Тази работа предлага компактна интегрирана широколентова антена с много входове и множество изходи (MIMO) с метаповърхност (MS) за безжични комуникационни системи от пето поколение (5G) под 6 GHz. Очевидната новост на предложената MIMO система е нейната широка работна честотна лента, голямо усилване, малки междукомпонентни разстояния и отлична изолация в рамките на MIMO компонентите. Излъчващото петно на антената е пресечено по диагонал, частично заземено и се използват метаповърхности за подобряване на работата на антената. Предложеният прототип на интегрирана единична MS антена има миниатюрни размери от 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Резултатите от симулация и измерване демонстрират широколентова производителност от 3,11 GHz до 7,67 GHz, включително най-високото постигнато усилване от 8 dBi. Системата MIMO с четири елемента е проектирана така, че всяка антена да е ортогонална една спрямо друга, като същевременно поддържа компактен размер и широколентова производителност от 3,2 до 7,6 GHz. Предложеният MIMO прототип е проектиран и произведен върху субстрат Rogers RT5880 с ниски загуби и миниатюрни размери от 1,05? 1,05? 0,02?, а работата му се оценява с помощта на предложената резонаторна решетка с квадратен затворен пръстен с 10 x 10 разделен пръстен. Основният материал е същият. Предложената метаповърхност на задната платка значително намалява обратното излъчване на антената и манипулира електромагнитните полета, като по този начин подобрява честотната лента, усилването и изолацията на MIMO компонентите. В сравнение със съществуващите MIMO антени, предложената 4-портова MIMO антена постига голямо усилване от 8,3 dBi със средна обща ефективност до 82% в 5G под-6 GHz обхват и е в добро съответствие с измерените резултати. Освен това разработената MIMO антена показва отлична производителност по отношение на коефициент на корелация на обвивката (ECC) от по-малко от 0,004, усилване на разнообразието (DG) от около 10 dB (>9,98 dB) и висока изолация между MIMO компонентите (>15,5 dB). характеристики. Така предложената базирана на MS MIMO антена потвърждава своята приложимост за 5G комуникационни мрежи под 6 GHz.
5G технологията е невероятен напредък в безжичните комуникации, който ще позволи по-бързи и по-сигурни мрежи за милиарди свързани устройства, ще осигури потребителски опит с „нулево“ забавяне (закъснение под 1 милисекунда) и ще въведе нови технологии, включително електроника. Медицинско обслужване, интелектуално образование. , интелигентни градове, интелигентни домове, виртуална реалност (VR), интелигентни фабрики и интернет на превозните средства (IoV) променят нашия живот, общество и индустрии1,2,3. Федералната комисия по комуникациите на САЩ (FCC) разделя 5G спектъра на четири честотни ленти4. Честотната лента под 6 GHz представлява интерес за изследователите, тъй като позволява комуникации на дълги разстояния с високи скорости на данни5,6. Разпределението на 5G спектъра под 6 GHz за глобални 5G комуникации е показано на фигура 1, което показва, че всички държави обмислят спектър под 6 GHz за 5G комуникации7,8. Антените са важна част от 5G мрежите и ще изискват повече антени за базови станции и потребителски терминали.
Микролентовите антени имат предимствата на тънкост и плоска структура, но са ограничени в честотната лента и усилването9,10, толкова много изследвания са направени за увеличаване на усилването и честотната лента на антената; През последните години метаповърхностите (MS) са широко използвани в антенните технологии, особено за подобряване на усилването и пропускателната способност11,12, но тези антени са ограничени до един порт; Технологията MIMO е важен аспект на безжичните комуникации, тъй като може да използва множество антени едновременно за предаване на данни, като по този начин подобрява скоростите на данни, спектралната ефективност, капацитета на канала и надеждността13,14,15. MIMO антените са потенциални кандидати за 5G приложения, защото могат да предават и получават данни по множество канали, без да изискват допълнително захранване16,17. Взаимният ефект на свързване между MIMO компонентите зависи от местоположението на MIMO елементите и усилването на MIMO антената, което е голямо предизвикателство за изследователите. Фигури 18, 19 и 20 показват различни MIMO антени, работещи в 5G под-6 GHz обхват, всички демонстриращи добра MIMO изолация и производителност. Въпреки това, печалбата и работната честотна лента на тези предложени системи са ниски.
