny výrazně zlepšuje izolaci mezi prvky MIMO antény ve srovnání s jednovrstvými a dvouvrstvými metapovrchy. Na sousedních prvcích antény poskytují jednovrstvé a dvouvrstvé metapovrchy minimální izolaci přibližně -13,68 dB a -14,78 dB a metapovrch měděné zadní desky poskytuje přibližně -15,5 dB.
Simulované izolační křivky MIMO prvků bez MS vrstvy a s MS vrstvou: (a) S12, S14, S34 a S32 a (b) S13 a S24.
Experimentální křivky zisku navrhovaných MIMO antén na bázi MS bez a s: (a) S12, S14, S34 a S32 a (b) S13 a S24.
Grafy zisku diagonální antény MIMO před a po přidání vrstvy MS jsou znázorněny na obrázku 16b. Stojí za zmínku, že minimální izolace mezi diagonálními anténami bez metapovrchu (antény 1 a 3) je – 15,6 dB v celém operačním spektru a metapovrchem se zadní rovinou je – 18 dB. Metasurface přístup výrazně snižuje vazebné efekty mezi diagonálními MIMO anténami. Maximální izolace pro jednovrstvý metapovrch je -37 dB, zatímco u dvouvrstvého metapovrchu tato hodnota klesne na -47 dB. Maximální izolace metapovrchu s měděnou zadní rovinou je −36,2 dB, která se snižuje s rostoucím frekvenčním rozsahem. Ve srovnání s jednovrstvými a dvouvrstvými metapovrchy bez propojovací desky poskytují metapovrchy se zadní rovinou vynikající izolaci v celém požadovaném rozsahu provozních frekvencí, zejména v rozsahu 5G pod 6 GHz, jak je znázorněno na obrázcích 16a, b. V nejoblíbenějším a nejrozšířenějším pásmu 5G pod 6 GHz (3,5 GHz) mají jednovrstvé a dvouvrstvé metapovrchy nižší izolaci mezi součástmi MIMO než metapovrchy s měděnými zadními plochami (téměř bez MS) (viz obrázek 16a), b) . Měření zisku jsou znázorněna na obrázcích 17a, b, znázorňujících izolaci sousedních antén (S12, S14, S34 a S32) a diagonálních antén (S24 a S13). Jak je vidět z těchto obrázků (obr. 17a, b), experimentální izolace mezi MIMO komponentami dobře souhlasí se simulovanou izolací. I když existují drobné rozdíly mezi simulovanými a naměřenými hodnotami CST kvůli výrobním vadám, připojení portů SMA a ztrátám vodičů. Anténa a MS reflektor jsou navíc umístěny mezi nylonovými distančními vložkami, což je další problém, který ovlivňuje pozorované výsledky ve srovnání s výsledky simulace.
studoval distribuci povrchového proudu na 5,5 GHz, aby racionalizoval roli metapovrchů při snižování vzájemné vazby prostřednictvím potlačení povrchových vln42. Rozložení povrchového proudu navrhované MIMO antény je znázorněno na obrázku 18, kde je anténa 1 buzena a zbytek antény je zakončen zátěží 50 ohmů. Když je anténa 1 pod napětím, objeví se významné vzájemné vazební proudy na sousedních anténách při 5,5 GHz v nepřítomnosti metapovrchu, jak je znázorněno na obrázku 18a. Naopak díky použití metapovrchů, jak je znázorněno na obr. 18b–d, se izolace mezi sousedními anténami zlepší. Je třeba poznamenat, že účinek vzájemné vazby sousedních polí může být minimalizován šířením vazebního proudu do sousedních prstenců jednotkových buněk a sousedních jednotkových buněk MS podél vrstvy MS v antiparalelních směrech. Injektování proudu z distribuovaných antén do jednotek MS je klíčovou metodou pro zlepšení izolace mezi součástmi MIMO. V důsledku toho je vazební proud mezi MIMO komponentami značně snížen a izolace je také výrazně vylepšena. Vzhledem k tomu, že vazební pole je v prvku široce rozloženo, izoluje měděná zadní metaplocha sestavu MIMO antény podstatně více než jedno- a dvouvrstvé metapovrchy (obrázek 18d). Kromě toho má vyvinutá MIMO anténa velmi nízké zpětné šíření a boční šíření, vytváří jednosměrný vyzařovací diagram, čímž se zvyšuje zisk navrhované MIMO antény.
