Ovaj rad predlaže kompaktnu integriranu multi-input multi-output (MIMO) metasurface (MS) širokopojasnu antenu za bežične komunikacijske sustave pete generacije (5G) ispod 6 GHz. Očigledna novost predloženog MIMO sustava je njegova široka radna širina pojasa, visoko pojačanje, mali međukomponentni razmaci i izvrsna izolacija unutar MIMO komponenti. Točka zračenja antene je dijagonalno skraćena, djelomično uzemljena, a metapovršine se koriste za poboljšanje performansi antene. Predloženi prototip integrirane pojedinačne MS antene ima minijaturne dimenzije od 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Rezultati simulacije i mjerenja pokazuju širokopojasne performanse od 3,11 GHz do 7,67 GHz, uključujući najveće postignuto pojačanje od 8 dBi. Četveroelementni MIMO sustav dizajniran je tako da je svaka antena ortogonalna jedna na drugu, a istovremeno zadržava kompaktnu veličinu i širokopojasne performanse od 3,2 do 7,6 GHz. Predloženi MIMO prototip dizajniran je i proizveden na podlozi Rogers RT5880 s malim gubicima i minijaturiziranim dimenzijama od 1,05? 1,05? 0,02?, a njegova se izvedba procjenjuje korištenjem predloženog četvrtastog rezonatorskog niza zatvorenog prstena s 10 x 10 podijeljenim prstenom. Osnovni materijal je isti. Predložena metapovršina zadnje ploče značajno smanjuje povratno zračenje antene i manipulira elektromagnetskim poljima, čime se poboljšava propusnost, pojačanje i izolacija MIMO komponenti. U usporedbi s postojećim MIMO antenama, predložena 4-portna MIMO antena postiže visoko pojačanje od 8,3 dBi s prosječnom ukupnom učinkovitošću do 82% u 5G pojasu ispod 6 GHz i dobro se slaže s izmjerenim rezultatima. Štoviše, razvijena MIMO antena pokazuje izvrsne performanse u smislu koeficijenta korelacije ovojnice (ECC) manjeg od 0,004, pojačanja raznolikosti (DG) od oko 10 dB (>9,98 dB) i visoke izolacije između MIMO komponenti (>15,5 dB). karakteristike. Stoga predložena MIMO antena temeljena na MS-u potvrđuje svoju primjenjivost za 5G komunikacijske mreže ispod 6 GHz.
5G tehnologija je nevjerojatan napredak u bežičnim komunikacijama koji će omogućiti brže i sigurnije mreže za milijarde povezanih uređaja, pružiti korisnička iskustva s "nultom" latencijom (latencija manja od 1 milisekunde) i uvesti nove tehnologije, uključujući elektroniku. Medicinska skrb, intelektualno obrazovanje. , pametni gradovi, pametni domovi, virtualna stvarnost (VR), pametne tvornice i Internet vozila (IoV) mijenjaju naše živote, društvo i industrije1,2,3. Savezna komisija za komunikacije SAD-a (FCC) dijeli 5G spektar na četiri frekvencijska pojasa4. Frekvencijski pojas ispod 6 GHz zanimljiv je istraživačima jer omogućuje komunikaciju na velikim udaljenostima s visokim brzinama prijenosa podataka5,6. Dodjela spektra ispod 6 GHz 5G za globalne 5G komunikacije prikazana je na slici 1, što pokazuje da sve zemlje razmatraju spektar ispod 6 GHz za 5G komunikacije7,8. Antene su važan dio 5G mreža i zahtijevat će više antena baznih stanica i korisničkih terminala.
Mikrotrakaste patch antene imaju prednosti tankosti i ravne strukture, ali su ograničene u propusnosti i pojačanju9,10, pa je učinjeno mnogo istraživanja kako bi se povećala dobit i propusnost antene; Posljednjih godina, metapovršine (MS) naširoko su korištene u antenskim tehnologijama, posebno za poboljšanje pojačanja i propusnosti11,12, međutim, te su antene ograničene na jedan priključak; MIMO tehnologija je važan aspekt bežičnih komunikacija jer može koristiti više antena istovremeno za prijenos podataka, čime se poboljšava brzina prijenosa podataka, spektralna učinkovitost, kapacitet kanala i pouzdanost13,14,15. MIMO antene potencijalni su kandidati za 5G aplikacije jer mogu prenositi i primati podatke preko više kanala bez potrebe za dodatnom snagom16,17. Učinak međusobnog spajanja između MIMO komponenti ovisi o lokaciji MIMO elemenata i pojačanju MIMO antene, što je veliki izazov za istraživače. Slike 18, 19 i 20 prikazuju različite MIMO antene koje rade u 5G pojasu ispod 6 GHz, a sve pokazuju dobru MIMO izolaciju i performanse. Međutim, pojačanje i radna propusnost ovih predloženih sustava su niski.