Метаматериалите (ММ) са нови материали, които не съществуват в природата и могат да манипулират електромагнитни вълни, като по този начин подобряват работата на антените21,22,23,24. MM вече се използва широко в антенната технология за подобряване на диаграмата на излъчване, честотната лента, усилването и изолацията между антенните елементи и безжичните комуникационни системи, както е обсъдено в 25, 26, 27, 28. През 2029 г. четириелементна MIMO система, базирана на metasurface, при който секцията на антената е притисната между metasurface и земята без въздушна междина, което подобрява производителността на MIMO. Този дизайн обаче има по-голям размер, по-ниска работна честота и сложна структура. Електромагнитна ширина на лентата (EBG) и земна верига са включени в предложената 2-портова широколентова MIMO антена за подобряване на изолацията на компонентите MIMO30. Проектираната антена има добра MIMO разнообразна производителност и отлична изолация между две MIMO антени, но при използване само на два MIMO компонента усилването ще бъде ниско. В допълнение, in31 също предложи ултрашироколентова (UWB) двупортова MIMO антена и изследва нейната MIMO производителност, използвайки метаматериали. Въпреки че тази антена може да работи UWB, нейното усилване е ниско и изолацията между двете антени е лоша. Работата в32 предлага 2-портова MIMO система, която използва рефлектори с електромагнитна ширина на лентата (EBG) за увеличаване на печалбата. Въпреки че разработената антенна решетка има голямо усилване и добро MIMO разнообразие, нейният голям размер затруднява прилагането й в комуникационни устройства от следващо поколение. Друга широколентова антена, базирана на рефлектор, е разработена през 33 г., където рефлекторът е интегриран под антената с по-голяма междина от 22 mm, показваща по-ниско пиково усилване от 4,87 dB. Paper 34 проектира четирипортова MIMO антена за mmWave приложения, която е интегрирана с MS слоя за подобряване на изолацията и усилването на MIMO системата. Тази антена обаче осигурява добро усилване и изолация, но има ограничена честотна лента и лоши механични свойства поради голямата въздушна междина. По подобен начин през 2015 г. беше разработена MIMO антена с три двойки и 4 порта с форма на папийонка с интегрирана метаповърхност за mmWave комуникации с максимално усилване от 7,4 dBi. B36 MS се използва на задната страна на 5G антена за увеличаване на усилването на антената, където метаповърхността действа като рефлектор. Структурата на MS обаче е асиметрична и по-малко внимание е обърнато на структурата на единичната клетка.
Според горните резултати от анализа нито една от горните антени няма високо усилване, отлична изолация, MIMO производителност и широколентово покритие. Следователно все още има нужда от метаповърхностна MIMO антена, която може да покрива широк диапазон от честоти на 5G спектъра под 6 GHz с високо усилване и изолация. Като се имат предвид ограниченията на горепосочената литература, се предлага широколентова четириелементна MIMO антенна система с високо усилване и отлична производителност при разнообразие за безжични комуникационни системи под 6 GHz. В допълнение, предложената MIMO антена показва отлична изолация между MIMO компонентите, малки междини между елементите и висока ефективност на излъчване. Антената е срязана по диагонал и е поставена върху метаповърхността с 12 mm въздушна междина, която отразява обратното излъчване от антената и подобрява усилването и насочеността на антената. В допълнение, предложената единична антена се използва за създаване на четириелементна MIMO антена с превъзходна MIMO производителност чрез позициониране на всяка антена ортогонално една спрямо друга. След това разработената MIMO антена беше интегрирана върху масив 10 × 10 MS с медна задна платка, за да се подобри производителността на емисиите. Дизайнът се отличава с широк работен диапазон (3,08-7,75 GHz), голямо усилване от 8,3 dBi и висока средна обща ефективност от 82%, както и отлична изолация от повече от −15,5 dB между компонентите на MIMO антената. Разработената базирана на MS MIMO антена беше симулирана с помощта на 3D електромагнитен софтуерен пакет CST Studio 2019 и валидирана чрез експериментални проучвания.
Този раздел предоставя подробно въведение в предложената архитектура и методологията за проектиране на единична антена. В допълнение, симулираните и наблюдаваните резултати се обсъждат подробно, включително параметри на разсейване, усилване и обща ефективност със и без метаповърхности. Прототипът на антената е разработен върху диелектричен субстрат с ниски загуби Rogers 5880 с дебелина 1,575 mm с диелектрична константа 2,2. За разработване и симулиране на дизайна е използван пакетът за електромагнитен симулатор CST studio 2019.
Фигура 2 показва предложената архитектура и модел на дизайн на едноелементна антена. Съгласно добре установени математически уравнения37, антената се състои от линейно захранвано квадратно излъчващо петно и медна заземена равнина (както е описано в стъпка 1) и резонира с много тясна честотна лента при 10,8 GHz, както е показано на Фигура 3b. Първоначалният размер на радиатора на антената се определя от следната математическа зависимост37:
Където \(P_{L}\) и \(P_{w}\) са дължината и ширината на пластира, c представлява скоростта на светлината, \(\gamma_{r}\) е диелектричната константа на субстрата . , \(\gamma_{reff }\) представлява ефективната диелектрична стойност на радиационното петно, \(\Delta L\) представлява промяната в дължината на петното. Задната платка на антената беше оптимизирана във втория етап, увеличавайки импедансната честотна лента въпреки много ниската импедансна честотна лента от 10 dB. В третия етап позицията на захранващото устройство се премества надясно, което подобрява импедансната честотна лента и съвпадението на импеданса на предложената антена38. На този етап антената демонстрира отлична работна честотна лента от 4 GHz и също покрива спектъра под 6 GHz в 5G. Четвъртият и последен етап включва ецване на квадратни канали в противоположните ъгли на радиационното петно. Този слот значително разширява честотната лента от 4,56 GHz, за да покрие под-6 GHz 5G спектър от 3,11 GHz до 7,67 GHz, както е показано на Фигура 3b. Изгледи отпред и отдолу в перспектива на предложения дизайн са показани на Фигура 3а, а крайните оптимизирани необходими параметри на дизайна са както следва: 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) Изгледи отгоре и отзад на проектираната единична антена (CST STUDIO SUITE 2019). (b) S-параметърна крива.