Vzory povrchového proudu navrhované MIMO antény na 5,5 GHz (a) bez MC, (b) jednovrstvé MC, (c) dvouvrstvé MC a (d) jednovrstvé MC s měděnou propojovací plochou. (CST Studio Suite 2019).
V rámci provozní frekvence ukazuje obrázek 19a simulované a pozorované zisky navržené MIMO antény bez a s metapovrchy. Simulovaný dosažený zisk MIMO antény bez metapovrchu je 5,4 dBi, jak ukazuje obrázek 19a. V důsledku vzájemného vazebního efektu mezi MIMO komponenty dosahuje navrhovaná MIMO anténa ve skutečnosti o 0,25 dBi vyššího zisku než jedna anténa. Přidání metapovrchů může poskytnout významné zisky a izolaci mezi MIMO komponentami. Navrhovaná metapovrchová MIMO anténa tedy může dosáhnout vysokého realizovaného zisku až 8,3 dBi. Jak je znázorněno na obrázku 19a, když je na zadní straně MIMO antény použit jeden metapovrch, zisk se zvýší o 1,4 dBi. Když se metapovrch zdvojnásobí, zisk se zvýší o 2,1 dBi, jak je znázorněno na obrázku 19a. Očekávaného maximálního zisku 8,3 dBi je však dosaženo při použití metapovrchu s měděnou propojovací plochou. Je pozoruhodné, že maximální dosažený zisk pro jednovrstvý a dvouvrstvý metapovrch je 6,8 dBi a 7,5 dBi, zatímco maximální dosažený zisk pro metapovrch spodní vrstvy je 8,3 dBi. Metasurface vrstva na zadní straně antény funguje jako reflektor, který odráží záření ze zadní strany antény a zlepšuje přední a zadní (F/B) poměr navržené MIMO antény. Kromě toho vysokoimpedanční MS reflektor manipuluje s elektromagnetickými vlnami ve fázi, čímž vytváří další rezonanci a zlepšuje vyzařovací výkon navrhované MIMO antény. MS reflektor instalovaný za MIMO anténou může výrazně zvýšit dosažený zisk, což potvrzují i experimentální výsledky. Pozorované a simulované zisky vyvinutého prototypu MIMO antény jsou téměř stejné, nicméně na některých frekvencích je naměřený zisk vyšší než zisk simulovaný, zejména u MIMO bez MS; Tyto odchylky v experimentálním zisku jsou způsobeny tolerancemi měření nylonových podložek, ztrátami kabelů a vazbou v anténním systému. Špičkový naměřený zisk MIMO antény bez metapovrchu je 5,8 dBi, zatímco metapovrch s měděnou zadní plochou je 8,5 dBi. Za zmínku stojí, že navrhovaný kompletní 4portový MIMO anténní systém s MS reflektorem vykazuje vysoký zisk za experimentálních a numerických podmínek.
Simulační a experimentální výsledky (a) dosaženého zisku a (b) celkového výkonu navržené MIMO antény s metapovrchovým efektem.
Obrázek 19b ukazuje celkový výkon navrhovaného MIMO systému bez a s metapovrchovými reflektory. Na obrázku 19b byla nejnižší účinnost při použití MS s propojovací rovinou přes 73 % (pokles na 84 %). Celková účinnost vyvinutých MIMO antén bez MC a s MC je téměř stejná s menšími rozdíly oproti simulovaným hodnotám. Důvodem jsou tolerance měření a použití distančních vložek mezi anténou a MS reflektorem. Naměřený dosažený zisk a celková účinnost na celé frekvenci jsou téměř podobné výsledkům simulace, což naznačuje, že výkon navrhovaného prototypu MIMO odpovídá očekávání a že doporučená MIMO anténa na bázi MS je vhodná pro komunikaci 5G. Kvůli chybám v experimentálních studiích existují rozdíly mezi celkovými výsledky laboratorních experimentů a výsledky simulací. Výkon navrhovaného prototypu je ovlivněn nesouladem impedance mezi anténou a konektorem SMA, ztrátami ve spojích koaxiálního kabelu, efekty pájení a blízkostí různých elektronických zařízení k experimentálnímu nastavení.
