Овај рад предлаже компактну интегрисану мулти-инпут-мулти-оутпут (МИМО) метасурфаце (МС) широкопојасну антену за суб-6 ГХз пету генерацију (5Г) бежичних комуникационих система. Очигледна новина предложеног МИМО система је његов широки радни пропусни опсег, велико појачање, мали међукомпонентни зазори и одлична изолација унутар МИМО компоненти. Тачка зрачења антене је скраћена дијагонално, делимично уземљена, а метаповршине се користе за побољшање перформанси антене. Предложени прототип интегрисане сингле МС антене има минијатурне димензије од 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Резултати симулације и мерења показују перформансе широкопојасног опсега од 3,11 ГХз до 7,67 ГХз, укључујући највећи постигнути добитак од 8 дБи. МИМО систем са четири елемента је дизајниран тако да је свака антена ортогонална једна према другој, задржавајући компактну величину и широкопојасне перформансе од 3,2 до 7,6 ГХз. Предложени МИМО прототип је дизајниран и произведен на Рогерс РТ5880 подлози са малим губицима и минијатуризованим димензијама од 1,05? 1.05? 0,02?, а његов учинак се процењује коришћењем предложеног квадратног резонатора са затвореним прстеном са 10 к 10 подељеним прстеном. Основни материјал је исти. Предложена метаповршина задње плоче значајно смањује задње зрачење антене и манипулише електромагнетним пољима, чиме се побољшава пропусни опсег, појачање и изолација МИМО компоненти. У поређењу са постојећим МИМО антенама, предложена МИМО антена са 4 порта постиже високо појачање од 8,3 дБи са просечном укупном ефикасношћу до 82% у опсегу 5Г испод 6 ГХз и добро се слаже са измереним резултатима. Штавише, развијена МИМО антена показује одличне перформансе у смислу коефицијента корелације омотача (ЕЦЦ) мањег од 0,004, диверзитетног појачања (ДГ) од око 10 дБ (>9,98 дБ) и високе изолације између МИМО компоненти (>15,5 дБ). карактеристике. Дакле, предложена МИМО антена заснована на МС потврђује своју применљивост за 5Г комуникационе мреже испод 6 ГХз.
5Г технологија је невероватан напредак у бежичним комуникацијама који ће омогућити брже и сигурније мреже за милијарде повезаних уређаја, обезбедити корисничко искуство са „нултом“ кашњењем (латенција мања од 1 милисекунде) и увести нове технологије, укључујући електронику. Медицинска нега, интелектуално образовање. , паметни градови, паметне куће, виртуелна стварност (ВР), паметне фабрике и интернет возила (ИоВ) мењају наше животе, друштво и индустрије1,2,3. Америчка Федерална комисија за комуникације (ФЦЦ) дели 5Г спектар на четири фреквенцијска опсега4. Фреквенцијски опсег испод 6 ГХз је од интереса за истраживаче јер омогућава комуникацију на даљину са високим брзинама података5,6. Расподела 5Г спектра испод 6 ГХз за глобалне 5Г комуникације приказана је на слици 1, што указује да све земље разматрају спектар испод 6 ГХз за 5Г комуникације7,8. Антене су важан део 5Г мрежа и захтеваће више антена базних станица и корисничких терминала.
Микротракасте патцх антене имају предности танкости и равне структуре, али су ограничене у пропусном опсегу и појачању9,10, тако да је урађено много истраживања како би се повећало појачање и пропусни опсег антене; Последњих година, метаповршине (МС) се широко користе у антенским технологијама, посебно за побољшање појачања и пропусности11,12, међутим, ове антене су ограничене на један порт; МИМО технологија је важан аспект бежичне комуникације јер може да користи више антена истовремено за пренос података, чиме се побољшава брзина преноса података, спектрална ефикасност, капацитет канала и поузданост13,14,15. МИМО антене су потенцијални кандидати за 5Г апликације јер могу да преносе и примају податке преко више канала без потребе за додатним напајањем16,17. Ефекат узајамног спајања између МИМО компоненти зависи од локације МИМО елемената и појачања МИМО антене, што је велики изазов за истраживаче. Слике 18, 19 и 20 приказују различите МИМО антене које раде у опсегу 5Г испод 6 ГХз, а све показују добру МИМО изолацију и перформансе. Међутим, појачање и радни пропусни опсег ових предложених система су мали.
