Wykorzystanie metapowierzchni do poprawy wzmocnienia i izolacji szerokopasmowych anten PCB dla systemów komunikacyjnych 5G poniżej 6 GHz

W tej pracy zaproponowano kompaktową, zintegrowaną, szerokopasmową antenę metapowierzchniową (MS) z wieloma wejściami i wieloma wyjściami (MIMO) dla systemów komunikacji bezprzewodowej piątej generacji (5G) poniżej 6 GHz. Oczywistą nowością proponowanego systemu MIMO jest jego szerokie pasmo robocze, duże wzmocnienie, małe odstępy między komponentami i doskonała izolacja wewnątrz komponentów MIMO. Punkt promieniujący anteny jest ścięty po przekątnej, częściowo uziemiony, a metapowierzchnie poprawiają wydajność anteny. Proponowana prototypowa zintegrowana pojedyncza antena MS ma miniaturowe wymiary 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Wyniki symulacji i pomiarów wykazują wydajność szerokopasmową od 3,11 GHz do 7,67 GHz, w tym najwyższe osiągnięte wzmocnienie wynoszące 8 dBi. Czteroelementowy system MIMO zaprojektowano tak, aby każda antena była względem siebie ortogonalna, przy jednoczesnym zachowaniu kompaktowych rozmiarów i szerokopasmowej wydajności od 3,2 do 7,6 GHz. Proponowany prototyp MIMO został zaprojektowany i wykonany na podłożu Rogers RT5880 o niskich stratach i zminiaturyzowanych wymiarach 1,05? 1,05? 0,02Ω, a jego działanie ocenia się przy użyciu proponowanego kwadratowego układu rezonatorów z zamkniętym pierścieniem z dzielonym pierścieniem 10 x 10. Podstawowy materiał jest ten sam. Proponowana metapowierzchnia płyty montażowej znacznie zmniejsza promieniowanie wsteczne anteny i manipuluje polami elektromagnetycznymi, poprawiając w ten sposób przepustowość, wzmocnienie i izolację komponentów MIMO. W porównaniu z istniejącymi antenami MIMO proponowana 4-portowa antena MIMO osiąga wysoki zysk na poziomie 8,3 dBi przy średniej ogólnej wydajności do 82% w paśmie 5G poniżej 6 GHz i dobrze zgadza się z wynikami pomiarów. Co więcej, opracowana antena MIMO charakteryzuje się doskonałą wydajnością pod względem współczynnika korelacji obwiedni (ECC) poniżej 0,004, wzmocnienia różnorodności (DG) około 10 dB (>9,98 dB) i wysokiej izolacji pomiędzy komponentami MIMO (>15,5 dB). cechy. Tym samym proponowana antena MIMO oparta na MS potwierdza jej przydatność w sieciach komunikacyjnych 5G poniżej 6 GHz.
Technologia 5G to niesamowity postęp w komunikacji bezprzewodowej, który umożliwi szybsze i bezpieczniejsze sieci dla miliardów podłączonych urządzeń, zapewni użytkownikom doświadczenia z „zerowym” opóźnieniem (opóźnienie mniejsze niż 1 milisekunda) oraz wprowadzi nowe technologie, w tym elektronikę. Opieka medyczna, edukacja intelektualna. , inteligentne miasta, inteligentne domy, rzeczywistość wirtualna (VR), inteligentne fabryki i Internet pojazdów (IoV) zmieniają nasze życie, społeczeństwo i branże1,2,3. Amerykańska Federalna Komisja Łączności (FCC) dzieli widmo 5G na cztery pasma częstotliwości4. Pasmo częstotliwości poniżej 6 GHz jest interesujące dla badaczy, ponieważ umożliwia komunikację na duże odległości z dużą szybkością transmisji danych5,6. Przydział widma poniżej 6 GHz 5G na potrzeby globalnej komunikacji 5G pokazano na rysunku 1, co wskazuje, że wszystkie kraje rozważają przydzielenie widma poniżej 6 GHz na potrzeby komunikacji 5G7,8. Anteny stanowią ważną część sieci 5G i będą wymagać większej liczby anten stacji bazowych i terminali użytkowników.
Anteny mikropaskowe mają tę zaletę, że są cienkie i płaskie, ale mają ograniczoną szerokość pasma i zysk9,10, dlatego przeprowadzono wiele badań w celu zwiększenia wzmocnienia i szerokości pasma anteny; W ostatnich latach metapowierzchnie (MS) były szeroko stosowane w technologiach antenowych, zwłaszcza w celu poprawy zysku i przepustowości11,12, jednakże anteny te są ograniczone do jednego portu; Technologia MIMO jest ważnym aspektem komunikacji bezprzewodowej, ponieważ umożliwia jednoczesne wykorzystanie wielu anten do transmisji danych, poprawiając w ten sposób szybkość transmisji danych, wydajność widmową, przepustowość kanału i niezawodność13,14,15. Anteny MIMO są potencjalnymi kandydatami do zastosowań 5G, ponieważ mogą przesyłać i odbierać dane wieloma kanałami bez konieczności stosowania dodatkowej mocy16,17. Efekt wzajemnego sprzężenia pomiędzy komponentami MIMO zależy od lokalizacji elementów MIMO i zysku anteny MIMO, co stanowi duże wyzwanie dla badaczy. Rysunki 18, 19 i 20 przedstawiają różne anteny MIMO działające w paśmie 5G poniżej 6 GHz, wszystkie wykazują dobrą izolację i wydajność MIMO. Jednakże wzmocnienie i przepustowość operacyjna tych proponowanych systemów są niskie.
