Metapintojen käyttö parantaakseen laajakaistaisten PCB-antennien vahvistusta ja eristystä 5G-sub-6 GHz viestintäjärjestelmissä

Tässä työssä ehdotetaan kompaktia integroitua MIMO (MIMO) metasurface (MS) -laajakaistaantennia alle 6 GHz:n viidennen sukupolven (5G) langattomiin viestintäjärjestelmiin. Ehdotetun MIMO-järjestelmän ilmeinen uutuus on sen laaja toimintakaistanleveys, suuri vahvistus, pienet komponenttien väliset välykset ja erinomainen eristys MIMO-komponenttien sisällä. Antennin säteilevä piste on katkaistu vinottain, osittain maadoitettu ja metapintoja käytetään parantamaan antennin suorituskykyä. Ehdotetun prototyypin integroidun yhden MS-antennin miniatyyrimitat ovat 0,58 λ × 0,58 λ × 0,02 λ. Simulaatio- ja mittaustulokset osoittavat laajakaistasuorituskyvyn 3,11 GHz - 7,67 GHz, mukaan lukien korkein saavutettu 8 dBi vahvistus. Nelielementtinen MIMO-järjestelmä on suunniteltu siten, että jokainen antenni on ortogonaalinen toisiinsa nähden säilyttäen samalla kompaktin koon ja laajakaistaisen suorituskyvyn 3,2–7,6 GHz. Ehdotettu MIMO-prototyyppi on suunniteltu ja valmistettu Rogers RT5880 -substraatille pienellä häviöllä ja pienikokoisilla 1,05? 1.05? 0,02?, ja sen suorituskyky arvioidaan käyttämällä ehdotettua nelikulmaista suljetturengasresonaattoriryhmää, jossa on 10 x 10 jaettu rengas. Perusmateriaali on sama. Ehdotettu taustalevyn metapinta vähentää merkittävästi antennin takasäteilyä ja manipuloi sähkömagneettisia kenttiä, mikä parantaa MIMO-komponenttien kaistanleveyttä, vahvistusta ja eristystä. Verrattuna olemassa oleviin MIMO-antenneihin ehdotettu 4-porttinen MIMO-antenni saavuttaa suuren 8,3 dBi:n vahvistuksen ja keskimääräisen kokonaishyötysuhteen jopa 82 % 5G:n alle 6 GHz:n kaistalla ja on hyvin sopusoinnussa mittaustulosten kanssa. Lisäksi kehitetty MIMO-antenni osoittaa erinomaisen suorituskyvyn verhokäyräkorrelaatiokertoimen (ECC) alle 0,004, diversiteettivahvistuksen (DG) noin 10 dB (> 9,98 dB) ja MIMO-komponenttien välisen korkean eristyksen (> 15,5 dB) suhteen. ominaisuudet. Siten ehdotettu MS-pohjainen MIMO-antenni vahvistaa sen soveltuvuuden alle 6 GHz:n 5G-viestintäverkkoihin.
5G-tekniikka on uskomaton edistysaskel langattomassa viestinnässä, joka mahdollistaa nopeammat ja turvallisemmat verkot miljardeille yhdistetyille laitteille, tarjoaa käyttäjäkokemuksen "nolla" latenssilla (alle 1 millisekunnin latenssi) ja ottaa käyttöön uusia teknologioita, mukaan lukien elektroniikka. Sairaanhoito, henkinen koulutus. , älykkäät kaupungit, älykodit, virtuaalitodellisuus (VR), älykkäät tehtaat ja Internet of Vehicles (IoV) muuttavat elämäämme, yhteiskuntaamme ja toimialojamme1,2,3. Yhdysvaltain liittovaltion viestintäkomissio (FCC) jakaa 5G-taajuuden neljään taajuuskaistaan4. Alle 6 GHz:n taajuuskaista kiinnostaa tutkijoita, koska se mahdollistaa pitkän matkan viestinnän suurilla tiedonsiirtonopeuksilla5,6. Alle 6 GHz:n 5G-taajuuksien jako globaalille 5G-viestinnälle on esitetty kuvassa 1, mikä osoittaa, että kaikki maat harkitsevat alle 6 GHz:n taajuuksia 5G-viestinnälle7,8. Antennit ovat tärkeä osa 5G-verkkoja ja vaativat lisää tukiasema- ja käyttäjäpääteantenneja.
Mikroliuska-patch-antennien etuna on ohuus ja tasainen rakenne, mutta niiden kaistanleveys ja vahvistus on rajoitettu9,10, joten antennin vahvistuksen ja kaistanleveyden lisäämiseksi on tehty paljon tutkimusta; Viime vuosina metapintoja (MS) on käytetty laajalti antenniteknologioissa, erityisesti vahvistuksen ja suorituskyvyn parantamiseksi11,12, mutta nämä antennit on rajoitettu yhteen porttiin; MIMO-tekniikka on tärkeä osa langatonta viestintää, koska se voi käyttää useita antenneja samanaikaisesti tiedon lähettämiseen, mikä parantaa tiedonsiirtonopeuksia, spektritehokkuutta, kanavakapasiteettia ja luotettavuutta13,14,15. MIMO-antennit ovat mahdollisia ehdokkaita 5G-sovelluksiin, koska ne voivat lähettää ja vastaanottaa dataa useiden kanavien kautta ilman lisätehoa16,17. MIMO-komponenttien keskinäinen kytkentävaikutus riippuu MIMO-elementtien sijainnista ja MIMO-antennin vahvistuksesta, mikä on suuri haaste tutkijoille. Kuvat 18, 19 ja 20 esittävät erilaisia ​​MIMO-antenneja, jotka toimivat 5G:n alle 6 GHz:n kaistalla, jotka kaikki osoittavat hyvää MIMO-eristystä ja suorituskykyä. Näiden ehdotettujen järjestelmien vahvistus ja toimintakaistanleveys ovat kuitenkin alhaiset.
