Táto práca navrhuje kompaktnú integrovanú multi-input multi-output (MIMO) metasurface (MS) širokopásmovú anténu pre bezdrôtové komunikačné systémy piatej generácie (5G) pod 6 GHz. Zjavnou novinkou navrhovaného MIMO systému je jeho široká prevádzková šírka pásma, vysoký zisk, malé medzizložkové vôle a vynikajúca izolácia v rámci MIMO komponentov. Vyžarovací bod antény je diagonálne skrátený, čiastočne uzemnený a na zlepšenie výkonu antény sa používajú metapovrchy. Navrhovaný prototyp integrovanej samostatnej MS antény má miniatúrne rozmery 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Výsledky simulácií a meraní demonštrujú širokopásmový výkon od 3,11 GHz do 7,67 GHz, vrátane najvyššieho dosiahnutého zisku 8 dBi. Štvorprvkový MIMO systém je navrhnutý tak, aby každá anténa bola navzájom ortogonálna pri zachovaní kompaktných rozmerov a širokopásmového výkonu od 3,2 do 7,6 GHz. Navrhovaný prototyp MIMO je navrhnutý a vyrobený na substráte Rogers RT5880 s nízkou stratou a miniaturizovanými rozmermi 1,05? 1,05? 0,02?, a jeho výkon sa hodnotí pomocou navrhovaného štvorcového uzavretého kruhového rezonátorového poľa s 10 x 10 deleným prstencom. Základný materiál je rovnaký. Navrhovaný metapovrch zadnej roviny výrazne znižuje vyžarovanie antény a manipuluje s elektromagnetickými poľami, čím zlepšuje šírku pásma, zisk a izoláciu komponentov MIMO. V porovnaní s existujúcimi MIMO anténami dosahuje navrhovaná 4-portová MIMO anténa vysoký zisk 8,3 dBi s priemernou celkovou účinnosťou až 82 % v pásme 5G sub-6 GHz a je v dobrej zhode s nameranými výsledkami. Okrem toho vyvinutá MIMO anténa vykazuje vynikajúci výkon, pokiaľ ide o koeficient obálkovej korelácie (ECC) menší ako 0,004, zisk diverzity (DG) približne 10 dB (>9,98 dB) a vysokú izoláciu medzi komponentmi MIMO (>15,5 dB). vlastnosti. Navrhovaná anténa MIMO založená na MS teda potvrdzuje svoju použiteľnosť pre komunikačné siete 5G pod 6 GHz.
Technológia 5G predstavuje neuveriteľný pokrok v bezdrôtovej komunikácii, ktorý umožní rýchlejšie a bezpečnejšie siete pre miliardy pripojených zariadení, poskytne užívateľom skúsenosti s „nulovou“ latenciou (latencia menej ako 1 milisekunda) a predstaví nové technológie vrátane elektroniky. Lekárska starostlivosť, intelektuálna výchova. , inteligentné mestá, inteligentné domy, virtuálna realita (VR), inteligentné továrne a internet vozidiel (IoV) menia naše životy, spoločnosť a priemysel1,2,3. Americká Federálna komisia pre komunikácie (FCC) rozdeľuje spektrum 5G na štyri frekvenčné pásma4. Frekvenčné pásmo pod 6 GHz je zaujímavé pre výskumníkov, pretože umožňuje komunikáciu na veľké vzdialenosti s vysokými prenosovými rýchlosťami5,6. Pridelenie frekvenčného spektra 5G pod 6 GHz pre globálnu komunikáciu 5G je znázornené na obrázku 1, čo naznačuje, že všetky krajiny zvažujú pre 5G komunikáciu spektrum pod 6 GHz7,8. Antény sú dôležitou súčasťou sietí 5G a budú vyžadovať viac antén základňových staníc a používateľských terminálov.
Mikropáskové patch antény majú výhody tenkosti a plochej štruktúry, ale sú obmedzené v šírke pásma a zisku9,10, takže sa vykonalo veľa výskumov na zvýšenie zisku a šírky pásma antény; V posledných rokoch boli metasurfaces (MS) široko používané v anténnych technológiách, najmä na zlepšenie zisku a priepustnosti11,12, avšak tieto antény sú obmedzené na jeden port; Technológia MIMO je dôležitým aspektom bezdrôtovej komunikácie, pretože môže využívať viacero antén súčasne na prenos údajov, čím sa zlepšuje prenosová rýchlosť, spektrálna účinnosť, kapacita kanálov a spoľahlivosť13,14,15. Antény MIMO sú potenciálnymi kandidátmi pre aplikácie 5G, pretože môžu prenášať a prijímať dáta cez viacero kanálov bez potreby dodatočného napájania16,17. Vzájomný väzbový efekt medzi MIMO komponentmi závisí od umiestnenia MIMO prvkov a zisku MIMO antény, čo je pre výskumníkov veľkou výzvou. Obrázky 18, 19 a 20 zobrazujú rôzne MIMO antény pracujúce v pásme 5G sub-6 GHz, pričom všetky demonštrujú dobrú MIMO izoláciu a výkon. Zisk a prevádzková šírka pásma týchto navrhovaných systémov sú však nízke.