Метаматеријал (ММ) су нови материјали који не постоје у природи и могу да манипулишу електромагнетним таласима, чиме се побољшавају перформансе антена21,22,23,24. ММ се сада широко користи у антенској технологији за побољшање шеме зрачења, пропусног опсега, појачања и изолације између елемената антене и бежичних комуникационих система, као што је објашњено у 25, 26, 27, 28. 2029. године, МИМО систем са четири елемента заснован на метасурфаце, у којој је део антене у сендвичу између метаповршине и земље без ваздушног зазора, што побољшава МИМО перформансе. Међутим, овај дизајн има већу величину, нижу радну фреквенцију и сложену структуру. Електромагнетни појас (ЕБГ) и петља за уземљење укључени су у предложену 2-портну широкопојасну МИМО антену како би се побољшала изолација МИМО30 компоненти. Дизајнирана антена има добре МИМО перформансе диверзитета и одличну изолацију између две МИМО антене, али коришћењем само две МИМО компоненте, појачање ће бити мало. Поред тога, ин31 је такође предложио ултра-широкопојасну (УВБ) МИМО антену са два порта и истражио њене МИМО перформансе користећи метаматеријале. Иако је ова антена способна за УВБ рад, њено појачање је мало и изолација између две антене је лоша. Рад у32 предлаже МИМО систем са 2 порта који користи рефлекторе електромагнетног појаса (ЕБГ) за повећање појачања. Иако развијени антенски низ има велико појачање и добре МИМО перформансе диверзитета, његова велика величина отежава примену у комуникационим уређајима следеће генерације. Још једна широкопојасна антена заснована на рефлектору развијена је у 33, где је рефлектор интегрисан испод антене са већим размаком од 22 мм, показујући нижи вршни добитак од 4,87 дБ. Папер 34 дизајнира МИМО антену са четири прикључка за ммВаве апликације, која је интегрисана са МС слојем како би се побољшала изолација и појачање МИМО система. Међутим, ова антена пружа добро појачање и изолацију, али има ограничен пропусни опсег и лоша механичка својства због великог ваздушног зазора. Слично томе, 2015. године развијена је МИМО антена са три пара, 4 порта у облику лептир-машне са интегрисаном површином за ммВаве комуникацију са максималним појачањем од 7,4 дБи. Б36 МС се користи на задњој страни 5Г антене за повећање појачања антене, где метаповршина делује као рефлектор. Међутим, структура МС је асиметрична и мање пажње је посвећено структури јединичне ћелије.
Према горе наведеним резултатима анализе, ниједна од горе наведених антена нема велико појачање, одличну изолацију, МИМО перформансе и широкопојасну покривеност. Због тога још увек постоји потреба за метаповршинском МИМО антеном која може да покрије широк опсег фреквенција 5Г спектра испод 6 ГХз са високим појачањем и изолацијом. Узимајући у обзир ограничења горе наведене литературе, за бежичне комуникационе системе испод 6 ГХз предлаже се широкопојасни МИМО антенски систем са четири елемента са високим појачањем и одличним диверзитетним перформансама. Поред тога, предложена МИМО антена показује одличну изолацију између МИМО компоненти, мале празнине у елементима и високу ефикасност зрачења. Антенски патцх је скраћен дијагонално и постављен на врх метаповршине са ваздушним размаком од 12 мм, који рефлектује задње зрачење антене и побољшава појачање и усмереност антене. Поред тога, предложена појединачна антена се користи за креирање МИМО антене од четири елемента са супериорним МИМО перформансама тако што се свака антена позиционира ортогонално једна према другој. Развијена МИМО антена је затим интегрисана на врх 10 × 10 МС низа са бакарном задњом плочом да би се побољшале перформансе емисије. Дизајн карактерише широк радни опсег (3,08-7,75 ГХз), високо појачање од 8,3 дБи и висока просечна укупна ефикасност од 82%, као и одличну изолацију већу од −15,5 дБ између компоненти МИМО антене. Развијена МИМО антена заснована на МС симулирана је коришћењем 3Д електромагнетног софтверског пакета ЦСТ Студио 2019 и валидирана кроз експерименталне студије.
Овај одељак пружа детаљан увод у предложену архитектуру и методологију пројектовања једне антене. Поред тога, детаљно се разматрају симулирани и посматрани резултати, укључујући параметре расејања, појачање и укупну ефикасност са и без метаповршина. Прототип антене је развијен на Рогерс 5880 диелектричној подлози са малим губицима дебљине 1,575 мм са диелектричном константом од 2,2. За развој и симулацију дизајна коришћен је пакет електромагнетних симулатора ЦСТ студио 2019.
На слици 2 приказан је предложени модел архитектуре и дизајна једноелементне антене. Према добро утврђеним математичким једначинама37, антена се састоји од линеарно напајане квадратне зрачеће тачке и бакарне уземљене равни (као што је описано у кораку 1) и резонира са веома уским пропусним опсегом на 10,8 ГХз, као што је приказано на слици 3б. Почетна величина радијатора антене одређена је следећим математичким односом37:
Где су \(П_{Л}\) и \(П_{в}\) дужина и ширина закрпе, ц представља брзину светлости, \(\гамма_{р}\) је диелектрична константа супстрата . , \(\гамма_{рефф }\) представља ефективну диелектричну вредност тачке зрачења, \(\Делта Л\) представља промену дужине тачке. Задња плоча антене је оптимизована у другој фази, повећавајући пропусни опсег импедансе упркос веома ниском опсегу импедансе од 10 дБ. У трећој фази, позиција фидера се помера удесно, што побољшава пропусни опсег импедансе и усклађивање импедансе предложене антене38. У овој фази, антена показује одличан радни пропусни опсег од 4 ГХз и такође покрива спектар испод 6 ГХз у 5Г. Четврта и последња фаза укључује урезивање квадратних жлебова у супротним угловима тачке зрачења. Овај слот значајно проширује пропусни опсег од 4,56 ГХз како би покрио 5Г спектар испод 6 ГХз са 3,11 ГХз на 7,67 ГХз, као што је приказано на слици 3б. Предњи и доњи перспективни прикази предложеног дизајна су приказани на слици 3а, а коначни оптимизовани потребни параметри дизајна су следећи: СЛ = 40 мм, Пв = 18 мм, ПЛ = 18 мм, гЛ = 12 мм, фЛ = 11. мм, фВ = 4,7 мм, ц1 = 2 мм, ц2 = 9,65 мм, ц3 = 1,65 мм.