Метаповърхност е термин, който се отнася до периодичен масив от единични клетки, разположени на определено разстояние една от друга. Метаповърхностите са ефективен начин за подобряване на излъчването на антената, включително честотна лента, печалба и изолация между MIMO компоненти. Поради влиянието на разпространението на повърхностните вълни, метаповърхностите генерират допълнителни резонанси, които допринасят за подобрена производителност на антената39. Тази работа предлага единица от епсилон-отрицателен метаматериал (MM), работеща в 5G обхвата под 6 GHz. MM с повърхностна площ от 8 mm × 8 mm е разработен върху субстрат Rogers 5880 с ниски загуби с диелектрична константа 2,2 и дебелина 1,575 mm. Оптимизираният MM резонаторен пластир се състои от вътрешен кръгъл разделен пръстен, свързан с два модифицирани външни разделени пръстена, както е показано на фигура 4a. Фигура 4а обобщава окончателните оптимизирани параметри на предложената настройка на ММ. Впоследствие бяха разработени метаповърхностни слоеве 40 × 40 mm и 80 × 80 mm без медна задна плоча и с медна задна плоча, използвайки съответно 5 × 5 и 10 × 10 клетъчни масиви. Предложената структура на ММ е моделирана с помощта на софтуер за 3D електромагнитно моделиране „CST studio suite 2019“. Изработен прототип на предложената структура на MM масив и настройка за измерване (двупортов мрежов анализатор PNA и вълноводен порт) е показан на фигура 4b, за да потвърди резултатите от симулацията на CST чрез анализиране на действителния отговор. Измервателната настройка използва мрежов анализатор от серия PNA на Agilent в комбинация с два вълноводни коаксиални адаптера (A-INFOMW, номер на част: 187WCAS) за изпращане и получаване на сигнали. Прототипна решетка 5 × 5 беше поставена между два вълноводни коаксиални адаптера, свързани чрез коаксиален кабел към двупортов мрежов анализатор (Agilent PNA N5227A). Комплектът за калибриране Agilent N4694-60001 се използва за калибриране на мрежовия анализатор в пилотна инсталация. Симулираните и CST наблюдаваните параметри на разсейване на предложения прототип MM масив са показани на Фигура 5а. Може да се види, че предложената MM структура резонира в честотния диапазон на 5G под 6 GHz. Въпреки малката разлика в честотната лента от 10 dB, симулираните и експерименталните резултати са много сходни. Резонансната честота, честотната лента и амплитудата на наблюдавания резонанс са малко по-различни от симулираните, както е показано на фигура 5а. Тези разлики между наблюдаваните и симулираните резултати се дължат на производствени несъвършенства, малки луфтове между прототипа и вълноводните портове, ефекти на свързване между вълноводните портове и компонентите на масива и толеранси при измерване. В допълнение, правилното поставяне на разработения прототип между вълноводните портове в експерименталната настройка може да доведе до резонансно изместване. Освен това се наблюдава нежелан шум по време на фазата на калибриране, което доведе до несъответствия между числените и измерените резултати. Въпреки това, освен тези трудности, предложеният прототип на MM масив се представя добре поради силната корелация между симулация и експеримент, което го прави много подходящ за приложения за безжична комуникация под 6 GHz 5G.
(a) Геометрия на елементарна клетка (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) Снимка на настройката за измерване на MM.
(a) Симулация и проверка на кривите на параметрите на разсейване на прототипа на метаматериала. ( b ) Крива на диелектричната константа на единична клетка MM.
Съответните ефективни параметри като ефективна диелектрична константа, магнитна проницаемост и индекс на пречупване бяха изследвани с помощта на вградени техники за последваща обработка на електромагнитния симулатор CST за по-нататъшен анализ на поведението на единичната клетка MM. Ефективните параметри на ММ се получават от параметрите на разсейване, като се използва стабилен метод за реконструкция. Следните уравнения за коефициента на пропускливост и отражение: (3) и (4) могат да се използват за определяне на индекса на пречупване и импеданса (вижте 40).
Реалната и имагинерната част на оператора са представени съответно с (.)' и (.)” и целочислената стойност m съответства на реалния индекс на пречупване. Диелектричната константа и проницаемостта се определят от формулите \(\varepsilon { } = { }n/z,\) и \(\mu = nz\), които се основават съответно на импеданс и индекс на пречупване. Кривата на ефективната диелектрична константа на структурата MM е показана на фигура 5b. При резонансната честота ефективната диелектрична константа е отрицателна. Фигури 6a, b показват извлечените стойности на ефективната пропускливост (μ) и ефективния индекс на пречупване (n) на предложената единична клетка. По-специално, извлечените пропускливости показват положителни реални стойности, близки до нула, което потвърждава епсилон-отрицателните (ENG) свойства на предложената ММ структура. Освен това, както е показано на фигура 6а, резонансът при пропускливост, близка до нула, е силно свързан с резонансната честота. Разработената единична клетка има отрицателен индекс на пречупване (фиг. 6b), което означава, че предложеният ММ може да се използва за подобряване на производителността на антената21,41.
