Detta arbete föreslår en kompakt integrerad multi-input multiple-output (MIMO) metasurface (MS) bredbandsantenn för sub-6 GHz femte generationens (5G) trådlösa kommunikationssystem. Den uppenbara nyheten med det föreslagna MIMO-systemet är dess breda driftsbandbredd, höga förstärkning, små mellankomponentavstånd och utmärkta isolering inom MIMO-komponenterna. Antennens strålningspunkt är avskuren diagonalt, delvis jordad, och metasytor används för att förbättra antennens prestanda. Den föreslagna prototypen för integrerad enkel MS-antenn har miniatyrdimensioner på 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Simulerings- och mätresultat visar bredbandsprestanda från 3,11 GHz till 7,67 GHz, inklusive den högsta uppnådda förstärkningen på 8 dBi. MIMO-systemet med fyra element är designat så att varje antenn är ortogonal mot varandra samtidigt som den behåller en kompakt storlek och bredbandsprestanda från 3,2 till 7,6 GHz. Den föreslagna MIMO-prototypen är designad och tillverkad på Rogers RT5880-substrat med låg förlust och miniatyriserade dimensioner på 1,05? 1,05? 0,02?, och dess prestanda utvärderas med användning av den föreslagna fyrkantiga slutna ringresonatoruppsättningen med en 10 x 10 delad ring. Grundmaterialet är detsamma. Den föreslagna bakplanets metayta minskar avsevärt antennbakstrålning och manipulerar elektromagnetiska fält, vilket förbättrar bandbredden, förstärkningen och isoleringen av MIMO-komponenter. Jämfört med befintliga MIMO-antenner uppnår den föreslagna MIMO-antennen med 4 portar en hög förstärkning på 8,3 dBi med en genomsnittlig total effektivitet på upp till 82 % i 5G-bandet under 6 GHz och stämmer väl överens med de uppmätta resultaten. Dessutom uppvisar den utvecklade MIMO-antennen utmärkt prestanda när det gäller envelopekorrelationskoefficient (ECC) på mindre än 0,004, diversitetsförstärkning (DG) på cirka 10 dB (>9,98 dB) och hög isolering mellan MIMO-komponenter (>15,5 dB). egenskaper. Således bekräftar den föreslagna MS-baserade MIMO-antennen dess tillämpbarhet för 5G-kommunikationsnätverk under 6 GHz.
5G-tekniken är ett otroligt framsteg inom trådlös kommunikation som kommer att möjliggöra snabbare och säkrare nätverk för miljarder anslutna enheter, ge användarupplevelser med "noll" latens (latens på mindre än 1 millisekund) och introducera ny teknik, inklusive elektronik. Sjukvård, intellektuell utbildning. , smarta städer, smarta hem, virtuell verklighet (VR), smarta fabriker och Internet of Vehicles (IoV) förändrar våra liv, samhälle och industrier1,2,3. US Federal Communications Commission (FCC) delar upp 5G-spektrumet i fyra frekvensband4. Frekvensbandet under 6 GHz är av intresse för forskare eftersom det tillåter långdistanskommunikation med höga datahastigheter5,6. Tilldelningen av 5G-spektrum under 6 GHz för global 5G-kommunikation visas i figur 1, vilket indikerar att alla länder överväger spektrum under 6 GHz för 5G-kommunikation7,8. Antenner är en viktig del av 5G-nätverk och kommer att kräva fler basstations- och användarterminalantenner.
Microstrip patch-antenner har fördelarna med tunnhet och platt struktur, men är begränsade i bandbredd och gain9,10, så mycket forskning har gjorts för att öka antennens förstärkning och bandbredd; Under de senaste åren har metasytor (MS) använts i stor utsträckning i antennteknologier, särskilt för att förbättra förstärkning och genomströmning11,12, men dessa antenner är begränsade till en enda port; MIMO-teknik är en viktig aspekt av trådlös kommunikation eftersom den kan använda flera antenner samtidigt för att överföra data, och därigenom förbättra datahastigheter, spektral effektivitet, kanalkapacitet och tillförlitlighet13,14,15. MIMO-antenner är potentiella kandidater för 5G-applikationer eftersom de kan sända och ta emot data över flera kanaler utan att kräva ytterligare kraft16,17. Den ömsesidiga kopplingseffekten mellan MIMO-komponenter beror på platsen för MIMO-elementen och MIMO-antennens förstärkning, vilket är en stor utmaning för forskare. Figurerna 18, 19 och 20 visar olika MIMO-antenner som arbetar i 5G-bandet under 6 GHz, alla visar god MIMO-isolering och prestanda. Emellertid är förstärkningen och driftsbandbredden för dessa föreslagna system låga.