Metamateriály (MM) sú nové materiály, ktoré v prírode neexistujú a dokážu manipulovať s elektromagnetickými vlnami, čím zlepšujú výkon antén21,22,23,24. MM sa v súčasnosti široko používa v anténovej technológii na zlepšenie vyžarovacieho diagramu, šírky pásma, zisku a izolácie medzi prvkami antény a bezdrôtovými komunikačnými systémami, ako je uvedené v 25, 26, 27, 28. V roku 2029 bude štvorprvkový MIMO systém založený na metasurface, v ktorom je časť antény vložená medzi metasurface a zem bez vzduchovej medzery, čo zlepšuje MIMO výkon. Tento dizajn má však väčšiu veľkosť, nižšiu prevádzkovú frekvenciu a komplexnú štruktúru. V navrhovanej 2-portovej širokopásmovej MIMO anténe sú zahrnuté elektromagnetické pásmo (EBG) a zemná slučka na zlepšenie izolácie komponentov MIMO30. Navrhnutá anténa má dobrý výkon MIMO diverzity a vynikajúcu izoláciu medzi dvoma MIMO anténami, ale pri použití iba dvoch MIMO komponentov bude zisk nízky. Okrem toho in31 tiež navrhol ultraširokopásmovú (UWB) dvojportovú MIMO anténu a skúmal jej MIMO výkon pomocou metamateriálov. Hoci je táto anténa schopná prevádzky UWB, jej zisk je nízky a izolácia medzi týmito dvoma anténami je slabá. Práca in32 navrhuje 2-portový MIMO systém, ktorý využíva elektromagnetické bandgap (EBG) reflektory na zvýšenie zisku. Hoci vyvinuté anténne pole má vysoký zisk a dobrý výkon MIMO diverzity, jeho veľká veľkosť sťažuje použitie v komunikačných zariadeniach novej generácie. Ďalšia širokopásmová anténa založená na reflektore bola vyvinutá v roku 33, kde bol reflektor integrovaný pod anténou s väčšou 22 mm medzerou, vykazujúcou nižší špičkový zisk 4,87 dB. Paper 34 navrhuje štvorportovú MIMO anténu pre mmWave aplikácie, ktorá je integrovaná s MS vrstvou pre zlepšenie izolácie a zisku MIMO systému. Táto anténa však poskytuje dobrý zisk a izoláciu, ale má obmedzenú šírku pásma a zlé mechanické vlastnosti v dôsledku veľkej vzduchovej medzery. Podobne bola v roku 2015 vyvinutá trojpárová, 4-portová, metapovrchovo integrovaná MIMO anténa v tvare motýlika pre mmWave komunikáciu s maximálnym ziskom 7,4 dBi. B36 MS sa používa na zadnej strane 5G antény na zvýšenie zisku antény, kde metapovrch pôsobí ako reflektor. Štruktúra MS je však asymetrická a menej pozornosti sa venovalo štruktúre jednotkovej bunky.
Podľa vyššie uvedených výsledkov analýzy nemá žiadna z vyššie uvedených antén vysoký zisk, vynikajúcu izoláciu, MIMO výkon a širokopásmové pokrytie. Preto stále existuje potreba metapovrchovej MIMO antény, ktorá dokáže pokryť široký rozsah frekvencií spektra 5G pod 6 GHz s vysokým ziskom a izoláciou. Vzhľadom na obmedzenia vyššie uvedenej literatúry sa pre bezdrôtové komunikačné systémy pod 6 GHz navrhuje širokopásmový štvorprvkový anténny systém MIMO s vysokým ziskom a vynikajúcou diverzitou. Okrem toho navrhovaná anténa MIMO vykazuje vynikajúcu izoláciu medzi komponentmi MIMO, malé medzery medzi prvkami a vysokú účinnosť žiarenia. Anténna záplata je diagonálne zrezaná a umiestnená na hornej časti metapovrchu s 12 mm vzduchovou medzerou, ktorá odráža spätné žiarenie z antény a zlepšuje zisk a smerovosť antény. Okrem toho sa navrhovaná jediná anténa používa na vytvorenie štvorprvkovej MIMO antény s vynikajúcim MIMO výkonom umiestnením každej antény ortogonálne k sebe. Vyvinutá anténa MIMO bola potom integrovaná na vrch poľa 10 × 10 MS s medenou základnou doskou na zlepšenie emisného výkonu. Konštrukcia sa vyznačuje širokým prevádzkovým rozsahom (3,08-7,75 GHz), vysokým ziskom 8,3 dBi a vysokou priemernou celkovou účinnosťou 82 %, ako aj vynikajúcou izoláciou viac ako -15,5 dB medzi komponentmi MIMO antény. Vyvinutá anténa MIMO na báze MS bola simulovaná pomocou 3D elektromagnetického softvérového balíka CST Studio 2019 a overená experimentálnymi štúdiami.
Táto časť poskytuje podrobný úvod do navrhovanej architektúry a metodológie návrhu jednej antény. Okrem toho sú podrobne diskutované simulované a pozorované výsledky vrátane parametrov rozptylu, zisku a celkovej účinnosti s metapovrchmi a bez nich. Prototyp antény bol vyvinutý na nízkostratovom dielektrickom substráte Rogers 5880 s hrúbkou 1,575 mm s dielektrickou konštantou 2,2. Na vývoj a simuláciu dizajnu bol použitý balík elektromagnetického simulátora CST studio 2019.
Obrázok 2 ukazuje navrhovanú architektúru a dizajnový model jednoprvkovej antény. Podľa dobre zavedených matematických rovníc37 sa anténa skladá z lineárne napájaného štvorcového vyžarovacieho bodu a medenej uzemňovacej roviny (ako je opísané v kroku 1) a rezonuje s veľmi úzkou šírkou pásma pri 10,8 GHz, ako je znázornené na obrázku 3b. Počiatočná veľkosť anténneho žiariča je určená nasledujúcim matematickým vzťahom37:
Kde \(P_{L}\) a \(P_{w}\) sú dĺžka a šírka políčka, c predstavuje rýchlosť svetla, \(\gamma_{r}\) je dielektrická konštanta substrátu . , \(\gamma_{reff }\) predstavuje efektívnu dielektrickú hodnotu bodu žiarenia, \(\Delta L\) predstavuje zmenu dĺžky bodu. Základná doska antény bola optimalizovaná v druhej fáze, čím sa zvýšila impedančná šírka pásma napriek veľmi nízkej šírke impedančného pásma 10 dB. V tretej fáze sa poloha podávača posunie doprava, čím sa zlepší impedančná šírka pásma a impedančné prispôsobenie navrhovanej antény38. V tejto fáze anténa demonštruje vynikajúcu prevádzkovú šírku pásma 4 GHz a pokrýva aj spektrum pod 6 GHz v 5G. Štvrtá a posledná fáza zahŕňa leptanie štvorcových drážok v opačných rohoch radiačnej škvrny. Tento slot výrazne rozširuje šírku pásma 4,56 GHz, aby pokryl spektrum 5G pod 6 GHz z 3,11 GHz na 7,67 GHz, ako je znázornené na obrázku 3b. Predný a spodný perspektívny pohľad na navrhovaný dizajn je znázornený na obrázku 3a a konečné optimalizované požadované konštrukčné parametre sú nasledovné: 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) Pohľad zhora a zozadu na navrhnutú jednu anténu (CST STUDIO SUITE 2019). b) Krivka S-parametra.