Разработеният прототип на единична широколентова антена беше произведен за експериментално тестване на предложения дизайн. Фигури 7a, b показват изображения на предложения прототип на единична антена, нейните структурни части и настройката за измерване на близко поле (SATIMO). За да се подобри производителността на антената, разработената метаповърхност се поставя на слоеве под антената, както е показано на фигура 8а, с височина h. Единична двуслойна метаповърхност с размери 40 mm x 40 mm беше приложена към задната част на единичната антена на интервали от 12 mm. Освен това на задната страна на единичната антена на разстояние 12 мм е поставена метаповърхност със задна платка. След прилагане на метаповърхността, единичната антена показва значително подобрение в производителността, както е показано на фигури 1 и 2. Фигури 8 и 9. Фигура 8b показва симулираните и измерени графики на отражателната способност за единичната антена без и с метаповърхности. Струва си да се отбележи, че обхватът на покритие на антена с метаповърхност е много подобен на обхвата на покритие на антена без метаповърхност. Фигури 9a, b показват сравнение на симулираното и наблюдаваното усилване на единична антена и общата ефективност без и с MS в работния спектър. Може да се види, че в сравнение с неметаповърхностната антена, усилването на метаповърхностната антена е значително подобрено, увеличавайки се от 5,15 dBi на 8 dBi. Усилването на еднослойната метаповърхност, двуслойната метаповърхност и единичната антена с метаповърхност на задната платка се увеличи съответно с 6 dBi, 6,9 dBi и 8 dBi. В сравнение с други метаповърхности (еднослойни и двуслойни MC), усилването на единична метаповърхностна антена с медна задна платка е до 8 dBi. В този случай метаповърхността действа като рефлектор, намалявайки обратното излъчване на антената и манипулирайки електромагнитните вълни във фаза, като по този начин увеличава ефективността на излъчване на антената и следователно печалбата. Проучване на общата ефективност на единична антена без и с метаповърхности е показано на фигура 9b. Струва си да се отбележи, че ефективността на антена с и без метаповърхност е почти еднаква. В по-ниския честотен диапазон ефективността на антената леко намалява. Експерименталните и симулираните криви на усилване и ефективност са в добро съответствие. Има обаче леки разлики между симулираните и тестваните резултати поради производствени дефекти, толеранси на измерване, загуба на връзка на SMA порт и загуба на кабел. В допълнение, антената и MS рефлекторът са разположени между найлоновите разделители, което е друг проблем, който засяга наблюдаваните резултати в сравнение с резултатите от симулацията.
Фигура (a) показва завършената единична антена и свързаните с нея компоненти. (b) Настройка за измерване на близко поле (SATIMO).
(a) Възбуждане на антената с помощта на метаповърхностни рефлектори (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Симулирани и експериментални коефициенти на отражение на единична антена без и с MS.
Резултати от симулация и измерване на (а) постигнатото усилване и (б) общата ефективност на предложената антена с метаповърхностен ефект.
Анализ на модела на лъча с помощта на MS. Измерванията на близко поле с една антена бяха извършени в експерименталната среда SATIMO Near-Field Experimental Environment на лабораторията за системи за близко поле на UKM SATIMO. Фигури 10a, b показват симулираните и наблюдавани модели на излъчване в E-равнина и H-равнина при 5,5 GHz за предложената единична антена със и без MS. Разработената единична антена (без MS) осигурява постоянен двупосочен модел на излъчване със стойности на страничния лоб. След прилагане на предложения MS рефлектор, антената осигурява еднопосочен модел на излъчване и намалява нивото на задните лобове, както е показано на фигури 10a, b. Струва си да се отбележи, че предложената схема на излъчване на единична антена е по-стабилна и еднопосочна с много ниски задни и странични лобове, когато се използва метаповърхност с медна задна платка. Предложеният рефлектор с MM решетка намалява задните и страничните пластини на антената, като същевременно подобрява ефективността на излъчване чрез насочване на тока в еднопосочни посоки (фиг. 10a, b), като по този начин увеличава усилването и насочеността. Беше наблюдавано, че експерименталната радиационна схема беше почти сравнима с тази на CST симулациите, но варираше леко поради неправилно подравняване на различните сглобени компоненти, толеранси на измерване и загуби в кабелите. Освен това между антената и MS рефлектора беше поставен найлонов дистанционер, което е друг проблем, който засяга наблюдаваните резултати в сравнение с числените резултати.
Диаграмата на излъчване на разработената единична антена (без MS и с MS) на честота 5,5 GHz беше симулирана и тествана.
Предложената геометрия на MIMO антената е показана на фигура 11 и включва четири единични антени. Четирите компонента на MIMO антената са подредени перпендикулярно един на друг върху субстрат с размери 80 × 80 × 1,575 mm, както е показано на фигура 11. Проектираната MIMO антена има междуелементно разстояние от 22 mm, което е по-малко от най-близкото съответно междуелементно разстояние на антената. Разработена MIMO антена. В допълнение, част от заземената равнина е разположена по същия начин като единична антена. Стойностите на отразяване на MIMO антените (S11, S22, S33 и S44), показани на Фигура 12а, показват същото поведение като едноелементна антена, резонираща в честотната лента 3,2–7,6 GHz. Следователно честотната лента на импеданса на MIMO антена е точно същата като тази на една антена. Ефектът на свързване между MIMO компонентите е основната причина за малката загуба на честотна лента на MIMO антените. Фигура 12b показва ефекта от взаимното свързване върху MIMO компонентите, където е определена оптималната изолация между MIMO компонентите. Изолацията между антени 1 и 2 е най-ниска при около -13,6 dB, а изолацията между антени 1 и 4 е най-висока при около -30,4 dB. Поради малкия си размер и по-широката честотна лента, тази MIMO антена има по-ниско усилване и по-ниска пропускателна способност. Изолацията е ниска, така че е необходима повишена армировка и изолация;
Механизъм на проектиране на предложената MIMO антена (a) изглед отгоре и (b) земна равнина. (CST Studio Suite 2019).
