Dette arbeidet foreslår en kompakt integrert multi-input multiple-output (MIMO) metasurface (MS) bredbåndsantenne for sub-6 GHz femte generasjons (5G) trådløse kommunikasjonssystemer. Den åpenbare nyheten til det foreslåtte MIMO-systemet er dets brede driftsbåndbredde, høye forsterkning, små klaringer mellom komponentene og utmerket isolasjon i MIMO-komponentene. Antennens utstrålingspunkt er avkortet diagonalt, delvis jordet, og metaoverflater brukes for å forbedre antennens ytelse. Den foreslåtte prototypen integrerte enkelt MS-antenne har miniatyrdimensjoner på 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Simulerings- og måleresultater viser bredbåndsytelse fra 3,11 GHz til 7,67 GHz, inkludert den høyeste oppnådde forsterkningen på 8 dBi. MIMO-systemet med fire elementer er utformet slik at hver antenne er ortogonal i forhold til hverandre samtidig som den opprettholder en kompakt størrelse og bredbåndsytelse fra 3,2 til 7,6 GHz. Den foreslåtte MIMO-prototypen er designet og produsert på Rogers RT5880-substrat med lavt tap og miniatyriserte dimensjoner på 1,05? 1,05? 0,02?, og ytelsen blir evaluert ved å bruke den foreslåtte firkantede lukkede ringresonatorgruppen med en 10 x 10 delt ring. Grunnmaterialet er det samme. Den foreslåtte bakplanets metasurface reduserer antennens tilbakestråling betydelig og manipulerer elektromagnetiske felt, og forbedrer dermed båndbredden, forsterkningen og isolasjonen til MIMO-komponenter. Sammenlignet med eksisterende MIMO-antenner, oppnår den foreslåtte 4-ports MIMO-antennen en høy forsterkning på 8,3 dBi med en gjennomsnittlig total effektivitet på opptil 82 % i 5G sub-6 GHz-båndet og er i god overensstemmelse med de målte resultatene. Dessuten viser den utviklede MIMO-antennen utmerket ytelse når det gjelder envelopekorrelasjonskoeffisient (ECC) på mindre enn 0,004, diversitetsforsterkning (DG) på omtrent 10 dB (>9,98 dB) og høy isolasjon mellom MIMO-komponenter (>15,5 dB). egenskaper. Dermed bekrefter den foreslåtte MS-baserte MIMO-antennen dens anvendelighet for sub-6 GHz 5G kommunikasjonsnettverk.
5G-teknologi er et utrolig fremskritt innen trådløs kommunikasjon som vil muliggjøre raskere og sikrere nettverk for milliarder av tilkoblede enheter, gi brukeropplevelser med "null" latency (latens på mindre enn 1 millisekund), og introdusere ny teknologi, inkludert elektronikk. Medisinsk omsorg, intellektuell utdanning. , smarte byer, smarte hjem, virtuell virkelighet (VR), smarte fabrikker og Internett av kjøretøy (IoV) endrer livene våre, samfunnet og industrien1,2,3. US Federal Communications Commission (FCC) deler 5G-spekteret inn i fire frekvensbånd4. Frekvensbåndet under 6 GHz er av interesse for forskere fordi det tillater langdistansekommunikasjon med høye datahastigheter5,6. Sub-6 GHz 5G-spektrumallokeringen for global 5G-kommunikasjon er vist i figur 1, noe som indikerer at alle land vurderer sub-6 GHz-spektrum for 5G-kommunikasjon7,8. Antenner er en viktig del av 5G-nettverk og vil kreve flere basestasjon- og brukerterminalantenner.
Microstrip patch-antenner har fordelene med tynnhet og flat struktur, men er begrenset i båndbredde og gain9,10, så mye forskning har blitt gjort for å øke forsterkningen og båndbredden til antennen; De siste årene har metasurfaces (MS) blitt mye brukt i antenneteknologier, spesielt for å forbedre forsterkning og gjennomstrømning11,12, men disse antennene er begrenset til en enkelt port; MIMO-teknologi er et viktig aspekt ved trådløs kommunikasjon fordi den kan bruke flere antenner samtidig for å overføre data, og dermed forbedre datahastigheter, spektraleffektivitet, kanalkapasitet og pålitelighet13,14,15. MIMO-antenner er potensielle kandidater for 5G-applikasjoner fordi de kan overføre og motta data over flere kanaler uten å kreve ekstra strøm16,17. Den gjensidige koblingseffekten mellom MIMO-komponenter avhenger av plasseringen av MIMO-elementene og forsterkningen til MIMO-antennen, noe som er en stor utfordring for forskere. Figurene 18, 19 og 20 viser forskjellige MIMO-antenner som opererer i 5G sub-6 GHz-båndet, som alle viser god MIMO-isolasjon og ytelse. Forsterkningen og driftsbåndbredden til disse foreslåtte systemene er imidlertid lav.