Metamateriaalit (MM:t) ovat uusia materiaaleja, joita ei ole luonnossa ja jotka voivat manipuloida sähkömagneettisia aaltoja, mikä parantaa antennien suorituskykyä21,22,23,24. MM:ää käytetään nykyään laajasti antennitekniikassa parantamaan antennielementtien ja langattomien viestintäjärjestelmien välistä säteilykuviota, kaistanleveyttä, vahvistusta ja eristystä, kuten kohdissa 25, 26, 27, 28 on käsitelty. Vuonna 2029 nelielementtinen MIMO-järjestelmä perustuu metasurface, jossa antenniosa on kerrostettu metapinnan ja maan välissä ilman ilmaväliä, mikä parantaa MIMOn suorituskykyä. Tällä mallilla on kuitenkin suurempi koko, pienempi toimintataajuus ja monimutkainen rakenne. Sähkömagneettinen bandgap (EBG) ja maasilmukka sisältyvät ehdotettuun 2-porttiseen laajakaistaiseen MIMO-antenniin parantamaan MIMO30-komponenttien eristystä. Suunnitellulla antennilla on hyvä MIMO-diversiteettisuorituskyky ja erinomainen eristys kahden MIMO-antennin välillä, mutta vain kahta MIMO-komponenttia käytettäessä vahvistus on alhainen. Lisäksi in31 ehdotti myös ultralaajakaistaista (UWB) kaksiporttista MIMO-antennia ja tutki sen MIMO-suorituskykyä metamateriaalien avulla. Vaikka tämä antenni pystyy UWB-toimintaan, sen vahvistus on pieni ja eristys kahden antennin välillä on huono. Teoksessa 32 ehdotetaan 2-porttista MIMO-järjestelmää, joka käyttää sähkömagneettisia bandgap (EBG) -heijastimia vahvistuksen lisäämiseen. Vaikka kehitetyllä antenniryhmällä on korkea vahvistus ja hyvä MIMO-diversiteettisuorituskyky, sen suuri koko vaikeuttaa sen soveltamista seuraavan sukupolven viestintälaitteissa. Toinen heijastinpohjainen laajakaista-antenni kehitettiin vuonna 33, jossa heijastin integroitiin antennin alle suuremmalla 22 mm:n raolla, jolloin huippuvahvistus oli pienempi 4,87 dB. Paper 34 suunnittelee neliporttisen MIMO-antennin mmWave-sovelluksiin, joka on integroitu MS-kerrokseen parantamaan MIMO-järjestelmän eristystä ja vahvistusta. Tämä antenni tarjoaa kuitenkin hyvän vahvistuksen ja eristyksen, mutta sillä on rajoitettu kaistanleveys ja huonot mekaaniset ominaisuudet suuren ilmavälin vuoksi. Vastaavasti vuonna 2015 kehitettiin kolmen parin, 4-porttinen rusetin muotoinen metasurface-integroitu MIMO-antenni mmWave-viestintään, jonka maksimivahvistus on 7,4 dBi. B36 MS:ää käytetään 5G-antennin takapuolella antennin vahvistuksen lisäämiseen, missä metapinta toimii heijastajana. MS-rakenne on kuitenkin epäsymmetrinen ja yksikkösolurakenteeseen on kiinnitetty vähemmän huomiota.
Yllä olevien analyysitulosten mukaan millään yllä olevista antenneista ei ole suurta vahvistusta, erinomaista eristystä, MIMO-suorituskykyä ja laajakaistapeittoa. Siksi tarvitaan edelleen metasurface-MIMO-antennia, joka voi kattaa laajan alueen 5G-taajuuksia alle 6 GHz korkealla vahvistuksella ja eristyksellä. Ottaen huomioon edellä mainitun kirjallisuuden rajoitukset, alle 6 GHz:n langattomille viestintäjärjestelmille ehdotetaan laajakaistaista nelielementtistä MIMO-antennijärjestelmää, jolla on suuri vahvistus ja erinomainen diversiteettisuorituskyky. Lisäksi ehdotetulla MIMO-antennilla on erinomainen eristys MIMO-komponenttien välillä, pienet elementtivälit ja korkea säteilytehokkuus. Antennipaikka on katkaistu vinottain ja sijoitettu metapinnan päälle 12 mm:n ilmaraolla, mikä heijastaa antennin takaisinsäteilyä ja parantaa antennin vahvistusta ja suuntaavuutta. Lisäksi ehdotettua yksittäistä antennia käytetään luomaan nelielementtinen MIMO-antenni, jolla on ylivoimainen MIMO-suorituskyky sijoittamalla kukin antenni ortogonaalisesti toisiinsa nähden. Kehitetty MIMO-antenni integroitiin sitten 10 × 10 MS-ryhmän päälle kuparisella taustalevyllä säteilyn tehokkuuden parantamiseksi. Suunnittelussa on laaja toiminta-alue (3,08-7,75 GHz), korkea 8,3 dBi:n vahvistus ja korkea keskimääräinen 82 %:n kokonaishyötysuhde sekä erinomainen yli -15,5 dB:n eristys MIMO-antennikomponenttien välillä. Kehitetty MS-pohjainen MIMO-antenni simuloitiin 3D-sähkömagneettisella ohjelmistopaketilla CST Studio 2019 ja validoitiin kokeellisilla tutkimuksilla.