Metamateriały (MM) to nowe materiały, które nie występują w naturze i mogą manipulować falami elektromagnetycznymi, poprawiając w ten sposób działanie anten21,22,23,24. MM jest obecnie szeroko stosowany w technologii antenowej w celu poprawy charakterystyki promieniowania, przepustowości, wzmocnienia i izolacji między elementami anteny a systemami komunikacji bezprzewodowej, jak omówiono w 25, 26, 27, 28. W 2029 r. czteroelementowy system MIMO oparty na metapowierzchnia, w której sekcja anteny jest umieszczona pomiędzy metapowierzchnią a ziemią bez szczeliny powietrznej, co poprawia wydajność MIMO. Jednak ta konstrukcja ma większy rozmiar, niższą częstotliwość roboczą i złożoną strukturę. Proponowana 2-portowa szerokopasmowa antena MIMO zawiera elektromagnetyczne pasmo wzbronione (EBG) i pętlę uziemienia, aby poprawić izolację komponentów MIMO30. Zaprojektowana antena charakteryzuje się dobrą wydajnością w zakresie różnorodności MIMO i doskonałą izolacją pomiędzy dwiema antenami MIMO, ale przy użyciu tylko dwóch komponentów MIMO zysk będzie niski. Ponadto w projekcie in31 zaproponowano także ultraszerokopasmową (UWB) dwuportową antenę MIMO i zbadano jej działanie MIMO przy użyciu metamateriałów. Chociaż ta antena może pracować w trybie UWB, jej zysk jest niski, a izolacja między dwiema antenami jest słaba. W pracy in32 zaproponowano 2-portowy system MIMO, który wykorzystuje reflektory elektromagnetyczne pasma wzbronionego (EBG) w celu zwiększenia wzmocnienia. Chociaż opracowany układ antenowy charakteryzuje się wysokim zyskiem i dobrą wydajnością w zakresie różnorodności MIMO, jego duży rozmiar utrudnia zastosowanie w urządzeniach komunikacyjnych nowej generacji. W 33 opracowano inną antenę szerokopasmową opartą na reflektorze, w której reflektor został zintegrowany pod anteną z większą szczeliną 22 mm, wykazując niższe wzmocnienie szczytowe wynoszące 4,87 dB. Paper 34 projektuje czteroportową antenę MIMO do zastosowań mmWave, która jest zintegrowana z warstwą MS w celu poprawy izolacji i wzmocnienia systemu MIMO. Antena ta zapewnia jednak dobry zysk i izolację, ale ma ograniczoną szerokość pasma i słabe właściwości mechaniczne ze względu na dużą szczelinę powietrzną. Podobnie w 2015 roku opracowano trzyparową, 4-portową antenę MIMO w kształcie muszki, zintegrowaną z metapowierzchnią, do komunikacji mmWave o maksymalnym wzmocnieniu 7,4 dBi. B36 MS stosuje się z tyłu anteny 5G w celu zwiększenia zysku anteny, gdzie metapowierzchnia działa jak reflektor. Jednak struktura MS jest asymetryczna i mniej uwagi poświęcono strukturze komórek elementarnych.
Zgodnie z wynikami powyższej analizy żadna z powyższych anten nie ma dużego zysku, doskonałej izolacji, wydajności MIMO i zasięgu szerokopasmowego. Dlatego nadal istnieje zapotrzebowanie na antenę MIMO z powierzchnią metapowierzchniową, która mogłaby pokrywać szeroki zakres częstotliwości widma 5G poniżej 6 GHz przy dużym wzmocnieniu i izolacji. Biorąc pod uwagę ograniczenia powyższej literatury, dla systemów komunikacji bezprzewodowej poniżej 6 GHz zaproponowano szerokopasmowy, czteroelementowy system antenowy MIMO o dużym wzmocnieniu i doskonałej wydajności w zakresie różnorodności. Ponadto proponowana antena MIMO charakteryzuje się doskonałą izolacją pomiędzy komponentami MIMO, małymi przerwami między elementami oraz wysoką wydajnością radiacyjną. Plaster anteny jest ścięty ukośnie i umieszczony na powierzchni metapowierzchni z 12-milimetrową szczeliną powietrzną, która odbija promieniowanie zwrotne z anteny i poprawia zysk i kierunkowość anteny. Ponadto proponowana pojedyncza antena służy do stworzenia czteroelementowej anteny MIMO o doskonałej wydajności MIMO poprzez ustawienie każdej anteny prostopadle względem siebie. Opracowaną antenę MIMO zintegrowano następnie z układem 10 × 10 MS z miedzianą płytą montażową, aby poprawić parametry emisji. Konstrukcja charakteryzuje się szerokim zakresem roboczym (3,08-7,75 GHz), wysokim wzmocnieniem 8,3 dBi i wysoką średnią ogólną sprawnością na poziomie 82%, a także doskonałą izolacją większą niż -15,5 dB pomiędzy elementami anteny MIMO. Opracowaną antenę MIMO opartą na MS przeprowadzono symulację przy użyciu pakietu oprogramowania elektromagnetycznego 3D CST Studio 2019 i zweryfikowano w drodze badań eksperymentalnych.
W tej sekcji przedstawiono szczegółowe wprowadzenie do proponowanej architektury i metodologii projektowania pojedynczej anteny. Ponadto szczegółowo omówiono symulowane i zaobserwowane wyniki, w tym parametry rozpraszania, wzmocnienie i ogólną wydajność z metapowierzchniami i bez nich. Prototypową antenę opracowano na podłożu dielektrycznym o niskiej stratności Rogers 5880 o grubości 1,575 mm i stałej dielektrycznej 2,2. Do opracowania i symulacji projektu wykorzystano pakiet symulatorów elektromagnetycznych CST studio 2019.
Rysunek 2 przedstawia proponowaną architekturę i model konstrukcyjny anteny jednoelementowej. Zgodnie z ugruntowanymi równaniami matematycznymi37 antena składa się z kwadratowego punktu promieniującego zasilanego liniowo i miedzianej płaszczyzny uziemienia (jak opisano w kroku 1) i rezonuje w bardzo wąskim paśmie przy częstotliwości 10,8 GHz, jak pokazano na rysunku 3b. Początkowy rozmiar promiennika anteny jest określony przez następującą zależność matematyczną37:
Gdzie \(P_{L}\) i \(P_{w}\) to długość i szerokość plamki, c oznacza prędkość światła, \(\gamma_{r}\) to stała dielektryczna podłoża . , \(\gamma_{reff }\) reprezentuje efektywną wartość dielektryczną plamki promieniowania, \(\Delta L\) oznacza zmianę długości plamki. W drugim etapie zoptymalizowano płytę montażową anteny, zwiększając szerokość pasma impedancji pomimo bardzo niskiej szerokości pasma impedancji wynoszącej 10 dB. W trzecim etapie położenie podajnika przesuwa się w prawo, co poprawia szerokość pasma impedancji i dopasowanie impedancyjne proponowanej anteny38. Na tym etapie antena wykazuje doskonałą szerokość pasma roboczego wynoszącą 4 GHz i pokrywa również widmo poniżej 6 GHz w 5G. Czwarty i ostatni etap polega na wytrawieniu kwadratowych rowków w przeciwległych rogach plamki promieniowania. To gniazdo znacznie rozszerza szerokość pasma 4,56 GHz, aby objąć widmo 5G poniżej 6 GHz od 3,11 GHz do 7,67 GHz, jak pokazano na rysunku 3b. Widoki perspektywiczne z przodu i z dołu proponowanej konstrukcji przedstawiono na rysunku 3a, a ostateczne zoptymalizowane wymagane parametry projektu są następujące: 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) Widoki z góry i z tyłu zaprojektowanej pojedynczej anteny (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Krzywa parametru S.