Metamaterial (MM) är nya material som inte finns i naturen och som kan manipulera elektromagnetiska vågor och därigenom förbättra antennernas prestanda21,22,23,24. MM används nu i stor utsträckning inom antennteknik för att förbättra strålningsmönstret, bandbredden, förstärkningen och isoleringen mellan antennelement och trådlösa kommunikationssystem, som diskuterats i 25, 26, 27, 28. År 2029, ett fyra-elements MIMO-system baserat på metasurface, där antennsektionen är inklämd mellan metaytan och marken utan ett luftgap, vilket förbättrar MIMO-prestandan. Denna design har dock en större storlek, lägre driftsfrekvens och komplex struktur. Ett elektromagnetiskt bandgap (EBG) och jordslinga ingår i den föreslagna 2-ports bredbands MIMO-antennen för att förbättra isoleringen av MIMO30-komponenter. Den designade antennen har bra MIMO-diversitetsprestanda och utmärkt isolering mellan två MIMO-antenner, men med endast två MIMO-komponenter blir förstärkningen låg. Dessutom föreslog in31 också en ultra-wideband (UWB) MIMO-antenn med dubbla portar och undersökte dess MIMO-prestanda med hjälp av metamaterial. Även om denna antenn är kapabel till UWB-drift, är dess förstärkning låg och isoleringen mellan de två antennerna är dålig. Arbetet i32 föreslår ett 2-ports MIMO-system som använder elektromagnetiska bandgap (EBG) reflektorer för att öka förstärkningen. Även om den utvecklade antennuppsättningen har hög förstärkning och bra MIMO-diversitetsprestanda, gör dess stora storlek det svårt att applicera i nästa generations kommunikationsenheter. En annan reflektorbaserad bredbandsantenn utvecklades i 33, där reflektorn integrerades under antennen med ett större 22 mm gap, vilket uppvisar en lägre toppförstärkning på 4,87 dB. Paper 34 designar en MIMO-antenn med fyra portar för mmWave-applikationer, som är integrerad med MS-skiktet för att förbättra isoleringen och förstärkningen av MIMO-systemet. Denna antenn ger dock bra förstärkning och isolering, men har begränsad bandbredd och dåliga mekaniska egenskaper på grund av det stora luftgapet. På liknande sätt utvecklades under 2015 en trepars, 4-ports flugaformad metasyteintegrerad MIMO-antenn för mmWave-kommunikation med en maximal förstärkning på 7,4 dBi. B36 MS används på baksidan av en 5G-antenn för att öka antennförstärkningen, där metaytan fungerar som en reflektor. MS-strukturen är emellertid asymmetrisk och mindre uppmärksamhet har ägnats åt enhetscellstrukturen.
Enligt ovanstående analysresultat har ingen av ovanstående antenner hög förstärkning, utmärkt isolering, MIMO-prestanda och bredbandstäckning. Därför finns det fortfarande ett behov av en metasurface MIMO-antenn som kan täcka ett brett spektrum av 5G-spektrumfrekvenser under 6 GHz med hög förstärkning och isolering. Med tanke på begränsningarna i den ovan nämnda litteraturen, föreslås ett bredbands fyra-elements MIMO-antennsystem med hög förstärkning och utmärkt diversitetsprestanda för trådlösa kommunikationssystem under 6 GHz. Dessutom uppvisar den föreslagna MIMO-antennen utmärkt isolering mellan MIMO-komponenter, små elementgap och hög strålningseffektivitet. Antennlappen är avkortad diagonalt och placerad ovanpå metaytan med ett 12 mm luftgap, vilket reflekterar strålning från antennen och förbättrar antennförstärkningen och riktningsförmågan. Dessutom används den föreslagna enstaka antennen för att skapa en MIMO-antenn med fyra element med överlägsen MIMO-prestanda genom att placera varje antenn ortogonalt mot varandra. Den utvecklade MIMO-antennen integrerades sedan ovanpå en 10 × 10 MS-array med ett bakplan av koppar för att förbättra emissionsprestanda. Designen har ett brett driftsområde (3,08-7,75 GHz), hög förstärkning på 8,3 dBi och hög genomsnittlig total verkningsgrad på 82 %, samt utmärkt isolering på mer än -15,5 dB mellan MIMO-antennkomponenter. Den utvecklade MS-baserade MIMO-antennen simulerades med hjälp av 3D elektromagnetiskt programvarupaket CST Studio 2019 och validerades genom experimentella studier.
Detta avsnitt ger en detaljerad introduktion till den föreslagna arkitekturen och metodiken för design av en enkel antenn. Dessutom diskuteras de simulerade och observerade resultaten i detalj, inklusive spridningsparametrar, förstärkning och övergripande effektivitet med och utan metasytor. Prototypantennen utvecklades på ett Rogers 5880 lågförlustdielektriskt substrat med en tjocklek på 1,575 mm med en dielektricitetskonstant på 2,2. För att utveckla och simulera designen användes det elektromagnetiska simulatorpaketet CST studio 2019.
Figur 2 visar den föreslagna arkitekturen och designmodellen för en enelementsantenn. Enligt väletablerade matematiska ekvationer37 består antennen av en linjärt matad kvadratisk strålningspunkt och ett kopparjordplan (som beskrivs i steg 1) och ger resonans med en mycket smal bandbredd vid 10,8 GHz, som visas i figur 3b. Antennstrålarens initiala storlek bestäms av följande matematiska förhållande37:
Där \(P_{L}\) och \(P_{w}\) är lappens längd och bredd, c representerar ljusets hastighet, \(\gamma_{r}\) är substratets dielektriska konstant . , \(\gamma_{reff }\) representerar det effektiva dielektriska värdet för strålningsfläcken, \(\Delta L\) representerar förändringen i fläcklängd. Antennens bakplan optimerades i det andra steget, vilket ökade impedansbandbredden trots den mycket låga impedansbandbredden på 10 dB. I det tredje steget flyttas matarpositionen åt höger, vilket förbättrar impedansbandbredden och impedansmatchningen för den föreslagna antennen38. I detta skede visar antennen en utmärkt driftsbandbredd på 4 GHz och täcker även spektrumet under 6 GHz i 5G. Det fjärde och sista steget involverar etsning av fyrkantiga spår i motsatta hörn av strålningsfläcken. Denna kortplats utökar bandbredden på 4,56 GHz för att täcka 5G-spektrum under 6 GHz från 3,11 GHz till 7,67 GHz, som visas i figur 3b. Fram- och underperspektivvyer av den föreslagna designen visas i figur 3a, och de slutliga optimerade designparametrarna som krävs är följande: SL = 40 mm, Pw = 18 mm, PL = 18 mm, gL = 12 mm, fL = 11. mm, fW = 4,7 mm, cl = 2 mm, c2 = 9,65 mm, c3 = 1,65 mm.