Metamaterijali (MM) su novi materijali koji ne postoje u prirodi i mogu manipulirati elektromagnetskim valovima, čime se poboljšavaju performanse antena21,22,23,24. MM se sada naširoko koristi u antenskoj tehnologiji za poboljšanje dijagrama zračenja, propusnosti, pojačanja i izolacije između antenskih elemenata i bežičnih komunikacijskih sustava, kao što je objašnjeno u 25, 26, 27, 28. Godine 2029., MIMO sustav s četiri elementa temeljen na metasurface, u kojem je dio antene stisnut između metasurfacea i tla bez zračnog raspora, što poboljšava performanse MIMO. Međutim, ovaj dizajn ima veću veličinu, nižu radnu frekvenciju i složenu strukturu. Elektromagnetski pojasni razmak (EBG) i petlja uzemljenja uključeni su u predloženu 2-portnu širokopojasnu MIMO antenu kako bi se poboljšala izolacija MIMO30 komponenti. Dizajnirana antena ima dobre performanse MIMO raznolikosti i izvrsnu izolaciju između dvije MIMO antene, ali korištenjem samo dvije MIMO komponente dobitak će biti nizak. Osim toga, in31 je također predložio ultraširokopojasnu (UWB) dual-port MIMO antenu i istražio njenu MIMO izvedbu koristeći metamaterijale. Iako je ova antena sposobna za UWB rad, njen dobitak je nizak, a izolacija između dvije antene je loša. Rad u 32 predlaže 2-portni MIMO sustav koji koristi reflektore s elektromagnetskim razmakom pojasa (EBG) za povećanje pojačanja. Iako razvijeni antenski niz ima visok dobitak i dobre performanse MIMO raznolikosti, njegova velika veličina otežava primjenu u komunikacijskim uređajima sljedeće generacije. Druga širokopojasna antena zasnovana na reflektoru razvijena je 33. godine, gdje je reflektor integriran ispod antene s većim razmakom od 22 mm, pokazujući niži vršni dobitak od 4,87 dB. Paper 34 dizajnira četveroportnu MIMO antenu za mmWave aplikacije, koja je integrirana s MS slojem radi poboljšanja izolacije i pojačanja MIMO sustava. Međutim, ova antena pruža dobar dobitak i izolaciju, ali ima ograničenu propusnost i loša mehanička svojstva zbog velikog zračnog raspora. Slično, 2015. razvijena je MIMO antena s tri para i 4 priključka u obliku leptir-mašne s integriranom metapovršinom za mmWave komunikaciju s maksimalnim pojačanjem od 7,4 dBi. B36 MS koristi se na stražnjoj strani 5G antene za povećanje pojačanja antene, gdje metapovršina djeluje kao reflektor. Međutim, MS struktura je asimetrična i manje je pažnje posvećeno strukturi jedinične ćelije.
Prema gore navedenim rezultatima analize, nijedna od gore navedenih antena nema visok dobitak, izvrsnu izolaciju, MIMO performanse i širokopojasnu pokrivenost. Stoga još uvijek postoji potreba za metasurface MIMO antenom koja može pokriti široki raspon frekvencija 5G spektra ispod 6 GHz s visokim pojačanjem i izolacijom. Uzimajući u obzir ograničenja gore navedene literature, širokopojasni četveroelementni MIMO antenski sustav s velikim pojačanjem i izvrsnim performansama raznolikosti predlaže se za bežične komunikacijske sustave ispod 6 GHz. Osim toga, predložena MIMO antena pokazuje izvrsnu izolaciju između MIMO komponenti, male razmake između elemenata i visoku učinkovitost zračenja. Antena je skraćena dijagonalno i postavljena na vrh metapovršine sa zračnim rasporom od 12 mm, koji odbija zračenje od antene i poboljšava pojačanje i usmjerenost antene. Osim toga, predložena jedna antena koristi se za stvaranje MIMO antene s četiri elementa s vrhunskim MIMO performansama postavljanjem svake antene ortogonalno jedna na drugu. Razvijena MIMO antena zatim je integrirana na vrh 10 × 10 MS niza s bakrenom stražnjom pločom kako bi se poboljšale performanse emisije. Dizajn ima širok radni raspon (3,08-7,75 GHz), visok dobitak od 8,3 dBi i visoku prosječnu ukupnu učinkovitost od 82%, kao i izvrsnu izolaciju veću od -15,5 dB između komponenti MIMO antene. Razvijena MIMO antena temeljena na MS-u simulirana je pomoću 3D elektromagnetskog softverskog paketa CST Studio 2019 i potvrđena kroz eksperimentalne studije.
Ovaj odjeljak daje detaljan uvod u predloženu arhitekturu i metodologiju projektiranja jedne antene. Osim toga, detaljno se raspravlja o simuliranim i promatranim rezultatima, uključujući parametre raspršenja, pojačanje i ukupnu učinkovitost sa i bez metapovršina. Prototip antene razvijen je na Rogers 5880 dielektričnoj podlozi s malim gubicima debljine 1,575 mm s dielektričnom konstantom od 2,2. Za razvoj i simulaciju dizajna korišten je paket elektromagnetskog simulatora CST studio 2019.
Slika 2 prikazuje predloženu arhitekturu i model dizajna jednoelementne antene. Prema dobro utvrđenim matematičkim jednadžbama37, antena se sastoji od linearno napajane kvadratne točke koja zrači i bakrene uzemljene ravnine (kao što je opisano u koraku 1) i rezonira s vrlo uskim pojasom na 10,8 GHz, kao što je prikazano na slici 3b. Početna veličina radijatora antene određena je sljedećim matematičkim odnosom37:
Gdje su \(P_{L}\) i \(P_{w}\) duljina i širina mrlje, c predstavlja brzinu svjetlosti, \(\gamma_{r}\) je dielektrična konstanta supstrata . , \(\gamma_{reff }\) predstavlja efektivnu dielektričnu vrijednost točke zračenja, \(\Delta L\) predstavlja promjenu duljine točke. Stražnja ploča antene je optimizirana u drugom stupnju, povećavajući širinu pojasa impedancije unatoč vrlo niskoj širini pojasa impedancije od 10 dB. U trećoj fazi, položaj dovoda se pomiče udesno, što poboljšava širinu pojasa impedancije i usklađivanje impedancije predložene antene38. U ovoj fazi, antena pokazuje izvrsnu radnu širinu pojasa od 4 GHz i također pokriva spektar ispod 6 GHz u 5G. Četvrta i posljednja faza uključuje graviranje četvrtastih žljebova u suprotnim kutovima točke zračenja. Ovaj utor značajno proširuje propusni opseg od 4,56 GHz kako bi pokrio 5G spektar ispod 6 GHz od 3,11 GHz do 7,67 GHz, kao što je prikazano na slici 3b. Prednji i donji pogled u perspektivi predloženog dizajna prikazan je na slici 3a, a konačni optimizirani potrebni projektni parametri su sljedeći: 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) Pogled odozgo i straga na dizajniranu jednu antenu (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Krivulja S-parametra.