Metamaterialer (MM) er nye materialer som ikke finnes i naturen og som kan manipulere elektromagnetiske bølger, og dermed forbedre ytelsen til antenner21,22,23,24. MM er nå mye brukt i antenneteknologi for å forbedre strålingsmønsteret, båndbredden, forsterkningen og isolasjonen mellom antenneelementer og trådløse kommunikasjonssystemer, som diskutert i 25, 26, 27, 28. I 2029 ble et fireelements MIMO-system basert på metasurface, der antenneseksjonen er klemt mellom metasurface og bakken uten luftgap, noe som forbedrer MIMO-ytelsen. Imidlertid har denne utformingen en større størrelse, lavere driftsfrekvens og kompleks struktur. Et elektromagnetisk båndgap (EBG) og jordsløyfe er inkludert i den foreslåtte 2-ports bredbånds MIMO-antennen for å forbedre isolasjonen av MIMO30-komponenter. Den utformede antennen har god MIMO-diversitetsytelse og utmerket isolasjon mellom to MIMO-antenner, men ved å bruke bare to MIMO-komponenter vil forsterkningen være lav. I tillegg foreslo in31 også en ultra-wideband (UWB) dual-port MIMO-antenne og undersøkte MIMO-ytelsen ved hjelp av metamaterialer. Selv om denne antennen er i stand til UWB-drift, er forsterkningen lav og isolasjonen mellom de to antennene er dårlig. Arbeidet i32 foreslår et 2-ports MIMO-system som bruker elektromagnetiske båndgap (EBG) reflektorer for å øke forsterkningen. Selv om den utviklede antennegruppen har høy forsterkning og god MIMO-diversitetsytelse, gjør dens store størrelse det vanskelig å bruke i neste generasjons kommunikasjonsenheter. En annen reflektorbasert bredbåndsantenne ble utviklet i 33, hvor reflektoren ble integrert under antennen med et større gap på 22 mm, og viste en lavere toppforsterkning på 4,87 dB. Paper 34 designer en MIMO-antenne med fire porter for mmWave-applikasjoner, som er integrert med MS-laget for å forbedre isolasjonen og forsterkningen til MIMO-systemet. Denne antennen gir imidlertid god forsterkning og isolasjon, men har begrenset båndbredde og dårlige mekaniske egenskaper på grunn av det store luftgapet. Tilsvarende ble det i 2015 utviklet en tre-pars, 4-ports sløyfeformet metasurface-integrert MIMO-antenne for mmWave-kommunikasjon med en maksimal forsterkning på 7,4 dBi. B36 MS brukes på baksiden av en 5G-antenne for å øke antenneforsterkningen, hvor metaoverflaten fungerer som en reflektor. Imidlertid er MS-strukturen asymmetrisk og mindre oppmerksomhet har blitt gitt til enhetscellestrukturen.
I følge analyseresultatene ovenfor har ingen av de ovennevnte antennene høy forsterkning, utmerket isolasjon, MIMO-ytelse og bredbåndsdekning. Derfor er det fortsatt behov for en metasurface MIMO-antenne som kan dekke et bredt spekter av 5G-spektrumfrekvenser under 6 GHz med høy forsterkning og isolasjon. Tatt i betraktning begrensningene i den ovennevnte litteraturen, foreslås et bredbånd fire-elements MIMO-antennesystem med høy forsterkning og utmerket diversitetsytelse for sub-6 GHz trådløse kommunikasjonssystemer. I tillegg viser den foreslåtte MIMO-antennen utmerket isolasjon mellom MIMO-komponenter, små elementgap og høy strålingseffektivitet. Antennelappen er avkortet diagonalt og plassert på toppen av metaoverflaten med et 12 mm luftgap, som reflekterer tilbakestråling fra antennen og forbedrer antenneforsterkningen og retningsevnen. I tillegg brukes den foreslåtte enkeltantennen til å lage en MIMO-antenne med fire elementer med overlegen MIMO-ytelse ved å plassere hver antenne ortogonalt i forhold til hverandre. Den utviklede MIMO-antennen ble deretter integrert på toppen av en 10 × 10 MS-array med et kobberbakplan for å forbedre utslippsytelsen. Designet har et bredt driftsområde (3,08-7,75 GHz), høy forsterkning på 8,3 dBi og høy gjennomsnittlig total effektivitet på 82 %, samt utmerket isolasjon på mer enn -15,5 dB mellom MIMO-antennekomponenter. Den utviklede MS-baserte MIMO-antennen ble simulert ved hjelp av 3D elektromagnetisk programvarepakke CST Studio 2019 og validert gjennom eksperimentelle studier.
Denne delen gir en detaljert introduksjon til den foreslåtte arkitekturen og designmetoden for enkeltantenne. I tillegg diskuteres de simulerte og observerte resultatene i detalj, inkludert spredningsparametere, forsterkning og total effektivitet med og uten metaflater. Prototypeantennen ble utviklet på et Rogers 5880 dielektrisk substrat med lavt tap med en tykkelse på 1,575 mm med en dielektrisk konstant på 2,2. For å utvikle og simulere designet ble den elektromagnetiske simulatorpakken CST studio 2019 brukt.
Figur 2 viser den foreslåtte arkitektur- og designmodellen for en enkeltelementsantenne. I følge veletablerte matematiske ligninger37 består antennen av en lineært matet kvadratisk utstrålingspunkt og et kobberjordplan (som beskrevet i trinn 1) og resonerer med en veldig smal båndbredde ved 10,8 GHz, som vist i figur 3b. Den opprinnelige størrelsen på antenneradiatoren bestemmes av følgende matematiske forhold37:
Der \(P_{L}\) og \(P_{w}\) er lengden og bredden på lappen, c representerer lysets hastighet, \(\gamma_{r}\) er den dielektriske konstanten til substratet . , \(\gamma_{reff }\) representerer den effektive dielektriske verdien til strålingsflekken, \(\Delta L\) representerer endringen i punktlengde. Antennebakplanet ble optimalisert i det andre trinnet, og økte impedansbåndbredden til tross for den svært lave impedansbåndbredden på 10 dB. I det tredje trinnet flyttes mateposisjonen til høyre, noe som forbedrer impedansbåndbredden og impedanstilpasningen til den foreslåtte antennen38. På dette stadiet demonstrerer antennen en utmerket driftsbåndbredde på 4 GHz og dekker også spekteret under 6 GHz i 5G. Det fjerde og siste trinnet innebærer etsing av firkantede spor i motsatte hjørner av strålingsflekken. Dette sporet utvider 4,56 GHz-båndbredden betydelig for å dekke sub-6 GHz 5G-spekteret fra 3,11 GHz til 7,67 GHz, som vist i figur 3b. Front- og bunnperspektivvisninger av det foreslåtte designet er vist i figur 3a, og de endelige optimaliserte nødvendige designparametrene er som følger: 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) Sett ovenfra og bakfra av den utformede enkeltantennen (CST STUDIO SUITE 2019). (b) S-parameterkurve.