(a) Ovanifrån och bakifrån av den designade enkelantennen (CST STUDIO SUITE 2019). (b) S-parameterkurva.
Metasurface är en term som hänvisar till en periodisk uppsättning enhetsceller belägna på ett visst avstånd från varandra. Metasytor är ett effektivt sätt att förbättra antennstrålningsprestanda, inklusive bandbredd, förstärkning och isolering mellan MIMO-komponenter. På grund av påverkan av ytvågsutbredning genererar metasytor ytterligare resonanser som bidrar till förbättrad antennprestanda39. Detta arbete föreslår en epsilon-negativ metamaterialenhet (MM) som arbetar i 5G-bandet under 6 GHz. MM med en yta på 8 mm × 8 mm utvecklades på ett Rogers 5880-substrat med låg förlust med en dielektricitetskonstant på 2,2 och en tjocklek på 1,575 mm. Den optimerade MM-resonatorlappen består av en inre cirkulär delad ring kopplad till två modifierade yttre delade ringar, som visas i figur 4a. Figur 4a sammanfattar de slutliga optimerade parametrarna för den föreslagna MM-uppställningen. Därefter utvecklades 40 × 40 mm och 80 × 80 mm metasytskikt utan ett kopparbakplan och med ett kopparbakplan med användning av 5 × 5 respektive 10 × 10 cellmatriser. Den föreslagna MM-strukturen modellerades med hjälp av 3D elektromagnetisk modelleringsprogram "CST studio suite 2019". En tillverkad prototyp av den föreslagna MM-arraystrukturen och mätinställningen (dubbelportsnätverksanalysator PNA och vågledarport) visas i figur 4b för att validera CST-simuleringsresultaten genom att analysera det faktiska svaret. Mätinställningarna använde en nätverksanalysator i Agilent PNA-serien i kombination med två vågledarkoaxialadaptrar (A-INFOMW, artikelnummer: 187WCAS) för att skicka och ta emot signaler. En prototyp 5×5-array placerades mellan två vågledarkoaxialadaptrar anslutna med koaxialkabel till en tvåportsnätverksanalysator (Agilent PNA N5227A). Agilent N4694-60001 kalibreringssats används för att kalibrera nätverksanalysatorn i en pilotanläggning. De simulerade och CST observerade spridningsparametrarna för den föreslagna prototypen av MM-matrisen visas i figur 5a. Det kan ses att den föreslagna MM-strukturen ger resonans i 5G-frekvensområdet under 6 GHz. Trots den lilla skillnaden i bandbredd på 10 dB är de simulerade och experimentella resultaten väldigt lika. Resonansfrekvensen, bandbredden och amplituden för den observerade resonansen skiljer sig något från de simulerade, som visas i figur 5a. Dessa skillnader mellan observerade och simulerade resultat beror på tillverkningsfel, små spelrum mellan prototypen och vågledarportarna, kopplingseffekter mellan vågledarportarna och arraykomponenterna och mättoleranser. Dessutom kan korrekt placering av den utvecklade prototypen mellan vågledarportarna i experimentuppställningen resultera i en resonansförskjutning. Dessutom observerades oönskat brus under kalibreringsfasen, vilket ledde till diskrepanser mellan de numeriska och uppmätta resultaten. Men bortsett från dessa svårigheter fungerar den föreslagna MM-array-prototypen bra på grund av den starka korrelationen mellan simulering och experiment, vilket gör den väl lämpad för applikationer för trådlös kommunikation under 6 GHz 5G.
(a) Enhetscellgeometri (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) Foto av MM-mätuppställningen.
(a) Simulering och verifiering av spridningsparameterkurvorna för metamaterialprototypen. (b) Dielektrisk konstantkurva för en MM-enhetscell.
Relevanta effektiva parametrar såsom effektiv dielektricitetskonstant, magnetisk permeabilitet och brytningsindex studerades med hjälp av inbyggda efterbehandlingstekniker i den elektromagnetiska simulatorn CST för att ytterligare analysera beteendet hos MM-enhetscellen. De effektiva MM-parametrarna erhålls från spridningsparametrarna med hjälp av en robust rekonstruktionsmetod. Följande transmittans- och reflektionskoefficientekvationer: (3) och (4) kan användas för att bestämma brytningsindex och impedans (se 40).
De reella och imaginära delarna av operatorn representeras av (.)' respektive (.)" och heltalsvärdet m motsvarar det reella brytningsindexet. Dielektrisk konstant och permeabilitet bestäms av formlerna \(\varepsilon { } = { }n/z,\) och \(\mu = nz\), som är baserade på impedans respektive brytningsindex. Den effektiva dielektriska konstantkurvan för MM-strukturen visas i figur 5b. Vid resonansfrekvensen är den effektiva dielektricitetskonstanten negativ. Figurerna 6a,b visar de extraherade värdena för effektiv permeabilitet (μ) och effektivt brytningsindex (n) för den föreslagna enhetscellen. Noterbart uppvisar de extraherade permeabiliteterna positiva verkliga värden nära noll, vilket bekräftar de epsilon-negativa (ENG) egenskaperna hos den föreslagna MM-strukturen. Dessutom, såsom visas i figur 6a, är resonansen vid permeabilitet nära noll starkt relaterad till resonansfrekvensen. Den utvecklade enhetscellen har ett negativt brytningsindex (fig. 6b), vilket innebär att den föreslagna MM kan användas för att förbättra antennens prestanda21,41.