Metapovršina je pojam koji se odnosi na periodički niz jediničnih ćelija smještenih na određenoj udaljenosti jedna od druge. Metapovršine su učinkovit način za poboljšanje performansi zračenja antene, uključujući propusnost, pojačanje i izolaciju između MIMO komponenti. Zbog utjecaja širenja površinskih valova, metapovršine stvaraju dodatne rezonancije koje pridonose poboljšanoj izvedbi antene39. Ovaj rad predlaže jedinicu epsilon-negativnog metamaterijala (MM) koja radi u 5G pojasu ispod 6 GHz. MM s površinom od 8 mm × 8 mm razvijen je na podlozi Rogers 5880 s malim gubicima s dielektričnom konstantom od 2,2 i debljinom od 1,575 mm. Optimizirana MM rezonatorska zakrpa sastoji se od unutarnjeg kružnog razdjelnog prstena povezanog s dva modificirana vanjska razdvojena prstena, kao što je prikazano na slici 4a. Slika 4a sažima konačne optimizirane parametre predložene postavke MM-a. Naknadno su razvijeni metapovršinski slojevi 40 × 40 mm i 80 × 80 mm bez bakrene stražnje ploče i s bakrenom stražnjom pločom korištenjem nizova ćelija 5 × 5 odnosno 10 × 10 . Predložena MM struktura modelirana je pomoću softvera za 3D elektromagnetsko modeliranje "CST studio suite 2019". Izrađeni prototip predložene strukture MM niza i postava mjerenja (mrežni analizator s dva priključka PNA i valovodni priključak) prikazan je na slici 4b za provjeru valjanosti rezultata CST simulacije analizom stvarnog odziva. Postavka mjerenja koristila je mrežni analizator serije Agilent PNA u kombinaciji s dva koaksijalna adaptera valovoda (A-INFOMW, broj dijela: 187WCAS) za slanje i primanje signala. Prototip 5×5 polja postavljen je između dva valovodna koaksijalna adaptera spojena koaksijalnim kabelom na dvoportni mrežni analizator (Agilent PNA N5227A). Komplet za kalibraciju Agilent N4694-60001 koristi se za kalibraciju mrežnog analizatora u pilot postrojenju. Simulirani i CST promatrani parametri raspršenja predloženog prototipa MM niza prikazani su na slici 5a. Može se vidjeti da predložena MM struktura rezonira u 5G frekvencijskom rasponu ispod 6 GHz. Unatoč maloj razlici u propusnosti od 10 dB, simulirani i eksperimentalni rezultati vrlo su slični. Rezonantna frekvencija, širina pojasa i amplituda opažene rezonancije malo se razlikuju od simuliranih, kao što je prikazano na slici 5a. Ove razlike između opaženih i simuliranih rezultata posljedica su proizvodnih nedostataka, malih razmaka između prototipa i otvora valovoda, učinaka spajanja između otvora valovoda i komponenti niza i tolerancije mjerenja. Osim toga, pravilno postavljanje razvijenog prototipa između otvora valovoda u eksperimentalnoj postavi može rezultirati pomakom rezonancije. Osim toga, uočena je neželjena buka tijekom faze kalibracije, što je dovelo do odstupanja između numeričkih i izmjerenih rezultata. Međutim, osim ovih poteškoća, predloženi prototip MM polja ima dobru izvedbu zbog jake korelacije između simulacije i eksperimenta, što ga čini vrlo prikladnim za 5G bežične komunikacijske aplikacije ispod 6 GHz.
(a) Geometrija jedinične ćelije (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) Fotografija MM mjerne postavke.
(a) Simulacija i verifikacija krivulja parametara raspršenja prototipa metamaterijala. (b) Krivulja dielektrične konstante MM jedinične ćelije.
Relevantni efektivni parametri kao što su efektivna dielektrična konstanta, magnetska permeabilnost i indeks loma proučavani su korištenjem ugrađenih tehnika naknadne obrade CST elektromagnetskog simulatora za daljnju analizu ponašanja MM jedinične ćelije. Efektivni parametri MM dobiveni su iz parametara raspršenja pomoću metode robusne rekonstrukcije. Sljedeće jednadžbe koeficijenta propusnosti i refleksije: (3) i (4) mogu se koristiti za određivanje indeksa loma i impedancije (vidi 40).
Realni i imaginarni dio operatora predstavljeni su redom (.)' i (.)”, a cjelobrojna vrijednost m odgovara stvarnom indeksu loma. Dielektrična konstanta i propusnost određuju se formulama \(\varepsilon { } = { }n/z,\) i \(\mu = nz\), koje se temelje na impedanciji odnosno indeksu loma. Krivulja efektivne dielektrične konstante MM strukture prikazana je na slici 5b. Na rezonantnoj frekvenciji efektivna dielektrična konstanta je negativna. Slike 6a,b prikazuju ekstrahirane vrijednosti efektivne propusnosti (μ) i efektivnog indeksa loma (n) predložene jedinične ćelije. Značajno je da ekstrahirane propusnosti pokazuju pozitivne stvarne vrijednosti blizu nule, što potvrđuje epsilon-negativna (ENG) svojstva predložene MM strukture. Štoviše, kao što je prikazano na slici 6a, rezonancija pri propusnosti blizu nule snažno je povezana s rezonantnom frekvencijom. Razvijena jedinična ćelija ima negativan indeks loma (slika 6b), što znači da se predloženi MM može koristiti za poboljšanje performansi antene21,41.