Metasurface er et begrep som refererer til en periodisk rekke enhetsceller plassert i en viss avstand fra hverandre. Metasurfaces er en effektiv måte å forbedre antennestrålingsytelsen på, inkludert båndbredde, forsterkning og isolasjon mellom MIMO-komponenter. På grunn av påvirkningen av overflatebølgeutbredelse genererer metaoverflater ytterligere resonanser som bidrar til forbedret antenneytelse39. Dette arbeidet foreslår en epsilon-negativ metamaterial-enhet (MM) som opererer i 5G-båndet under 6 GHz. MM med et overflateareal på 8 mm × 8 mm ble utviklet på et Rogers 5880-substrat med lavt tap med en dielektrisk konstant på 2,2 og en tykkelse på 1,575 mm. Den optimaliserte MM-resonatorlappen består av en indre sirkulær delt ring koblet til to modifiserte ytre delte ringer, som vist i figur 4a. Figur 4a oppsummerer de endelige optimaliserte parameterne for det foreslåtte MM-oppsettet. Deretter ble 40 × 40 mm og 80 × 80 mm metaoverflatelag utviklet uten et kobberbakplan og med et kobberbakplan ved bruk av henholdsvis 5 × 5 og 10 × 10 cellearrayer. Den foreslåtte MM-strukturen ble modellert ved hjelp av 3D elektromagnetisk modelleringsprogramvare "CST studio suite 2019". En produsert prototype av den foreslåtte MM-arraystrukturen og måleoppsettet (dobbelportnettverksanalysator PNA og bølgelederport) er vist i figur 4b for å validere CST-simuleringsresultatene ved å analysere den faktiske responsen. Måleoppsettet brukte en nettverksanalysator i Agilent PNA-serien i kombinasjon med to bølgelederkoaksiale adaptere (A-INFOMW, delenummer: 187WCAS) for å sende og motta signaler. En prototype 5×5-array ble plassert mellom to bølgeleder-koaksialadaptere koblet med koaksialkabel til en to-ports nettverksanalysator (Agilent PNA N5227A). Agilent N4694-60001 kalibreringssettet brukes til å kalibrere nettverksanalysatoren i et pilotanlegg. De simulerte og CST-observerte spredningsparametrene til den foreslåtte prototypen MM-array er vist i figur 5a. Det kan sees at den foreslåtte MM-strukturen resonerer i 5G-frekvensområdet under 6 GHz. Til tross for den lille forskjellen i båndbredde på 10 dB, er de simulerte og eksperimentelle resultatene svært like. Resonansfrekvensen, båndbredden og amplituden til den observerte resonansen er litt forskjellig fra de simulerte, som vist i figur 5a. Disse forskjellene mellom observerte og simulerte resultater skyldes produksjonsfeil, små klaringer mellom prototypen og bølgelederportene, koblingseffekter mellom bølgelederportene og array-komponentene og måletoleranser. I tillegg kan riktig plassering av den utviklede prototypen mellom bølgelederportene i det eksperimentelle oppsettet resultere i et resonansskifte. I tillegg ble det observert uønsket støy under kalibreringsfasen, noe som førte til avvik mellom de numeriske og målte resultatene. Men bortsett fra disse vanskelighetene, fungerer den foreslåtte MM-array-prototypen godt på grunn av den sterke korrelasjonen mellom simulering og eksperiment, noe som gjør den godt egnet for sub-6 GHz 5G trådløs kommunikasjonsapplikasjoner.
(a) Enhetscellegeometri (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) Bilde av MM-måleoppsettet.
(a) Simulering og verifisering av spredningsparameterkurvene til metamaterialprototypen. (b) Dielektrisk konstantkurve for en MM-enhetscelle.
Relevante effektive parametere som effektiv dielektrisitetskonstant, magnetisk permeabilitet og brytningsindeks ble studert ved å bruke innebygde etterbehandlingsteknikker i den elektromagnetiske CST-simulatoren for å analysere oppførselen til MM-enhetscellen ytterligere. De effektive MM-parametrene er hentet fra spredningsparametrene ved bruk av en robust rekonstruksjonsmetode. Følgende transmittans- og refleksjonskoeffisientligninger: (3) og (4) kan brukes til å bestemme brytningsindeksen og impedansen (se 40).
De reelle og imaginære delene av operatoren er representert med henholdsvis (.)' og (.)", og heltallsverdien m tilsvarer den reelle brytningsindeksen. Dielektrisk konstant og permeabilitet bestemmes av formlene \(\varepsilon { } = { }n/z,\) og \(\mu = nz\), som er basert på henholdsvis impedans og brytningsindeks. Den effektive dielektriske konstantkurven til MM-strukturen er vist i figur 5b. Ved resonansfrekvensen er den effektive dielektriske konstanten negativ. Figurene 6a,b viser de ekstraherte verdiene for effektiv permeabilitet (μ) og effektiv brytningsindeks (n) for den foreslåtte enhetscellen. Spesielt viser de ekstraherte permeabilitetene positive reelle verdier nær null, noe som bekrefter de epsilon-negative (ENG) egenskapene til den foreslåtte MM-strukturen. Videre, som vist i figur 6a, er resonansen ved permeabilitet nær null sterkt relatert til resonansfrekvensen. Den utviklede enhetscellen har en negativ brytningsindeks (fig. 6b), som betyr at den foreslåtte MM kan brukes til å forbedre antenneytelsen21,41.