Obrázek 20 popisuje postup návrhu a optimalizace uvedené antény ve formě blokového diagramu. Toto blokové schéma poskytuje krok za krokem popis navrhovaných principů návrhu MIMO antény a také parametry, které hrají klíčovou roli při optimalizaci antény pro dosažení požadovaného vysokého zisku a vysoké izolace na širokém pracovním kmitočtu.
Měření antén MIMO v blízkém poli byla měřena v experimentálním prostředí SATIMO Near-Field Experimental Environment v laboratoři UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Obrázky 21a,b znázorňují simulované a pozorované vyzařovací diagramy roviny E a H roviny nárokované MIMO antény s a bez MS při provozní frekvenci 5,5 GHz. V rozsahu pracovních frekvencí 5,5 GHz poskytuje vyvinutá anténa MIMO bez MS konzistentní obousměrný vyzařovací diagram s hodnotami postranních laloků. Po přiložení MS reflektoru poskytuje anténa jednosměrný vyzařovací diagram a snižuje úroveň zadních laloků, jak je znázorněno na obrázcích 21a,b. Stojí za zmínku, že při použití metapovrchu s měděnou zadní plochou je navrhovaný vzor antény MIMO stabilnější a jednosměrný než bez MS, s velmi nízkými zadními a bočními laloky. Navržený reflektor MM pole redukuje zadní a boční laloky antény a také zlepšuje vyzařovací charakteristiky směrováním proudu jednosměrným směrem (obr. 21a, b), čímž se zvyšuje zisk a směrovost. Naměřený vyzařovací diagram byl získán pro port 1 se zátěží 50 ohm připojenou ke zbývajícím portům. Bylo pozorováno, že experimentální vyzařovací diagram byl téměř totožný s diagramem simulovaným pomocí CST, i když došlo k určitým odchylkám způsobeným nesouosostí součástí, odrazy od koncových portů a ztrátami v kabelových spojích. Kromě toho byla mezi anténu a MS reflektor vložena nylonová vložka, což je další problém ovlivňující pozorované výsledky ve srovnání s předpokládanými výsledky.
Byl simulován a testován vyzařovací diagram vyvinuté MIMO antény (bez MS a s MS) na frekvenci 5,5 GHz.
Je důležité poznamenat, že izolace portů a související charakteristiky jsou zásadní při hodnocení výkonu systémů MIMO. Výkon diverzity navrhovaného MIMO systému, včetně obálkového korelačního koeficientu (ECC) a diverzního zisku (DG), je zkoumán pro ilustraci robustnosti navrženého MIMO anténního systému. ECC a DG MIMO antény lze použít k vyhodnocení jejího výkonu, protože jsou důležitými aspekty výkonu MIMO systému. Následující části budou podrobně popisovat tyto vlastnosti navrhované MIMO antény.
Obálkový korelační koeficient (ECC). Při zvažování jakéhokoli MIMO systému ECC určuje míru, do jaké spolu jednotlivé prvky korelují, pokud jde o jejich specifické vlastnosti. ECC tedy demonstruje stupeň izolace kanálu v bezdrátové komunikační síti. ECC (koeficient korelace obálky) vyvinutého systému MIMO může být určen na základě S-parametrů a emise ve vzdáleném poli. Z rov. (7) a (8) lze určit ECC navrhované MIMO antény 31.
Koeficient odrazu je reprezentován Sii a Sij představuje koeficient prostupu. Trojrozměrné vyzařovací diagramy j-té a i-té antény jsou dány výrazy \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) a \( \vec {{R_{ i } }} Prostorový úhel reprezentovaný \left( {\theta ,\varphi } \right)\) a \({\Omega }\). Křivka ECC navrhované antény je znázorněna na obrázku 22a a její hodnota je menší než 0,004, což je výrazně pod přijatelnou hodnotou 0,5 pro bezdrátový systém. Snížená hodnota ECC tedy znamená, že navrhovaný 4portový MIMO systém poskytuje vynikající diverzitu43.
Diversity Gain (DG) DG je další metrika výkonu systému MIMO, která popisuje, jak schéma diverzity ovlivňuje vyzařovaný výkon. Vztah (9) určuje DG vyvíjeného anténního systému MIMO, jak je popsáno v 31.
Obrázek 22b ukazuje DG diagram navrhovaného MIMO systému, kde se hodnota DG velmi blíží 10 dB. Hodnoty DG všech antén navrženého MIMO systému přesahují 9,98 dB.