Razvijeni prototip jedne širokopojasne antene proizveden je za eksperimentalno testiranje predloženog dizajna. Slike 7a,b prikazuju slike predloženog prototipa pojedinačne antene, njezinih strukturnih dijelova i postava za mjerenje bliskog polja (SATIMO). Kako bi se poboljšala izvedba antene, razvijena metapovršina postavljena je u slojevima ispod antene, kao što je prikazano na slici 8a, s visinom h. Jedna dvoslojna metapovršina dimenzija 40 mm x 40 mm primijenjena je na stražnju stranu jedne antene u intervalima od 12 mm. Osim toga, metapovršina s stražnjom pločom postavljena je na stražnju stranu pojedinačne antene na udaljenosti od 12 mm. Nakon primjene metapovršine, pojedinačna antena pokazuje značajno poboljšanje performansi, kao što je prikazano na slikama 1 i 2. Slike 8 i 9. Slika 8b prikazuje simulirane i izmjerene dijagrame refleksije za pojedinačnu antenu bez i s metapovršinama. Vrijedno je napomenuti da je pojas pokrivenosti antene s metapovršinom vrlo sličan pojasu pokrivanja antene bez metapovršine. Slike 9a,b prikazuju usporedbu simuliranog i promatranog dobitka jedne antene i ukupne učinkovitosti bez i s MS-om u radnom spektru. Može se vidjeti da je, u usporedbi s nemetapovršinskom antenom, pojačanje metapovršinske antene značajno poboljšano, povećavajući se s 5,15 dBi na 8 dBi. Dobitak jednoslojne metapovršine, dvoslojne metapovršine i jednostruke antene s metapovršinom stražnje ploče povećao se za 6 dBi, 6,9 dBi, odnosno 8 dBi. U usporedbi s drugim metapovršinama (jednoslojni i dvoslojni MC-ovi), pojačanje jedne metapovršinske antene s bakrenom stražnjom pločom iznosi do 8 dBi. U ovom slučaju, metapovršina djeluje kao reflektor, smanjujući povratno zračenje antene i manipulirajući elektromagnetskim valovima u fazi, čime se povećava učinkovitost zračenja antene, a time i dobitak. Studija ukupne učinkovitosti jedne antene bez i s metapovršinama prikazana je na slici 9b. Vrijedno je napomenuti da je učinkovitost antene sa i bez metapovršine gotovo ista. U nižem frekvencijskom području, učinkovitost antene malo opada. Eksperimentalna i simulirana krivulja pojačanja i učinkovitosti dobro se slažu. Međutim, postoje male razlike između simuliranih i testiranih rezultata zbog grešaka u proizvodnji, tolerancija mjerenja, gubitka veze SMA priključka i gubitka žice. Osim toga, antena i MS reflektor nalaze se između najlonskih odstojnika, što je još jedan problem koji utječe na promatrane rezultate u usporedbi s rezultatima simulacije.
Slika (a) prikazuje dovršenu jednu antenu i njene povezane komponente. (b) Postavka mjerenja bliskog polja (SATIMO).
(a) Pobuđivanje antene pomoću metapovršinskih reflektora (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Simulirane i eksperimentalne refleksije jedne antene bez i s MS-om.
Rezultati simulacije i mjerenja (a) postignutog pojačanja i (b) ukupne učinkovitosti predložene antene s efektom metapovršine.
Analiza uzorka snopa pomoću MS-a. Mjerenja bliskog polja s jednom antenom provedena su u eksperimentalnom okruženju SATIMO Near-Field Experimental Environment UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Slike 10a, b prikazuju simulirane i promatrane uzorke zračenja u E-ravnini i H-ravnini na 5,5 GHz za predloženu jednu antenu sa i bez MS-a. Razvijena jedna antena (bez MS-a) pruža konzistentan dvosmjerni uzorak zračenja s vrijednostima bočnog snopa. Nakon primjene predloženog MS reflektora, antena daje jednosmjerni dijagram zračenja i smanjuje razinu stražnjih snopova, kao što je prikazano na slikama 10a, b. Vrijedno je napomenuti da je predloženi uzorak zračenja jedne antene stabilniji i jednosmjerniji s vrlo niskim stražnjim i bočnim režnjevima kada se koristi metapovršina s bakrenom stražnjom pločom. Predloženi reflektor s nizom MM smanjuje stražnje i bočne snopove antene dok istovremeno poboljšava performanse zračenja usmjeravanjem struje u jednosmjernim smjerovima (Sl. 10a, b), čime se povećava pojačanje i usmjerenost. Uočeno je da je eksperimentalni uzorak zračenja bio gotovo usporediv s onim iz CST simulacija, ali je malo varirao zbog neusklađenosti različitih sklopljenih komponenti, tolerancija mjerenja i gubitaka u kablovima. Osim toga, između antene i MS reflektora umetnut je najlonski odstojnik, što je još jedan problem koji utječe na promatrane rezultate u usporedbi s numeričkim rezultatima.
Simuliran je i testiran dijagram zračenja razvijene pojedinačne antene (bez MS i s MS) na frekvenciji od 5,5 GHz.
Predložena geometrija MIMO antene prikazana je na slici 11 i uključuje četiri pojedinačne antene. Četiri komponente MIMO antene raspoređene su okomito jedna na drugu na podlozi dimenzija 80 × 80 × 1,575 mm, kao što je prikazano na slici 11. Dizajnirana MIMO antena ima međuelementnu udaljenost od 22 mm, što je manje od najbliža odgovarajuća međuelementna udaljenost antene. Razvijena MIMO antena. Osim toga, dio uzemljenja nalazi se na isti način kao jedna antena. Vrijednosti refleksije MIMO antena (S11, S22, S33 i S44) prikazane na slici 12a pokazuju isto ponašanje kao jednoelementna antena koja rezonira u pojasu 3,2–7,6 GHz. Stoga je širina pojasa impedancije MIMO antene potpuno ista kao i pojedinačna antena. Učinak spajanja između MIMO komponenti glavni je razlog za mali gubitak propusnosti MIMO antena. Slika 12b prikazuje učinak međusobnog povezivanja na MIMO komponente, gdje je određena optimalna izolacija između MIMO komponenti. Izolacija između antena 1 i 2 je najmanja na oko -13,6 dB, a izolacija između antena 1 i 4 je najveća na oko -30,4 dB. Zbog svoje male veličine i veće propusnosti, ova MIMO antena ima manji dobitak i manju propusnost. Izolacija je niska, pa je potrebna pojačana armatura i izolacija;
Mehanizam dizajna predložene MIMO antene (a) pogled odozgo i (b) uzemljena ploča. (CST Studio Suite 2019).