Den utvecklade prototypen av en enda bredbandsantenn tillverkades för att experimentellt testa den föreslagna designen. Figurerna 7a,b visar bilder av den föreslagna prototypen för enkelantenn, dess strukturella delar och närfältsmätningsuppsättningen (SATIMO). För att förbättra antennprestandan placeras den utvecklade metaytan i lager under antennen, som visas i figur 8a, med höjden h. En enkel 40 mm x 40 mm dubbelskikts metayta applicerades på baksidan av den enkla antennen med 12 mm intervall. Dessutom placeras en metayta med ett bakplan på baksidan av den enkla antennen på ett avstånd av 12 mm. Efter applicering av metaytan visar den enstaka antennen en signifikant förbättring av prestanda, som visas i figurerna 1 och 2. Figurerna 8 och 9. Figur 8b visar de simulerade och uppmätta reflektansdiagrammen för den enskilda antennen utan och med metasytor. Det är värt att notera att täckningsbandet för en antenn med en metayta är mycket likt täckningsbandet för en antenn utan en metasyta. Figurerna 9a,b visar en jämförelse av den simulerade och observerade enstaka antennförstärkningen och total effektivitet utan och med MS i driftspektrumet. Det kan ses att jämfört med antennen utan metasyta förbättras förstärkningen av metasytantennen avsevärt och ökar från 5,15 dBi till 8 dBi. Förstärkningen för enkelskiktsmetaytan, dubbelskiktsmetasytan och enkelantenn med bakplansmetasytan ökade med 6 dBi, 6,9 dBi respektive 8 dBi. Jämfört med andra metasytor (enkellagers och dubbellagers MC) är förstärkningen för en enkel metasytor med ett bakplan av koppar upp till 8 dBi. I detta fall fungerar metaytan som en reflektor, vilket minskar antennens bakstrålning och manipulerar de elektromagnetiska vågorna i fas, vilket ökar antennens strålningseffektivitet och därmed förstärkningen. En studie av den totala effektiviteten för en enskild antenn utan och med metasytor visas i figur 9b. Det är värt att notera att effektiviteten för en antenn med och utan en metayta är nästan densamma. I det lägre frekvensområdet minskar antenneffektiviteten något. De experimentella och simulerade förstärknings- och effektivitetskurvorna stämmer väl överens. Det finns dock små skillnader mellan de simulerade och testade resultaten på grund av tillverkningsfel, mättoleranser, anslutningsbortfall i SMA-porten och kabelbortfall. Dessutom är antennen och MS-reflektorn placerade mellan nylondistanserna, vilket är en annan fråga som påverkar de observerade resultaten jämfört med simuleringsresultaten.
Figur (a) visar den färdiga enstaka antennen och dess tillhörande komponenter. (b) Närfältsmätning (SATIMO).
(a) Antennexcitering med hjälp av metasytereflektorer (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Simulerade och experimentella reflektanser för en enda antenn utan och med MS.
Simulerings- och mätresultat av (a) den uppnådda förstärkningen och (b) den övergripande effektiviteten för den föreslagna metasyteffektantennen.
Strålmönsteranalys med MS. Närfältsmätningar med en antenn utfördes i SATIMO Near-Field Experimental Environment vid UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Figurerna 10a, b visar de simulerade och observerade strålningsmönstren i E-plan och H-plan vid 5,5 GHz för den föreslagna enkelantennen med och utan MS. Den utvecklade enkelantennen (utan MS) ger ett konsekvent dubbelriktat strålningsmönster med sidolobsvärden. Efter applicering av den föreslagna MS-reflektorn ger antennen ett enkelriktat strålningsmönster och minskar nivån på de bakre loberna, såsom visas i figurerna 10a, b. Det är värt att notera att det föreslagna strålningsmönstret för singelantenn är mer stabilt och enkelriktat med mycket låga bak- och sidolober när man använder en metayta med ett bakplan av koppar. Den föreslagna MM-arrayreflektorn reducerar antennens bak- och sidolober samtidigt som den förbättrar strålningsprestandan genom att rikta strömmen i enkelriktade riktningar (fig. 10a, b), och därigenom öka förstärkningen och riktverkan. Det observerades att det experimentella strålningsmönstret var nästan jämförbart med det för CST-simuleringarna, men varierade något på grund av felinriktning av de olika sammansatta komponenterna, mättoleranser och kabelförluster. Dessutom sattes en nylondistans mellan antennen och MS-reflektorn, vilket är ett annat problem som påverkar de observerade resultaten jämfört med de numeriska resultaten.
Strålningsmönstret för den utvecklade enkelantennen (utan MS och med MS) vid en frekvens på 5,5 GHz simulerades och testades.
Den föreslagna MIMO-antenngeometrin visas i figur 11 och inkluderar fyra enkla antenner. De fyra komponenterna i MIMO-antennen är anordnade ortogonalt mot varandra på ett substrat med dimensionerna 80 × 80 × 1,575 mm, som visas i figur 11. Den designade MIMO-antennen har ett avstånd mellan element på 22 mm, vilket är mindre än närmaste motsvarande mellanelementavstånd för antennen. MIMO-antenn utvecklad. Dessutom är en del av jordplanet placerat på samma sätt som en enkel antenn. Reflexionsvärdena för MIMO-antennerna (S11, S22, S33 och S44) som visas i figur 12a uppvisar samma beteende som en enelementsantenn som resonerar i 3,2–7,6 GHz-bandet. Därför är impedansbandbredden för en MIMO-antenn exakt densamma som för en enda antenn. Kopplingseffekten mellan MIMO-komponenter är huvudorsaken till den lilla bandbreddsförlusten för MIMO-antenner. Figur 12b visar effekten av sammankoppling på MIMO-komponenter, där den optimala isoleringen mellan MIMO-komponenter bestämdes. Isolationen mellan antennerna 1 och 2 är den lägsta vid cirka -13,6 dB, och isoleringen mellan antennerna 1 och 4 är den högsta vid cirka -30,4 dB. På grund av sin lilla storlek och bredare bandbredd har denna MIMO-antenn lägre förstärkning och lägre genomströmning. Isoleringen är låg, så ökad förstärkning och isolering krävs;
Designmekanism för den föreslagna MIMO-antennen (a) ovanifrån och (b) jordplan. (CST Studio Suite 2019).