Metapovrch je termín, ktorý označuje periodické pole jednotkových buniek umiestnených v určitej vzdialenosti od seba. Metasurfaces sú efektívnym spôsobom na zlepšenie výkonu vyžarovania antény, vrátane šírky pásma, zisku a izolácie medzi komponentmi MIMO. Vplyvom šírenia povrchových vĺn vytvárajú metapovrchy ďalšie rezonancie, ktoré prispievajú k zlepšeniu výkonu antény39. Táto práca navrhuje jednotku epsilon-negatívneho metamateriálu (MM) pracujúcu v pásme 5G pod 6 GHz. MM s povrchom 8 mm × 8 mm bol vyvinutý na nízkostratovom substráte Rogers 5880 s dielektrickou konštantou 2,2 a hrúbkou 1,575 mm. Optimalizovaná záplata MM rezonátora pozostáva z vnútorného kruhového deliaceho krúžku spojeného s dvoma upravenými vonkajšími delenými krúžkami, ako je znázornené na obrázku 4a. Obrázok 4a sumarizuje konečné optimalizované parametre navrhovaného nastavenia MM. Následne boli vyvinuté metapovrchové vrstvy 40 × 40 mm a 80 × 80 mm bez medenej základnej dosky a s medenou základnou doskou s použitím 5 × 5 a 10 × 10 bunkových polí. Navrhnutá štruktúra MM bola modelovaná pomocou 3D elektromagnetického modelovacieho softvéru „CST studio suite 2019“. Vyrobený prototyp navrhovanej štruktúry poľa MM a nastavenia merania (dvojportový sieťový analyzátor PNA a port vlnovodu) je znázornený na obrázku 4b na overenie výsledkov simulácie CST analýzou skutočnej odozvy. Nastavenie merania využívalo sieťový analyzátor série Agilent PNA v kombinácii s dvoma vlnovodnými koaxiálnymi adaptérmi (A-INFOMW, číslo dielu: 187WCAS) na odosielanie a prijímanie signálov. Prototyp 5×5 poľa bol umiestnený medzi dva vlnovodné koaxiálne adaptéry spojené koaxiálnym káblom s dvojportovým sieťovým analyzátorom (Agilent PNA N5227A). Kalibračná súprava Agilent N4694-60001 sa používa na kalibráciu sieťového analyzátora v pilotnom závode. Simulované a CST pozorované parametre rozptylu navrhovaného prototypu MM poľa sú znázornené na obrázku 5a. Je možné vidieť, že navrhovaná štruktúra MM rezonuje vo frekvenčnom rozsahu 5G pod 6 GHz. Napriek malému rozdielu v šírke pásma 10 dB sú simulované a experimentálne výsledky veľmi podobné. Rezonančná frekvencia, šírka pásma a amplitúda pozorovanej rezonancie sa mierne líšia od simulovaných, ako je znázornené na obrázku 5a. Tieto rozdiely medzi pozorovanými a simulovanými výsledkami sú spôsobené výrobnými nedokonalosťami, malými vôľami medzi prototypom a portami vlnovodu, väzbovými efektmi medzi portami vlnovodu a komponentmi poľa a toleranciami merania. Okrem toho správne umiestnenie vyvinutého prototypu medzi porty vlnovodu v experimentálnom nastavení môže viesť k posunu rezonancie. Okrem toho bol počas kalibračnej fázy pozorovaný nežiaduci šum, ktorý viedol k nezrovnalostiam medzi numerickými a nameranými výsledkami. Odhliadnuc od týchto ťažkostí však navrhovaný prototyp poľa MM funguje dobre vďaka silnej korelácii medzi simuláciou a experimentom, vďaka čomu je vhodný pre aplikácie bezdrôtovej komunikácie 5G pod 6 GHz.
(a) Geometria jednotkovej bunky (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) Fotografia nastavenia merania MM.
(a) Simulácia a overenie kriviek parametrov rozptylu prototypu metamateriálu. (b) Krivka dielektrickej konštanty základnej bunky MM.
Relevantné efektívne parametre, ako je efektívna dielektrická konštanta, magnetická permeabilita a index lomu, boli študované pomocou vstavaných techník dodatočného spracovania elektromagnetického simulátora CST, aby sa ďalej analyzovalo správanie MM jednotkovej bunky. Efektívne parametre MM sa získajú z parametrov rozptylu pomocou robustnej metódy rekonštrukcie. Na určenie indexu lomu a impedancie možno použiť nasledujúce rovnice priepustnosti a koeficientu odrazu: (3) a (4) (pozri 40).
Reálne a imaginárne časti operátora sú reprezentované (.)' a (.)“ a celočíselná hodnota m zodpovedá skutočnému indexu lomu. Dielektrická konštanta a permeabilita sú určené vzorcami \(\varepsilon { } = { }n/z,\) a \(\mu = nz\), ktoré sú založené na impedancii a indexe lomu. Krivka efektívnej dielektrickej konštanty štruktúry MM je znázornená na obrázku 5b. Pri rezonančnej frekvencii je efektívna dielektrická konštanta záporná. Obrázky 6a, b znázorňujú extrahované hodnoty efektívnej permeability (μ) a efektívneho indexu lomu (n) navrhovanej jednotkovej bunky. Je pozoruhodné, že extrahované permeability vykazujú pozitívne reálne hodnoty blízke nule, čo potvrdzuje epsilon-negatívne (ENG) vlastnosti navrhovanej štruktúry MM. Okrem toho, ako je znázornené na obrázku 6a, rezonancia pri permeabilite blízkej nule silne súvisí s rezonančnou frekvenciou. Vyvinutá základná bunka má negatívny index lomu (obr. 6b), čo znamená, že navrhovaný MM možno použiť na zlepšenie výkonu antény21,41.