Tämä osa tarjoaa yksityiskohtaisen johdannon ehdotettuun arkkitehtuuriin ja yhden antennin suunnittelumenetelmiin. Lisäksi simuloidut ja havaitut tulokset käsitellään yksityiskohtaisesti, mukaan lukien sirontaparametrit, vahvistus ja kokonaistehokkuus metapintojen kanssa ja ilman. Antenniprototyyppi kehitettiin pienihäviöiselle Rogers 5880 -dielektriselle substraatille, jonka paksuus on 1,575 mm ja dielektrisyysvakio 2,2. Suunnittelun kehittämiseen ja simulointiin käytettiin sähkömagneettista simulaattoripakettia CST studio 2019.
Kuvassa 2 on esitetty yksielementtiantennin ehdotettu arkkitehtuuri ja suunnittelumalli. Vakiintuneiden matemaattisten yhtälöiden37 mukaan antenni koostuu lineaarisesti syötetystä neliömäisestä säteilevästä pisteestä ja kuparisesta maatasosta (kuten on kuvattu vaiheessa 1) ja resonoi erittäin kapealla kaistanleveydellä 10,8 GHz, kuten kuvassa 3b esitetään. Antennisäteilijän alkukoko määritetään seuraavalla matemaattisella suhteella37:
Missä \(P_{L}\) ja \(P_{w}\) ovat paikan pituus ja leveys, c edustaa valon nopeutta, \(\gamma_{r}\) on alustan dielektrisyysvakio . , \(\gamma_{reff }\) edustaa säteilypisteen tehollista dielektristä arvoa, \(\Delta L\) edustaa pisteen pituuden muutosta. Antennin taustalevy optimoitiin toisessa vaiheessa, mikä lisäsi impedanssin kaistanleveyttä huolimatta erittäin alhaisesta 10 dB:n impedanssikaistanleveydestä. Kolmannessa vaiheessa syöttöasemaa siirretään oikealle, mikä parantaa ehdotetun antennin impedanssikaistanleveyttä ja impedanssisovitusta38. Tässä vaiheessa antenni osoittaa erinomaisen 4 GHz:n toimintakaistanleveyden ja kattaa myös alle 6 GHz:n spektrin 5G:ssä. Neljännessä ja viimeisessä vaiheessa syövytetään neliömäisiä uria säteilypisteen vastakkaisiin kulmiin. Tämä paikka laajentaa merkittävästi 4,56 GHz:n kaistanleveyttä kattamaan alle 6 GHz:n 5G-spektrin 3,11 GHz:stä 7,67 GHz:iin, kuten kuvassa 3b näkyy. Ehdotetun rakenteen etu- ja alaperspektiivinäkymät on esitetty kuvassa 3a, ja lopulliset optimoidut vaadittavat suunnitteluparametrit ovat seuraavat: SL = 40 mm, Pw = 18 mm, PL = 18 mm, gL = 12 mm, fL = 11. mm, leveys = 4 ,7 mm, c1 = 2 mm, c2 = 9,65 mm, c3 = 1,65 mm.
(a) Suunniteltu yksittäinen antenni ylhäältä ja takaa (CST STUDIO SUITE 2019). (b) S-parametrikäyrä.
Metapinta on termi, joka viittaa jaksolliseen joukkoon yksikkösoluja, jotka sijaitsevat tietyllä etäisyydellä toisistaan. Metapinnat ovat tehokas tapa parantaa antennin säteilytehoa, mukaan lukien kaistanleveys, vahvistus ja MIMO-komponenttien välinen eristys. Pinta-aallon etenemisen vaikutuksesta metapinnat synnyttävät lisäresonansseja, jotka parantavat antennin suorituskykyä39. Tässä työssä ehdotetaan epsilon-negatiivista metamateriaalia (MM) -yksikköä, joka toimii 5G-kaistalla alle 6 GHz:n taajuudella. MM, jonka pinta-ala on 8 mm × 8 mm, kehitettiin pienihäviöiselle Rogers 5880 -substraatille, jonka dielektrisyysvakio oli 2,2 ja paksuus 1,575 mm. Optimoitu MM-resonaattoripaikka koostuu sisemmästä pyöreästä jakorenkaasta, joka on yhdistetty kahteen modifioituun ulompaan jakorenkaaseen, kuten kuvassa 4a on esitetty. Kuvassa 4a on yhteenveto ehdotetun MM-asetuksen lopulliset optimoidut parametrit. Myöhemmin kehitettiin 40 × 40 mm ja 80 × 80 mm metapinnan kerrokset ilman kuparitaustalevyä ja kuparisella taustalevyllä käyttämällä vastaavasti 5 × 5 ja 10 × 10 soluryhmiä. Ehdotettu MM-rakenne mallinnettiin käyttämällä 3D-sähkömagneettista mallinnusohjelmistoa "CST studio suite 2019". Valmistettu prototyyppi ehdotetusta MM-ryhmärakenteesta ja mittauskokoonpanosta (kaksiporttinen verkkoanalysaattori PNA ja aaltoputkiportti) on esitetty kuvassa 4b CST-simuloinnin tulosten validoimiseksi analysoimalla todellista vastetta. Mittausasetuksissa käytettiin Agilent PNA -sarjan verkkoanalysaattoria yhdessä kahden aaltoputken koaksiaalisovittimen kanssa (A-INFOMW, osanumero: 187WCAS) signaalien lähettämiseen ja vastaanottamiseen. Prototyyppi 5 × 5 -ryhmä asetettiin kahden aaltoputken koaksiaalisovittimen väliin, jotka oli liitetty koaksiaalikaapelilla kaksiporttiseen verkkoanalysaattoriin (Agilent PNA N5227A). Agilent N4694-60001 -kalibrointisarjaa käytetään verkkoanalysaattorin kalibrointiin pilottilaitoksessa. Ehdotetun prototyypin MM-taulukon simuloidut ja CST-havaitut sirontaparametrit on esitetty kuvassa 5a. Voidaan nähdä, että ehdotettu MM-rakenne resonoi 5G-taajuusalueella alle 6 GHz. Pienestä 10 dB:n kaistanleveyden erosta huolimatta simuloidut ja kokeelliset tulokset ovat hyvin samankaltaisia. Havaitun resonanssin resonanssitaajuus, kaistanleveys ja amplitudi eroavat hieman simuloiduista, kuten kuvasta 5a näkyy. Nämä erot havaittujen ja simuloitujen tulosten välillä johtuvat valmistusvirheistä, prototyypin ja aaltoputkiporttien välisistä pienistä välyksistä, aaltoputkiporttien ja ryhmäkomponenttien välisistä kytkentävaikutuksista sekä mittaustoleransseista. Lisäksi kehitetyn prototyypin oikea sijoittaminen aaltoputkiporttien väliin kokeellisessa kokoonpanossa voi johtaa resonanssisiirtymään. Lisäksi kalibrointivaiheessa havaittiin ei-toivottua kohinaa, mikä johti eroihin numeeristen ja mitattujen tulosten välillä. Näitä vaikeuksia lukuun ottamatta ehdotettu MM-ryhmäprototyyppi toimii kuitenkin hyvin simulaation ja kokeen välisen vahvan korrelaation ansiosta, joten se sopii hyvin alle 6 GHz:n 5G-langattomiin tietoliikennesovelluksiin.