Metapowierzchnia to termin odnoszący się do okresowego układu komórek elementarnych znajdujących się w pewnej odległości od siebie. Metapowierzchnie to skuteczny sposób na poprawę wydajności promieniowania anteny, w tym przepustowości, wzmocnienia i izolacji pomiędzy komponentami MIMO. Pod wpływem propagacji fal powierzchniowych metapowierzchnie generują dodatkowe rezonanse, które przyczyniają się do poprawy wydajności anteny39. W pracy zaproponowano jednostkę metamateriału (MM) o ujemności epsilon, działającą w paśmie 5G poniżej 6 GHz. MM o powierzchni 8 mm x 8 mm został opracowany na niskostratnym podłożu Rogers 5880 o stałej dielektrycznej 2,2 i grubości 1,575 mm. Zoptymalizowana łata rezonatora MM składa się z wewnętrznego okrągłego pierścienia dzielonego połączonego z dwoma zmodyfikowanymi zewnętrznymi pierścieniami dzielonymi, jak pokazano na rysunku 4a. Rysunek 4a podsumowuje ostateczne zoptymalizowane parametry proponowanej konfiguracji MM. Następnie opracowano warstwy metapowierzchniowe o wymiarach 40 × 40 mm i 80 × 80 mm bez miedzianej płyty montażowej i z miedzianą płytą montażową, stosując odpowiednio układy komórek 5 × 5 i 10 × 10 . Proponowaną konstrukcję MM zamodelowano przy użyciu oprogramowania do modelowania elektromagnetycznego 3D „CST studio suite 2019”. Wyprodukowany prototyp proponowanej struktury macierzy MM i konfiguracji pomiarowej (dwuportowy analizator sieci PNA i port falowodu) pokazano na rysunku 4b w celu sprawdzenia wyników symulacji CST poprzez analizę rzeczywistej odpowiedzi. Układ pomiarowy wykorzystywał analizator sieci Agilent serii PNA w połączeniu z dwoma koncentrycznymi adapterami falowodu (A-INFOMW, numer części: 187WCAS) do wysyłania i odbierania sygnałów. Prototypowy układ 5×5 umieszczono pomiędzy dwoma adapterami koncentrycznymi falowodów połączonymi kablem koncentrycznym z dwuportowym analizatorem sieci (Agilent PNA N5227A). Zestaw kalibracyjny Agilent N4694-60001 służy do kalibracji analizatora sieci w instalacji pilotażowej. Symulowane i obserwowane przez CST parametry rozpraszania proponowanego prototypowego układu MM pokazano na rysunku 5a. Można zauważyć, że proponowana struktura MM rezonuje w zakresie częstotliwości 5G poniżej 6 GHz. Pomimo niewielkiej różnicy w szerokości pasma wynoszącej 10 dB, wyniki symulowane i eksperymentalne są bardzo podobne. Częstotliwość rezonansowa, szerokość pasma i amplituda obserwowanego rezonansu nieznacznie różnią się od symulowanych, jak pokazano na rysunku 5a. Te różnice między wynikami obserwowanymi i symulowanymi wynikają z niedoskonałości produkcyjnych, małych prześwitów między prototypem a portami falowodu, efektów sprzężenia między portami falowodu a elementami układu oraz tolerancjami pomiarowymi. Ponadto prawidłowe umieszczenie opracowanego prototypu pomiędzy portami falowodu w układzie eksperymentalnym może skutkować przesunięciem rezonansowym. Ponadto w fazie kalibracji zaobserwowano niepożądany szum, co doprowadziło do rozbieżności pomiędzy wynikami numerycznymi i zmierzonymi. Jednak poza tymi trudnościami proponowany prototyp macierzy MM działa dobrze ze względu na silną korelację między symulacją a eksperymentem, dzięki czemu dobrze nadaje się do zastosowań w komunikacji bezprzewodowej 5G poniżej 6 GHz.
(a) Geometria komórki elementarnej (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) Zdjęcie stanowiska pomiarowego MM.
(a) Symulacja i weryfikacja krzywych parametrów rozpraszania prototypu metamateriału. (b) Krzywa stałej dielektrycznej ogniwa elementarnego MM.
Odpowiednie parametry efektywne, takie jak efektywna stała dielektryczna, przenikalność magnetyczna i współczynnik załamania światła, zbadano przy użyciu wbudowanych technik przetwarzania końcowego symulatora elektromagnetycznego CST w celu dalszej analizy zachowania komórki elementarnej MM. Efektywne parametry MM uzyskuje się z parametrów rozpraszania za pomocą solidnej metody rekonstrukcji. Do wyznaczenia współczynnika załamania światła i impedancji można zastosować następujące równania współczynnika przepuszczalności i odbicia: (3) i (4) (patrz 40).
Rzeczywistą i urojoną część operatora reprezentują odpowiednio (.)' i (.)”, a wartość całkowita m odpowiada rzeczywistemu współczynnikowi załamania światła. Stałą dielektryczną i przepuszczalność określają wzory \(\varepsilon { } = { }n/z,\) i \(\mu = nz\), które opierają się odpowiednio na impedancji i współczynniku załamania światła. Efektywną krzywą stałej dielektrycznej struktury MM pokazano na rysunku 5b. Przy częstotliwości rezonansowej efektywna stała dielektryczna jest ujemna. Ryciny 6a,b pokazują wyodrębnione wartości efektywnej przepuszczalności (μ) i efektywnego współczynnika załamania światła (n) proponowanej komórki elementarnej. Warto zauważyć, że wyekstrahowane przepuszczalności wykazują dodatnie wartości rzeczywiste bliskie zeru, co potwierdza właściwości epsilon-ujemne (ENG) proponowanej struktury MM. Ponadto, jak pokazano na rysunku 6a, rezonans przy przepuszczalności bliskiej zeru jest silnie powiązany z częstotliwością rezonansową. Opracowana komórka elementarna ma ujemny współczynnik załamania światła (rys. 6b), co oznacza, że ​​zaproponowany MM może zostać wykorzystany do poprawy parametrów anteny21,41.