Vyvinutý prototyp jednej širokopásmovej antény bol vyrobený na experimentálne testovanie navrhovaného dizajnu. Obrázky 7a, b zobrazujú obrázky navrhovaného prototypu jedinej antény, jej konštrukčných častí a nastavenia merania blízkeho poľa (SATIMO). Na zlepšenie výkonu antény je vyvinutý metapovrch umiestnený vo vrstvách pod anténou, ako je znázornené na obrázku 8a, s výškou h. Jediný 40 mm x 40 mm dvojvrstvový metapovrch bol aplikovaný na zadnú časť jedinej antény v 12 mm intervaloch. Okrem toho je na zadnej strane jedinej antény vo vzdialenosti 12 mm umiestnená metaplocha so zadnou doskou. Po aplikácii metapovrchu vykazuje jediná anténa výrazné zlepšenie výkonu, ako je znázornené na obrázkoch 1 a 2. Obrázky 8 a 9. Obrázok 8b zobrazuje simulované a namerané grafy odrazivosti pre jednu anténu bez a s metapovrchmi. Stojí za zmienku, že pásmo pokrytia antény s metapovrchom je veľmi podobné pásmu pokrytia antény bez metapovrchu. Obrázky 9a, b znázorňujú porovnanie simulovaného a pozorovaného zisku jednej antény a celkovej účinnosti bez a s MS v operačnom spektre. Je možné vidieť, že v porovnaní s nemetapovrchovou anténou sa zisk metapovrchovej antény výrazne zlepšil, pričom sa zvýšil z 5,15 dBi na 8 dBi. Zisk jednovrstvového metapovrchu, dvojvrstvového metapovrchu a jednej antény s metapovrchom zadnej roviny sa zvýšil o 6 dBi, 6,9 dBi a 8 dBi. V porovnaní s inými metapovrchmi (jednovrstvové a dvojvrstvové MC) je zisk jednej antény s metapovrchom s medenou základnou doskou až 8 dBi. V tomto prípade metapovrch pôsobí ako reflektor, ktorý znižuje spätné vyžarovanie antény a manipuluje s elektromagnetickými vlnami vo fáze, čím zvyšuje účinnosť vyžarovania antény a tým aj zisk. Štúdia celkovej účinnosti jednej antény bez a s metapovrchmi je znázornená na obrázku 9b. Stojí za zmienku, že účinnosť antény s metapovrchom a bez neho je takmer rovnaká. V nižšom frekvenčnom rozsahu účinnosť antény mierne klesá. Experimentálne a simulované krivky zisku a účinnosti sú v dobrej zhode. Existujú však malé rozdiely medzi simulovanými a testovanými výsledkami v dôsledku výrobných chýb, tolerancií merania, straty pripojenia portu SMA a straty vodiča. Anténa a MS reflektor sú navyše umiestnené medzi nylonovými rozperami, čo je ďalší problém, ktorý ovplyvňuje pozorované výsledky v porovnaní s výsledkami simulácie.
Obrázok (a) zobrazuje dokončenú samostatnú anténu a jej súvisiace komponenty. b) Nastavenie merania blízkeho poľa (SATIMO).
(a) Budenie antény pomocou metasurface reflektorov (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Simulované a experimentálne odrazy jednej antény bez a s MS.
Výsledky simulácie a merania (a) dosiahnutého zisku a (b) celkovej účinnosti navrhovanej antény s metapovrchovým efektom.
Analýza vzoru lúča pomocou MS. Merania blízkeho poľa s jednou anténou sa uskutočnili v experimentálnom prostredí SATIMO Near-Field Laboratory UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Obrázky 10a, b znázorňujú simulované a pozorované vyžarovacie diagramy roviny E a roviny H pri 5,5 GHz pre navrhovanú jedinú anténu s a bez MS. Vyvinutá jediná anténa (bez MS) poskytuje konzistentný obojsmerný vyžarovací diagram s hodnotami bočných lalokov. Po aplikácii navrhovaného MS reflektora anténa poskytuje jednosmerný vyžarovací diagram a znižuje úroveň zadných lalokov, ako je znázornené na obrázkoch 10a, b. Stojí za zmienku, že navrhovaný vyžarovací diagram jednej antény je stabilnejší a jednosmerný s veľmi nízkymi zadnými a bočnými lalokmi pri použití metapovrchu s medenou zadnou doskou. Navrhovaný reflektor MM poľa redukuje zadné a bočné laloky antény a zároveň zlepšuje výkon žiarenia smerovaním prúdu jednosmernými smermi (obr. 10a, b), čím sa zvyšuje zisk a smerovosť. Zistilo sa, že experimentálny model žiarenia bol takmer porovnateľný s modelom CST simulácií, ale mierne sa líšil v dôsledku nesprávneho nastavenia rôznych zostavených komponentov, tolerancií merania a strát v kabeláži. Okrem toho bol medzi anténu a MS reflektor vložený nylonový medzikus, čo je ďalší problém ovplyvňujúci pozorované výsledky v porovnaní s numerickými výsledkami.
Bol simulovaný a testovaný vyžarovací diagram vyvinutej jedinej antény (bez MS a s MS) na frekvencii 5,5 GHz.
Navrhovaná geometria MIMO antény je znázornená na obrázku 11 a zahŕňa štyri samostatné antény. Štyri komponenty MIMO antény sú navzájom ortogonálne usporiadané na substráte s rozmermi 80 × 80 × 1,575 mm, ako je znázornené na obrázku 11. Navrhnutá MIMO anténa má medziprvkovú vzdialenosť 22 mm, ktorá je menšia ako najbližšia zodpovedajúca medziprvková vzdialenosť antény. Vyvinutá MIMO anténa. Okrem toho je časť základnej roviny umiestnená rovnakým spôsobom ako jedna anténa. Hodnoty odrazivosti MIMO antén (S11, S22, S33 a S44) zobrazené na obrázku 12a vykazujú rovnaké správanie ako jednoprvková anténa rezonujúca v pásme 3,2–7,6 GHz. Preto je impedančná šírka pásma MIMO antény presne rovnaká ako pri jedinej anténe. Väzbový efekt medzi komponentmi MIMO je hlavným dôvodom malej straty šírky pásma antén MIMO. Obrázok 12b ukazuje vplyv prepojenia na MIMO komponenty, kde bola určená optimálna izolácia medzi MIMO komponentmi. Izolácia medzi anténami 1 a 2 je najnižšia asi -13,6 dB a izolácia medzi anténami 1 a 4 je najvyššia asi -30,4 dB. Vďaka svojej malej veľkosti a širšej šírke pásma má táto MIMO anténa nižší zisk a nižšiu priepustnosť. Izolácia je nízka, preto je potrebná zvýšená výstuž a izolácia;
Konštrukčný mechanizmus navrhovanej MIMO antény (a) pohľad zhora a (b) základná rovina. (Štúdiový apartmán CST 2019).