Геометричното разположение и методът на възбуждане на предложената метаповърхностна MIMO антена са показани на Фигура 13а. 10x10 mm матрица с размери 80x80x1,575 mm е проектирана за задната страна на 12 mm висока MIMO антена, както е показано на фигура 13a. Освен това метаповърхностите с медни задни платки са предназначени за използване в MIMO антени за подобряване на тяхната производителност. Разстоянието между метаповърхността и MIMO антената е критично за постигане на високо усилване, като същевременно позволява конструктивна интерференция между вълните, генерирани от антената, и тези, отразени от метаповърхността. Беше извършено обширно моделиране, за да се оптимизира височината между антената и метаповърхността, като същевременно се поддържат четвърт вълнови стандарти за максимално усилване и изолация между MIMO елементите. Значителните подобрения в производителността на MIMO антената, постигнати чрез използване на метаповърхности със задни платки в сравнение с метаповърхности без задни платки, ще бъдат демонстрирани в следващите глави.
(a) Настройка на CST симулация на предложената MIMO антена с помощта на MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Криви на отражение на разработената MIMO система без MS и с MS.
Коефициентите на отражение на MIMO антени със и без метаповърхности са показани на Фигура 13b, където S11 и S44 са представени поради почти идентичното поведение на всички антени в MIMO системата. Заслужава да се отбележи, че честотната лента на импеданс от -10 dB на MIMO антена без и с единична метаповърхност е почти същата. За разлика от това, честотната лента на импеданса на предложената MIMO антена е подобрена чрез двуслойна MS и MS на задната платка. Струва си да се отбележи, че без MS, MIMO антената осигурява частична честотна лента от 81,5% (3,2-7,6 GHz) спрямо централната честота. Интегрирането на MS с задната платка увеличава честотната лента на импеданса на предложената MIMO антена до 86,3% (3,08–7,75 GHz). Въпреки че двуслойната MS увеличава пропускателната способност, подобрението е по-малко от това на MS с медна задна платка. Освен това, двуслойният MC увеличава размера на антената, увеличава нейната цена и ограничава нейния обхват. Проектираната MIMO антена и метаповърхностният рефлектор са произведени и проверени, за да валидират резултатите от симулацията и да оценят действителната производителност. Фигура 14а показва изработения MS слой и MIMO антена с различни сглобени компоненти, докато Фигура 14b показва снимка на разработената MIMO система. MIMO антената е монтирана отгоре на метаповърхността с помощта на четири найлонови дистанционни елементи, както е показано на фигура 14b. Фигура 15а показва моментна снимка на експерименталната настройка на близкото поле на разработената MIMO антенна система. PNA мрежов анализатор (Agilent Technologies PNA N5227A) беше използван за оценка на параметрите на разсейване и за оценка и характеризиране на характеристиките на емисиите в близко поле в лабораторията на UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory.
(a) Снимки на SATIMO измервания в близко поле (b) Симулирани и експериментални криви на S11 MIMO антена със и без MS.
Този раздел представя сравнително изследване на симулираните и наблюдаваните S-параметри на предложената 5G MIMO антена. Фигура 15b показва експерименталната графика на коефициента на отражение на интегрираната 4-елементна MIMO MS антена и я сравнява с резултатите от CST симулацията. Установено е, че експерименталните коефициенти на отражение са същите като CST изчисленията, но са малко по-различни поради производствени дефекти и експериментални толеранси. В допълнение, наблюдаваното отразяване на предложения MIMO прототип, базиран на MS, покрива 5G спектъра под 6 GHz с импедансна честотна лента от 4,8 GHz, което означава, че 5G приложенията са възможни. Измерената резонансна честота, честотната лента и амплитудата обаче се различават леко от резултатите от CST симулацията. Производствените дефекти, загубите при свързване коаксиален към SMA и настройките за измерване на открито могат да причинят разлики между измерените и симулираните резултати. Въпреки тези недостатъци обаче предложеният MIMO се представя добре, осигурявайки силно съгласие между симулации и измервания, което го прави много подходящ за под 6 GHz 5G безжични приложения.
Симулираните и наблюдаваните криви на усилване на MIMO антената са показани на фигури 2 и 2. Както е показано съответно на фигури 16a, b и 17a, b, е показано взаимното взаимодействие на MIMO компонентите. Когато метаповърхностите се прилагат към MIMO антени, изолацията между MIMO антените е значително подобрена. Графиките на изолацията между съседни антенни елементи S12, S14, S23 и S34 показват подобни криви, докато диагоналните MIMO антени S13 и S42 показват подобно висока изолация поради по-голямото разстояние между тях. Симулираните характеристики на предаване на съседни антени са показани на фигура 16а. Заслужава да се отбележи, че в работния спектър на 5G под 6 GHz минималната изолация на MIMO антена без метаповърхност е -13,6 dB, а за метаповърхност с бекплейн – 15,5 dB. Графиката на усилването (Фигура 16а) показва, че метаповърхността на задната платка значително подобрява изолацията между антенните елементи на MIMO в сравнение с едно- и двуслойните метаповърхности. На съседни антенни елементи едно- и двуслойните метаповърхности осигуряват минимална изолация от приблизително -13,68 dB и -14,78 dB, а метаповърхността на медната задна платка осигурява приблизително -15,5 dB.