Den utviklede prototypen av en enkelt bredbåndsantenne ble laget for å eksperimentelt teste det foreslåtte designet. Figurene 7a,b viser bilder av den foreslåtte prototypen av enkeltantennen, dens strukturelle deler og nærfeltsmålingsoppsettet (SATIMO). For å forbedre antenneytelsen legges den utviklede metaoverflaten i lag under antennen, som vist i figur 8a, med høyde h. En enkelt 40 mm x 40 mm dobbeltlags metaoverflate ble påført baksiden av enkeltantennen med 12 mm intervaller. I tillegg er en metaflate med bakplan plassert på baksiden av enkeltantennen i en avstand på 12 mm. Etter påføring av metaoverflaten viser enkeltantennen en betydelig forbedring i ytelsen, som vist i figur 1 og 2. Figur 8 og 9. Figur 8b viser simulerte og målte reflektansplott for enkeltantennen uten og med metaflater. Det er verdt å merke seg at dekningsbåndet til en antenne med metasurface er veldig likt dekningsbåndet til en antenne uten metasurface. Figurene 9a,b viser en sammenligning av den simulerte og observerte enkeltantenneforsterkningen og total effektivitet uten og med MS i driftsspekteret. Det kan sees at sammenlignet med ikke-metasurface-antennen, er forsterkningen til metasurface-antennen betydelig forbedret, og øker fra 5,15 dBi til 8 dBi. Forsterkningen av enkeltlags metasurface, tolags metasurface og enkeltantenne med bakplansmetasurface økte med henholdsvis 6 dBi, 6,9 dBi og 8 dBi. Sammenlignet med andre metasurfaces (enkeltlags og dobbeltlags MC-er), er forsterkningen til en enkelt metasurfaceantenne med kobberbakplan opptil 8 dBi. I dette tilfellet fungerer metaoverflaten som en reflektor, reduserer antennens bakstråling og manipulerer de elektromagnetiske bølgene i fase, og øker derved antennens strålingseffektivitet og dermed forsterkningen. En studie av den totale effektiviteten til en enkelt antenne uten og med metaflater er vist i figur 9b. Det er verdt å merke seg at effektiviteten til en antenne med og uten metaoverflate er nesten den samme. I det nedre frekvensområdet synker antenneeffektiviteten litt. De eksperimentelle og simulerte gevinst- og effektivitetskurvene stemmer godt overens. Det er imidlertid små forskjeller mellom de simulerte og testede resultatene på grunn av produksjonsfeil, måletoleranser, tap av SMA-portforbindelse og ledningstap. I tillegg er antennen og MS-reflektoren plassert mellom nylonavstandsstykkene, noe som er et annet problem som påvirker de observerte resultatene sammenlignet med simuleringsresultatene.
Figur (a) viser den ferdige enkeltantennen og dens tilhørende komponenter. (b) Nærfeltsmålingsoppsett (SATIMO).
(a) Antenneeksitasjon ved bruk av metasurface-reflektorer (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Simulerte og eksperimentelle reflektanser av en enkelt antenne uten og med MS.
Simulerings- og måleresultater av (a) den oppnådde forsterkningen og (b) den totale effektiviteten til den foreslåtte metasurface-effektantennen.
Strålemønsteranalyse ved bruk av MS. Enkeltantenne-nærfeltsmålinger ble utført i SATIMO Near-Field Experimental Environment ved UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Figurene 10a, b viser de simulerte og observerte E-planet og H-planets strålingsmønstre ved 5,5 GHz for den foreslåtte enkeltantennen med og uten MS. Den utviklede enkeltantennen (uten MS) gir et konsistent toveis strålingsmønster med sidelobverdier. Etter påføring av den foreslåtte MS-reflektoren, gir antennen et ensrettet strålingsmønster og reduserer nivået på baksløyfene, som vist i figur 10a, b. Det er verdt å merke seg at det foreslåtte strålingsmønsteret for enkeltantenne er mer stabilt og ensrettet med svært lave rygg- og sidelober ved bruk av en metaoverflate med kobberbakplan. Den foreslåtte MM-array-reflektoren reduserer bak- og sidelobene til antennen samtidig som den forbedrer strålingsytelsen ved å rette strømmen i ensrettede retninger (fig. 10a, b), og øker derved forsterkningen og retningsevnen. Det ble observert at det eksperimentelle strålingsmønsteret var nesten sammenlignbart med det i CST-simuleringene, men varierte litt på grunn av feiljustering av de forskjellige sammensatte komponentene, måletoleranser og kablingstap. I tillegg ble det satt inn en nylonavstand mellom antennen og MS-reflektoren, noe som er et annet problem som påvirker de observerte resultatene sammenlignet med de numeriske resultatene.
Strålingsmønsteret til den utviklede enkeltantennen (uten MS og med MS) ved en frekvens på 5,5 GHz ble simulert og testet.
Den foreslåtte MIMO-antennegeometrien er vist i figur 11 og inkluderer fire enkeltantenner. De fire komponentene til MIMO-antennen er anordnet ortogonalt i forhold til hverandre på et underlag med dimensjonene 80 × 80 × 1,575 mm, som vist i figur 11. Den utformede MIMO-antennen har en avstand mellom elementer på 22 mm, som er mindre enn nærmeste tilsvarende interelementavstand til antennen. MIMO-antenne utviklet. I tillegg er en del av jordplanet plassert på samme måte som en enkelt antenne. Refleksjonsverdiene til MIMO-antennene (S11, S22, S33 og S44) vist i figur 12a viser samme oppførsel som en enkeltelementsantenne som resonerer i 3,2–7,6 GHz-båndet. Derfor er impedansbåndbredden til en MIMO-antenne nøyaktig den samme som for en enkelt antenne. Koblingseffekten mellom MIMO-komponenter er hovedårsaken til det lille båndbreddetapet til MIMO-antenner. Figur 12b viser effekten av sammenkobling på MIMO-komponenter, hvor den optimale isolasjonen mellom MIMO-komponenter ble bestemt. Isolasjonen mellom antennene 1 og 2 er lavest ved ca -13,6 dB, og isolasjonen mellom antennene 1 og 4 er høyest ved ca -30,4 dB. På grunn av sin lille størrelse og bredere båndbredde har denne MIMO-antennen lavere forsterkning og lavere gjennomstrømning. Isolasjonen er lav, så økt armering og isolasjon er nødvendig;
Designmekanisme for den foreslåtte MIMO-antennen (a) sett ovenfra og (b) jordplan. (CST Studio Suite 2019).