Geometrické usporiadanie a spôsob budenia navrhovanej metapovrchovej MIMO antény sú znázornené na obrázku 13a. Matica 10x10mm s rozmermi 80x80x1,575mm je navrhnutá pre zadnú stranu 12mm vysokej MIMO antény, ako je znázornené na obrázku 13a. Okrem toho sú metapovrchy s medenými zadnými plochami určené na použitie v anténach MIMO na zlepšenie ich výkonu. Vzdialenosť medzi metapovrchom a MIMO anténou je rozhodujúca pre dosiahnutie vysokého zisku a zároveň umožňuje konštruktívne rušenie medzi vlnami generovanými anténou a vlnami odrazenými od metapovrchu. Vykonalo sa rozsiahle modelovanie na optimalizáciu výšky medzi anténou a metapovrchom pri zachovaní štandardov štvrťvlny pre maximálny zisk a izoláciu medzi prvkami MIMO. V nasledujúcich kapitolách budú demonštrované významné zlepšenia výkonnosti MIMO antény dosiahnuté použitím metapovrchov so zadnými plochami v porovnaní s metapovrchmi bez prepojovacích plôch.
(a) Nastavenie simulácie CST navrhovanej MIMO antény pomocou MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Krivky odrazivosti vyvinutého MIMO systému bez MS a s MS.
Odrazy MIMO antén s a bez metapovrchov sú znázornené na obrázku 13b, kde sú uvedené S11 a S44 kvôli takmer identickému správaniu všetkých antén v systéme MIMO. Stojí za zmienku, že šírka pásma impedancie -10 dB MIMO antény bez a s jedným metapovrchom je takmer rovnaká. Na rozdiel od toho je impedančná šírka pásma navrhovanej MIMO antény vylepšená dvojvrstvovou MS a základnou MS. Stojí za zmienku, že bez MS poskytuje MIMO anténa zlomkovú šírku pásma 81,5 % (3,2-7,6 GHz) vzhľadom na strednú frekvenciu. Integrácia MS so základnou doskou zvyšuje impedančnú šírku pásma navrhovanej MIMO antény na 86,3 % (3,08–7,75 GHz). Hoci dvojvrstvová MS zvyšuje priepustnosť, zlepšenie je menšie ako pri MS s medenou základnou doskou. Navyše dvojvrstvový MC zväčšuje veľkosť antény, zvyšuje jej cenu a obmedzuje jej dosah. Navrhnutá MIMO anténa a metapovrchový reflektor sú vyrobené a overené na overenie výsledkov simulácie a vyhodnotenie skutočného výkonu. Obrázok 14a zobrazuje vyrobenú MS vrstvu a MIMO anténu s rôznymi zostavenými komponentmi, zatiaľ čo obrázok 14b zobrazuje fotografiu vyvinutého MIMO systému. MIMO anténa je namontovaná na hornej časti metapovrchu pomocou štyroch nylonových rozperiek, ako je znázornené na obrázku 14b. Obrázok 15a zobrazuje snímku experimentálneho nastavenia vyvinutého MIMO anténneho systému v blízkom poli. Sieťový analyzátor PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) sa použil na odhad parametrov rozptylu a na vyhodnotenie a charakterizáciu emisných charakteristík blízkeho poľa v laboratóriu UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory.
(a) Fotografie meraní SATIMO v blízkom poli (b) Simulované a experimentálne krivky antény S11 MIMO s MS a bez nej.
Táto časť predstavuje porovnávaciu štúdiu simulovaných a pozorovaných S-parametrov navrhovanej 5G MIMO antény. Obrázok 15b ukazuje experimentálny graf odrazivosti integrovanej 4-prvkovej MIMO MS antény a porovnáva ho s výsledkami simulácie CST. Zistilo sa, že experimentálne odrazy sú rovnaké ako výpočty CST, ale boli mierne odlišné v dôsledku výrobných chýb a experimentálnych tolerancií. Okrem toho pozorovaná odrazivosť navrhovaného prototypu MIMO na báze MS pokrýva 5G spektrum pod 6 GHz s impedančnou šírkou pásma 4,8 GHz, čo znamená, že sú možné aplikácie 5G. Nameraná rezonančná frekvencia, šírka pásma a amplitúda sa však mierne líšia od výsledkov simulácie CST. Výrobné chyby, straty spojenia koaxiálneho kábla s SMA a nastavenia vonkajšieho merania môžu spôsobiť rozdiely medzi nameranými a simulovanými výsledkami. Napriek týmto nedostatkom však navrhovaný MIMO funguje dobre a poskytuje silnú zhodu medzi simuláciami a meraniami, vďaka čomu je vhodný pre bezdrôtové aplikácie 5G pod 6 GHz.
Simulované a pozorované krivky zisku MIMO antény sú znázornené na obrázkoch 2 a 2. Ako je znázornené na obrázkoch 16a, ba 17a, b, je znázornená vzájomná interakcia komponentov MIMO. Keď sa na MIMO antény aplikujú metapovrchy, izolácia medzi MIMO anténami sa výrazne zlepší. Grafy izolácie medzi susednými anténnymi prvkami S12, S14, S23 a S34 vykazujú podobné krivky, zatiaľ čo diagonálne MIMO antény S13 a S42 vykazujú podobne vysokú izoláciu v dôsledku väčšej vzdialenosti medzi nimi. Simulované prenosové charakteristiky susedných antén sú znázornené na obrázku 16a. Stojí za zmienku, že v operačnom spektre 5G pod 6 GHz je minimálna izolácia MIMO antény bez metapovrchu -13,6 dB a pre metapovrch so základnou plochou - 15,5 dB. Graf zisku (obrázok 16a) ukazuje, že metapovrch zadnej roviny výrazne zlepšuje izoláciu medzi prvkami MIMO antény v porovnaní s jednovrstvovými a dvojvrstvovými metapovrchmi. Na priľahlých prvkoch antény poskytujú jedno- a dvojvrstvové metapovrchy minimálnu izoláciu približne -13,68 dB a -14,78 dB a metapovrch medenej základnej dosky poskytuje približne -15,5 dB.