Det geometriska arrangemanget och exciteringsmetoden för den föreslagna MIMO-antennen med metaytan visas i figur 13a. En 10x10 mm matris med måtten 80x80x1,575 mm är designad för baksidan av en 12 mm hög MIMO-antenn, som visas i figur 13a. Dessutom är metasytor med kopparbakplan avsedda för användning i MIMO-antenner för att förbättra deras prestanda. Avståndet mellan metaytan och MIMO-antennen är kritiskt för att uppnå hög förstärkning samtidigt som det tillåter konstruktiv interferens mellan vågorna som genereras av antennen och de som reflekteras från metaytan. Omfattande modellering utfördes för att optimera höjden mellan antennen och metaytan samtidigt som kvartsvågsstandarder bibehölls för maximal förstärkning och isolering mellan MIMO-element. De betydande förbättringarna i MIMO-antennprestanda som uppnås genom att använda metasytor med bakplan jämfört med metasytor utan bakplan kommer att demonstreras i efterföljande kapitel.
(a) CST-simuleringsinställning av den föreslagna MIMO-antennen med MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Reflektanskurvor för det utvecklade MIMO-systemet utan MS och med MS.
Reflektanserna för MIMO-antenner med och utan metasytor visas i figur 13b, där S11 och S44 presenteras på grund av det nästan identiska beteendet hos alla antenner i MIMO-systemet. Det är värt att notera att -10 dB impedansbandbredden för en MIMO-antenn utan och med en enda metayta är nästan densamma. Däremot förbättras impedansbandbredden för den föreslagna MIMO-antennen av tvåskikts-MS och bakplans-MS. Det är värt att notera att utan MS ger MIMO-antennen en bråkdel av bandbredden på 81,5 % (3,2-7,6 GHz) i förhållande till mittfrekvensen. Att integrera MS med bakplanet ökar impedansbandbredden för den föreslagna MIMO-antennen till 86,3 % (3,08–7,75 GHz). Även om dubbelskikts MS ökar genomströmningen är förbättringen mindre än för MS med ett bakplan av koppar. Dessutom ökar en dual-layer MC antennens storlek, ökar dess kostnad och begränsar dess räckvidd. Den designade MIMO-antennen och metasytereflektorn är tillverkade och verifierade för att validera simuleringsresultaten och utvärdera den faktiska prestandan. Figur 14a visar det tillverkade MS-skiktet och MIMO-antennen med olika komponenter sammansatta, medan figur 14b visar ett fotografi av det utvecklade MIMO-systemet. MIMO-antennen är monterad ovanpå metaytan med hjälp av fyra nylondistanser, som visas i figur 14b. Figur 15a visar en ögonblicksbild av närfältsexperimentuppställningen av det utvecklade MIMO-antennsystemet. En PNA-nätverksanalysator (Agilent Technologies PNA N5227A) användes för att uppskatta spridningsparametrar och för att utvärdera och karakterisera närfältsemissionsegenskaper i UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory.
(a) Foton av SATIMO-närfältsmätningar (b) Simulerade och experimentella kurvor för S11 MIMO-antenn med och utan MS.
Detta avsnitt presenterar en jämförande studie av de simulerade och observerade S-parametrarna för den föreslagna 5G MIMO-antennen. Figur 15b visar det experimentella reflektansdiagrammet för den integrerade 4-element MIMO MS-antennen och jämför den med CST-simuleringsresultaten. De experimentella reflektanserna visade sig vara desamma som CST-beräkningarna, men var något annorlunda på grund av tillverkningsdefekter och experimentella toleranser. Dessutom täcker den observerade reflektansen av den föreslagna MS-baserade MIMO-prototypen 5G-spektrumet under 6 GHz med en impedansbandbredd på 4,8 GHz, vilket innebär att 5G-applikationer är möjliga. Den uppmätta resonansfrekvensen, bandbredden och amplituden skiljer sig dock något från CST-simuleringsresultaten. Tillverkningsdefekter, koaxial-till-SMA-kopplingsförluster och utomhusmätinställningar kan orsaka skillnader mellan uppmätta och simulerade resultat. Men trots dessa brister fungerar den föreslagna MIMO bra, vilket ger stark överensstämmelse mellan simuleringar och mätningar, vilket gör den väl lämpad för trådlösa applikationer under 6 GHz 5G.
De simulerade och observerade MIMO-antennförstärkningskurvorna visas i figurerna 2 och 2. Såsom visas i figurerna 16a,b respektive 17a,b visas den ömsesidiga interaktionen mellan MIMO-komponenter. När metasytor appliceras på MIMO-antenner förbättras isoleringen mellan MIMO-antenner avsevärt. Isolationsdiagrammen mellan intilliggande antennelement S12, S14, S23 och S34 visar liknande kurvor, medan de diagonala MIMO-antennerna S13 och S42 visar liknande hög isolering på grund av det större avståndet mellan dem. De simulerade sändningsegenskaperna för intilliggande antenner visas i figur 16a. Det är värt att notera att i 5G-operativspektrum under 6 GHz är den minsta isoleringen av en MIMO-antenn utan en metasyta -13,6 dB och för en metayta med ett bakplan - 15,5 dB. Förstärkningsdiagrammet (Figur 16a) visar att bakplanets metayta avsevärt förbättrar isoleringen mellan MIMO-antennelement jämfört med enkel- och dubbelskikts metasytor. På intilliggande antennelement ger enkel- och dubbelskikts metasytor minsta isolering på cirka -13,68 dB och -14,78 dB, och kopparbakplanets metayta ger cirka -15,5 dB.