(a) Yksikkösolugeometria (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) Kuva MM-mittausasetuksesta.
(a) Metamateriaalin prototyypin sirontaparametrikäyrien simulointi ja todentaminen. (b) MM-yksikkökennon dielektrisyysvakiokäyrä.
Asiaankuuluvia tehokkaita parametreja, kuten tehollista dielektrisyysvakiota, magneettista läpäisevyyttä ja taitekerrointa, tutkittiin käyttämällä CST-sähkömagneettisen simulaattorin sisäänrakennettua jälkikäsittelytekniikkaa MM-yksikkökennon käyttäytymisen analysoimiseksi edelleen. Tehokkaat MM-parametrit saadaan sirontaparametreista käyttämällä robustia rekonstruktiomenetelmää. Seuraavia läpäisy- ja heijastuskerroinyhtälöitä: (3) ja (4) voidaan käyttää taitekertoimen ja impedanssin määrittämiseen (katso 40).
Operaattorin todellista ja imaginaarista osaa edustavat (.)' ja (.)" vastaavasti, ja kokonaislukuarvo m vastaa todellista taitekerrointa. Dielektrisyysvakio ja permeabiliteetti määritetään kaavoilla \(\varepsilon { } = { }n/z,\) ja \(\mu = nz\), jotka perustuvat vastaavasti impedanssiin ja taitekerroimeen. MM-rakenteen tehollinen dielektrisyysvakiokäyrä on esitetty kuvassa 5b. Resonanssitaajuudella tehollinen dielektrisyysvakio on negatiivinen. Kuvat 6a,b esittävät ehdotetun yksikkökennon tehollisen permeabiliteetin (μ) ja efektiivisen taitekertoimen (n) erotetut arvot. Erityisesti erotetuilla läpäisevyyksillä on positiiviset todelliset arvot lähellä nollaa, mikä vahvistaa ehdotetun MM-rakenteen epsilon-negatiiviset (ENG) ominaisuudet. Lisäksi, kuten kuvassa 6a näkyy, resonanssi permeabiliteetti lähellä nollaa on vahvasti yhteydessä resonanssitaajuuteen. Kehitetyllä yksikkösolulla on negatiivinen taitekerroin (kuvio 6b), mikä tarkoittaa, että ehdotettua MM:ää voidaan käyttää parantamaan antennin suorituskykyä21,41.
Kehitetty yhden laajakaista-antennin prototyyppi valmistettiin ehdotetun suunnittelun kokeelliseen testaamiseen. Kuvat 7a,b esittävät kuvia ehdotetusta yhden antennin prototyypistä, sen rakenneosista ja lähikenttämittausasetuksesta (SATIMO). Antennin suorituskyvyn parantamiseksi kehitetty metapinta sijoitetaan kerroksittain antennin alle, kuten kuvassa 8a, korkeudella h. Yksittäinen 40 mm x 40 mm kaksikerroksinen metapinta asetettiin yhden antennin takaosaan 12 mm:n välein. Lisäksi yhden antennin takapuolelle sijoitetaan metapinta, jossa on taustalevy 12 mm etäisyydelle. Metapinnan asettamisen jälkeen yksittäisen antennin suorituskyky on parantunut merkittävästi, kuten kuvissa 1 ja 2 esitetään. Kuvat 8 ja 9. Kuva 8b esittää simuloidut ja mitatut heijastuskäyrät yksittäiselle antennille ilman metapintoja ja metapintoja kanssa. On syytä huomata, että metapinnalla varustetun antennin peittokaista on hyvin samanlainen kuin metapinnattoman antennin peittokaista. Kuviot 9a,b esittävät simuloidun ja havaitun yhden antennin vahvistuksen ja kokonaishyötysuhteen vertailun ilman MS:ää ja sen kanssa toimintaspektrissä. Voidaan nähdä, että verrattuna ei-metapinta-antenniin metasurface-antennin vahvistus on merkittävästi parantunut kasvaen 5,15 dBi:stä 8 dBi:iin. Yksikerroksisen metapinnan, kaksikerroksisen metapinnan ja yhden antennin taustalevyn metapinnalla vahvistus kasvoi vastaavasti 6 dBi, 6,9 dBi ja 8 dBi. Verrattuna muihin metapintoihin (yksikerroksiset ja kaksikerroksiset MC:t) kuparitaustalevyllä varustetun yksittäisen metapinta-antennin vahvistus on jopa 8 dBi. Tässä tapauksessa metapinta toimii heijastajana vähentäen antennin takasäteilyä ja manipuloimalla sähkömagneettisia aaltoja samassa vaiheessa, mikä lisää antennin säteilytehokkuutta ja siten vahvistusta. Tutkimus yksittäisen antennin kokonaishyötysuhteesta ilman metapintoja ja metapintoja kanssa on esitetty kuvassa 9b. On syytä huomata, että antennin tehokkuus metapinnan kanssa ja ilman on lähes sama. Alemmalla taajuusalueella antennin hyötysuhde laskee hieman. Kokeelliset ja simuloidut vahvistus- ja tehokkuuskäyrät ovat hyvin sopusoinnussa. Simuloitujen ja testattujen tulosten välillä on kuitenkin pieniä eroja, jotka johtuvat valmistusvirheistä, mittaustoleransseista, SMA-portin yhteyden katkeamisesta ja johdon katoamisesta. Lisäksi antenni ja MS-heijastin sijaitsevat nailonvälikkeiden välissä, mikä on toinen seikka, joka vaikuttaa havaittuihin tuloksiin verrattuna simulaatiotuloksiin.