Det geometriske arrangementet og eksiteringsmetoden til den foreslåtte metasurface MIMO-antennen er vist i figur 13a. En 10x10 mm matrise med dimensjoner på 80x80x1,575 mm er designet for baksiden av en 12 mm høy MIMO-antenne, som vist i figur 13a. I tillegg er metaoverflater med kobberbakplan beregnet for bruk i MIMO-antenner for å forbedre ytelsen. Avstanden mellom metaoverflaten og MIMO-antennen er kritisk for å oppnå høy forsterkning samtidig som det tillater konstruktiv interferens mellom bølgene som genereres av antennen og de som reflekteres fra metaoverflaten. Omfattende modellering ble utført for å optimalisere høyden mellom antennen og metaoverflaten samtidig som kvartbølgestandarder for maksimal forsterkning og isolasjon mellom MIMO-elementer ble opprettholdt. De betydelige forbedringene i MIMO-antenneytelsen som oppnås ved å bruke metasurfaces med bakplan sammenlignet med metasurfaces uten bakplan vil bli demonstrert i påfølgende kapitler.
(a) CST-simuleringsoppsett av den foreslåtte MIMO-antennen ved bruk av MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Refleksjonskurver for det utviklede MIMO-systemet uten MS og med MS.
Refleksjonene til MIMO-antenner med og uten metaflater er vist i figur 13b, der S11 og S44 er presentert på grunn av den nesten identiske oppførselen til alle antennene i MIMO-systemet. Det er verdt å merke seg at -10 dB impedansbåndbredden til en MIMO-antenne uten og med en enkelt metaoverflate er nesten den samme. I motsetning til dette er impedansbåndbredden til den foreslåtte MIMO-antennen forbedret av tolags MS og bakplan MS. Det er verdt å merke seg at uten MS gir MIMO-antennen en brøkdelbåndbredde på 81,5 % (3,2-7,6 GHz) i forhold til senterfrekvensen. Integrering av MS med bakplanet øker impedansbåndbredden til den foreslåtte MIMO-antennen til 86,3 % (3,08–7,75 GHz). Selv om tolags MS øker gjennomstrømningen, er forbedringen mindre enn for MS med et kobberbakplan. Dessuten øker en tolags MC størrelsen på antennen, øker kostnadene og begrenser rekkevidden. Den utformede MIMO-antennen og metasurface-reflektoren er produsert og verifisert for å validere simuleringsresultatene og evaluere den faktiske ytelsen. Figur 14a viser det fabrikkerte MS-laget og MIMO-antennen med ulike komponenter montert, mens figur 14b viser et fotografi av det utviklede MIMO-systemet. MIMO-antennen er montert på toppen av metaoverflaten ved hjelp av fire nylonavstandsstykker, som vist i figur 14b. Figur 15a viser et øyeblikksbilde av nærfelt-eksperimentoppsettet til det utviklede MIMO-antennesystemet. En PNA-nettverksanalysator (Agilent Technologies PNA N5227A) ble brukt til å estimere spredningsparametere og for å evaluere og karakterisere nærfeltsutslippskarakteristikker i UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory.
(a) Bilder av SATIMO nærfeltsmålinger (b) Simulerte og eksperimentelle kurver av S11 MIMO-antenne med og uten MS.
Denne delen presenterer en komparativ studie av de simulerte og observerte S-parametrene til den foreslåtte 5G MIMO-antennen. Figur 15b viser det eksperimentelle refleksjonsplottet til den integrerte 4-elements MIMO MS-antennen og sammenligner den med CST-simuleringsresultatene. De eksperimentelle refleksene ble funnet å være de samme som CST-beregningene, men var litt forskjellige på grunn av produksjonsfeil og eksperimentelle toleranser. I tillegg dekker den observerte reflektansen til den foreslåtte MS-baserte MIMO-prototypen 5G-spekteret under 6 GHz med en impedansbåndbredde på 4,8 GHz, noe som betyr at 5G-applikasjoner er mulige. Den målte resonansfrekvensen, båndbredden og amplituden avviker imidlertid litt fra CST-simuleringsresultatene. Produksjonsfeil, koaksial-til-SMA-koblingstap og utendørs måleoppsett kan forårsake forskjeller mellom målte og simulerte resultater. Til tross for disse manglene, fungerer den foreslåtte MIMO-en godt, og gir sterk samsvar mellom simuleringer og målinger, noe som gjør den godt egnet for trådløse applikasjoner under 6 GHz 5G.
De simulerte og observerte MIMO-antenneforsterkningskurvene er vist i fig. 2 og 2. Som vist i henholdsvis fig. 16a,b og 17a,b, er den gjensidige interaksjonen mellom MIMO-komponenter vist. Når metaoverflater brukes på MIMO-antenner, er isolasjonen mellom MIMO-antenner betydelig forbedret. Isolasjonsplottene mellom tilstøtende antenneelementer S12, S14, S23 og S34 viser lignende kurver, mens de diagonale MIMO-antennene S13 og S42 viser tilsvarende høy isolasjon på grunn av større avstand mellom dem. De simulerte overføringskarakteristikkene til tilstøtende antenner er vist i figur 16a. Det er verdt å merke seg at i 5G-driftsspekteret under 6 GHz er minimumsisolasjonen til en MIMO-antenne uten en metasurface -13,6 dB, og for en metaoverflate med bakplan - 15,5 dB. Forsterkningsplottet (Figur 16a) viser at bakplanets metasurface betydelig forbedrer isolasjonen mellom MIMO-antenneelementer sammenlignet med enkelt- og dobbeltlags metaoverflater. På tilstøtende antenneelementer gir enkelt- og dobbeltlags metaoverflater minimum isolasjon på omtrent -13,68 dB og -14,78 dB, og kobberbakplanets metaoverflate gir omtrent -15,5 dB.