Geometrijski raspored i metoda pobude predložene metapovršinske MIMO antene prikazani su na slici 13a. Matrica 10x10 mm dimenzija 80x80x1,575 mm dizajnirana je za stražnju stranu MIMO antene visine 12 mm, kao što je prikazano na slici 13a. Osim toga, metapovršine s bakrenim stražnjim pločama namijenjene su za upotrebu u MIMO antenama kako bi se poboljšala njihova izvedba. Udaljenost između metapovršine i MIMO antene ključna je za postizanje visokog pojačanja, a istovremeno dopušta konstruktivnu interferenciju između valova koje generira antena i onih koji se reflektiraju od metapovršine. Provedeno je opsežno modeliranje kako bi se optimizirala visina između antene i metapovršine uz održavanje četvrtvalnih standarda za maksimalno pojačanje i izolaciju između MIMO elemenata. Značajna poboljšanja performansi MIMO antene postignuta upotrebom metapovršina s stražnjim pločama u usporedbi s metapovršinama bez stražnjih ploča bit će prikazana u sljedećim poglavljima.
(a) Postavljanje CST simulacije predložene MIMO antene pomoću MS-a (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Krivulje refleksije razvijenog MIMO sustava bez MS-a i s MS-om.
Refleksije MIMO antena sa i bez metapovršina prikazane su na slici 13b, gdje su prikazani S11 i S44 zbog gotovo identičnog ponašanja svih antena u MIMO sustavu. Vrijedno je napomenuti da je propusnost impedancije od -10 dB MIMO antene bez i s jednom metapovršinom gotovo ista. Nasuprot tome, propusnost impedancije predložene MIMO antene poboljšana je dvoslojnim MS-om i MS-om na stražnjoj ploči. Vrijedno je napomenuti da bez MS-a MIMO antena pruža djelomičnu propusnost od 81,5% (3,2-7,6 GHz) u odnosu na središnju frekvenciju. Integracija MS-a s stražnjom pločom povećava propusnost impedancije predložene MIMO antene na 86,3% (3,08–7,75 GHz). Iako dvoslojni MS povećava propusnost, poboljšanje je manje od onoga kod MS-a s bakrenom stražnjom pločom. Štoviše, dvoslojni MC povećava veličinu antene, povećava njezinu cijenu i ograničava njezin domet. Dizajnirana MIMO antena i metasurface reflektor proizvedeni su i verificirani kako bi se potvrdili rezultati simulacije i procijenila stvarna izvedba. Slika 14a prikazuje izrađeni MS sloj i MIMO antenu s različitim sklopljenim komponentama, dok Slika 14b prikazuje fotografiju razvijenog MIMO sustava. MIMO antena montirana je na vrh metapovršine pomoću četiri najlonska odstojnika, kao što je prikazano na slici 14b. Slika 15a prikazuje snimku eksperimentalne postavke bliskog polja razvijenog MIMO antenskog sustava. PNA mrežni analizator (Agilent Technologies PNA N5227A) korišten je za procjenu parametara raspršenja i za procjenu i karakterizaciju karakteristika emisije bliskog polja u UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory.
(a) Fotografije SATIMO mjerenja bliskog polja (b) Simulirane i eksperimentalne krivulje S11 MIMO antene sa i bez MS-a.
Ovaj odjeljak predstavlja usporednu studiju simuliranih i promatranih S-parametara predložene 5G MIMO antene. Slika 15b prikazuje eksperimentalni dijagram refleksije integrirane 4-elementne MIMO MS antene i uspoređuje ga s rezultatima CST simulacije. Utvrđeno je da su eksperimentalne refleksije jednake CST izračunima, ali su se malo razlikovale zbog grešaka u proizvodnji i eksperimentalnih tolerancija. Osim toga, uočena refleksija predloženog MIMO prototipa temeljenog na MS-u pokriva 5G spektar ispod 6 GHz s propusnim opsegom impedancije od 4,8 GHz, što znači da su 5G aplikacije moguće. Međutim, izmjerena rezonantna frekvencija, širina pojasa i amplituda malo se razlikuju od rezultata CST simulacije. Greške u proizvodnji, gubici spoja koaksijalnih i SMA spojeva i postavke mjerenja na otvorenom mogu uzrokovati razlike između izmjerenih i simuliranih rezultata. Međutim, unatoč tim nedostacima, predloženi MIMO ima dobre performanse, pružajući snažnu usklađenost između simulacija i mjerenja, što ga čini vrlo prikladnim za 5G bežične aplikacije ispod 6 GHz.
Simulirane i promatrane krivulje pojačanja MIMO antene prikazane su na slikama 2 i 2. Kao što je prikazano na slikama 16a,b odnosno 17a,b, prikazana je međusobna interakcija MIMO komponenti. Kada se metapovršine primijene na MIMO antene, izolacija između MIMO antena značajno se poboljšava. Dijagrami izolacije između susjednih antenskih elemenata S12, S14, S23 i S34 pokazuju slične krivulje, dok dijagonalne MIMO antene S13 i S42 pokazuju sličnu visoku izolaciju zbog veće udaljenosti između njih. Simulirane karakteristike prijenosa susjednih antena prikazane su na slici 16a. Vrijedno je napomenuti da je u 5G radnom spektru ispod 6 GHz minimalna izolacija MIMO antene bez metapovršine -13,6 dB, a za metapovršinu s stražnjom pločom – 15,5 dB. Dijagram pojačanja (Slika 16a) pokazuje da metapovršina stražnje ploče značajno poboljšava izolaciju između elemenata MIMO antene u usporedbi s jednoslojnim i dvoslojnim metapovršinama. Na susjednim elementima antene jednoslojne i dvoslojne metapovršine pružaju minimalnu izolaciju od približno -13,68 dB i -14,78 dB, a metapovršina bakrene stražnje ploče osigurava približno -15,5 dB.