Kuva (a) esittää valmiin yksittäisen antennin ja siihen liittyvät komponentit. (b) Lähikenttämittausasetus (SATIMO).
(a) Antenniviritys metapinnan heijastimilla (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Yhden antennin simuloidut ja kokeelliset reflektanssit ilman MS:ää ja MS:n kanssa.
Simulaatio- ja mittaustulokset (a) saavutetusta vahvistuksesta ja (b) ehdotetun metasurface-efektiantennin kokonaishyötysuhteesta.
Sädekuvioanalyysi MS:llä. Yhden antennin lähikenttämittaukset suoritettiin UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratoryn SATIMO Near-Field Experimental Environment -ympäristössä. Kuviot 10a, b esittävät simuloidut ja havaitut E-tason ja H-tason säteilykuviot 5,5 GHz:llä ehdotetulle yksittäiselle antennille MS:n kanssa ja ilman. Kehitetty yksittäinen antenni (ilman MS:ää) tarjoaa johdonmukaisen kaksisuuntaisen säteilykuvion sivukeila-arvoilla. Ehdotetun MS-heijastimen levittämisen jälkeen antenni muodostaa yksisuuntaisen säteilykuvion ja alentaa takakeilojen tasoa, kuten kuvioissa 10a, b esitetään. On syytä huomata, että ehdotettu yhden antennin säteilykuvio on vakaampi ja yksisuuntaisempi erittäin matalalla selkä- ja sivukeiloilla käytettäessä metapintaa kuparisella taustalevyllä. Ehdotettu MM-ryhmän heijastin pienentää antennin taka- ja sivukeiloja ja parantaa samalla säteilytehoa ohjaamalla virtaa yksisuuntaisiin suuntiin (kuvat 10a, b), mikä lisää vahvistusta ja suuntaavuutta. Havaittiin, että kokeellinen säteilykuvio oli lähes vertailukelpoinen CST-simulaatioiden kanssa, mutta vaihteli hieman eri koottujen komponenttien kohdistusvirheiden, mittaustoleranssien ja kaapelointihäviöiden vuoksi. Lisäksi antennin ja MS-heijastimen väliin laitettiin nailoninen välike, joka on toinen havaittuihin tuloksiin vaikuttava ongelma verrattuna numeerisiin tuloksiin.
Kehitetyn yhden antennin (ilman MS:tä ja MS:n kanssa) säteilykuviota 5,5 GHz:n taajuudella simuloitiin ja testattiin.
Ehdotettu MIMO-antennin geometria on esitetty kuvassa 11, ja se sisältää neljä yksittäistä antennia. MIMO-antennin neljä komponenttia on järjestetty ortogonaalisesti toisiinsa nähden alustalle, jonka mitat ovat 80 × 80 × 1,575 mm kuvan 11 mukaisesti. Suunniteltu MIMO-antenni on elementtien välinen etäisyys 22 mm, mikä on pienempi kuin antennin lähin vastaava elementtien välinen etäisyys. MIMO-antenni kehitetty. Lisäksi osa maatasosta sijaitsee samalla tavalla kuin yksittäinen antenni. Kuvassa 12a esitettyjen MIMO-antennien (S11, S22, S33 ja S44) reflektanssiarvot käyttäytyvät samalla tavalla kuin yksielementtiantenni, joka resonoi 3,2–7,6 GHz:n kaistalla. Siksi MIMO-antennin impedanssikaistanleveys on täsmälleen sama kuin yksittäisen antennin. MIMO-komponenttien välinen kytkentävaikutus on tärkein syy MIMO-antennien pieneen kaistanleveyden häviöön. Kuva 12b esittää yhteenliittämisen vaikutusta MIMO-komponentteihin, jossa määritettiin optimaalinen eristys MIMO-komponenttien välillä. Antennien 1 ja 2 välinen eristys on pienin noin -13,6 dB ja antennien 1 ja 4 välinen erotus on suurin noin -30,4 dB. Pienen koon ja leveämmän kaistanleveyden ansiosta tällä MIMO-antennilla on pienempi vahvistus ja pienempi suorituskyky. Eristys on alhainen, joten tarvitaan lisää vahvistusta ja eristystä;
Ehdotetun MIMO-antennin suunnittelumekanismi (a) ylhäältä katsottuna ja (b) maataso. (CST Studio Suite 2019).