(а) Поглед одозго и позади на дизајнирану једну антену (ЦСТ СТУДИО СУИТЕ 2019). (б) Крива С-параметара.
Метаповршина је термин који се односи на периодични низ јединичних ћелија које се налазе на одређеној удаљености једна од друге. Метаповршине су ефикасан начин за побољшање перформанси зрачења антене, укључујући пропусни опсег, појачање и изолацију између МИМО компоненти. Због утицаја ширења површинских таласа, метаповршине стварају додатне резонанције које доприносе побољшању перформанси антене39. Овај рад предлаже јединицу епсилон-негативног метаматеријала (ММ) која ради у 5Г опсегу испод 6 ГХз. ММ са површином од 8 мм × 8 мм развијен је на Рогерс 5880 подлози са малим губицима са диелектричном константом од 2,2 и дебљином од 1,575 мм. Оптимизовани ММ резонатор се састоји од унутрашњег кружног подељеног прстена повезаног са два модификована спољна подељена прстена, као што је приказано на слици 4а. Слика 4а сумира коначне оптимизоване параметре предложеног ММ подешавања. Након тога, развијени су слојеви метаповршине од 40 × 40 мм и 80 × 80 мм без бакарне позадинске плоче и са бакарном задњом плочом користећи низове ћелија 5 × 5 и 10 × 10, респективно. Предложена ММ структура је моделована коришћењем софтвера за 3Д електромагнетно моделирање „ЦСТ студио суите 2019“. Произведени прототип предложене структуре ММ низа и подешавања мерења (мрежни анализатор са два порта ПНА и порт таласовода) приказан је на слици 4б ради валидације резултата ЦСТ симулације анализом стварног одговора. Поставка мерења је користила анализатор мреже Агилент ПНА серије у комбинацији са два коаксијална адаптера таласовода (А-ИНФОМВ, број дела: 187ВЦАС) за слање и пријем сигнала. Прототип 5×5 низа постављен је између два таласоводна коаксијална адаптера повезана коаксијалним каблом са два порта мрежног анализатора (Агилент ПНА Н5227А). Комплет за калибрацију Агилент Н4694-60001 се користи за калибрацију анализатора мреже у пилот постројењу. Симулирани и ЦСТ посматрани параметри расејања предложеног прототипа ММ низа су приказани на слици 5а. Може се видети да предложена ММ структура резонује у 5Г фреквенцијском опсегу испод 6 ГХз. Упркос малој разлици у пропусном опсегу од 10 дБ, симулирани и експериментални резултати су веома слични. Резонантна фреквенција, пропусни опсег и амплитуда уочене резонанције се мало разликују од симулираних, као што је приказано на слици 5а. Ове разлике између посматраних и симулираних резултата су последица несавршености у производњи, малих зазора између прототипа и портова таласовода, ефеката спајања између портова таласовода и компоненти низа, и толеранција мерења. Поред тога, правилно постављање развијеног прототипа између портова таласовода у експерименталној поставци може довести до померања резонанције. Поред тога, током фазе калибрације примећен је нежељени шум, што је довело до неслагања између нумеричких и измерених резултата. Међутим, осим ових потешкоћа, предложени прототип ММ низа има добре резултате због јаке корелације између симулације и експеримента, што га чини веома погодним за апликације бежичне комуникације испод 6 ГХз 5Г.
(а) Геометрија јединичне ћелије (С1 = 8 мм, С2 = 7 мм, С3 = 5 мм, ф1, ф2, ф4 = 0,5 мм, ф3 = 0,75 мм, х1 = 0,5 мм, х2 = 1,75 мм) (ЦСТ СТУДИО АПАРТМАН) ) 2019) (б) Фотографија мерне поставке ММ.
(а) Симулација и верификација криве параметара расејања прототипа метаматеријала. (б) Крива диелектричне константе јединичне ћелије ММ.
Релевантни ефективни параметри као што су ефективна диелектрична константа, магнетна пермеабилност и индекс преламања су проучавани коришћењем уграђених техника пост-процесирања ЦСТ електромагнетног симулатора да би се даље анализирало понашање ММ јединичне ћелије. Ефективни ММ параметри се добијају из параметара расејања коришћењем методе робусне реконструкције. Следеће једначине пропусности и коефицијента рефлексије: (3) и (4) се могу користити за одређивање индекса преламања и импедансе (видети 40).
Реални и имагинарни део оператора су представљени са (.)' и (.)” респективно, а целобројна вредност м одговара реалном индексу преламања. Диелектрична константа и пермеабилност одређују се формулама \(\варепсилон {} = {}н/з,\) и \(\му = нз\), које су засноване на импеданси и индексу преламања, респективно. Крива ефективне диелектричне константе ММ структуре је приказана на слици 5б. На резонантној фреквенцији ефективна диелектрична константа је негативна. На сликама 6а,б приказане су извучене вредности ефективне пермеабилности (μ) и ефективног индекса преламања (н) предложене јединичне ћелије. Посебно, екстраховане пермеабилности показују позитивне реалне вредности близу нуле, што потврђује епсилон-негативна (ЕНГ) својства предложене ММ структуре. Штавише, као што је приказано на слици 6а, резонанција при пермеабилности близу нуле је снажно повезана са резонантном фреквенцијом. Развијена јединична ћелија има негативан индекс преламања (слика 6б), што значи да се предложени ММ може користити за побољшање перформанси антене21,41.