Simulované izolačné krivky MIMO prvkov bez MS vrstvy a s MS vrstvou: (a) S12, S14, S34 a S32 a (b) S13 a S24.
Experimentálne krivky zisku navrhovaných MIMO antén na báze MS bez a s: (a) S12, S14, S34 a S32 a (b) S13 a S24.
Grafy zisku diagonálnej antény MIMO pred a po pridaní vrstvy MS sú znázornené na obrázku 16b. Stojí za zmienku, že minimálna izolácia medzi diagonálnymi anténami bez metapovrchu (antény 1 a 3) je – 15,6 dB naprieč operačným spektrom a metapovrchom so zadnou plochou – 18 dB. Metasurface prístup výrazne znižuje väzbové efekty medzi diagonálnymi MIMO anténami. Maximálna izolácia pre jednovrstvový metapovrch je -37 dB, zatiaľ čo pre dvojvrstvový metapovrch táto hodnota klesne na -47 dB. Maximálna izolácia metapovrchu s medenou základnou doskou je -36,2 dB, ktorá klesá so zvyšujúcim sa frekvenčným rozsahom. V porovnaní s jedno- a dvojvrstvovými metapovrchmi bez základnej dosky poskytujú metapovrchy so zadnou doskou vynikajúcu izoláciu v celom požadovanom rozsahu prevádzkovej frekvencie, najmä v rozsahu 5G pod 6 GHz, ako je znázornené na obrázkoch 16a, b. V najpopulárnejšom a najpoužívanejšom pásme 5G pod 6 GHz (3,5 GHz) majú jedno- a dvojvrstvové metapovrchy nižšiu izoláciu medzi komponentmi MIMO ako metapovrchy s medenými prepojovacími plochami (takmer bez MS) (pozri obrázok 16a), b) . Merania zisku sú znázornené na obrázkoch 17a, b, znázorňujúce izoláciu susedných antén (S12, S14, S34 a S32) a diagonálnych antén (S24 a S13). Ako je možné vidieť z týchto obrázkov (obr. 17a, b), experimentálna izolácia medzi komponentmi MIMO dobre súhlasí so simulovanou izoláciou. Aj keď existujú menšie rozdiely medzi simulovanými a nameranými hodnotami CST v dôsledku výrobných chýb, pripojenia portov SMA a strát vodičov. Anténa a MS reflektor sú navyše umiestnené medzi nylonovými rozperami, čo je ďalší problém, ktorý ovplyvňuje pozorované výsledky v porovnaní s výsledkami simulácie.
študovali distribúciu povrchového prúdu pri 5,5 GHz, aby racionalizovali úlohu metapovrchov pri znižovaní vzájomnej väzby prostredníctvom potlačenia povrchových vĺn42. Distribúcia povrchového prúdu navrhovanej MIMO antény je znázornená na obrázku 18, kde anténa 1 je riadená a zvyšok antény je zakončený 50 ohmovou záťažou. Keď je anténa 1 pod napätím, na susedných anténach sa objavia významné vzájomné väzbové prúdy pri frekvencii 5,5 GHz v neprítomnosti metapovrchu, ako je znázornené na obrázku 18a. Naopak, použitím metapovrchov, ako je znázornené na obr. 18b–d, sa izolácia medzi susednými anténami zlepší. Je potrebné poznamenať, že účinok vzájomnej väzby susedných polí možno minimalizovať šírením spojovacieho prúdu do susedných prstencov základných buniek a susedných základných buniek MS pozdĺž vrstvy MS v antiparalelných smeroch. Injektovanie prúdu z distribuovaných antén do jednotiek MS je kľúčovou metódou na zlepšenie izolácie medzi komponentmi MIMO. V dôsledku toho sa väzobný prúd medzi komponentmi MIMO výrazne zníži a izolácia sa tiež výrazne zlepší. Pretože väzbové pole je v prvku široko rozložené, metapovrch medenej základnej dosky izoluje zostavu antény MIMO podstatne viac ako jednovrstvové a dvojvrstvové metapovrchy (obrázok 18d). Okrem toho má vyvinutá MIMO anténa veľmi nízke spätné šírenie a bočné šírenie, čím vzniká jednosmerný vyžarovací diagram, čím sa zvyšuje zisk navrhovanej MIMO antény.
Vzory povrchového prúdu navrhovanej MIMO antény pri 5,5 GHz (a) bez MC, (b) jednovrstvový MC, (c) dvojvrstvový MC a (d) jednovrstvový MC s medenou základnou doskou. (Štúdiový apartmán CST 2019).