Ehdotetun metapinta-MIMO-antennin geometrinen järjestely ja herätemenetelmä on esitetty kuvassa 13a. 10 x 10 mm:n matriisi, jonka mitat ovat 80 x 80 x 1,575 mm, on suunniteltu 12 mm korkean MIMO-antennin takapuolelle, kuten kuvassa 13a näkyy. Lisäksi kuparisella taustalevyllä varustetut metapinnat on tarkoitettu käytettäväksi MIMO-antenneissa niiden suorituskyvyn parantamiseksi. Metapinnan ja MIMO-antennin välinen etäisyys on kriittinen korkean vahvistuksen saavuttamiseksi samalla kun se sallii rakentavan häiriön antennin synnyttämien aaltojen ja metapinnasta heijastuneiden aaltojen välillä. Laaja mallinnus suoritettiin antennin ja metapinnan välisen korkeuden optimoimiseksi samalla kun säilytettiin neljännesaaltostandardit maksimaalisen vahvistuksen ja MIMO-elementtien välisen eristyksen saavuttamiseksi. MIMO-antennin suorituskyvyn merkittävät parannukset, jotka saavutetaan käyttämällä metapintoja taustalevyillä verrattuna metapintoja ilman taustalevyjä, esitellään seuraavissa luvuissa.
(a) Ehdotetun MIMO-antennin CST-simulaatioasetus MS:llä (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Kehitetyn MIMO-järjestelmän heijastuskäyrät ilman MS:ää ja MS:n kanssa.
MIMO-antennien heijastussuhteet metapinnalla ja ilman on esitetty kuvassa 13b, jossa S11 ja S44 on esitetty johtuen kaikkien MIMO-järjestelmän antennien lähes identtisestä käyttäytymisestä. On syytä huomata, että MIMO-antennin -10 dB:n impedanssikaistanleveys ilman metapintaa ja yhdellä metapinnalla on lähes sama. Sitä vastoin kaksikerroksinen MS ja taustalevy MS parantavat ehdotetun MIMO-antennin impedanssin kaistanleveyttä. On syytä huomata, että ilman MS:ää MIMO-antenni tarjoaa 81,5 %:n (3,2-7,6 GHz) murtokaistanleveyden keskitaajuuteen verrattuna. MS:n integrointi taustalevyn kanssa kasvattaa ehdotetun MIMO-antennin impedanssin kaistanleveyttä 86,3 %:iin (3,08–7,75 GHz). Vaikka kaksikerroksinen MS lisää suorituskykyä, parannus on pienempi kuin kuparisella taustalevyllä varustetussa MS:ssä. Lisäksi kaksikerroksinen MC lisää antennin kokoa, lisää sen kustannuksia ja rajoittaa sen kantamaa. Suunniteltu MIMO-antenni ja metapinnan heijastin on valmistettu ja varmennettu simulointitulosten validoimiseksi ja todellisen suorituskyvyn arvioimiseksi. Kuva 14a esittää valmistettua MS-kerrosta ja MIMO-antennia eri komponentteineen koottuna, kun taas kuvassa 14b on valokuva kehitetystä MIMO-järjestelmästä. MIMO-antenni asennetaan metapinnan päälle neljällä nailonvälikkeellä, kuten kuvassa 14b. Kuvassa 15a on tilannekuva kehitetyn MIMO-antennijärjestelmän lähikenttäkokeellisesta asetelmasta. PNA-verkkoanalysaattoria (Agilent Technologies PNA N5227A) käytettiin sirontaparametrien arvioimiseen ja lähikentän emissioominaisuuksien arvioimiseen ja karakterisointiin UKM SATIMO Near-Field Systems -laboratoriossa.
(a) Valokuvia SATIMOn lähikenttämittauksista (b) S11 MIMO -antennin simuloidut ja kokeelliset käyrät MS:llä ja ilman.
Tämä osio esittää vertailevan tutkimuksen ehdotetun 5G MIMO -antennin simuloiduista ja havaituista S-parametreista. Kuva 15b esittää integroidun 4-elementin MIMO MS -antennin kokeellisen heijastuskäyrän ja vertaa sitä CST-simulaatiotuloksiin. Kokeellisten heijastumien havaittiin olevan samat kuin CST-laskelmissa, mutta ne olivat hieman erilaisia ​​valmistusvirheiden ja kokeellisten toleranssien vuoksi. Lisäksi ehdotetun MS-pohjaisen MIMO-prototyypin havaittu heijastuskyky kattaa alle 6 GHz:n 5G-spektrin 4,8 GHz:n impedanssikaistanleveydellä, mikä tarkoittaa, että 5G-sovellukset ovat mahdollisia. Mitattu resonanssitaajuus, kaistanleveys ja amplitudi eroavat kuitenkin hieman CST-simulaatiotuloksista. Valmistusvirheet, koaksiaali-SMA-kytkentähäviöt ja ulkomittausasetukset voivat aiheuttaa eroja mitattujen ja simuloitujen tulosten välillä. Näistä puutteista huolimatta ehdotettu MIMO toimii hyvin ja tarjoaa vahvan yhteensopivuuden simulaatioiden ja mittausten välillä, joten se sopii hyvin alle 6 GHz:n langattomiin sovelluksiin.