Симулирани криви на изолация на MIMO елементи без MS слой и с MS слой: (a) S12, S14, S34 и S32 и (b) S13 и S24.
Експериментални криви на усилване на предложените базирани на MS MIMO антени без и със: (a) S12, S14, S34 и S32 и (b) S13 и S24.
Графиките на MIMO диагоналното усилване на антената преди и след добавянето на MS слоя са показани на Фигура 16b. Заслужава да се отбележи, че минималната изолация между диагоналните антени без метаповърхност (антени 1 и 3) е – 15,6 dB в целия работен спектър, а метаповърхността със задна платка е – 18 dB. Подходът на метаповърхност значително намалява ефектите на свързване между диагоналните MIMO антени. Максималната изолация за еднослойна метаповърхност е -37 dB, докато за двуслойна метаповърхност тази стойност пада до -47 dB. Максималната изолация на метаповърхността с медна задна платка е −36,2 dB, която намалява с увеличаване на честотния диапазон. В сравнение с едно- и двуслойните метаповърхности без задна плоча, метаповърхностите с задна плоча осигуряват превъзходна изолация в целия изискван работен честотен диапазон, особено в 5G диапазона под 6 GHz, както е показано на фигури 16a, b. В най-популярната и широко използвана 5G лента под 6 GHz (3,5 GHz), едно- и двуслойните метаповърхности имат по-ниска изолация между MIMO компонентите, отколкото метаповърхностите с медни задни платки (почти без MS) (вижте Фигура 16a), b) . Измерванията на усилването са показани на фигури 17a, b, показващи изолацията на съседни антени (S12, S14, S34 и S32) и диагонални антени (S24 и S13), съответно. Както може да се види от тези фигури (фиг. 17a, b), експерименталната изолация между компонентите на MIMO се съгласува добре със симулираната изолация. Въпреки че има малки разлики между симулираните и измерените стойности на CST поради производствени дефекти, връзки на SMA портове и загуби на кабели. В допълнение, антената и MS рефлекторът са разположени между найлоновите разделители, което е друг проблем, който засяга наблюдаваните резултати в сравнение с резултатите от симулацията.
изследва разпределението на повърхностния ток при 5,5 GHz, за да рационализира ролята на метаповърхностите за намаляване на взаимното свързване чрез потискане на повърхностните вълни42. Разпределението на повърхностния ток на предложената MIMO антена е показано на Фигура 18, където антена 1 се задвижва, а останалата част от антената се завършва с товар от 50 ома. Когато антена 1 е захранена, значителни взаимни токове на свързване ще се появят в съседни антени на 5,5 GHz при липса на метаповърхност, както е показано на Фигура 18а. Напротив, чрез използването на метаповърхности, както е показано на Фиг. 18b–d, изолацията между съседни антени се подобрява. Трябва да се отбележи, че ефектът от взаимното свързване на съседни полета може да бъде сведен до минимум чрез разпространение на тока на свързване към съседни пръстени от единични клетки и съседни MS единични клетки по продължение на MS слоя в антипаралелни посоки. Инжектирането на ток от разпределени антени към MS единици е ключов метод за подобряване на изолацията между MIMO компонентите. В резултат на това токът на свързване между MIMO компонентите е значително намален и изолацията също е значително подобрена. Тъй като полето на свързване е широко разпространено в елемента, метаповърхността на медната задна платка изолира антенния модул MIMO значително повече от еднослойните и двуслойните метаповърхности (Фигура 18d). Освен това, разработената MIMO антена има много ниско обратно разпространение и странично разпространение, произвеждайки еднопосочен модел на излъчване, като по този начин увеличава усилването на предложената MIMO антена.
Модели на повърхностния ток на предложената MIMO антена при 5,5 GHz (a) без MC, (b) еднослоен MC, (c) двуслоен MC и (d) еднослоен MC с медна задна платка. (CST Studio Suite 2019).