Tabulka 1 porovnává navrhovanou metapovrchovou MIMO anténu s nedávno vyvinutými podobnými MIMO systémy. Srovnání bere v úvahu různé výkonnostní parametry, včetně šířky pásma, zisku, maximální izolace, celkové účinnosti a rozmanitosti. Výzkumníci představili různé prototypy antén MIMO s technikami pro vylepšení zisku a izolace v 5, 44, 45, 46, 47. Ve srovnání s dříve publikovanými pracemi je navrhovaný MIMO systém s metasurface reflektory překonává z hlediska šířky pásma, zisku a izolace. Navíc ve srovnání s podobnými uváděnými anténami vykazuje vyvinutý MIMO systém vynikající diverzitní výkon a celkovou účinnost při menší velikosti. Ačkoli antény popsané v části 5.46 mají vyšší izolaci než námi navrhované antény, trpí tyto antény velkými rozměry, nízkým ziskem, malou šířkou pásma a špatným MIMO výkonem. 4portová MIMO anténa navržená v 45 vykazuje vysoký zisk a účinnost, ale její konstrukce má nízkou izolaci, velkou velikost a špatný výkon při diverzitě. Na druhou stranu, anténní systém malých rozměrů navrhovaný v 47 má velmi nízký zisk a provozní šířku pásma, zatímco námi navrhovaný 4portový MIMO systém založený na MS vykazuje malou velikost, vysoký zisk, vysokou izolaci a lepší výkon MIMO. Navrhovaná metapovrchová MIMO anténa se tedy může stát hlavním uchazečem o komunikační systémy 5G pod 6 GHz.
Pro podporu aplikací 5G pod 6 GHz je navržena čtyřportová širokopásmová MIMO anténa na bázi metasurface reflektoru s vysokým ziskem a izolací. Mikropáskové vedení napájí čtvercový vyzařující úsek, který je v diagonálních rozích zkrácen o čtverec. Navrhovaný vysílač MS a anténa jsou implementovány na substrátových materiálech podobných Rogers RT5880 pro dosažení vynikajícího výkonu ve vysokorychlostních komunikačních systémech 5G. MIMO anténa se vyznačuje širokým dosahem a vysokým ziskem a poskytuje zvukovou izolaci mezi MIMO komponenty a vynikající účinnost. Vyvinutá jediná anténa má miniaturní rozměry 0,58?0,58?0,02? s 5×5 metasurface polem, poskytuje širokou provozní šířku pásma 4,56 GHz, špičkový zisk 8 dBi a vynikající měřenou účinnost. Navrhovaná čtyřportová MIMO anténa (2 × 2 pole) je navržena ortogonálním zarovnáním každé navrhované jednotlivé antény s jinou anténou o rozměrech 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Doporučuje se sestavit pole 10×10 MM pod 12mm vysokou MIMO anténu, která může snížit zpětné vyzařování a snížit vzájemnou vazbu mezi MIMO komponentami, čímž se zlepší zisk a izolace. Výsledky experimentů a simulací ukazují, že vyvinutý prototyp MIMO může pracovat v širokém frekvenčním rozsahu 3,08–7,75 GHz, pokrývající spektrum 5G pod 6 GHz. Kromě toho navrhovaná MIMO anténa založená na MS zlepšuje svůj zisk o 2,9 dBi, čímž dosahuje maximálního zisku 8,3 dBi, a poskytuje vynikající izolaci (>15,5 dB) mezi MIMO komponenty, což potvrzuje příspěvek MS. Kromě toho má navrhovaná MIMO anténa vysokou průměrnou celkovou účinnost 82 % a nízkou vzdálenost mezi prvky 22 mm. Anténa vykazuje vynikající výkon MIMO diverzity včetně velmi vysokého DG (přes 9,98 dB), velmi nízkého ECC (méně než 0,004) a jednosměrného vyzařovacího diagramu. Výsledky měření jsou velmi podobné výsledkům simulace. Tyto vlastnosti potvrzují, že vyvinutý čtyřportový anténní systém MIMO může být životaschopnou volbou pro komunikační systémy 5G ve frekvenčním rozsahu pod 6 GHz.
Cowin může poskytnout 400-6000MHz širokopásmovou PCB anténu a podporu pro návrh nové antény podle vašeho požadavku, kontaktujte nás prosím bez váhání, pokud máte jakýkoli požadavek.
Čas odeslání: 10. října 2024