Развијени прототип једне широкопојасне антене је произведен да експериментално тестира предложени дизајн. На сликама 7а,б приказане су слике предложеног прототипа појединачне антене, њених структурних делова и мерне поставке у блиском пољу (САТИМО). Да би се побољшале перформансе антене, развијена метаповршина се поставља у слојеве испод антене, као што је приказано на слици 8а, висине х. Једна двослојна метаповршина димензија 40 мм к 40 мм је примењена на задњој страни појединачне антене у интервалима од 12 мм. Поред тога, метаповршина са задњом плочом је постављена на задњој страни једне антене на растојању од 12 мм. Након примене метаповршине, појединачна антена показује значајно побољшање у перформансама, као што је приказано на сликама 1 и 2. Слике 8 и 9. Слика 8б приказује симулиране и измерене дијаграме рефлексије за једну антену без и са метаповршинама. Вреди напоменути да је опсег покривености антене са метаповршином веома сличан опсегу покривености антене без метаповршине. Слике 9а,б приказују поређење симулираног и посматраног појачања једне антене и укупне ефикасности без и са МС у радном спектру. Може се видети да је у поређењу са антеном која није метаповршина, појачање метаповршинске антене значајно побољшано, повећавајући се са 5,15 дБи на 8 дБи. Појачање једнослојне метаповршине, двослојне метаповршине и једне антене са метаповршином задње плоче повећано је за 6 дБи, 6,9 дБи и 8 дБи, респективно. У поређењу са другим метаповршинама (једнослојним и двослојним МЦ), појачање једноструке метаповршинске антене са бакарном задњом плочом је до 8 дБи. У овом случају, метаповршина делује као рефлектор, смањујући задње зрачење антене и манипулишући електромагнетним таласима у фази, чиме се повећава ефикасност зрачења антене, а самим тим и појачање. Студија укупне ефикасности једне антене без и са метаповршинама приказана је на слици 9б. Вреди напоменути да је ефикасност антене са и без метаповршине скоро иста. У доњем фреквентном опсегу ефикасност антене благо опада. Експерименталне и симулиране криве појачања и ефикасности се добро слажу. Међутим, постоје мале разлике између симулираних и тестираних резултата због грешака у производњи, толеранције мерења, губитка везе на СМА порту и губитка жице. Поред тога, антена и МС рефлектор се налазе између најлонских одстојника, што је још један проблем који утиче на уочене резултате у поређењу са резултатима симулације.
Слика (а) приказује комплетну једну антену и њене повезане компоненте. (б) Подешавање мерења блиског поља (САТИМО).
(а) Побуђивање антене коришћењем метаповршинских рефлектора (ЦСТ СТУДИО СУИТЕ 2019). (б) Симулиране и експерименталне рефлексије једне антене без и са МС.
Симулација и резултати мерења (а) постигнутог појачања и (б) укупне ефикасности предложене антене са метаповршинским ефектом.
Анализа узорка зрака помоћу МС. Мерења блиског поља са једном антеном су обављена у експерименталном окружењу САТИМО Неар-Фиелд УКМ САТИМО Неар-Фиелд Системс Лаборатори. Слике 10а, б приказују симулиране и посматране шеме зрачења у Е-равни и Х-равни на 5,5 ГХз за предложену једну антену са и без МС. Развијена појединачна антена (без МС) обезбеђује конзистентан двосмерни дијаграм зрачења са вредностима бочних режња. Након примене предложеног МС рефлектора, антена обезбеђује једносмерни дијаграм зрачења и смањује ниво задњих режњева, као што је приказано на сликама 10а, б. Вреди напоменути да је предложени дијаграм зрачења једне антене стабилнији и једносмернији са веома ниским задњим и бочним режњевима када се користи метаповршина са бакарном задњом плочом. Предложени рефлектор ММ низа смањује задњу и бочну режњу антене док побољшава перформансе зрачења усмеравањем струје у једносмерним правцима (слика 10а, б), чиме се повећава појачање и усмереност. Примећено је да је експериментални образац зрачења скоро упоредив са оним код ЦСТ симулација, али је незнатно варирао због неусклађености различитих састављених компоненти, толеранција мерења и губитака у кабловима. Поред тога, између антене и МС рефлектора уметнут је најлонски одстојник, што је још један проблем који утиче на посматране резултате у поређењу са нумеричким резултатима.
Симулиран је и тестиран дијаграм зрачења развијене појединачне антене (без МС и са МС) на фреквенцији од 5,5 ГХз.
Предложена геометрија МИМО антене приказана је на слици 11 и укључује четири појединачне антене. Четири компоненте МИМО антене су распоређене ортогонално једна према другој на подлози димензија 80 × 80 × 1,575 мм, као што је приказано на слици 11. Пројектована МИМО антена има међуелементно растојање од 22 мм, што је мање од најближе одговарајуће међуелементно растојање антене. МИМО антена развијена. Поред тога, део земаљске равни се налази на исти начин као и једна антена. Вредности рефлексије МИМО антена (С11, С22, С33 и С44) приказане на слици 12а показују исто понашање као једноелементна антена која резонује у опсегу 3,2–7,6 ГХз. Због тога је пропусни опсег импедансе МИМО антене потпуно исти као и код једне антене. Ефекат спајања између МИМО компоненти је главни разлог за мали губитак пропусног опсега МИМО антена. На слици 12б приказан је ефекат интерконекције на МИМО компоненте, где је одређена оптимална изолација између МИМО компоненти. Изолација између антена 1 и 2 је најнижа на око -13,6 дБ, а изолација између антена 1 и 4 је највиша на око -30,4 дБ. Због своје мале величине и ширег пропусног опсега, ова МИМО антена има мањи добитак и мањи проток. Изолација је ниска, па је потребно појачано ојачање и изолација;
Дизајнерски механизам предложене МИМО антене (а) поглед одозго и (б) уземљена раван. (ЦСТ Студио Суите 2019).