Opracowany prototyp pojedynczej anteny szerokopasmowej wykonano w celu eksperymentalnego przetestowania proponowanego projektu. Rysunki 7a, b przedstawiają obrazy proponowanej prototypowej pojedynczej anteny, jej części konstrukcyjnych i układu do pomiarów bliskiego pola (SATIMO). Aby poprawić wydajność anteny, rozwiniętą metapowierzchnię umieszcza się warstwami pod anteną, jak pokazano na rysunku 8a, o wysokości h. Pojedynczą dwuwarstwową metapowierzchnię o wymiarach 40 mm x 40 mm nałożono na tył pojedynczej anteny w odstępach 12 mm. Dodatkowo na tylnej stronie pojedynczej anteny w odległości 12 mm umieszczona jest metapowierzchnia z płytą montażową. Po zastosowaniu metapowierzchni pojedyncza antena wykazuje znaczną poprawę wydajności, jak pokazano na rysunkach 1 i 2. Rysunki 8 i 9. Rysunek 8b przedstawia symulowane i zmierzone wykresy współczynnika odbicia dla pojedynczej anteny bez metapowierzchni i z metapowierzchniami. Warto zaznaczyć, że zasięg anteny z metapowierzchnią jest bardzo podobny do zasięgu anteny bez metapowierzchni. Rysunki 9a,b przedstawiają porównanie symulowanego i obserwowanego zysku pojedynczej anteny oraz ogólnej wydajności bez MS i z MS w widmie operacyjnym. Można zauważyć, że w porównaniu z anteną metapowierzchniową zysk anteny metapowierzchniowej jest znacznie lepszy, wzrastając z 5,15 dBi do 8 dBi. Zysk jednowarstwowej metapowierzchni, dwuwarstwowej metapowierzchni i pojedynczej anteny z metapowierzchnią płyty montażowej wzrósł odpowiednio o 6 dBi, 6,9 dBi i 8 dBi. W porównaniu z innymi metapowierzchniami (jednowarstwowymi i dwuwarstwowymi MC), zysk pojedynczej anteny metapowierzchniowej z miedzianą płytą montażową wynosi do 8 dBi. W tym przypadku metapowierzchnia działa jak reflektor, redukując promieniowanie wsteczne anteny i manipulując falami elektromagnetycznymi w fazie, zwiększając w ten sposób wydajność promieniowania anteny, a tym samym wzmocnienie. Badanie ogólnej wydajności pojedynczej anteny bez metapowierzchni i z metapowierzchniami pokazano na rysunku 9b. Warto zauważyć, że wydajność anteny z metapowierzchnią i bez niej jest prawie taka sama. W dolnym zakresie częstotliwości skuteczność anteny nieznacznie maleje. Eksperymentalne i symulowane krzywe wzmocnienia i wydajności są zgodne. Istnieją jednak niewielkie różnice między wynikami symulowanymi i testowanymi ze względu na wady produkcyjne, tolerancje pomiarowe, utratę połączenia z portem SMA i utratę przewodów. Dodatkowo antena i reflektor MS znajdują się pomiędzy nylonowymi przekładkami, co jest kolejną kwestią mającą wpływ na obserwowane wyniki w porównaniu z wynikami symulacji.
Rysunek (a) przedstawia ukończoną pojedynczą antenę i powiązane z nią elementy. (b) Konfiguracja pomiaru bliskiego pola (SATIMO).
(a) Wzbudzenie anteny za pomocą reflektorów metapowierzchniowych (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Symulowane i eksperymentalne współczynniki odbicia pojedynczej anteny bez MS i z MS.
Wyniki symulacji i pomiarów (a) osiągniętego wzmocnienia oraz (b) ogólnej wydajności proponowanej anteny metapowierzchniowej.
Analiza rozkładu wiązek za pomocą MS. Pomiary pola bliskiego przy użyciu pojedynczej anteny wykonano w Środowisku Eksperymentalnym Bliskiego Pola SATIMO w Laboratorium Systemów Bliskiego Pola SATIMO UKM. Rysunki 10a, b przedstawiają symulowane i obserwowane wzorce promieniowania w płaszczyźnie E i H przy częstotliwości 5,5 GHz dla proponowanej pojedynczej anteny z MS i bez MS. Opracowana pojedyncza antena (bez MS) zapewnia spójny dwukierunkowy wzór promieniowania z wartościami listków bocznych. Po zastosowaniu proponowanego odbłyśnika MS antena zapewnia jednokierunkową charakterystykę promieniowania i zmniejsza poziom listków tylnych, co pokazano na rysunkach 10a, b. Warto zauważyć, że proponowany wzór promieniowania pojedynczej anteny jest bardziej stabilny i jednokierunkowy z bardzo niskimi listkami tylnymi i bocznymi, gdy używana jest metapowierzchnia z miedzianą płytą montażową. Proponowany odbłyśnik MM zmniejsza tylne i boczne listki anteny, poprawiając jednocześnie wydajność promieniowania poprzez kierowanie prądu w kierunkach jednokierunkowych (ryc. 10a, b), zwiększając w ten sposób wzmocnienie i kierunkowość. Zaobserwowano, że eksperymentalny wzór promieniowania był prawie porównywalny z symulacjami CST, ale różnił się nieznacznie ze względu na niewspółosiowość różnych montowanych komponentów, tolerancje pomiarowe i straty w okablowaniu. Dodatkowo pomiędzy antenę a reflektor MS wprowadzono nylonową przekładkę, co jest kolejnym problemem mającym wpływ na zaobserwowane wyniki w porównaniu z wynikami numerycznymi.
Symulowano i testowano charakterystykę promieniowania opracowanej pojedynczej anteny (bez MS i z MS) przy częstotliwości 5,5 GHz.
Proponowana geometria anteny MIMO jest pokazana na rysunku 11 i obejmuje cztery pojedyncze anteny. Cztery elementy anteny MIMO ułożone są względem siebie prostopadle na podłożu o wymiarach 80 × 80 × 1,575 mm, jak pokazano na rysunku 11. Zaprojektowana antena MIMO charakteryzuje się odległością międzyelementową wynoszącą 22 mm, która jest mniejsza niż najbliższa odpowiadająca odległość międzyelementowa anteny. Opracowano antenę MIMO. Ponadto część płaszczyzny uziemienia jest zlokalizowana w taki sam sposób, jak pojedyncza antena. Wartości współczynnika odbicia anten MIMO (S11, S22, S33 i S44) pokazane na rysunku 12a wykazują takie samo zachowanie jak antena jednoelementowa rezonująca w paśmie 3,2–7,6 GHz. Dlatego szerokość pasma impedancji anteny MIMO jest dokładnie taka sama, jak w przypadku pojedynczej anteny. Efekt sprzężenia pomiędzy komponentami MIMO jest główną przyczyną małej utraty przepustowości anten MIMO. Rysunek 12b przedstawia wpływ wzajemnych połączeń na komponenty MIMO, gdzie określono optymalną izolację pomiędzy komponentami MIMO. Izolacja między antenami 1 i 2 jest najniższa i wynosi około -13,6 dB, a izolacja między antenami 1 i 4 jest najwyższa i wynosi około -30,4 dB. Ze względu na niewielkie rozmiary i szersze pasmo, ta antena MIMO ma niższy zysk i niższą przepustowość. Izolacja jest niska, dlatego wymagane jest zwiększone wzmocnienie i izolacja;
Mechanizm projektowy proponowanej anteny MIMO (a) widok z góry i (b) płaszczyzna uziemienia. (CST Studio Suite 2019).