V rámci pracovnej frekvencie ukazuje obrázok 19a simulované a pozorované zisky navrhnutej MIMO antény bez a s metapovrchmi. Simulovaný dosiahnutý zisk MIMO antény bez metapovrchu je 5,4 dBi, ako je znázornené na obrázku 19a. V dôsledku vzájomného väzbového efektu medzi komponentmi MIMO navrhovaná MIMO anténa v skutočnosti dosahuje o 0,25 dBi vyšší zisk ako jedna anténa. Pridanie metapovrchov môže poskytnúť významné zisky a izoláciu medzi komponentmi MIMO. Navrhovaná metapovrchová MIMO anténa teda môže dosiahnuť vysoký realizovaný zisk až 8,3 dBi. Ako je znázornené na obrázku 19a, keď sa na zadnej strane MIMO antény použije jeden metapovrch, zisk sa zvýši o 1,4 dBi. Keď sa metapovrch zdvojnásobí, zisk sa zvýši o 2,1 dBi, ako je znázornené na obrázku 19a. Predpokladaný maximálny zisk 8,3 dBi sa však dosiahne pri použití metapovrchu s medenou základnou doskou. Je pozoruhodné, že maximálny dosiahnutý zisk pre jednovrstvový a dvojvrstvový metapovrch je 6,8 dBi a 7,5 dBi, zatiaľ čo maximálny dosiahnutý zisk pre metapovrch spodnej vrstvy je 8,3 dBi. Metasurface vrstva na zadnej strane antény funguje ako reflektor, ktorý odráža žiarenie zo zadnej strany antény a zlepšuje pomer prednej a zadnej strany (F/B) navrhnutej MIMO antény. Okrem toho vysokoimpedančný MS reflektor manipuluje s elektromagnetickými vlnami vo fáze, čím vytvára dodatočnú rezonanciu a zlepšuje výkon žiarenia navrhovanej MIMO antény. MS reflektor inštalovaný za MIMO anténou dokáže výrazne zvýšiť dosiahnutý zisk, čo potvrdzujú aj experimentálne výsledky. Pozorované a simulované zisky vyvinutého prototypu MIMO antény sú takmer rovnaké, avšak na niektorých frekvenciách je nameraný zisk vyšší ako simulovaný zisk, najmä pre MIMO bez MS; Tieto zmeny v experimentálnom zisku sú spôsobené toleranciami merania nylonových podložiek, stratami káblov a väzbou v anténnom systéme. Špičkový nameraný zisk MIMO antény bez metasurface je 5,8 dBi, zatiaľ čo metasurface s medenou backplane je 8,5 dBi. Za zmienku stojí, že navrhovaný kompletný 4-portový MIMO anténny systém s MS reflektorom vykazuje vysoký zisk v experimentálnych a numerických podmienkach.
Simulačné a experimentálne výsledky (a) dosiahnutého zisku a (b) celkového výkonu navrhovanej MIMO antény s metapovrchovým efektom.
Obrázok 19b zobrazuje celkový výkon navrhovaného systému MIMO bez a s metapovrchovými reflektormi. Na obrázku 19b bola najnižšia účinnosť pri použití MS so základnou doskou nad 73 % (až 84 %). Celková účinnosť vyvinutých MIMO antén bez MC a s MC je takmer rovnaká s menšími rozdielmi v porovnaní so simulovanými hodnotami. Dôvodom sú tolerancie merania a použitie medzikusov medzi anténou a MS reflektorom. Nameraný dosiahnutý zisk a celková účinnosť na celej frekvencii sú takmer podobné výsledkom simulácie, čo naznačuje, že výkon navrhovaného prototypu MIMO je podľa očakávania a že odporúčaná anténa MIMO na báze MS je vhodná pre komunikáciu 5G. V dôsledku chýb v experimentálnych štúdiách existujú rozdiely medzi celkovými výsledkami laboratórnych experimentov a výsledkami simulácií. Výkon navrhovaného prototypu je ovplyvnený nesúladom impedancie medzi anténou a konektorom SMA, stratami pri spájaní koaxiálnych káblov, efektmi spájkovania a blízkosťou rôznych elektronických zariadení k experimentálnemu nastaveniu.
Obr. 20 opisuje priebeh návrhu a optimalizácie uvedenej antény vo forme blokovej schémy. Táto bloková schéma poskytuje krok za krokom popis navrhovaných princípov návrhu MIMO antény, ako aj parametre, ktoré hrajú kľúčovú úlohu pri optimalizácii antény na dosiahnutie požadovaného vysokého zisku a vysokej izolácie na širokej prevádzkovej frekvencii.
Merania antén MIMO blízkeho poľa boli merané v experimentálnom prostredí SATIMO Near-Field Experimental Environment v laboratóriu UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Obrázky 21a, b znázorňujú simulované a pozorované vyžarovacie diagramy roviny E a roviny H nárokovanej MIMO antény s a bez MS pri prevádzkovej frekvencii 5,5 GHz. V prevádzkovom frekvenčnom rozsahu 5,5 GHz poskytuje vyvinutá neMS MIMO anténa konzistentný obojsmerný vyžarovací diagram s hodnotami bočných lalokov. Po aplikácii MS reflektora poskytuje anténa jednosmerný vyžarovací diagram a znižuje úroveň zadných lalokov, ako je znázornené na obrázkoch 21a, b. Stojí za zmienku, že pri použití metapovrchu s medenou zadnou doskou je navrhovaný vzor antény MIMO stabilnejší a jednosmerný ako bez MS, s veľmi nízkymi zadnými a bočnými lalokmi. Navrhovaný reflektor MM poľa redukuje zadné a bočné laloky antény a tiež zlepšuje vyžarovacie charakteristiky smerovaním prúdu jednosmerným smerom (obr. 21a, b), čím sa zvyšuje zisk a smerovosť. Nameraný diagram žiarenia bol získaný pre port 1 s 50 ohmovou záťažou pripojenou k zostávajúcim portom. Zistilo sa, že experimentálny model žiarenia bol takmer identický s modelom simulovaným pomocou CST, aj keď sa vyskytli určité odchýlky v dôsledku nesprávneho nastavenia komponentov, odrazov od koncových portov a strát v káblových spojeniach. Okrem toho bola medzi anténu a MS reflektor vložená nylonová vložka, čo je ďalší problém ovplyvňujúci pozorované výsledky v porovnaní s predpokladanými výsledkami.
Bol simulovaný a testovaný vyžarovací diagram vyvinutej MIMO antény (bez MS a s MS) na frekvencii 5,5 GHz.
Je dôležité poznamenať, že izolácia portov a súvisiace charakteristiky sú nevyhnutné pri hodnotení výkonu systémov MIMO. Skúma sa výkonnosť diverzity navrhovaného systému MIMO, vrátane koeficientu obálkovej korelácie (ECC) a zisku diverzity (DG), aby sa ilustrovala robustnosť navrhnutého anténneho systému MIMO. ECC a DG MIMO antény možno použiť na vyhodnotenie jej výkonu, pretože sú dôležitými aspektmi výkonu MIMO systému. Nasledujúce časti podrobne popisujú tieto vlastnosti navrhovanej antény MIMO.