Геометријски распоред и метода побуде предложене метаповршинске МИМО антене приказани су на слици 13а. Матрица 10к10мм са димензијама 80к80к1.575мм је дизајнирана за задњу страну МИМО антене високе 12мм, као што је приказано на слици 13а. Поред тога, метаповршине са бакарним задњим плочама су намењене за употребу у МИМО антенама ради побољшања њихових перформанси. Удаљеност између метаповршине и МИМО антене је критична за постизање високог појачања, док истовремено дозвољава конструктивну интерференцију између таласа које генерише антена и оних који се рефлектују од метаповршине. Извршено је опсежно моделирање да би се оптимизовала висина између антене и метаповршине уз одржавање четвртталасних стандарда за максимално појачање и изолацију између МИМО елемената. Значајна побољшања у перформансама МИМО антене постигнута коришћењем метаповршина са задњим плочама у поређењу са метаповршинама без матичних плоча биће приказана у наредним поглављима.
(а) Подешавање ЦСТ симулације предложене МИМО антене користећи МС (ЦСТ СТУДИО СУИТЕ 2019), (б) Криве рефлексије развијеног МИМО система без МС и са МС.
Рефлексије МИМО антена са и без метаповршина приказане су на слици 13б, где су представљени С11 и С44 због скоро идентичног понашања свих антена у МИМО систему. Вреди напоменути да је пропусни опсег импедансе -10 дБ МИМО антене без и са једном метаповршином скоро исти. Насупрот томе, пропусни опсег импедансе предложене МИМО антене је побољшан помоћу двослојног МС-а и МС-а на задњој плочи. Вреди напоменути да без МС, МИМО антена обезбеђује делимичну ширину опсега од 81,5% (3,2-7,6 ГХз) у односу на централну фреквенцију. Интегрисање МС-а са задњом плочом повећава пропусни опсег импедансе предложене МИМО антене на 86,3% (3,08–7,75 ГХз). Иако двослојни МС повећава пропусност, побољшање је мање него код МС-а са бакарном задњом плочом. Штавише, двослојни МЦ повећава величину антене, повећава њену цену и ограничава њен домет. Дизајнирана МИМО антена и метаповршински рефлектор су произведени и верификовани за валидацију резултата симулације и процену стварних перформанси. На слици 14а приказан је израђени МС слој и МИМО антена са различитим састављеним компонентама, док је на слици 14б приказана фотографија развијеног МИМО система. МИМО антена је постављена на врх метаповршине помоћу четири најлонска одстојника, као што је приказано на слици 14б. Слика 15а приказује снимак експерименталне поставке у блиском пољу развијеног МИМО антенског система. ПНА мрежни анализатор (Агилент Тецхнологиес ПНА Н5227А) је коришћен за процену параметара расејања и за процену и карактеризацију карактеристика емисије блиског поља у лабораторији УКМ САТИМО Неар-Фиелд Системс Лаборатори.
(а) Фотографије САТИМО мерења у блиском пољу (б) Симулиране и експерименталне криве С11 МИМО антене са и без МС.
Овај одељак представља упоредну студију симулираних и посматраних С-параметара предложене 5Г МИМО антене. Слика 15б приказује експериментални дијаграм рефлексије интегрисане 4-елементне МИМО МС антене и упоређује је са резултатима ЦСТ симулације. Утврђено је да су експерименталне рефлексије исте као код ЦСТ прорачуна, али су се мало разликовале због грешака у производњи и експерименталних толеранција. Поред тога, уочена рефлексија предложеног МИМО прототипа заснованог на МС-у покрива 5Г спектар испод 6 ГХз са пропусним опсегом импедансе од 4,8 ГХз, што значи да су 5Г апликације могуће. Међутим, измерена резонантна фреквенција, пропусни опсег и амплитуда се незнатно разликују од резултата ЦСТ симулације. Дефекти у производњи, губици коаксијалне спреге на СМА и подешавања мерења на отвореном могу узроковати разлике између измерених и симулираних резултата. Међутим, упркос овим недостацима, предложени МИМО ради добро, пружајући јаку сагласност између симулација и мерења, што га чини веома погодним за 5Г бежичне апликације испод 6 ГХз.