Układ geometryczny i sposób wzbudzania proponowanej anteny metapowierzchniowej MIMO pokazano na rysunku 13a. Matryca 10x10mm i wymiary 80x80x1,575mm przeznaczona jest na tylną stronę anteny MIMO o wysokości 12mm, jak pokazano na rysunku 13a. Dodatkowo metapowierzchnie z miedzianymi płytami montażowymi są przeznaczone do stosowania w antenach MIMO w celu poprawy ich wydajności. Odległość pomiędzy metapowierzchnią a anteną MIMO ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia wysokiego wzmocnienia, jednocześnie umożliwiając konstruktywną interferencję pomiędzy falami generowanymi przez antenę i falami odbitymi od metapowierzchni. Przeprowadzono obszerne modelowanie, aby zoptymalizować wysokość między anteną a metapowierzchnią, zachowując jednocześnie standardy ćwierćfalowe w celu uzyskania maksymalnego wzmocnienia i izolacji między elementami MIMO. Znacząca poprawa wydajności anteny MIMO osiągnięta dzięki zastosowaniu metapowierzchni z płytami montażowymi w porównaniu z metapowierzchniami bez płyt montażowych zostanie zademonstrowana w kolejnych rozdziałach.
(a) Konfiguracja symulacji CST proponowanej anteny MIMO z wykorzystaniem MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Krzywe odbicia opracowanego systemu MIMO bez MS i z MS.
Odbicia anten MIMO z metapowierzchniami i bez nich pokazano na rysunku 13b, gdzie przedstawiono S11 i S44 ze względu na niemal identyczne zachowanie wszystkich anten w systemie MIMO. Warto zauważyć, że szerokość pasma impedancji -10 dB anteny MIMO bez i z pojedynczą metapowierzchnią jest prawie taka sama. Natomiast szerokość pasma impedancji proponowanej anteny MIMO została poprawiona dzięki dwuwarstwowym MS i płycie montażowej MS. Warto zaznaczyć, że bez MS antena MIMO zapewnia ułamkową szerokość pasma wynoszącą 81,5% (3,2-7,6 GHz) w stosunku do częstotliwości środkowej. Integracja MS z płytą montażową zwiększa szerokość pasma impedancji proponowanej anteny MIMO do 86,3% (3,08–7,75 GHz). Chociaż dwuwarstwowy MS zwiększa przepustowość, poprawa jest mniejsza niż w przypadku MS z miedzianą płytą montażową. Co więcej, dwuwarstwowy MC zwiększa rozmiar anteny, zwiększa jej koszt i ogranicza jej zasięg. Zaprojektowana antena MIMO i reflektor metapowierzchniowy są produkowane i weryfikowane w celu sprawdzenia wyników symulacji i oceny rzeczywistej wydajności. Rysunek 14a przedstawia wykonaną warstwę MS i antenę MIMO z zamontowanymi różnymi komponentami, natomiast rysunek 14b przedstawia fotografię opracowanego systemu MIMO. Antenę MIMO montuje się na powierzchni meta za pomocą czterech nylonowych przekładek, jak pokazano na rysunku 14b. Rysunek 15a przedstawia migawkę eksperymentalnej konfiguracji bliskiego pola opracowanego systemu antenowego MIMO. Do oszacowania parametrów rozpraszania oraz do oceny i scharakteryzowania charakterystyki emisji bliskiego pola w laboratorium UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory wykorzystano analizator sieci PNA (Agilent Technologies PNA N5227A).
(a) Zdjęcia z pomiarów bliskiego pola SATIMO (b) Symulowane i eksperymentalne krzywe anteny S11 MIMO z MS i bez MS.
W tej sekcji przedstawiono badanie porównawcze symulowanych i obserwowanych parametrów S proponowanej anteny 5G MIMO. Rysunek 15b przedstawia eksperymentalny wykres współczynnika odbicia zintegrowanej 4-elementowej anteny MIMO MS i porównuje go z wynikami symulacji CST. Stwierdzono, że współczynniki odbicia eksperymentalnego są takie same jak w obliczeniach CST, ale różnią się nieznacznie ze względu na wady produkcyjne i tolerancje eksperymentalne. Ponadto zaobserwowany współczynnik odbicia proponowanego prototypu MIMO opartego na MS obejmuje widmo 5G poniżej 6 GHz przy szerokości pasma impedancji wynoszącej 4,8 GHz, co oznacza, że ​​możliwe są zastosowania 5G. Jednakże zmierzona częstotliwość rezonansowa, szerokość pasma i amplituda różnią się nieznacznie od wyników symulacji CST. Wady produkcyjne, straty w połączeniu koncentryczny-SMA i konfiguracje pomiarów na zewnątrz mogą powodować różnice między wynikami zmierzonymi i symulowanymi. Jednak pomimo tych niedociągnięć proponowany MIMO działa dobrze, zapewniając silną zgodność między symulacjami i pomiarami, dzięki czemu doskonale nadaje się do zastosowań bezprzewodowych 5G poniżej 6 GHz.
Symulowane i obserwowane krzywe wzmocnienia anteny MIMO pokazano na rysunkach 2 i 2. Jak pokazano odpowiednio na rysunkach 16a, b i 17a, b, pokazano wzajemne oddziaływanie komponentów MIMO. Po zastosowaniu metapowierzchni w antenach MIMO izolacja między antenami MIMO ulega znacznej poprawie. Wykresy izolacji pomiędzy sąsiednimi elementami antenowymi S12, S14, S23 i S34 wykazują podobne krzywe, natomiast ukośne anteny MIMO S13 i S42 wykazują podobnie wysoką izolację ze względu na większą odległość między nimi. Symulowane charakterystyki transmisji sąsiednich anten pokazano na rysunku 16a. Warto zaznaczyć, że w widmie pracy 5G poniżej 6 GHz minimalna izolacja anteny MIMO bez metapowierzchni wynosi -13,6 dB, a dla metapowierzchni z płytą montażową – 15,5 dB. Wykres wzmocnienia (rysunek 16a) pokazuje, że metapowierzchnia płyty montażowej znacznie poprawia izolację pomiędzy elementami anteny MIMO w porównaniu z metapowierzchniami jedno- i dwuwarstwowymi. Na sąsiednich elementach anteny jedno- i dwuwarstwowe metapowierzchnie zapewniają minimalną izolację około -13,68 dB i -14,78 dB, a miedziana metapowierzchnia płyty montażowej zapewnia około -15,5 dB.