Simulerade isoleringskurvor för MIMO-element utan MS-lager och med MS-lager: (a) S12, S14, S34 och S32 och (b) S13 och S24.
Experimentella förstärkningskurvor för de föreslagna MS-baserade MIMO-antennerna utan och med: (a) S12, S14, S34 och S32 och (b) S13 och S24.
MIMO diagonala antennförstärkningsdiagram före och efter tillägg av MS-lagret visas i figur 16b. Det är värt att notera att den minsta isoleringen mellan diagonala antenner utan metasyta (antennerna 1 och 3) är – 15,6 dB över driftspektrumet, och en metayta med bakplan är – 18 dB. Metasurface-metoden minskar avsevärt kopplingseffekterna mellan diagonala MIMO-antenner. Den maximala isoleringen för en enskikts metayta är -37 dB, medan för en dubbelskikts metayta sjunker detta värde till -47 dB. Den maximala isoleringen av metaytan med ett kopparbakplan är -36,2 dB, vilket minskar med ökande frekvensområde. Jämfört med enkel- och dubbelskikts metasytor utan ett bakplan ger metasytor med ett bakplan överlägsen isolering över hela det erforderliga frekvensområdet, särskilt i 5G-området under 6 GHz, som visas i figurerna 16a, b. I det mest populära och mest använda 5G-bandet under 6 GHz (3,5 GHz) har enkel- och dubbellagers metasytor lägre isolering mellan MIMO-komponenter än metasytor med kopparbakplan (nästan ingen MS) (se figur 16a), b) . Förstärkningsmätningarna visas i figurerna 17a, b, som visar isoleringen av intilliggande antenner (S12, S14, S34 och S32) respektive diagonala antenner (S24 och S13). Som framgår av dessa figurer (fig. 17a, b), stämmer den experimentella isoleringen mellan MIMO-komponenter väl överens med den simulerade isoleringen. Även om det finns mindre skillnader mellan de simulerade och uppmätta CST-värdena på grund av tillverkningsfel, SMA-portanslutningar och ledningsförluster. Dessutom är antennen och MS-reflektorn placerade mellan nylondistanserna, vilket är en annan fråga som påverkar de observerade resultaten jämfört med simuleringsresultaten.
studerade ytströmsfördelningen vid 5,5 GHz för att rationalisera metasytors roll för att minska ömsesidig koppling genom ytvågsundertryckning42. Ytströmsfördelningen för den föreslagna MIMO-antennen visas i figur 18, där antenn 1 drivs och resten av antennen avslutas med en belastning på 50 ohm. När antenn 1 aktiveras, kommer betydande ömsesidiga kopplingsströmmar att uppträda vid intilliggande antenner vid 5,5 GHz i frånvaro av en metayta, såsom visas i figur 18a. Tvärtom, genom användningen av metasytor, som visas i Fig. 18b–d, förbättras isoleringen mellan intilliggande antenner. Det bör noteras att effekten av ömsesidig koppling av intilliggande fält kan minimeras genom att propagera kopplingsströmmen till intilliggande ringar av enhetsceller och intilliggande MS-enhetsceller längs MS-skiktet i antiparallella riktningar. Injicera ström från distribuerade antenner till MS-enheter är en nyckelmetod för att förbättra isoleringen mellan MIMO-komponenter. Som ett resultat reduceras kopplingsströmmen mellan MIMO-komponenter avsevärt, och isoleringen är också avsevärt förbättrad. Eftersom kopplingsfältet är brett fördelat i elementet, isolerar bakplanets metayta av koppar MIMO-antennenheten betydligt mer än enkel- och dubbelskiktsmetasytor (Figur 18d). Dessutom har den utvecklade MIMO-antennen mycket låg backpropagation och sidopropagation, vilket producerar ett enkelriktat strålningsmönster, vilket ökar förstärkningen av den föreslagna MIMO-antennen.
Ytströmsmönster för den föreslagna MIMO-antennen vid 5,5 GHz (a) utan MC, (b) enkelskikts MC, (c) dubbelskikts MC och (d) enkelskikts MC med kopparbakplan. (CST Studio Suite 2019).