Simulerte isolasjonskurver av MIMO-elementer uten MS-lag og med MS-lag: (a) S12, S14, S34 og S32 og (b) S13 og S24.
Eksperimentelle forsterkningskurver for de foreslåtte MS-baserte MIMO-antennene uten og med: (a) S12, S14, S34 og S32 og (b) S13 og S24.
MIMO diagonale antenneforsterkningsplott før og etter tilsetning av MS-laget er vist i figur 16b. Det er verdt å merke seg at minimumsisolasjonen mellom diagonale antenner uten metaoverflate (antenne 1 og 3) er – 15,6 dB over driftsspekteret, og en metaoverflate med bakplan er – 18 dB. Metasurface-tilnærmingen reduserer koblingseffektene mellom diagonale MIMO-antenner betydelig. Maksimal isolasjon for en enkeltlags metaoverflate er -37 dB, mens for en dobbeltlags metaflate synker denne verdien til -47 dB. Maksimal isolasjon av metaoverflaten med et kobberbakplan er -36,2 dB, som avtar med økende frekvensområde. Sammenlignet med enkelt- og dobbeltlags metaflater uten bakplan, gir metaflater med bakplan overlegen isolasjon over hele det nødvendige driftsfrekvensområdet, spesielt i 5G-området under 6 GHz, som vist i figur 16a, b. I det mest populære og mest brukte 5G-båndet under 6 GHz (3,5 GHz) har enkelt- og tolags metaoverflater lavere isolasjon mellom MIMO-komponenter enn metaoverflater med kobberbakplan (nesten ingen MS) (se figur 16a), b). Forsterkningsmålingene er vist i figurene 17a, b, som viser isolasjonen av tilstøtende antenner (S12, S14, S34 og S32) og diagonale antenner (S24 og S13), henholdsvis. Som det fremgår av disse figurene (fig. 17a, b), stemmer den eksperimentelle isolasjonen mellom MIMO-komponenter godt med den simulerte isolasjonen. Selv om det er mindre forskjeller mellom de simulerte og målte CST-verdiene på grunn av produksjonsfeil, SMA-porttilkoblinger og ledningstap. I tillegg er antennen og MS-reflektoren plassert mellom nylonavstandsstykkene, noe som er et annet problem som påvirker de observerte resultatene sammenlignet med simuleringsresultatene.
studerte overflatestrømfordelingen ved 5,5 GHz for å rasjonalisere rollen til metaoverflater i å redusere gjensidig kobling gjennom overflatebølgeundertrykkelse42. Overflatestrømfordelingen til den foreslåtte MIMO-antennen er vist i figur 18, hvor antenne 1 er drevet og resten av antennen avsluttes med en 50 ohm belastning. Når antenne 1 er energisert, vil betydelige gjensidige koblingsstrømmer vises ved tilstøtende antenner på 5,5 GHz i fravær av en metaoverflate, som vist i figur 18a. Tvert imot, gjennom bruk av metaoverflater, som vist i fig. 18b–d, forbedres isolasjonen mellom tilstøtende antenner. Det skal bemerkes at effekten av gjensidig kobling av tilstøtende felt kan minimeres ved å forplante koblingsstrømmen til tilstøtende ringer av enhetsceller og tilstøtende MS-enhetsceller langs MS-laget i antiparallelle retninger. Å injisere strøm fra distribuerte antenner til MS-enheter er en nøkkelmetode for å forbedre isolasjonen mellom MIMO-komponenter. Som et resultat reduseres koblingsstrømmen mellom MIMO-komponenter kraftig, og isolasjonen er også sterkt forbedret. Fordi koblingsfeltet er vidt distribuert i elementet, isolerer bakplanets metaoverflate av kobber MIMO-antennesammenstillingen betydelig mer enn enkelt- og dobbeltlags metaoverflater (Figur 18d). Dessuten har den utviklede MIMO-antennen svært lav tilbake- og sideutbredelse, og produserer et ensrettet strålingsmønster, og øker dermed forsterkningen til den foreslåtte MIMO-antennen.
Overflatestrømmønstre for den foreslåtte MIMO-antennen ved 5,5 GHz (a) uten MC, (b) enkeltlags MC, (c) dobbeltlags MC og (d) enkeltlags MC med kobberbakplan. (CST Studio Suite 2019).