Symulowane krzywe izolacji elementów MIMO bez warstwy MS i z warstwą MS: (a) S12, S14, S34 i S32 oraz (b) S13 i S24.
Eksperymentalne krzywe zysku proponowanych anten MIMO opartych na MS bez i z: (a) S12, S14, S34 i S32 oraz (b) S13 i S24.
Wykresy wzmocnienia anteny diagonalnej MIMO przed i po dodaniu warstwy MS pokazano na rysunku 16b. Warto zaznaczyć, że minimalna izolacja pomiędzy antenami diagonalnymi bez metapowierzchni (anteny 1 i 3) wynosi – 15,6 dB w całym spektrum pracy, a metapowierzchnią z płytą montażową – 18 dB. Podejście metapowierzchniowe znacznie zmniejsza efekty sprzęgania między antenami diagonalnymi MIMO. Maksymalna izolacja dla metapowierzchni jednowarstwowej wynosi -37 dB, natomiast dla metapowierzchni dwuwarstwowej wartość ta spada do -47 dB. Maksymalna izolacja metapowierzchni za pomocą miedzianej płyty montażowej wynosi -36,2 dB i maleje wraz ze wzrostem zakresu częstotliwości. W porównaniu do jedno- i dwuwarstwowych metapowierzchni bez płyty montażowej, metapowierzchnie z płytą montażową zapewniają doskonałą izolację w całym wymaganym zakresie częstotliwości roboczych, szczególnie w zakresie 5G poniżej 6 GHz, jak pokazano na rysunkach 16a, b. W najpopularniejszym i powszechnie używanym paśmie 5G poniżej 6 GHz (3,5 GHz) jedno- i dwuwarstwowe metapowierzchnie mają niższą izolację pomiędzy komponentami MIMO niż metapowierzchnie z miedzianymi płytami bazowymi (prawie bez MS) (patrz Rysunek 16a), b). Pomiary wzmocnienia przedstawiono na rysunkach 17a, b, pokazujących izolację odpowiednio anten sąsiadujących (S12, S14, S34 i S32) oraz anten diagonalnych (S24 i S13). Jak widać z tych rysunków (ryc. 17a, b), izolacja eksperymentalna pomiędzy komponentami MIMO dobrze zgadza się z izolacją symulowaną. Chociaż istnieją niewielkie różnice między symulowanymi i zmierzonymi wartościami CST ze względu na wady produkcyjne, połączenia portów SMA i straty w przewodach. Dodatkowo antena i reflektor MS znajdują się pomiędzy nylonowymi przekładkami, co jest kolejną kwestią mającą wpływ na obserwowane wyniki w porównaniu z wynikami symulacji.
zbadali rozkład prądu powierzchniowego przy 5,5 GHz, aby zracjonalizować rolę metapowierzchni w ograniczaniu wzajemnego sprzężenia poprzez tłumienie fal powierzchniowych42. Rozkład prądu powierzchniowego proponowanej anteny MIMO pokazano na rysunku 18, gdzie antena 1 jest napędzana, a pozostała część anteny jest zakończona obciążeniem 50 omów. Kiedy antena 1 zostanie zasilona, ​​w przypadku braku metapowierzchni na sąsiednich antenach przy częstotliwości 5,5 GHz pojawią się znaczące prądy wzajemnego sprzężenia, jak pokazano na rysunku 18a. Wręcz przeciwnie, dzięki zastosowaniu metapowierzchni, jak pokazano na ryc. 18b – d, poprawia się izolacja pomiędzy sąsiednimi antenami. Należy zauważyć, że efekt wzajemnego sprzężenia sąsiednich pól można zminimalizować poprzez propagację prądu sprzęgającego do sąsiednich pierścieni komórek elementarnych i sąsiadujących komórek elementarnych MS wzdłuż warstwy MS w kierunkach antyrównoległych. Wprowadzanie prądu z rozproszonych anten do jednostek MS jest kluczową metodą poprawy izolacji pomiędzy komponentami MIMO. W rezultacie prąd sprzęgający między komponentami MIMO jest znacznie zmniejszony, a izolacja również znacznie się poprawia. Ponieważ pole sprzęgające jest szeroko rozproszone w elemencie, miedziana powierzchnia płyty montażowej izoluje zespół anteny MIMO znacznie lepiej niż metapowierzchnie jedno- i dwuwarstwowe (rysunek 18d). Co więcej, opracowana antena MIMO charakteryzuje się bardzo niską propagacją wsteczną i boczną, tworząc jednokierunkowy wzór promieniowania, zwiększając w ten sposób zysk proponowanej anteny MIMO.
Wzorce prądu powierzchniowego proponowanej anteny MIMO przy 5,5 GHz (a) bez MC, (b) jednowarstwowe MC, (c) dwuwarstwowe MC i (d) jednowarstwowe MC z miedzianą płytą montażową. (CST Studio Suite 2019).