Inom driftsfrekvensen visar figur 19a de simulerade och observerade förstärkningarna för den designade MIMO-antennen utan och med metasytor. Den simulerade uppnådda förstärkningen för MIMO-antennen utan metasyta är 5,4 dBi, som visas i figur 19a. På grund av den ömsesidiga kopplingseffekten mellan MIMO-komponenter uppnår den föreslagna MIMO-antennen faktiskt 0,25 dBi högre förstärkning än en enskild antenn. Tillägget av metasytor kan ge betydande vinster och isolering mellan MIMO-komponenter. Således kan den föreslagna MIMO-antennen med metasyte uppnå hög realiserad förstärkning på upp till 8,3 dBi. Som visas i figur 19a, när en enda metayta används på baksidan av MIMO-antennen, ökar förstärkningen med 1,4 dBi. När metaytan fördubblas ökar förstärkningen med 2,1 dBi, som visas i figur 19a. Den förväntade maximala förstärkningen på 8,3 dBi uppnås dock när man använder metaytan med ett bakplan av koppar. Noterbart är att den maximala uppnådda förstärkningen för enkelskikts- och dubbelskiktsmetaytan är 6,8 dBi respektive 7,5 dBi, medan den maximala uppnådda förstärkningen för bottenskiktets metayta är 8,3 dBi. Metasytskiktet på antennens baksida fungerar som en reflektor, reflekterar strålning från baksidan av antennen och förbättrar förhållandet mellan fram och bak (F/B) hos den designade MIMO-antennen. Dessutom manipulerar den högimpedans MS-reflektorn elektromagnetiska vågor i fas, vilket skapar ytterligare resonans och förbättrar strålningsprestandan hos den föreslagna MIMO-antennen. MS-reflektorn installerad bakom MIMO-antennen kan avsevärt öka den uppnådda förstärkningen, vilket bekräftas av experimentella resultat. De observerade och simulerade förstärkningarna för den utvecklade prototypen av MIMO-antennen är nästan desamma, men vid vissa frekvenser är den uppmätta förstärkningen högre än den simulerade förstärkningen, speciellt för MIMO utan MS; Dessa variationer i experimentell förstärkning beror på mättoleranser för nylonkuddarna, kabelförluster och koppling i antennsystemet. Den maximala uppmätta förstärkningen för MIMO-antennen utan metaytan är 5,8 dBi, medan metasytan med ett kopparbakplan är 8,5 dBi. Det är värt att notera att det föreslagna kompletta 4-ports MIMO-antennsystemet med MS-reflektor uppvisar hög förstärkning under experimentella och numeriska förhållanden.
Simulering och experimentella resultat av (a) den uppnådda förstärkningen och (b) den övergripande prestandan för den föreslagna MIMO-antennen med metasurface-effekt.
Figur 19b visar den övergripande prestandan för det föreslagna MIMO-systemet utan och med metasytereflektorer. I figur 19b var den lägsta effektiviteten med användning av MS med bakplan över 73 % (ned till 84 %). Den totala effektiviteten för de utvecklade MIMO-antennerna utan MC och med MC är nästan densamma med mindre skillnader jämfört med de simulerade värdena. Skälen till detta är mättoleranser och användning av distanser mellan antennen och MS-reflektorn. Den uppmätta uppnådda förstärkningen och den totala effektiviteten över hela frekvensen liknar nästan simuleringsresultaten, vilket indikerar att prestandan för den föreslagna MIMO-prototypen är som förväntat och att den rekommenderade MS-baserade MIMO-antennen är lämplig för 5G-kommunikation. På grund av fel i experimentella studier finns skillnader mellan de övergripande resultaten av laboratorieexperiment och resultaten av simuleringar. Prestandan hos den föreslagna prototypen påverkas av impedansmissanpassning mellan antennen och SMA-kontakten, koaxialkabelskarvförluster, lödeffekter och närheten av olika elektroniska enheter till experimentuppställningen.
Figur 20 beskriver design- och optimeringsförloppet för nämnda antenn i form av ett blockschema. Detta blockschema ger en steg-för-steg-beskrivning av de föreslagna MIMO-antenndesignprinciperna, såväl som parametrarna som spelar en nyckelroll för att optimera antennen för att uppnå den erforderliga höga förstärkningen och höga isoleringen över en bred driftsfrekvens.
Närfältsmätningarna av MIMO-antennerna mättes i SATIMO Near-Field Experimental Environment vid UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Figurerna 21a,b visar de simulerade och observerade strålningsmönstren i E-planet och H-planet för den patentsökta MIMO-antennen med och utan MS vid en arbetsfrekvens på 5,5 GHz. I driftfrekvensområdet 5,5 GHz ger den utvecklade icke-MS MIMO-antennen ett konsekvent dubbelriktat strålningsmönster med sidolobsvärden. Efter applicering av MS-reflektorn ger antennen ett enkelriktat strålningsmönster och minskar nivån på de bakre loberna, som visas i figurerna 21a, b. Det är värt att notera att genom att använda en metayta med ett bakplan av koppar är det föreslagna MIMO-antennmönstret mer stabilt och enkelriktat än utan MS, med mycket låga rygg- och sidolober. Den föreslagna MM-arrayreflektorn reducerar antennens bak- och sidolober och förbättrar även strålningsegenskaperna genom att rikta strömmen i en enkelriktad riktning (fig. 21a, b), och därigenom öka förstärkningen och riktverkan. Det uppmätta strålningsmönstret erhölls för port 1 med en 50 ohm belastning kopplad till de återstående portarna. Det observerades att det experimentella strålningsmönstret var nästan identiskt med det som simulerades av CST, även om det fanns vissa avvikelser på grund av komponentfelinriktning, reflektioner från terminalportar och förluster i kabelanslutningar. Dessutom sattes en nylondistans mellan antennen och MS-reflektorn, vilket är ett annat problem som påverkar de observerade resultaten jämfört med de förutsagda resultaten.
Strålningsmönstret för den utvecklade MIMO-antennen (utan MS och med MS) vid en frekvens på 5,5 GHz simulerades och testades.
Det är viktigt att notera att portisolering och dess tillhörande egenskaper är väsentliga vid utvärdering av prestanda hos MIMO-system. Diversitetsprestandan hos det föreslagna MIMO-systemet, inklusive enveloppkorrelationskoefficient (ECC) och diversitetsförstärkning (DG), undersöks för att illustrera robustheten hos det designade MIMO-antennsystemet. ECC och DG för en MIMO-antenn kan användas för att utvärdera dess prestanda eftersom de är viktiga aspekter av prestandan hos ett MIMO-system. Följande avsnitt kommer att beskriva dessa egenskaper hos den föreslagna MIMO-antennen.