Innenfor driftsfrekvensen viser figur 19a de simulerte og observerte forsterkningene til den konstruerte MIMO-antennen uten og med metaflater. Den simulerte oppnådde forsterkningen til MIMO-antennen uten metasurface er 5,4 dBi, som vist i figur 19a. På grunn av den gjensidige koblingseffekten mellom MIMO-komponenter, oppnår den foreslåtte MIMO-antennen faktisk 0,25 dBi høyere forsterkning enn en enkelt antenne. Tillegg av metasurfaces kan gi betydelige gevinster og isolasjon mellom MIMO-komponenter. Dermed kan den foreslåtte metasurface MIMO-antennen oppnå høy realisert forsterkning på opptil 8,3 dBi. Som vist i figur 19a, når en enkelt metaoverflate brukes på baksiden av MIMO-antennen, øker forsterkningen med 1,4 dBi. Når metaoverflaten dobles, øker forsterkningen med 2,1 dBi, som vist i figur 19a. Den forventede maksimale gevinsten på 8,3 dBi oppnås imidlertid ved bruk av metaoverflaten med et kobberbakplan. Spesielt er den maksimale oppnådde forsterkningen for enkeltlags- og dobbeltlagsmetasflatene henholdsvis 6,8 dBi og 7,5 dBi, mens den maksimale oppnådde forsterkningen for bunnlagets metaoverflate er 8,3 dBi. Metaoverflatelaget på baksiden av antennen fungerer som en reflektor, som reflekterer stråling fra baksiden av antennen og forbedrer front-til-bak-forholdet (F/B) til den utformede MIMO-antennen. I tillegg manipulerer den høyimpedans MS-reflektoren elektromagnetiske bølger i fase, og skaper derved ytterligere resonans og forbedrer strålingsytelsen til den foreslåtte MIMO-antennen. MS-reflektoren installert bak MIMO-antennen kan øke den oppnådde forsterkningen betydelig, noe som bekreftes av eksperimentelle resultater. De observerte og simulerte forsterkningene til den utviklede prototypen MIMO-antenne er nesten de samme, men ved noen frekvenser er den målte forsterkningen høyere enn den simulerte forsterkningen, spesielt for MIMO uten MS; Disse variasjonene i eksperimentell forsterkning skyldes måletoleranser for nylonputene, kabeltap og kobling i antennesystemet. Den maksimale målte forsterkningen til MIMO-antennen uten metasurface er 5,8 dBi, mens metaoverflaten med kobberbakplan er 8,5 dBi. Det er verdt å merke seg at det foreslåtte komplette 4-ports MIMO-antennesystemet med MS-reflektor viser høy forsterkning under eksperimentelle og numeriske forhold.
Simulering og eksperimentelle resultater av (a) den oppnådde forsterkningen og (b) den generelle ytelsen til den foreslåtte MIMO-antennen med metasurface-effekt.
Figur 19b viser den generelle ytelsen til det foreslåtte MIMO-systemet uten og med metasurface-reflektorer. I figur 19b var den laveste effektiviteten ved bruk av MS med bakplan over 73 % (ned til 84 %). Den totale effektiviteten til de utviklede MIMO-antennene uten MC og med MC er nesten den samme med mindre forskjeller sammenlignet med de simulerte verdiene. Årsakene til dette er måletoleranser og bruk av avstandsstykker mellom antennen og MS-reflektoren. Den målte oppnådde forsterkningen og den totale effektiviteten over hele frekvensen er nesten lik simuleringsresultatene, noe som indikerer at ytelsen til den foreslåtte MIMO-prototypen er som forventet og at den anbefalte MS-baserte MIMO-antennen er egnet for 5G-kommunikasjon. På grunn av feil i eksperimentelle studier eksisterer det forskjeller mellom de samlede resultatene av laboratorieeksperimenter og resultatene av simuleringer. Ytelsen til den foreslåtte prototypen påvirkes av impedansmisforhold mellom antennen og SMA-kontakten, koaksialkabelskjøtetap, loddeeffekter og nærheten av ulike elektroniske enheter til det eksperimentelle oppsettet.
Figur 20 beskriver design- og optimaliseringsfremdriften til nevnte antenne i form av et blokkskjema. Dette blokkskjemaet gir en trinnvis beskrivelse av de foreslåtte MIMO-antennedesignprinsippene, samt parametrene som spiller en nøkkelrolle i å optimalisere antennen for å oppnå den nødvendige høye forsterkningen og høy isolasjon over en bred driftsfrekvens.
Nærfelt MIMO-antennemålingene ble målt i SATIMO Near-Field Experimental Environment ved UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Figurene 21a,b viser de simulerte og observerte E-plan- og H-plan-strålingsmønstrene til den påståtte MIMO-antennen med og uten MS ved en driftsfrekvens på 5,5 GHz. I driftsfrekvensområdet 5,5 GHz gir den utviklede ikke-MS MIMO-antennen et konsistent toveis strålingsmønster med sidelobverdier. Etter påføring av MS-reflektoren gir antennen et ensrettet strålingsmønster og reduserer nivået på baksløyfene, som vist i figur 21a, b. Det er verdt å merke seg at ved å bruke en metaoverflate med kobberbakplan, er det foreslåtte MIMO-antennemønsteret mer stabilt og ensrettet enn uten MS, med svært lave rygg- og sidelober. Den foreslåtte MM-array-reflektoren reduserer bak- og sidelobene til antennen og forbedrer også strålingsegenskapene ved å rette strømmen i en ensrettet retning (fig. 21a, b), og øker derved forsterkningen og retningsevnen. Det målte strålingsmønsteret ble oppnådd for port 1 med en 50 ohm belastning koblet til de resterende portene. Det ble observert at det eksperimentelle strålingsmønsteret var nesten identisk med det simulert av CST, selv om det var noen avvik på grunn av komponentfeiljustering, refleksjoner fra terminalporter og tap i kabelforbindelser. I tillegg ble en nylonavstandsholder satt inn mellom antennen og MS-reflektoren, noe som er et annet problem som påvirker de observerte resultatene sammenlignet med de forutsagte resultatene.
Strålingsmønsteret til den utviklede MIMO-antennen (uten MS og med MS) ved en frekvens på 5,5 GHz ble simulert og testet.
Det er viktig å merke seg at portisolasjon og tilhørende egenskaper er avgjørende når man evaluerer ytelsen til MIMO-systemer. Diversitetsytelsen til det foreslåtte MIMO-systemet, inkludert envelope-korrelasjonskoeffisient (ECC) og diversitetsforsterkning (DG), undersøkes for å illustrere robustheten til det utformede MIMO-antennesystemet. ECC og DG til en MIMO-antenne kan brukes til å evaluere ytelsen, da de er viktige aspekter ved ytelsen til et MIMO-system. De følgende avsnittene vil detaljere disse funksjonene til den foreslåtte MIMO-antennen.