W obrębie częstotliwości roboczej Rysunek 19a przedstawia symulowane i zaobserwowane zyski zaprojektowanej anteny MIMO bez metapowierzchni i z metapowierzchniami. Symulowany zysk osiągnięty przez antenę MIMO bez metapowierzchni wynosi 5,4 dBi, jak pokazano na rysunku 19a. Ze względu na efekt wzajemnego sprzężenia pomiędzy komponentami MIMO, proponowana antena MIMO osiąga w rzeczywistości zysk o 0,25 dBi większy niż pojedyncza antena. Dodanie metapowierzchni może zapewnić znaczne korzyści i izolację pomiędzy komponentami MIMO. Zatem proponowana antena metapowierzchniowa MIMO może osiągnąć wysoki zrealizowany zysk aż do 8,3 dBi. Jak pokazano na rysunku 19a, gdy z tyłu anteny MIMO zastosowano pojedynczą metapowierzchnię, wzmocnienie wzrasta o 1,4 dBi. Gdy powierzchnia metapowierzchni zostanie podwojona, wzmocnienie wzrasta o 2,1 dBi, jak pokazano na rysunku 19a. Jednakże oczekiwane maksymalne wzmocnienie wynoszące 8,3 dBi osiąga się przy użyciu metapowierzchni z miedzianą płytą montażową. Warto zauważyć, że maksymalne osiągnięte wzmocnienie dla metapowierzchni jednowarstwowych i dwuwarstwowych wynosi odpowiednio 6,8 dBi i 7,5 dBi, podczas gdy maksymalne osiągnięte wzmocnienie dla metapowierzchni dolnej warstwy wynosi 8,3 dBi. Warstwa metapowierzchniowa na tylnej stronie anteny działa jak reflektor, odbijając promieniowanie z tylnej strony anteny i poprawiając stosunek przód-tył (F/B) zaprojektowanej anteny MIMO. Ponadto reflektor MS o wysokiej impedancji manipuluje falami elektromagnetycznymi w fazie, tworząc w ten sposób dodatkowy rezonans i poprawiając wydajność promieniowania proponowanej anteny MIMO. Odbłyśnik MS zainstalowany za anteną MIMO może znacznie zwiększyć uzyskiwany zysk, co potwierdzają wyniki eksperymentów. Zaobserwowane i symulowane zyski opracowanej prototypowej anteny MIMO są prawie takie same, jednak na niektórych częstotliwościach zmierzony zysk jest wyższy niż symulowany zysk, szczególnie dla MIMO bez MS; Te różnice we wzmocnieniu eksperymentalnym wynikają z tolerancji pomiarowych podkładek nylonowych, strat w kablach i sprzężenia w systemie antenowym. Szczytowy zmierzony zysk anteny MIMO bez metapowierzchni wynosi 5,8 dBi, podczas gdy metapowierzchnia z miedzianą płytą montażową wynosi 8,5 dBi. Warto zauważyć, że proponowany kompletny 4-portowy system antenowy MIMO z reflektorem MS wykazuje wysoki zysk w warunkach eksperymentalnych i numerycznych.
Wyniki symulacji i eksperymentów dotyczące (a) osiągniętego wzmocnienia oraz (b) ogólnej wydajności proponowanej anteny MIMO z efektem metapowierzchni.
Rysunek 19b przedstawia ogólną wydajność proponowanego systemu MIMO bez reflektorów metapowierzchniowych i z nimi. Na rysunku 19b najniższa wydajność przy zastosowaniu MS z płytą montażową wyniosła ponad 73% (spadek do 84%). Ogólna wydajność opracowanych anten MIMO bez MC i z MC jest prawie taka sama, z niewielkimi różnicami w porównaniu z wartościami symulowanymi. Powodem tego są tolerancje pomiarowe i zastosowanie przekładek pomiędzy anteną a reflektorem MS. Zmierzone osiągnięte wzmocnienie i ogólna wydajność na całej częstotliwości są prawie podobne do wyników symulacji, co wskazuje, że wydajność proponowanego prototypu MIMO jest zgodna z oczekiwaniami i że zalecana antena MIMO oparta na MS jest odpowiednia do komunikacji 5G. Ze względu na błędy w badaniach eksperymentalnych istnieją różnice pomiędzy ogólnymi wynikami eksperymentów laboratoryjnych a wynikami symulacji. Na wydajność proponowanego prototypu wpływa niedopasowanie impedancji pomiędzy anteną a złączem SMA, straty na splocie kabla koncentrycznego, efekty lutowania oraz bliskość różnych urządzeń elektronicznych do konfiguracji eksperymentalnej.
Rysunek 20 przedstawia w formie schematu blokowego postęp projektowania i optymalizacji wspomnianej anteny. Ten schemat blokowy zawiera opis krok po kroku proponowanych zasad projektowania anteny MIMO, a także parametrów odgrywających kluczową rolę w optymalizacji anteny w celu osiągnięcia wymaganego wysokiego wzmocnienia i wysokiej izolacji w szerokiej częstotliwości roboczej.
Pomiary anteny MIMO bliskiego pola wykonano w środowisku eksperymentalnym SATIMO Near-Field Experimental Environment w laboratorium UKM SATIMO Near-Field Systems. Figury 21a,b przedstawiają symulowane i obserwowane wzorce promieniowania w płaszczyźnie E i płaszczyźnie H zastrzeganej anteny MIMO z MS i bez MS przy częstotliwości roboczej 5,5 GHz. W zakresie częstotliwości roboczej 5,5 GHz opracowana antena MIMO typu non-MS zapewnia spójny dwukierunkowy wzór promieniowania z wartościami listków bocznych. Po zastosowaniu odbłyśnika MS antena zapewnia jednokierunkową charakterystykę promieniowania i zmniejsza poziom listków tylnych, jak pokazano na rysunkach 21a, b. Warto zauważyć, że dzięki zastosowaniu metapowierzchni z miedzianą płytą montażową proponowany wzór anteny MIMO jest bardziej stabilny i jednokierunkowy niż bez MS, z bardzo niskimi listkami tylnymi i bocznymi. Proponowany odbłyśnik typu MM zmniejsza listki tylne i boczne anteny, a także poprawia charakterystykę promieniowania, kierując prąd w kierunku jednokierunkowym (ryc. 21a, b), zwiększając w ten sposób wzmocnienie i kierunkowość. Zmierzony wzór promieniowania uzyskano dla portu 1 przy obciążeniu 50 omów podłączonym do pozostałych portów. Zaobserwowano, że eksperymentalny wzór promieniowania był prawie identyczny z symulowanym przez CST, chociaż wystąpiły pewne odchylenia spowodowane niewspółosiowością komponentów, odbiciami od portów końcowych i stratami w połączeniach kablowych. Dodatkowo pomiędzy antenę a reflektor MS wprowadzono nylonową przekładkę, co jest kolejnym problemem mającym wpływ na uzyskane wyniki w stosunku do przewidywanych.
Symulowano i testowano charakterystykę promieniowania opracowanej anteny MIMO (bez MS i z MS) przy częstotliwości 5,5 GHz.
Należy zauważyć, że izolacja portów i związane z nią cechy są istotne przy ocenie wydajności systemów MIMO. Zbadano wydajność różnorodności proponowanego systemu MIMO, w tym współczynnik korelacji obwiedni (ECC) i wzmocnienie różnorodności (DG), aby zilustrować solidność zaprojektowanego systemu anten MIMO. Wartości ECC i DG anteny MIMO można wykorzystać do oceny jej działania, ponieważ są to ważne aspekty wydajności systemu MIMO. W poniższych sekcjach szczegółowo opisano cechy proponowanej anteny MIMO.