Simulirane izolacijske krivulje MIMO elemenata bez MS sloja i s MS slojem: (a) S12, S14, S34 i S32 i (b) S13 i S24.
Eksperimentalne krivulje pojačanja predloženih MS MIMO antena bez i sa: (a) S12, S14, S34 i S32 i (b) S13 i S24.
Grafike MIMO dijagonalnog dobitka antene prije i nakon dodavanja MS sloja prikazane su na slici 16b. Vrijedno je napomenuti da je minimalna izolacija između dijagonalnih antena bez metapovršine (antene 1 i 3) – 15,6 dB u cijelom radnom spektru, a metapovršine s stražnjom pločom je – 18 dB. Pristup metapovršine značajno smanjuje efekte spajanja između dijagonalnih MIMO antena. Maksimalna izolacija za jednoslojnu metapovršinu je -37 dB, dok za dvoslojnu metapovršinu ova vrijednost pada na -47 dB. Maksimalna izolacija metapovršine s bakrenom stražnjom pločom je -36,2 dB, što se smanjuje s povećanjem frekvencijskog raspona. U usporedbi s jednoslojnim i dvoslojnim metapovršinama bez stražnje ploče, metapovršine s stražnjom pločom pružaju vrhunsku izolaciju u cijelom potrebnom radnom frekvencijskom rasponu, posebno u 5G rasponu ispod 6 GHz, kao što je prikazano na slikama 16a, b. U najpopularnijem i najčešće korištenom 5G pojasu ispod 6 GHz (3,5 GHz), jednoslojne i dvoslojne metapovršine imaju nižu izolaciju između MIMO komponenti nego metapovršine s bakrenim stražnjim pločama (gotovo bez MS-a) (vidi sliku 16a), b). Mjerenja pojačanja prikazana su na slikama 17a, b, prikazujući izolaciju susjednih antena (S12, S14, S34 i S32) odnosno dijagonalnih antena (S24 i S13). Kao što se može vidjeti iz ovih slika (Sl. 17a, b), eksperimentalna izolacija između MIMO komponenti dobro se slaže sa simuliranom izolacijom. Iako postoje manje razlike između simuliranih i izmjerenih CST vrijednosti zbog grešaka u proizvodnji, priključaka SMA priključka i gubitaka žice. Osim toga, antena i MS reflektor nalaze se između najlonskih odstojnika, što je još jedan problem koji utječe na promatrane rezultate u usporedbi s rezultatima simulacije.
proučavao distribuciju površinske struje na 5,5 GHz kako bi racionalizirao ulogu metapovršina u smanjenju međusobnog spajanja putem potiskivanja površinskih valova42. Distribucija površinske struje predložene MIMO antene prikazana je na slici 18, gdje se antena 1 pokreće, a ostatak antene završava s opterećenjem od 50 ohma. Kada je antena 1 pod naponom, značajne međusobne struje sprezanja pojavit će se na susjednim antenama na 5,5 GHz u odsutnosti metapovršine, kao što je prikazano na slici 18a. Naprotiv, upotrebom metapovršina, kao što je prikazano na sl. 18b–d, poboljšana je izolacija između susjednih antena. Treba napomenuti da se učinak međusobnog spajanja susjednih polja može minimizirati širenjem spojne struje do susjednih prstenova jediničnih ćelija i susjednih MS jediničnih ćelija duž MS sloja u antiparalelnim smjerovima. Ubacivanje struje iz distribuiranih antena u MS jedinice ključna je metoda za poboljšanje izolacije između MIMO komponenti. Kao rezultat toga, struja spajanja između MIMO komponenti uvelike je smanjena, a izolacija je također uvelike poboljšana. Budući da je spojno polje široko raspoređeno u elementu, metapovršina bakrene stražnje ploče značajno više izolira sklop MIMO antene nego jednoslojne i dvoslojne metapovršine (Slika 18d). Štoviše, razvijena MIMO antena ima vrlo nisko širenje unazad i bočno širenje, stvarajući jednosmjerni uzorak zračenja, čime se povećava pojačanje predložene MIMO antene.
Uzorci površinske struje predložene MIMO antene na 5,5 GHz (a) bez MC, (b) jednoslojni MC, (c) dvoslojni MC i (d) jednoslojni MC s bakrenom stražnjom pločom. (CST Studio Suite 2019).