Симулиране и посматране криве појачања МИМО антене приказане су на сликама 2 и 2. Као што је приказано на сликама 16а,б и 17а,б, приказана је међусобна интеракција МИМО компоненти. Када се метаповршине примењују на МИМО антене, изолација између МИМО антена је значајно побољшана. Графикони изолације између суседних антенских елемената С12, С14, С23 и С34 показују сличне криве, док дијагоналне МИМО антене С13 и С42 показују слично високу изолацију због веће удаљености између њих. Симулиране карактеристике преноса суседних антена су приказане на слици 16а. Вреди напоменути да је у 5Г радном спектру испод 6 ГХз минимална изолација МИМО антене без метаповршине -13,6 дБ, а за метаповршину са задњом плочом – 15,5 дБ. Графикон појачања (Слика 16а) показује да метаповршина задње плоче значајно побољшава изолацију између елемената МИМО антене у поређењу са једнослојним и двослојним метаповршинама. На суседним антенским елементима, једнослојне и двослојне метаповршине обезбеђују минималну изолацију од приближно -13,68 дБ и -14,78 дБ, а бакарна метаповршина задње плоче обезбеђује приближно -15,5 дБ.
Симулиране криве изолације МИМО елемената без МС слоја и са МС слојем: (а) С12, С14, С34 и С32 и (б) С13 и С24.
Експерименталне криве појачања предложених МС базираних МИМО антена без и са: (а) С12, С14, С34 и С32 и (б) С13 и С24.
Дијагонале МИМО дијагоналног појачања антене пре и после додавања МС слоја су приказане на слици 16б. Вреди напоменути да је минимална изолација између дијагоналних антена без метаповршине (антене 1 и 3) – 15,6 дБ по радном спектру, а метаповршине са задњом плочом – 18 дБ. Метасурфаце приступ значајно смањује ефекте спајања између дијагоналних МИМО антена. Максимална изолација за једнослојну метаповршину је -37 дБ, док за двослојну метаповршину ова вредност пада на -47 дБ. Максимална изолација метаповршине са бакарном задњом плочом је −36,2 дБ, која се смањује са повећањем фреквентног опсега. У поређењу са једнослојним и двослојним метаповршинама без позадинске плоче, метаповршине са задњом плочом обезбеђују супериорну изолацију у целом потребном опсегу радних фреквенција, посебно у опсегу 5Г испод 6 ГХз, као што је приказано на сликама 16а, б. У најпопуларнијем и најшире коришћеном опсегу 5Г испод 6 ГХз (3,5 ГХз), једнослојне и двослојне метаповршине имају нижу изолацију између МИМО компоненти него метаповршине са бакарним задњим плочама (скоро да нема МС) (види слику 16а), б). Мерења појачања су приказана на сликама 17а, б, приказујући изолацију суседних антена (С12, С14, С34 и С32) и дијагоналних антена (С24 и С13), респективно. Као што се може видети из ових слика (слика 17а, б), експериментална изолација између МИМО компоненти се добро слаже са симулираном изолацијом. Иако постоје мање разлике између симулираних и измерених вредности ЦСТ-а због грешака у производњи, прикључака СМА порта и губитака жице. Поред тога, антена и МС рефлектор се налазе између најлонских одстојника, што је још један проблем који утиче на уочене резултате у поређењу са резултатима симулације.
проучавао расподелу површинске струје на 5,5 ГХз да би рационализовао улогу метаповршина у смањењу међусобног спајања кроз потискивање површинских таласа42. Расподела површинске струје предложене МИМО антене је приказана на слици 18, где је антена 1 погоњена, а остатак антене је завршен оптерећењем од 50 ома. Када је антена 1 под напоном, значајне струје међусобног спајања ће се појавити на суседним антенама на 5,5 ГХз у одсуству метаповршине, као што је приказано на слици 18а. Напротив, коришћењем метаповршина, као што је приказано на слици 18б–д, изолација између суседних антена је побољшана. Треба напоменути да се ефекат међусобног спајања суседних поља може минимизирати пропагирањем струје спреге на суседне прстенове јединичних ћелија и суседних МС јединичних ћелија дуж МС слоја у антипаралелним правцима. Убризгавање струје са дистрибуираних антена на МС јединице је кључни метод за побољшање изолације између МИМО компоненти. Као резултат тога, струја спајања између МИМО компоненти је знатно смањена, а изолација је такође значајно побољшана. Пошто је поље спајања широко распоређено у елементу, бакарна метаповршина задње плоче изолује склоп МИМО антене знатно више од једнослојних и двослојних метаповршина (слика 18д). Штавише, развијена МИМО антена има веома ниско назадно и бочно ширење, стварајући једносмерни образац зрачења, чиме се повећава појачање предложене МИМО антене.
Обрасци површинске струје предложене МИМО антене на 5,5 ГХз (а) без МЦ, (б) једнослојни МЦ, (ц) двослојни МЦ и (д) једнослојни МЦ са бакарном задњом плочом. (ЦСТ Студио Суите 2019).