В рамките на работната честота Фигура 19а показва симулираните и наблюдавани печалби на проектираната MIMO антена без и с метаповърхности. Симулираното постигнато усилване на MIMO антената без метаповърхност е 5,4 dBi, както е показано на фигура 19a. Поради взаимния ефект на свързване между MIMO компонентите, предложената MIMO антена всъщност постига 0,25 dBi по-голямо усилване от единична антена. Добавянето на метаповърхности може да осигури значителни печалби и изолация между MIMO компонентите. По този начин предложената метаповърхностна MIMO антена може да постигне високо реализирано усилване до 8,3 dBi. Както е показано на Фигура 19а, когато се използва единична метаповърхност в задната част на MIMO антената, усилването се увеличава с 1,4 dBi. Когато метаповърхността се удвои, усилването се увеличава с 2,1 dBi, както е показано на фигура 19а. Очакваното максимално усилване от 8,3 dBi обаче се постига при използване на метаповърхност с медна задна платка. Трябва да се отбележи, че максималното постигнато усилване за еднослойните и двуслойните метаповърхности е съответно 6,8 dBi и 7,5 dBi, докато максималното постигнато усилване за метаповърхността на долния слой е 8,3 dBi. Метаповърхностният слой на задната страна на антената действа като рефлектор, отразявайки радиацията от задната страна на антената и подобрявайки съотношението отпред към гърба (F/B) на проектираната MIMO антена. В допълнение, MS рефлекторът с висок импеданс манипулира електромагнитните вълни във фаза, като по този начин създава допълнителен резонанс и подобрява излъчването на предложената MIMO антена. MS рефлекторът, инсталиран зад MIMO антената, може значително да увеличи постигнатото усилване, което се потвърждава от експериментални резултати. Наблюдаваното и симулираното усилване на разработения прототип на MIMO антена са почти еднакви, но при някои честоти измереното усилване е по-високо от симулираното усилване, особено за MIMO без MS; Тези вариации в експерименталното усилване се дължат на толеранси на измерване на найлоновите подложки, загуби в кабела и свързване в антенната система. Пиковото измерено усилване на MIMO антената без метаповърхност е 5,8 dBi, докато метаповърхността с медна задна платка е 8,5 dBi. Струва си да се отбележи, че предложената пълна 4-портова MIMO антенна система с MS рефлектор показва високо усилване при експериментални и числени условия.
Симулация и експериментални резултати за (а) постигнатото усилване и (б) цялостната производителност на предложената MIMO антена с метаповърхностен ефект.
Фигура 19b показва цялостната производителност на предложената MIMO система без и с метаповърхностни рефлектори. На Фигура 19b най-ниската ефективност при използване на MS със задна платка е над 73% (до 84%). Общата ефективност на разработените MIMO антени без MC и с MC е почти еднаква с малки разлики в сравнение със симулираните стойности. Причините за това са допустимите отклонения на измерванията и използването на дистанционни елементи между антената и MS рефлектора. Измереното постигнато усилване и общата ефективност за цялата честота са почти сходни с резултатите от симулацията, което показва, че производителността на предложения MIMO прототип е според очакванията и че препоръчаната MS-базирана MIMO антена е подходяща за 5G комуникации. Поради грешки в експерименталните изследвания съществуват разлики между общите резултати от лабораторните експерименти и резултатите от симулациите. Работата на предложения прототип се влияе от несъответствието на импеданса между антената и SMA конектора, загубите при снаждане на коаксиален кабел, ефектите на запояване и близостта на различни електронни устройства до експерименталната настройка.
Фигура 20 описва дизайна и прогреса на оптимизиране на споменатата антена под формата на блокова диаграма. Тази блокова диаграма предоставя описание стъпка по стъпка на предложените принципи на проектиране на MIMO антена, както и параметрите, които играят ключова роля в оптимизирането на антената за постигане на необходимото високо усилване и висока изолация при широка работна честота.
Измерванията на MIMO антената за близко поле бяха измерени в експерименталната среда SATIMO Near-Field Experimental Environment в лабораторията за системи за близко поле на UKM SATIMO. Фигури 21a, b изобразяват симулираните и наблюдавани модели на излъчване в Е-равнина и Н-равнина на заявената MIMO антена със и без MS при работна честота от 5,5 GHz. В работния честотен диапазон от 5,5 GHz, разработената не-MS MIMO антена осигурява постоянен двупосочен модел на излъчване със стойности на страничния лоб. След прилагане на рефлектора MS, антената осигурява еднопосочен модел на излъчване и намалява нивото на задните лобове, както е показано на фигури 21a, b. Струва си да се отбележи, че чрез използване на метаповърхност с медна задна платка, предложеният модел на MIMO антена е по-стабилен и еднопосочен, отколкото без MS, с много ниски задни и странични лобове. Предложеният рефлектор с MM решетка намалява задните и страничните листа на антената и също така подобрява характеристиките на излъчване чрез насочване на тока в еднопосочна посока (фиг. 21a, b), като по този начин увеличава усилването и насочеността. Измереният модел на излъчване беше получен за порт 1 с товар от 50 ома, свързан към останалите портове. Беше наблюдавано, че експерименталната схема на излъчване беше почти идентична с тази, симулирана от CST, въпреки че имаше някои отклонения, дължащи се на разместване на компонентите, отражения от терминалните портове и загуби в кабелните връзки. Освен това между антената и MS рефлектора беше поставен найлонов дистанционер, което е друг проблем, който засяга наблюдаваните резултати в сравнение с прогнозираните резултати.
Диаграмата на излъчване на разработената MIMO антена (без MS и с MS) при честота 5,5 GHz беше симулирана и тествана.
Важно е да се отбележи, че изолацията на порта и свързаните с него характеристики са от съществено значение при оценката на производителността на MIMO системите. Ефективността на разнообразието на предложената система MIMO, включително коефициент на корелация на обвивката (ECC) и усилване на разнообразието (DG), се изследва, за да се илюстрира устойчивостта на проектираната MIMO антенна система. ECC и DG на MIMO антена могат да се използват за оценка на нейната производителност, тъй като те са важни аспекти на производителността на MIMO система. Следващите раздели ще опишат подробно тези характеристики на предложената MIMO антена.