Unutar radne frekvencije, slika 19a prikazuje simulirane i promatrane dobitke projektirane MIMO antene bez i s metapovršinama. Simulirano postignuto pojačanje MIMO antene bez metapovršine je 5,4 dBi, kao što je prikazano na slici 19a. Zbog međusobnog učinka spajanja između MIMO komponenti, predložena MIMO antena zapravo postiže 0,25 dBi veći dobitak od pojedinačne antene. Dodavanje metapovršina može pružiti značajne dobitke i izolaciju između MIMO komponenti. Stoga predložena metapovršinska MIMO antena može postići visoko realizirano pojačanje do 8,3 dBi. Kao što je prikazano na slici 19a, kada se koristi jedna metapovršina na stražnjoj strani MIMO antene, dobitak se povećava za 1,4 dBi. Kada se metapovršina udvostruči, pojačanje se povećava za 2,1 dBi, kao što je prikazano na slici 19a. Međutim, očekivani maksimalni dobitak od 8,3 dBi postiže se korištenjem metapovršine s bakrenom stražnjom pločom. Značajno, maksimalno postignuto pojačanje za jednoslojnu i dvoslojnu metapovršinu je 6,8 dBi, odnosno 7,5 dBi, dok je maksimalno postignuto pojačanje za metapovršinu donjeg sloja 8,3 dBi. Metapovršinski sloj na stražnjoj strani antene djeluje kao reflektor, reflektirajući zračenje sa stražnje strane antene i poboljšavajući omjer naprijed-nazad (F/B) dizajnirane MIMO antene. Osim toga, MS reflektor visoke impedancije manipulira elektromagnetskim valovima u fazi, stvarajući tako dodatnu rezonanciju i poboljšavajući učinak zračenja predložene MIMO antene. MS reflektor postavljen iza MIMO antene može značajno povećati postignuti dobitak, što potvrđuju i eksperimentalni rezultati. Opaženi i simulirani dobici razvijenog prototipa MIMO antene gotovo su isti, međutim, na nekim frekvencijama izmjereni dobitak veći je od simuliranog dobitka, posebno za MIMO bez MS-a; Ove varijacije u eksperimentalnom pojačanju posljedica su mjernih tolerancija najlonskih jastučića, gubitaka u kabelu i spoja u antenskom sustavu. Vršno izmjereno pojačanje MIMO antene bez metapovršine je 5,8 dBi, dok je metapovršina s bakrenom stražnjom pločom 8,5 dBi. Vrijedno je napomenuti da predloženi kompletan 4-portni MIMO antenski sustav s MS reflektorom pokazuje visoko pojačanje u eksperimentalnim i numeričkim uvjetima.
Simulacija i eksperimentalni rezultati (a) postignutog pojačanja i (b) ukupne izvedbe predložene MIMO antene s efektom metapovršine.
Slika 19b prikazuje ukupnu izvedbu predloženog MIMO sustava bez i s metapovršinskim reflektorima. Na slici 19b, najniža učinkovitost pri korištenju MS-a s stražnjom pločom bila je preko 73% (do 84%). Ukupna učinkovitost razvijenih MIMO antena bez MC-a i s MC-om gotovo je ista s manjim razlikama u usporedbi sa simuliranim vrijednostima. Razlozi za to su tolerancije mjerenja i korištenje razmaknica između antene i MS reflektora. Izmjereni postignuti dobitak i ukupna učinkovitost na cijeloj frekvenciji gotovo su slični rezultatima simulacije, što ukazuje da je izvedba predloženog MIMO prototipa očekivana i da je preporučena MIMO antena temeljena na MS-u prikladna za 5G komunikacije. Zbog pogrešaka u eksperimentalnim studijama, postoje razlike između ukupnih rezultata laboratorijskih eksperimenata i rezultata simulacija. Na izvedbu predloženog prototipa utječu neusklađenost impedancije između antene i SMA konektora, gubici u spoju koaksijalnog kabela, učinci lemljenja i blizina raznih elektroničkih uređaja eksperimentalnoj postavci.
Slika 20 opisuje napredak dizajna i optimizacije navedene antene u obliku blok dijagrama. Ovaj blok dijagram pruža korak po korak opis predloženih principa dizajna MIMO antene, kao i parametara koji igraju ključnu ulogu u optimizaciji antene za postizanje potrebnog visokog pojačanja i visoke izolacije preko široke radne frekvencije.
Mjerenja MIMO antene bliskog polja mjerena su u SATIMO Near-Field Experimental Environment u UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Slike 21a,b prikazuju simulirane i promatrane uzorke zračenja E-ravnine i H-ravnine tražene MIMO antene sa i bez MS-a na radnoj frekvenciji od 5,5 GHz. U radnom frekvencijskom rasponu od 5,5 GHz, razvijena ne-MS MIMO antena pruža konzistentan dvosmjerni uzorak zračenja s vrijednostima bočnog snopa. Nakon primjene MS reflektora, antena daje jednosmjerni uzorak zračenja i smanjuje razinu stražnjih snopova, kao što je prikazano na slikama 21a, b. Vrijedno je napomenuti da je upotrebom metapovršine s bakrenom stražnjom pločom predloženi uzorak MIMO antene stabilniji i jednosmjerniji nego bez MS-a, s vrlo niskim stražnjim i bočnim snopovima. Predloženi reflektor s nizom MM smanjuje stražnje i bočne snopove antene i također poboljšava karakteristike zračenja usmjeravanjem struje u jednosmjernom smjeru (Sl. 21a, b), čime se povećava pojačanje i usmjerenost. Izmjereni uzorak zračenja dobiven je za priključak 1 s opterećenjem od 50 ohma spojenim na preostale priključke. Uočeno je da je eksperimentalni uzorak zračenja bio gotovo identičan onom simuliranom pomoću CST-a, iako je bilo nekih odstupanja zbog neusklađenosti komponenti, refleksija od priključaka terminala i gubitaka u kabelskim vezama. Osim toga, između antene i MS reflektora umetnut je najlonski odstojnik, što je još jedan problem koji utječe na promatrane rezultate u usporedbi s predviđenim rezultatima.
Simuliran je i testiran dijagram zračenja razvijene MIMO antene (bez MS i s MS) na frekvenciji od 5,5 GHz.
Važno je napomenuti da su izolacija priključka i s njom povezane karakteristike bitne pri procjeni performansi MIMO sustava. Učinkovitost raznolikosti predloženog MIMO sustava, uključujući koeficijent korelacije ovojnice (ECC) i dobit raznolikosti (DG), ispituje se kako bi se ilustrirala robusnost dizajniranog MIMO antenskog sustava. ECC i DG MIMO antene mogu se koristiti za procjenu njezinih performansi jer su oni važni aspekti performansi MIMO sustava. Sljedeći odjeljci detaljno će opisati ove značajke predložene MIMO antene.