У оквиру радне фреквенције, Слика 19а приказује симулиране и уочене појачања пројектоване МИМО антене без и са метаповршинама. Симулирано постигнуто појачање МИМО антене без метаповршине је 5,4 дБи, као што је приказано на слици 19а. Због ефекта међусобног спајања између МИМО компоненти, предложена МИМО антена заправо постиже 0,25 дБи веће појачање од једне антене. Додавање метаповршина може обезбедити значајне добитке и изолацију између МИМО компоненти. Дакле, предложена метаповршинска МИМО антена може постићи високо остварено појачање до 8,3 дБи. Као што је приказано на слици 19а, када се користи једна метаповршина на задњој страни МИМО антене, појачање се повећава за 1,4 дБи. Када се метаповршина удвостручи, појачање се повећава за 2,1 дБи, као што је приказано на слици 19а. Међутим, очекивано максимално појачање од 8,3 дБи се постиже када се користи метаповршина са бакарном задњом плочом. Приметно је да је максимално постигнуто појачање за једнослојне и двослојне метаповршине 6,8 дБи и 7,5 дБи, респективно, док је максимално постигнуто појачање за метаповршину доњег слоја 8,3 дБи. Метаповршински слој на задњој страни антене делује као рефлектор, рефлектујући зрачење са задње стране антене и побољшавајући однос напред-назад (Ф/Б) пројектоване МИМО антене. Поред тога, МС рефлектор високе импедансе манипулише електромагнетним таласима у фази, стварајући на тај начин додатну резонанцију и побољшавајући перформансе зрачења предложене МИМО антене. МС рефлектор уграђен иза МИМО антене може значајно повећати постигнуто појачање, што потврђују експериментални резултати. Посматрано и симулирано појачање развијене прототипа МИМО антене је скоро исто, међутим, на неким фреквенцијама је измерено појачање веће од симулираног појачања, посебно за МИМО без МС; Ове варијације у експерименталном појачању су последица толеранција мерења најлонских јастучића, губитака у каблу и спајања у систему антене. Максимално измерено појачање МИМО антене без метаповршине је 5,8 дБи, док је метаповршина са бакарном задњом плочом 8,5 дБи. Вреди напоменути да предложени комплетан МИМО антенски систем са 4 порта са МС рефлектором показује велико појачање у експерименталним и нумеричким условима.
Симулација и експериментални резултати (а) постигнутог појачања и (б) укупних перформанси предложене МИМО антене са ефектом метаповршине.
Слика 19б приказује укупне перформансе предложеног МИМО система без и са метаповршинским рефлекторима. На слици 19б, најнижа ефикасност коришћењем МС-а са задњом плочом била је преко 73% (на 84%). Укупна ефикасност развијених МИМО антена без МЦ и са МЦ је скоро иста са мањим разликама у односу на симулиране вредности. Разлози за то су толеранције мерења и употреба одстојника између антене и МС рефлектора. Измерени постигнути добитак и укупна ефикасност на целој фреквенцији су скоро слични резултатима симулације, што указује да су перформансе предложеног МИМО прототипа очекиване и да је препоручена МИМО антена заснована на МС погодна за 5Г комуникације. Због грешака у експерименталним студијама, постоје разлике између укупних резултата лабораторијских експеримената и резултата симулација. На перформансе предложеног прототипа утичу неусклађеност импедансе између антене и СМА конектора, губици при спајању коаксијалног кабла, ефекти лемљења и близина различитих електронских уређаја експерименталној поставци.
Слика 20 описује напредак пројектовања и оптимизације наведене антене у облику блок дијаграма. Овај блок дијаграм даје корак по корак опис предложених принципа дизајна МИМО антене, као и параметара који играју кључну улогу у оптимизацији антене да би се постигло потребно велико појачање и висока изолација на широкој радној фреквенцији.
Мерења МИМО антене у блиском пољу су мерена у САТИМО експерименталном окружењу блиског поља у Лабораторији за системе блиског поља УКМ САТИМО. Слике 21а,б приказују симулиране и посматране дијаграме зрачења у Е-равни и Х-равни МИМО антене са и без МС на радној фреквенцији од 5,5 ГХз. У опсегу радне фреквенције од 5,5 ГХз, развијена не-МС МИМО антена обезбеђује конзистентан двосмерни образац зрачења са вредностима бочних режња. Након примене МС рефлектора, антена даје једносмерни дијаграм зрачења и смањује ниво задњих режњева, као што је приказано на сликама 21а, б. Вреди напоменути да је коришћењем метаповршине са бакарном задњом плочом, предложени МИМО шаблон антене стабилнији и једносмернији него без МС, са веома ниским задњим и бочним режњевима. Предложени рефлектор ММ низа смањује задње и бочне режњеве антене и такође побољшава карактеристике зрачења усмеравањем струје у једносмерном смеру (слика 21а, б), чиме се повећава појачање и усмереност. Измерени образац зрачења је добијен за порт 1 са оптерећењем од 50 ома спојеним на преостале портове. Примећено је да је експериментални образац зрачења скоро идентичан оном који је симулирао ЦСТ, иако је било неких одступања због неусклађености компоненти, рефлексије са терминалних прикључака и губитака у кабловским везама. Поред тога, између антене и МС рефлектора уметнут је најлонски одстојник, што је још један проблем који утиче на уочене резултате у поређењу са предвиђеним резултатима.
Симулиран је и тестиран дијаграм зрачења развијене МИМО антене (без МС и са МС) на фреквенцији од 5,5 ГХз.
Важно је напоменути да су изолација портова и његове повезане карактеристике од суштинског значаја за процену перформанси МИМО система. Перформансе диверзитета предложеног МИМО система, укључујући коефицијент корелације омотача (ЕЦЦ) и диверзитетско појачање (ДГ), испитане су да би се илустровала робусност пројектованог МИМО антенског система. ЕЦЦ и ДГ МИМО антене се могу користити за процену њених перформанси јер су важни аспекти перформанси МИМО система. Следећи одељци ће детаљно описати ове карактеристике предложене МИМО антене.