Коефициент на корелация на обвивката (ECC). Когато се разглежда всяка MIMO система, ECC определя степента, в която съставните елементи корелират един с друг по отношение на техните специфични свойства. Така ECC демонстрира степента на изолация на канала в безжична комуникационна мрежа. ECC (коефициентът на корелация на обвивката) на разработената MIMO система може да бъде определен въз основа на S-параметри и излъчване в далечно поле. От ур. (7) и (8) може да се определи ECC на предложената MIMO антена 31.
Коефициентът на отражение е представен от Sii, а Sij представлява коефициентът на предаване. Триизмерните диаграми на излъчване на j-та и i-та антена са дадени от изразите \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) и \( \vec {{R_{ i } }} Телесен ъгъл, представен от \left( {\theta ,\varphi } \right)\) и \({\Omega }\). ECC кривата на предложената антена е показана на фигура 22а и нейната стойност е по-малка от 0,004, което е доста под приемливата стойност от 0,5 за безжична система. Следователно намалената стойност на ECC означава, че предложената 4-портова MIMO система осигурява превъзходно разнообразие43.
Diversity Gain (DG) DG е друг показател за производителност на MIMO система, който описва как схемата за разнообразие влияе на излъчената мощност. Връзка (9) определя DG на MIMO антенната система, която се разработва, както е описано в 31.
Фигура 22b показва DG диаграмата на предложената MIMO система, където стойността на DG е много близка до 10 dB. Стойностите на DG на всички антени на проектираната система MIMO надвишават 9,98 dB.
Таблица 1 сравнява предложената метаповърхностна MIMO антена с наскоро разработени подобни MIMO системи. Сравнението взема предвид различни параметри на производителност, включително честотна лента, усилване, максимална изолация, обща ефективност и разнообразие. Изследователите са представили различни прототипи на MIMO антена с техники за усилване и подобряване на изолацията в 5, 44, 45, 46, 47. В сравнение с предишни публикувани произведения, предложената MIMO система с метаповърхностни рефлектори ги превъзхожда по отношение на честотна лента, усилване и изолация. Освен това, в сравнение с докладваните подобни антени, разработената MIMO система показва превъзходна производителност при разнообразие и обща ефективност при по-малък размер. Въпреки че антените, описани в раздел 5.46, имат по-висока изолация от предложените от нас антени, тези антени страдат от голям размер, ниско усилване, тясна честотна лента и лоша MIMO производителност. 4-портовата MIMO антена, предложена в 45, показва високо усилване и ефективност, но нейният дизайн има ниска изолация, голям размер и лоша производителност при разнообразие. От друга страна, антенната система с малък размер, предложена в 47, има много ниско усилване и работна честотна лента, докато нашата предложена MS базирана 4-портова MIMO система показва малък размер, високо усилване, висока изолация и MIMO с по-добра производителност. По този начин предложената метаповърхностна MIMO антена може да се превърне в основен претендент за под-6 GHz 5G комуникационни системи.
Предложена е широколентова MIMO антена с четири порта, базирана на рефлектор на метаповърхност, с високо усилване и изолация, за да поддържа 5G приложения под 6 GHz. Микролентовата линия захранва квадратен излъчващ участък, който е пресечен от квадрат в диагоналните ъгли. Предложеният MS и излъчвател на антена са изпълнени върху субстратни материали, подобни на Rogers RT5880, за да се постигне отлична производителност във високоскоростни 5G комуникационни системи. MIMO антената разполага с широк обхват и голямо усилване и осигурява звукоизолация между MIMO компонентите и отлична ефективност. Разработената единична антена е с миниатюрни размери 0,58?0,58?0,02? с 5×5 метаповърхностен масив, осигурява широка работна честотна лента от 4,56 GHz, 8 dBi пиково усилване и превъзходна измерена ефективност. Предложената четирипортова MIMO антена (2 × 2 масив) е проектирана чрез ортогонално подравняване на всяка предложена единична антена с друга антена с размери 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Препоръчително е да се сглоби 10 × 10 MM масив под 12 mm висока MIMO антена, която може да намали обратното излъчване и да намали взаимното свързване между MIMO компонентите, като по този начин подобрява усилването и изолацията. Експериментални и симулационни резултати показват, че разработеният MIMO прототип може да работи в широк честотен диапазон от 3,08–7,75 GHz, покривайки 5G спектъра под 6 GHz. В допълнение, предложената MIMO антена, базирана на MS, подобрява усилването си с 2,9 dBi, постигайки максимално усилване от 8,3 dBi, и осигурява отлична изолация (>15,5 dB) между MIMO компонентите, потвърждавайки приноса на MS. В допълнение, предложената MIMO антена има висока средна обща ефективност от 82% и ниско междуелементно разстояние от 22 mm. Антената показва отлично представяне на MIMO разнообразие, включително много висока DG (над 9,98 dB), много ниска ECC (по-малко от 0,004) и еднопосочен модел на излъчване. Резултатите от измерването са много подобни на резултатите от симулацията. Тези характеристики потвърждават, че разработената четирипортова MIMO антенна система може да бъде жизнеспособен избор за 5G комуникационни системи в честотния диапазон под 6 GHz.
Cowin може да осигури 400-6000MHz широколентова PCB антена и поддръжка за проектиране на нова антена според вашите изисквания, моля свържете се с нас без колебание, ако имате някаква заявка.
Време на публикуване: 10 октомври 2024 г