Koeficijent korelacije ovojnice (ECC). Kada se razmatra bilo koji MIMO sustav, ECC određuje stupanj do kojeg sastavni elementi međusobno koreliraju s obzirom na njihova specifična svojstva. Dakle, ECC pokazuje stupanj izolacije kanala u bežičnoj komunikacijskoj mreži. ECC (koeficijent korelacije ovojnice) razvijenog MIMO sustava može se odrediti na temelju S-parametara i emisije dalekog polja. Iz jednadžbe (7) i (8) može se odrediti ECC predložene MIMO antene 31.
Koeficijent refleksije predstavlja Sii, a Sij predstavlja koeficijent transmisije. Trodimenzionalni dijagrami zračenja j-te i i-te antene dani su izrazima \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) i \( \vec {{R_{ i } }} Puni kut predstavljen s \lijevo( {\theta ,\varphi } \desno)\) i \({\Omega }\). ECC krivulja predložene antene prikazana je na slici 22a i njena vrijednost je manja od 0,004, što je znatno ispod prihvatljive vrijednosti od 0,5 za bežični sustav. Stoga smanjena ECC vrijednost znači da predloženi 4-portni MIMO sustav pruža vrhunsku raznolikost43.
Diversity Gain (DG) DG je još jedna metrika performansi MIMO sustava koja opisuje kako shema raznolikosti utječe na snagu zračenja. Relacija (9) određuje DG MIMO antenskog sustava koji se razvija, kao što je opisano u 31.
Slika 22b prikazuje DG dijagram predloženog MIMO sustava, gdje je DG vrijednost vrlo blizu 10 dB. DG vrijednosti svih antena dizajniranog MIMO sustava prelaze 9,98 dB.
Tablica 1 uspoređuje predloženu metapovršinsku MIMO antenu s nedavno razvijenim sličnim MIMO sustavima. Usporedba uzima u obzir različite parametre performansi, uključujući propusnost, pojačanje, maksimalnu izolaciju, ukupnu učinkovitost i performanse raznolikosti. Istraživači su predstavili različite prototipove MIMO antena s tehnikama poboljšanja pojačanja i izolacije u 5, 44, 45, 46, 47. U usporedbi s prethodno objavljenim radovima, predloženi MIMO sustav s metapovršinskim reflektorima nadmašuje ih u smislu propusnosti, pojačanja i izolacije. Dodatno, u usporedbi sa sličnim prijavljenim antenama, razvijeni MIMO sustav pokazuje superiorne performanse raznolikosti i ukupnu učinkovitost pri manjoj veličini. Iako antene opisane u odjeljku 5.46 imaju veću izolaciju od naših predloženih antena, te antene pate od velike veličine, niskog pojačanja, uske propusnosti i loših MIMO performansi. 4-priključna MIMO antena predložena u 45 pokazuje visoko pojačanje i učinkovitost, ali njen dizajn ima nisku izolaciju, veliku veličinu i slabe performanse raznolikosti. S druge strane, antenski sustav male veličine predložen u 47 ima vrlo nisko pojačanje i radnu širinu pojasa, dok naš predloženi 4-portni MIMO sustav temeljen na MS-u pokazuje malu veličinu, veliki dobitak, visoku izolaciju i bolju MIMO izvedbu. Stoga predložena metasurface MIMO antena može postati glavni konkurent za 5G komunikacijske sustave ispod 6 GHz.
Predložena je širokopojasna MIMO antena s četiri priključka zasnovana na metapovršinskom reflektoru s visokim pojačanjem i izolacijom za podršku 5G aplikacija ispod 6 GHz. Mikrotrakasta linija napaja kvadratni dio koji zrači, koji je skraćen kvadratom u dijagonalnim kutovima. Predloženi MS i antenski odašiljač implementirani su na materijalima supstrata sličnim Rogers RT5880 kako bi se postigle izvrsne performanse u 5G komunikacijskim sustavima velike brzine. MIMO antena ima širok raspon i visok dobitak, te pruža zvučnu izolaciju između MIMO komponenti i izvrsnu učinkovitost. Razvijena jedna antena ima minijaturne dimenzije od 0,58?0,58?0,02? s 5×5 metasurface nizom, pruža široki radni pojas od 4,56 GHz, vršni dobitak od 8 dBi i vrhunsku izmjerenu učinkovitost. Predložena četveroportna MIMO antena (niz 2 × 2) dizajnirana je ortogonalnim usklađivanjem svake predložene pojedinačne antene s drugom antenom dimenzija 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Preporuča se sastaviti niz 10 × 10 MM ispod MIMO antene visoke 12 mm, koja može smanjiti povratno zračenje i smanjiti međusobnu spregu između MIMO komponenti, čime se poboljšava dobit i izolacija. Eksperimentalni i rezultati simulacije pokazuju da razvijeni MIMO prototip može raditi u širokom frekvencijskom rasponu od 3,08–7,75 GHz, pokrivajući 5G spektar ispod 6 GHz. Osim toga, predložena MIMO antena temeljena na MS-u poboljšava svoj dobitak za 2,9 dBi, postižući maksimalni dobitak od 8,3 dBi i pruža izvrsnu izolaciju (>15,5 dB) između MIMO komponenti, potvrđujući doprinos MS-a. Osim toga, predložena MIMO antena ima visoku prosječnu ukupnu učinkovitost od 82% i malu udaljenost između elemenata od 22 mm. Antena pokazuje izvrsne performanse MIMO raznolikosti uključujući vrlo visok DG (preko 9,98 dB), vrlo nizak ECC (manje od 0,004) i jednosmjerni uzorak zračenja. Rezultati mjerenja vrlo su slični rezultatima simulacije. Ove karakteristike potvrđuju da razvijeni MIMO antenski sustav s četiri priključka može biti održiv izbor za 5G komunikacijske sustave u frekvencijskom rasponu ispod 6 GHz.
Cowin može pružiti širokopojasnu PCB antenu od 400-6000MHz i podršku za dizajn nove antene prema vašim zahtjevima, obratite nam se bez oklijevanja ako imate bilo kakav zahtjev.
Vrijeme objave: 10. listopada 2024