Współczynnik korelacji obwiedni (ECC). Rozważając dowolny system MIMO, ECC określa stopień, w jakim elementy składowe korelują ze sobą pod względem ich specyficznych właściwości. W ten sposób ECC pokazuje stopień izolacji kanałów w bezprzewodowej sieci komunikacyjnej. ECC (współczynnik korelacji obwiedni) opracowanego systemu MIMO można określić na podstawie parametrów S i emisji pola dalekiego. Z równania (7) i (8) można określić ECC proponowanej anteny MIMO 31.
Współczynnik odbicia jest reprezentowany przez Sii, a Sij oznacza współczynnik transmisji. Trójwymiarowe charakterystyki promieniowania j-tej i i-tej anteny są określone przez wyrażenia \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) i \( \vec {{R_{ i } }} Kąt bryłowy reprezentowany przez \left( {\theta ,\varphi } \right)\) i \({\Omega }\). Krzywą ECC proponowanej anteny pokazano na rysunku 22a, a jej wartość jest mniejsza niż 0,004, czyli znacznie poniżej dopuszczalnej wartości 0,5 dla systemu bezprzewodowego. Dlatego obniżona wartość ECC oznacza, że ​​proponowany 4-portowy system MIMO zapewnia doskonałą różnorodność43.
Wzmocnienie różnorodności (DG) DG to kolejna metryka wydajności systemu MIMO, która opisuje, w jaki sposób schemat różnorodności wpływa na moc promieniowaną. Zależność (9) określa DG opracowywanego systemu antenowego MIMO, jak opisano w 31.
Rysunek 22b przedstawia diagram DG proponowanego systemu MIMO, gdzie wartość DG jest bardzo bliska 10 dB. Wartości DG wszystkich anten projektowanego systemu MIMO przekraczają 9,98 dB.
Tabela 1 porównuje proponowaną antenę metapowierzchniową MIMO z niedawno opracowanymi podobnymi systemami MIMO. Porównanie uwzględnia różne parametry wydajności, w tym przepustowość, wzmocnienie, maksymalną izolację, ogólną wydajność i wydajność różnorodności. Badacze zaprezentowali różne prototypy anten MIMO z technikami wzmacniania wzmocnienia i izolacji w punktach 5, 44, 45, 46, 47. W porównaniu z wcześniej opublikowanymi pracami proponowany system MIMO z reflektorami metapowierzchniowymi przewyższa je pod względem szerokości pasma, wzmocnienia i izolacji. Dodatkowo, w porównaniu do zgłoszonych podobnych anten, opracowany system MIMO charakteryzuje się doskonałą wydajnością w zakresie różnorodności i ogólną wydajnością przy mniejszym rozmiarze. Chociaż anteny opisane w sekcji 5.46 mają wyższą izolację niż proponowane przez nas anteny, anteny te mają duży rozmiar, niski zysk, wąskie pasmo i słabą wydajność MIMO. 4-portowa antena MIMO zaproponowana w 45 charakteryzuje się wysokim zyskiem i wydajnością, ale jej konstrukcja charakteryzuje się niską izolacją, dużymi rozmiarami i słabą wydajnością w zakresie różnorodności. Z drugiej strony, system antenowy o niewielkich rozmiarach zaproponowany w 47 ma bardzo niski zysk i szerokość pasma roboczego, podczas gdy proponowany przez nas 4-portowy system MIMO oparty na MS charakteryzuje się niewielkimi rozmiarami, dużym wzmocnieniem, wysoką izolacją i lepszą wydajnością MIMO. Zatem proponowana antena MIMO z powierzchnią metapowierzchniową może stać się głównym konkurentem dla systemów komunikacji 5G poniżej 6 GHz.
Do obsługi aplikacji 5G poniżej 6 GHz zaproponowano czteroportową, szerokopasmową antenę MIMO z reflektorem metapowierzchniowym, charakteryzującą się wysokim zyskiem i izolacją. Linia mikropaskowa zasila kwadratową sekcję promieniującą, która jest obcięta kwadratem w ukośnych rogach. Proponowany MS i emiter antenowy są zaimplementowane na materiałach podłoża podobnych do Rogers RT5880, aby osiągnąć doskonałą wydajność w szybkich systemach komunikacyjnych 5G. Antena MIMO charakteryzuje się szerokim zasięgiem i dużym wzmocnieniem, a także zapewnia izolację dźwięku pomiędzy komponentami MIMO i doskonałą wydajność. Opracowana pojedyncza antena ma miniaturowe wymiary 0,58×0,58×0,02µm. z matrycą metapowierzchniową 5×5, zapewnia szerokie pasmo robocze 4,56 GHz, wzmocnienie szczytowe 8 dBi i doskonałą zmierzoną wydajność. Proponowana czteroportowa antena MIMO (układ 2 × 2) została zaprojektowana poprzez prostopadłe ustawienie każdej proponowanej pojedynczej anteny z inną anteną o wymiarach 1,05 λ × 1,05 λ × 0,02 λ. Zaleca się montaż układu 10×10 MM pod anteną MIMO o wysokości 12 mm, co może zredukować promieniowanie wsteczne i zmniejszyć wzajemne sprzężenie między komponentami MIMO, poprawiając w ten sposób wzmocnienie i izolację. Wyniki eksperymentów i symulacji pokazują, że opracowany prototyp MIMO może pracować w szerokim zakresie częstotliwości 3,08–7,75 GHz, obejmując widmo 5G poniżej 6 GHz. Ponadto proponowana antena MIMO oparta na MS poprawia swój zysk o 2,9 dBi, osiągając maksymalny zysk na poziomie 8,3 dBi i zapewnia doskonałą izolację (>15,5 dB) pomiędzy komponentami MIMO, potwierdzając wkład MS. Ponadto proponowana antena MIMO charakteryzuje się wysoką średnią sprawnością całkowitą wynoszącą 82% i małą odległością między elementami wynoszącą 22 mm. Antena charakteryzuje się doskonałą wydajnością w zakresie różnorodności MIMO, w tym bardzo wysokim DG (ponad 9,98 dB), bardzo niskim ECC (poniżej 0,004) i jednokierunkowym charakterystyką promieniowania. Wyniki pomiarów są bardzo podobne do wyników symulacji. Cechy te potwierdzają, że opracowany czteroportowy system antenowy MIMO może być realnym wyborem dla systemów komunikacji 5G w zakresie częstotliwości poniżej 6 GHz.
Cowin może dostarczyć szerokopasmową antenę PCB o częstotliwości 400-6000 MHz oraz wsparcie w zaprojektowaniu nowej anteny zgodnie z Twoimi wymaganiami. Jeśli masz jakiekolwiek prośby, skontaktuj się z nami bez wahania.