Simuloidut ja havaitut MIMO-antennin vahvistuskäyrät on esitetty kuvioissa 2 ja 2. Kuten kuvioissa 16a,b ja 17a,b on esitetty, on esitetty MIMO-komponenttien keskinäinen vuorovaikutus. Kun MIMO-antenneihin käytetään metapintoja, MIMO-antennien välinen eristys paranee merkittävästi. Vierekkäisten antennielementtien S12, S14, S23 ja S34 väliset eristyskäyrät osoittavat samanlaisia ​​käyriä, kun taas diagonaaliset MIMO-antennit S13 ja S42 osoittavat yhtä suurta eristystä niiden välisen suuremman etäisyyden vuoksi. Vierekkäisten antennien simuloidut lähetysominaisuudet on esitetty kuvassa 16a. On syytä huomioida, että alle 6 GHz:n 5G-toimintaspektrissä MIMO-antennin vähimmäiseristys ilman metapintaa on -13,6 dB ja metapinnalla, jossa on taustalevy - 15,5 dB. Vahvistuskäyrä (kuva 16a) osoittaa, että taustalevyn metapinta parantaa merkittävästi MIMO-antennielementtien välistä eristystä verrattuna yksi- ja kaksikerroksisiin metapintoihin. Vierekkäisten antennielementtien yksi- ja kaksikerroksiset metapinnat tarjoavat vähintään -13,68 dB:n ja -14,78 dB:n eristyksen ja kuparisen taustalevyn metapinnan noin -15,5 dB.
Simuloidut MIMO-elementtien eristyskäyrät ilman MS-kerrosta ja MS-kerroksella: (a) S12, S14, S34 ja S32 ja (b) S13 ja S24.
Ehdotettujen MS-pohjaisten MIMO-antennien kokeelliset vahvistuskäyrät ilman ja kanssa: (a) S12, S14, S34 ja S32 ja (b) S13 ja S24.
MIMO-diagonaalisen antennin vahvistuskäyrät ennen MS-kerroksen lisäämistä ja sen jälkeen on esitetty kuvassa 16b. On syytä huomata, että diagonaaliantennien, joissa ei ole metapintaa (antennit 1 ja 3) välinen vähimmäiseristys on –15,6 dB koko toimintaspektrin poikki ja metapinnan, jossa on taustalevy, on –18 dB. Metapinnan lähestymistapa vähentää merkittävästi diagonaalisten MIMO-antennien välisiä kytkentävaikutuksia. Yksikerroksisen metapinnan maksimieristys on -37 dB, kun taas kaksikerroksisessa metapinnassa tämä arvo putoaa -47 dB:iin. Metapinnan maksimieristys kuparisella taustalevyllä on −36,2 dB, mikä pienenee taajuusalueen kasvaessa. Verrattuna yksi- ja kaksikerroksisiin metapintoihin, joissa ei ole taustalevyä, taustalevyllä varustetut metapinnat tarjoavat erinomaisen eristyksen koko vaaditulla toimintataajuusalueella, erityisesti alle 6 GHz:n 5G-alueella, kuten kuvista 16a, b näkyy. Suosituimmalla ja laajimmin käytetyllä 5G-kaistalla alle 6 GHz (3,5 GHz) yksi- ja kaksikerroksisilla metapinnoilla on pienempi eristys MIMO-komponenttien välillä kuin metapinnoilla, joissa on kuparinen taustalevy (lähes ei MS:ää) (katso kuva 16a), b) . Vahvistusmittaukset on esitetty kuvioissa 17a, b, jotka esittävät vierekkäisten antennien (S12, S14, S34 ja S32) ja diagonaaliantennien (S24 ja S13) eristyksen. Kuten näistä kuvista voidaan nähdä (kuvat 17a, b), kokeellinen eristys MIMO-komponenttien välillä sopii hyvin yhteen simuloidun eristyksen kanssa. Vaikka simuloidun ja mitatun CST-arvon välillä on pieniä eroja valmistusvirheiden, SMA-porttiliitäntöjen ja johtohäviöiden vuoksi. Lisäksi antenni ja MS-heijastin sijaitsevat nailonvälikkeiden välissä, mikä on toinen seikka, joka vaikuttaa havaittuihin tuloksiin verrattuna simulaatiotuloksiin.
tutki pintavirran jakautumista 5,5 GHz:llä rationalisoidakseen metapintojen roolia keskinäisen kytkennän vähentämisessä pinta-aallon vaimennuksen kautta42. Ehdotetun MIMO-antennin pintavirran jakautuminen on esitetty kuvassa 18, jossa antennia 1 ohjataan ja loput antennista päätetään 50 ohmin kuormalla. Kun antenni 1 on virrattu, merkittäviä keskinäisiä kytkentävirtoja ilmaantuu vierekkäisiin antenneihin taajuudella 5,5 GHz metapinnan puuttuessa, kuten kuvassa 18a esitetään. Päinvastoin, käyttämällä metapintoja, kuten kuvissa 18b-d on esitetty, vierekkäisten antennien välinen eristys paranee. On huomattava, että vierekkäisten kenttien keskinäisen kytkennän vaikutus voidaan minimoida viemällä kytkentävirtaa vierekkäisiin yksikkösolujen renkaisiin ja vierekkäisiin MS-yksikkökennoihin MS-kerrosta pitkin antirinnakkaissuunnassa. Virran ruiskuttaminen hajautetuista antenneista MS-yksiköihin on keskeinen menetelmä MIMO-komponenttien välisen eristyksen parantamiseksi. Tämän seurauksena MIMO-komponenttien välinen kytkentävirta pienenee huomattavasti, ja myös eristys paranee huomattavasti. Koska kytkentäkenttä on hajallaan elementissä laajasti, kuparinen taustalevyn metapinta eristää MIMO-antennikokoonpanon huomattavasti enemmän kuin yksi- ja kaksikerroksiset metapinnat (kuva 18d). Lisäksi kehitetyllä MIMO-antennilla on erittäin alhainen takaisineteneminen ja sivueteneminen, mikä tuottaa yksisuuntaisen säteilykuvion, mikä lisää ehdotetun MIMO-antennin vahvistusta.