Koeficient obálkovej korelácie (ECC). Pri zvažovaní akéhokoľvek systému MIMO ECC určuje mieru, do akej jednotlivé prvky navzájom korelujú, pokiaľ ide o ich špecifické vlastnosti. ECC teda demonštruje stupeň izolácie kanálov v bezdrôtovej komunikačnej sieti. ECC (koeficient obálkovej korelácie) vyvinutého systému MIMO možno určiť na základe S-parametrov a emisie do ďalekého poľa. Z rov. (7) a (8) možno určiť ECC navrhovanej MIMO antény 31.
Koeficient odrazu predstavuje Sii a Sij predstavuje koeficient priepustnosti. Trojrozmerné vyžarovacie diagramy j-tej a i-tej antény sú dané výrazmi \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) a \( \vec {{R_{ i } }} Priestorový uhol reprezentovaný \left( {\theta ,\varphi } \right)\) a \({\Omega }\). Krivka ECC navrhovanej antény je znázornená na obrázku 22a a jej hodnota je menšia ako 0,004, čo je výrazne pod prijateľnou hodnotou 0,5 pre bezdrôtový systém. Preto znížená hodnota ECC znamená, že navrhovaný 4-portový MIMO systém poskytuje vynikajúcu rozmanitosť43.
Diversity Gain (DG) DG je ďalšou metrikou výkonu systému MIMO, ktorá popisuje, ako schéma diverzity ovplyvňuje vyžarovaný výkon. Vzťah (9) určuje DG vyvíjaného anténneho systému MIMO, ako je opísané v 31.
Obrázok 22b ukazuje DG diagram navrhovaného MIMO systému, kde hodnota DG je veľmi blízka 10 dB. Hodnoty DG všetkých antén navrhnutého systému MIMO presahujú 9,98 dB.
Tabuľka 1 porovnáva navrhovanú metapovrchovú MIMO anténu s nedávno vyvinutými podobnými MIMO systémami. Porovnanie berie do úvahy rôzne výkonnostné parametre, vrátane šírky pásma, zisku, maximálnej izolácie, celkovej účinnosti a rozmanitosti. Výskumníci predstavili rôzne prototypy antén MIMO s technikami zosilnenia zisku a izolácie v 5, 44, 45, 46, 47. V porovnaní s predtým publikovanými prácami ich navrhovaný systém MIMO s metasurface reflektormi prevyšuje z hľadiska šírky pásma, zisku a izolácie. Okrem toho, v porovnaní s podobnými hlásenými anténami, vyvinutý systém MIMO vykazuje vynikajúcu diverzitu a celkovú účinnosť pri menšej veľkosti. Hoci antény opísané v časti 5.46 majú vyššiu izoláciu ako naše navrhované antény, tieto antény trpia veľkou veľkosťou, nízkym ziskom, úzkou šírkou pásma a slabým MIMO výkonom. 4-portová MIMO anténa navrhovaná v 45 vykazuje vysoký zisk a účinnosť, ale jej dizajn má nízku izoláciu, veľkú veľkosť a slabý výkon pri diverzite. Na druhej strane anténny systém malej veľkosti navrhovaný v 47 má veľmi nízky zisk a prevádzkovú šírku pásma, zatiaľ čo náš navrhovaný 4-portový MIMO systém založený na MS vykazuje malú veľkosť, vysoký zisk, vysokú izoláciu a lepší výkon MIMO. Navrhovaná metapovrchová anténa MIMO sa teda môže stať hlavným uchádzačom o komunikačné systémy 5G pod 6 GHz.
Štvorportová širokopásmová MIMO anténa na báze metapovrchového reflektora s vysokým ziskom a izoláciou je navrhnutá na podporu aplikácií 5G pod 6 GHz. Mikropásiková linka napája štvorcový vyžarujúci úsek, ktorý je v diagonálnych rohoch skrátený o štvorec. Navrhovaný MS a anténny žiarič sú implementované na substrátových materiáloch podobných Rogers RT5880 na dosiahnutie vynikajúceho výkonu vo vysokorýchlostných 5G komunikačných systémoch. MIMO anténa má široký dosah a vysoký zisk a poskytuje zvukovú izoláciu medzi MIMO komponentmi a vynikajúcu účinnosť. Vyvinutá jediná anténa má miniatúrne rozmery 0,58?0,58?0,02? s 5×5 metasurface poľom, poskytuje široké operačné pásmo 4,56 GHz, špičkový zisk 8 dBi a vynikajúcu meranú účinnosť. Navrhovaná štvorportová MIMO anténa (2 × 2 pole) je navrhnutá ortogonálnym zarovnaním každej navrhovanej jednotlivej antény s inou anténou s rozmermi 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Odporúča sa zostaviť pole 10 × 10 MM pod 12 mm vysokú MIMO anténu, ktorá môže znížiť spätné vyžarovanie a znížiť vzájomnú väzbu medzi komponentmi MIMO, čím sa zlepší zisk a izolácia. Experimentálne a simulačné výsledky ukazujú, že vyvinutý prototyp MIMO môže pracovať v širokom frekvenčnom rozsahu 3,08–7,75 GHz, pokrývajúci 5G spektrum pod 6 GHz. Okrem toho navrhovaná anténa MIMO na báze MS zlepšuje svoj zisk o 2,9 dBi, čím sa dosiahne maximálny zisk 8,3 dBi, a poskytuje vynikajúcu izoláciu (>15,5 dB) medzi komponentmi MIMO, čo potvrdzuje príspevok MS. Okrem toho má navrhovaná MIMO anténa vysokú priemernú celkovú účinnosť 82 % a nízku vzdialenosť medzi prvkami 22 mm. Anténa vykazuje vynikajúci výkon MIMO diverzity vrátane veľmi vysokého DG (nad 9,98 dB), veľmi nízkeho ECC (menej ako 0,004) a jednosmerného vyžarovacieho diagramu. Výsledky meraní sú veľmi podobné výsledkom simulácie. Tieto charakteristiky potvrdzujú, že vyvinutý štvorportový anténny systém MIMO môže byť životaschopnou voľbou pre komunikačné systémy 5G vo frekvenčnom rozsahu pod 6 GHz.
Cowin môže poskytnúť 400-6000 MHz širokopásmovú PCB anténu a podporu pri navrhovaní novej antény podľa vašej požiadavky, ak máte akúkoľvek požiadavku, kontaktujte nás bez váhania.
Čas odoslania: 10. októbra 2024