Envelope Correlation Coefficient (ECC). Når man vurderer et hvilket som helst MIMO-system, bestemmer ECC i hvilken grad de inngående elementene korrelerer med hverandre angående deres spesifikke egenskaper. Dermed demonstrerer ECC graden av kanalisolasjon i et trådløst kommunikasjonsnettverk. ECC (envelope correlation coefficient) til det utviklede MIMO-systemet kan bestemmes basert på S-parametre og fjernfeltemisjon. Fra Eq. (7) og (8) ECC for den foreslåtte MIMO-antennen 31 kan bestemmes.
Refleksjonskoeffisienten er representert av Sii og Sij representerer overføringskoeffisienten. De tredimensjonale strålingsmønstrene til de j-te og i-te antennene er gitt av uttrykkene \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) og \( \vec {{R_{ i } }} Massiv vinkel representert av \left( {\theta ,\varphi } \right)\) og \({\Omega }\). ECC-kurven til den foreslåtte antennen er vist i figur 22a og verdien er mindre enn 0,004, som er godt under den akseptable verdien på 0,5 for et trådløst system. Derfor betyr den reduserte ECC-verdien at det foreslåtte 4-ports MIMO-systemet gir overlegent mangfold43.
Diversity Gain (DG) DG er en annen MIMO-systemytelsesmåling som beskriver hvordan mangfoldsordningen påvirker den utstrålte kraften. Relasjon (9) bestemmer DG for MIMO-antennesystemet som utvikles, som beskrevet i 31.
Figur 22b viser DG-diagrammet for det foreslåtte MIMO-systemet, hvor DG-verdien er svært nær 10 dB. DG-verdiene til alle antennene til det utformede MIMO-systemet overstiger 9,98 dB.
Tabell 1 sammenligner den foreslåtte metasurface MIMO-antennen med nylig utviklet lignende MIMO-systemer. Sammenligningen tar hensyn til ulike ytelsesparametere, inkludert båndbredde, forsterkning, maksimal isolasjon, generell effektivitet og mangfoldsytelse. Forskere har presentert ulike MIMO-antenneprototyper med forsterknings- og isolasjonsforbedringsteknikker i 5, 44, 45, 46, 47. Sammenlignet med tidligere publiserte arbeider, overgår det foreslåtte MIMO-systemet med metasurface-reflektorer dem når det gjelder båndbredde, forsterkning og isolasjon. I tillegg, sammenlignet med lignende antenner som er rapportert, viser det utviklede MIMO-systemet overlegen diversitetsytelse og generell effektivitet i en mindre størrelse. Selv om antennene beskrevet i avsnitt 5.46 har høyere isolasjon enn våre foreslåtte antenner, lider disse antennene av stor størrelse, lav forsterkning, smal båndbredde og dårlig MIMO-ytelse. 4-ports MIMO-antennen foreslått i 45 viser høy forsterkning og effektivitet, men designet har lav isolasjon, stor størrelse og dårlig mangfoldsytelse. På den annen side har det lille antennesystemet foreslått i 47 svært lav forsterkning og driftsbåndbredde, mens vårt foreslåtte MS-baserte 4-ports MIMO-system viser liten størrelse, høy forsterkning, høy isolasjon og bedre ytelse MIMO. Dermed kan den foreslåtte metasurface MIMO-antennen bli en stor utfordrer for sub-6 GHz 5G kommunikasjonssystemer.
En fire-ports metasurface-reflektorbasert bredbånds MIMO-antenne med høy forsterkning og isolasjon er foreslått for å støtte 5G-applikasjoner under 6 GHz. Mikrostriplinjen mater en firkantet utstrålende seksjon, som er avkortet av en firkant i de diagonale hjørnene. Den foreslåtte MS-en og antennesenderen er implementert på substratmaterialer som ligner på Rogers RT5880 for å oppnå utmerket ytelse i høyhastighets 5G-kommunikasjonssystemer. MIMO-antennen har bred rekkevidde og høy forsterkning, og gir lydisolasjon mellom MIMO-komponenter og utmerket effektivitet. Den utviklede enkeltantennen har miniatyrdimensjoner på 0,58?0,58?0,02? med en 5×5 metasurface array, gir en bred 4,56 GHz driftsbåndbredde, 8 dBi toppforsterkning og overlegen målt effektivitet. Den foreslåtte MIMO-antennen med fire porter (2 × 2 array) er designet ved å justere hver foreslåtte enkeltantenne ortogonalt med en annen antenne med dimensjonene 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Det anbefales å sette sammen en 10×10 MM-array under en 12 mm høy MIMO-antenne, som kan redusere tilbakestråling og redusere gjensidig kobling mellom MIMO-komponenter, og dermed forbedre forsterkning og isolasjon. Eksperimentelle og simuleringsresultater viser at den utviklede MIMO-prototypen kan operere i et bredt frekvensområde på 3,08–7,75 GHz, og dekker 5G-spekteret under 6 GHz. I tillegg forbedrer den foreslåtte MS-baserte MIMO-antennen sin forsterkning med 2,9 dBi, og oppnår en maksimal forsterkning på 8,3 dBi, og gir utmerket isolasjon (>15,5 dB) mellom MIMO-komponenter, og validerer bidraget til MS. I tillegg har den foreslåtte MIMO-antennen en høy gjennomsnittlig total effektivitet på 82 % og en lav avstand mellom elementer på 22 mm. Antennen viser utmerket MIMO-diversitetsytelse, inkludert svært høy DG (over 9,98 dB), svært lav ECC (mindre enn 0,004) og ensrettet strålingsmønster. Måleresultatene er svært like simuleringsresultatene. Disse egenskapene bekrefter at det utviklede MIMO-antennesystemet med fire porter kan være et levedyktig valg for 5G-kommunikasjonssystemer i frekvensområdet under 6 GHz.
Cowin kan tilby 400-6000MHz bredbånds PCB-antenne, og støtte for å designe ny antenne i henhold til ditt krav, vennligst kontakt oss uten å nøle hvis du har noen forespørsel.
Innleggstid: 10. oktober 2024