Коефицијент корелације омотача (ЕЦЦ). Када се разматра било који МИМО систем, ЕЦЦ одређује степен до којег саставни елементи корелирају једни са другима у погледу њихових специфичних својстава. Дакле, ЕЦЦ показује степен изолације канала у бежичној комуникационој мрежи. ЕЦЦ (коефицијент корелације омотача) развијеног МИМО система може се одредити на основу С-параметара и емисије далеког поља. Из Ек. (7) и (8) може се одредити ЕЦЦ предложене МИМО антене 31.
Коефицијент рефлексије је представљен са Сии, а Сиј представља коефицијент преноса. Тродимензионални дијаграм зрачења ј-те и и-те антене дати су изразима \(\вец{Р}_{ј} \лефт( {\тхета ,\варпхи} \десно)\) и \( \вец {{Р_{ и } }} Пуни угао представљен са \лефт( {\тхета ,\варпхи } \ригхт)\) и \({\Омега }\). ЕЦЦ крива предложене антене приказана је на слици 22а и њена вредност је мања од 0,004, што је знатно испод прихватљиве вредности од 0,5 за бежични систем. Стога, смањена ЕЦЦ вредност значи да предложени МИМО систем са 4 порта пружа супериорну разноликост43.
Диверсити Гаин (ДГ) ДГ је још једна метрика перформанси МИМО система која описује како шема диверзитета утиче на снагу зрачења. Релација (9) одређује ДГ МИМО антенског система који се развија, као што је описано у 31.
Слика 22б приказује ДГ дијаграм предложеног МИМО система, где је вредност ДГ веома близу 10 дБ. ДГ вредности свих антена пројектованог МИМО система прелазе 9,98 дБ.
Табела 1 упоређује предложену метаповршинску МИМО антену са недавно развијеним сличним МИМО системима. Поређење узима у обзир различите параметре перформанси, укључујући пропусни опсег, појачање, максималну изолацију, укупну ефикасност и разноврсност перформанси. Истраживачи су представили различите прототипове МИМО антена са техникама побољшања појачања и изолације у 5, 44, 45, 46, 47. У поређењу са претходно објављеним радовима, предложени МИМО систем са метаповршинским рефлекторима их надмашује у погледу пропусног опсега, појачања и изолације. Поред тога, у поређењу са сличним антенама које су објављене, развијени МИМО систем показује супериорне перформансе диверзитета и укупну ефикасност при мањој величини. Иако антене описане у одељку 5.46 имају већу изолацију од наших предложених антена, ове антене пате од велике величине, малог појачања, уског пропусног опсега и лоших МИМО перформанси. МИМО антена са 4 порта предложена у 45 показује високо појачање и ефикасност, али њен дизајн има ниску изолацију, велику величину и лоше перформансе диверзитета. С друге стране, антенски систем мале величине предложен у 47 има веома ниско појачање и радни пропусни опсег, док наш предложени МИМО систем са 4 порта заснован на МС-у показује малу величину, велико појачање, високу изолацију и боље перформансе МИМО. Стога, предложена метаповршинска МИМО антена може постати главни кандидат за 5Г комуникационе системе испод 6 ГХз.
Предложена је широкопојасна МИМО антена са четири порта заснована на метаповршинском рефлектору са високим појачањем и изолацијом да подржи 5Г апликације испод 6 ГХз. Микротракаста линија напаја квадратни зрачи пресек, који је скраћен квадратом на дијагоналним угловима. Предложени МС и антенски емитер су имплементирани на материјалима супстрата сличним Рогерс РТ5880 да би се постигле одличне перформансе у 5Г комуникационим системима велике брзине. МИМО антена има широк домет и високо појачање, и обезбеђује звучну изолацију између МИМО компоненти и одличну ефикасност. Развијена појединачна антена има минијатурне димензије 0,58?0,58?0,02? са 5×5 метасурфаце низом, обезбеђује широк радни пропусни опсег од 4,56 ГХз, вршно појачање од 8 дБи и супериорну измерену ефикасност. Предложена МИМО антена са четири порта (2 × 2 низ) је дизајнирана ортогоналним поравнавањем сваке предложене појединачне антене са другом антеном димензија 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Препоручује се склапање низа 10×10 ММ испод МИМО антене високе 12 мм, која може смањити повратно зрачење и смањити међусобну спрегу између МИМО компоненти, чиме се побољшава појачање и изолација. Експериментални и резултати симулације показују да развијени МИМО прототип може да ради у широком фреквентном опсегу од 3,08–7,75 ГХз, покривајући 5Г спектар испод 6 ГХз. Поред тога, предложена МИМО антена заснована на МС побољшава своје појачање за 2,9 дБи, постижући максимално појачање од 8,3 дБи, и пружа одличну изолацију (>15,5 дБ) између МИМО компоненти, потврђујући допринос МС-а. Поред тога, предложена МИМО антена има високу просечну укупну ефикасност од 82% и ниско међуелементно растојање од 22 мм. Антена показује одличне перформансе МИМО диверзитета укључујући веома висок ДГ (преко 9,98 дБ), веома низак ЕЦЦ (мање од 0,004) и једносмерни дијаграм зрачења. Резултати мерења су веома слични резултатима симулације. Ове карактеристике потврђују да развијени МИМО антенски систем са четири прикључка може бити одржив избор за 5Г комуникационе системе у фреквенцијском опсегу испод 6 ГХз.
Цовин може да обезбеди широкопојасну ПЦБ антену од 400-6000МХз и подршку за дизајнирање нове антене према вашим захтевима, контактирајте нас без оклевања ако имате било какав захтев.
Време поста: 10.10.2024