Envelope Correlation Coefficient (ECC). När man överväger ett MIMO-system bestämmer ECC i vilken grad de ingående elementen korrelerar med varandra vad gäller deras specifika egenskaper. Således demonstrerar ECC graden av kanalisolering i ett trådlöst kommunikationsnätverk. ECC (envelope correlation coefficient) för det utvecklade MIMO-systemet kan bestämmas baserat på S-parametrar och fjärrfältsemission. Från Eq. (7) och (8) ECC för den föreslagna MIMO-antennen 31 kan bestämmas.
Reflektionskoefficienten representeras av Sii och Sij representerar transmissionskoefficienten. De tredimensionella strålningsmönstren för de j:te och i:te antennerna ges av uttrycken \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) och \( \vec {{R_{ i } }} Rymdvinkel representerad av \left( {\theta ,\varphi } \right)\) och \({\Omega }\). ECC-kurvan för den föreslagna antennen visas i figur 22a och dess värde är mindre än 0,004, vilket är långt under det acceptabla värdet på 0,5 för ett trådlöst system. Därför innebär det reducerade ECC-värdet att det föreslagna 4-portars MIMO-systemet ger överlägsen mångfald43.
Diversity Gain (DG) DG är ett annat MIMO-systemprestandamått som beskriver hur diversitetsschemat påverkar den utstrålade effekten. Relation (9) bestämmer DG för MIMO-antennsystemet som utvecklas, som beskrivs i 31.
Figur 22b visar DG-diagrammet för det föreslagna MIMO-systemet, där DG-värdet är mycket nära 10 dB. DG-värdena för alla antenner i det designade MIMO-systemet överstiger 9,98 dB.
Tabell 1 jämför den föreslagna MIMO-antennen med metasurface med nyligen utvecklade liknande MIMO-system. Jämförelsen tar hänsyn till olika prestandaparametrar, inklusive bandbredd, förstärkning, maximal isolering, övergripande effektivitet och mångfaldsprestanda. Forskare har presenterat olika MIMO-antennprototyper med förstärknings- och isolationsförbättringstekniker i 5, 44, 45, 46, 47. Jämfört med tidigare publicerade arbeten överträffar det föreslagna MIMO-systemet med metasytereflektorer dem när det gäller bandbredd, förstärkning och isolering. Dessutom, jämfört med liknande antenner som rapporterats, uppvisar det utvecklade MIMO-systemet överlägsen mångfaldsprestanda och övergripande effektivitet i en mindre storlek. Även om antennerna som beskrivs i avsnitt 5.46 har högre isolering än våra föreslagna antenner, lider dessa antenner av stor storlek, låg förstärkning, smal bandbredd och dålig MIMO-prestanda. Den 4-portars MIMO-antenn som föreslagits i 45 uppvisar hög förstärkning och effektivitet, men dess design har låg isolering, stor storlek och dålig diversitetsprestanda. Å andra sidan har det lilla antennsystemet som föreslås i 47 mycket låg förstärkning och driftsbandbredd, medan vårt föreslagna MS-baserade 4-portars MIMO-system uppvisar liten storlek, hög förstärkning, hög isolering och bättre prestanda MIMO. Således kan den föreslagna MIMO-antennen med metasyte bli en stor utmanare för kommunikationssystem under 6 GHz 5G.
En fyrports metasytereflektorbaserad bredbands MIMO-antenn med hög förstärkning och isolering föreslås för att stödja 5G-applikationer under 6 GHz. Mikrostriplinjen matar en kvadratisk strålande sektion, som är stympad av en kvadrat vid de diagonala hörnen. Den föreslagna MS och antennsändaren är implementerade på substratmaterial som liknar Rogers RT5880 för att uppnå utmärkt prestanda i höghastighets 5G-kommunikationssystem. MIMO-antennen har brett räckvidd och hög förstärkning, och ger ljudisolering mellan MIMO-komponenter och utmärkt effektivitet. Den utvecklade enkelantennen har miniatyrdimensioner på 0,58?0,58?0,02? med en 5×5 metasurface array, ger en bred 4,56 GHz bandbredd, 8 dBi toppförstärkning och överlägsen uppmätt effektivitet. Den föreslagna MIMO-antennen med fyra portar (2 × 2 array) är designad genom att varje föreslagen enkel antenn orienteras ortogonalt med en annan antenn med dimensionerna 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Det rekommenderas att montera en 10×10 MM array under en 12 mm hög MIMO-antenn, vilket kan minska bakstrålning och minska ömsesidig koppling mellan MIMO-komponenter, och därigenom förbättra förstärkning och isolering. Experimentella och simuleringsresultat visar att den utvecklade MIMO-prototypen kan fungera i ett brett frekvensområde på 3,08–7,75 GHz, och täcker 5G-spektrumet under 6 GHz. Dessutom förbättrar den föreslagna MS-baserade MIMO-antennen sin förstärkning med 2,9 dBi, vilket uppnår en maximal förstärkning på 8,3 dBi, och ger utmärkt isolering (>15,5 dB) mellan MIMO-komponenter, vilket validerar bidraget från MS. Dessutom har den föreslagna MIMO-antennen en hög genomsnittlig total effektivitet på 82 % och ett lågt avstånd mellan element på 22 mm. Antennen uppvisar utmärkt MIMO-diversitetsprestanda inklusive mycket hög DG (över 9,98 dB), mycket låg ECC (mindre än 0,004) och enkelriktat strålningsmönster. Mätresultaten är mycket lika simuleringsresultaten. Dessa egenskaper bekräftar att det utvecklade MIMO-antennsystemet med fyra portar kan vara ett gångbart val för 5G-kommunikationssystem i frekvensområdet under 6 GHz.
Cowin kan tillhandahålla 400-6000MHz bredbands PCB-antenn och stöd för att designa ny antenn enligt dina krav, vänligen kontakta oss utan att tveka om du har någon förfrågan.
Posttid: 2024-10-10