Ehdotetun MIMO-antennin pintavirtakuviot 5,5 GHz:llä (a) ilman MC:tä, (b) yksikerroksinen MC, (c) kaksikerroksinen MC ja (d) yksikerroksinen MC kuparisella taustalevyllä. (CST Studio Suite 2019).
Toimintataajuuden sisällä kuvassa 19a on esitetty suunnitellun MIMO-antennin simuloidut ja havaitut vahvistukset ilman metapintoja ja niiden kanssa. MIMO-antennin simuloitu saavutettu vahvistus ilman metapintaa on 5,4 dBi, kuten kuvassa 19a näkyy. MIMO-komponenttien välisen keskinäisen kytkentävaikutuksen ansiosta ehdotettu MIMO-antenni saavuttaa itse asiassa 0,25 dBi suuremman vahvistuksen kuin yksittäinen antenni. Metapintojen lisääminen voi tarjota merkittäviä hyötyjä ja eristystä MIMO-komponenttien välillä. Siten ehdotettu metasurface-MIMO-antenni voi saavuttaa suuren, jopa 8,3 dBi:n, toteutuneen vahvistuksen. Kuten kuvasta 19a näkyy, kun yhtä metapintaa käytetään MIMO-antennin takana, vahvistus kasvaa 1,4 dBi. Kun metapinta kaksinkertaistuu, vahvistus kasvaa 2,1 dBi, kuten kuvassa 19a näkyy. Odotettu maksimivahvistus 8,3 dBi saavutetaan kuitenkin käytettäessä metapintaa kuparisella taustalevyllä. Huomionarvoista on, että yksikerroksisen ja kaksikerroksisen metapinnan suurin saavutettu vahvistus on 6,8 dBi ja 7,5 dBi, kun taas alemman kerroksen metapinnan suurin saavutettu vahvistus on 8,3 dBi. Antennin takapuolella oleva metapintakerros toimii heijastajana, heijastaen antennin takapuolelta tulevaa säteilyä ja parantaen suunnitellun MIMO-antennin etu-taka-suhdetta (F/B). Lisäksi korkeaimpedanssinen MS-heijastin manipuloi sähkömagneettisia aaltoja samassa vaiheessa, mikä luo lisäresonanssia ja parantaa ehdotetun MIMO-antennin säteilytehoa. MIMO-antennin taakse asennettu MS-heijastin voi merkittävästi lisätä saavutettua vahvistusta, minkä todistavat kokeelliset tulokset. Kehitetyn prototyypin MIMO-antennin havaitut ja simuloidut vahvistukset ovat lähes samat, mutta joillain taajuuksilla mitattu vahvistus on suurempi kuin simuloitu vahvistus, erityisesti MIMO:ssa ilman MS:ää; Nämä vaihtelut kokeellisessa vahvistuksessa johtuvat nailontyynyjen mittaustoleransseista, kaapelihäviöistä ja antennijärjestelmän kytkennöistä. MIMO-antennin mitattu huippuvahvistus ilman metapintaa on 5,8 dBi, kun taas metapinnan kuparisella taustalevyllä on 8,5 dBi. On syytä huomata, että ehdotetulla täydellisellä 4-porttisella MIMO-antennijärjestelmällä, jossa on MS-heijastin, on korkea vahvistus kokeellisissa ja numeerisissa olosuhteissa.
Simulaatio ja kokeelliset tulokset (a) saavutetusta vahvistuksesta ja (b) ehdotetun MIMO-antennin kokonaissuorituskyvystä metapintavaikutuksella.
Kuva 19b esittää ehdotetun MIMO-järjestelmän yleisen suorituskyvyn ilman metapinnan heijastimia ja niiden kanssa. Kuvassa 19b alhaisin tehokkuus MS:llä taustalevyllä oli yli 73 % (84 %). Kehitettyjen MIMO-antennien kokonaishyötysuhde ilman MC:tä ja MC:llä on lähes sama pienin eroin verrattuna simuloituihin arvoihin. Syynä tähän ovat mittaustoleranssit ja välikappaleiden käyttö antennin ja MS-heijastimen välillä. Mitattu saavutettu vahvistus ja kokonaishyötysuhde koko taajuudella ovat lähes samanlaiset kuin simulaatiotulokset, mikä osoittaa, että ehdotetun MIMO-prototyypin suorituskyky on odotusten mukainen ja suositeltu MS-pohjainen MIMO-antenni soveltuu 5G-viestintään. Kokeellisten tutkimusten virheistä johtuen laboratoriokokeiden kokonaistulosten ja simulaatioiden tulosten välillä on eroja. Ehdotetun prototyypin suorituskykyyn vaikuttavat antennin ja SMA-liittimen välinen impedanssiero, koaksiaalikaapelin jatkoshäviöt, juotosefektit ja erilaisten elektronisten laitteiden läheisyys kokeelliseen asennukseen.
Kuvio 20 kuvaa mainitun antennin suunnittelun ja optimoinnin edistymistä lohkokaavion muodossa. Tämä lohkokaavio tarjoaa vaiheittaisen kuvauksen ehdotetuista MIMO-antennin suunnitteluperiaatteista sekä parametreista, joilla on keskeinen rooli antennin optimoinnissa vaaditun suuren vahvistuksen ja korkean eristyksen saavuttamiseksi laajalla toimintataajuudella.
Lähikenttä-MIMO-antennimittaukset mitattiin SATIMO Near-Field Experimental Environment -ympäristössä UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratoryssa. Kuviot 21a,b kuvaavat vaaditun MIMO-antennin simuloituja ja havaittuja E-tason ja H-tason säteilykuvioita MS:n kanssa ja ilman 5,5 GHz:n toimintataajuudella. Toimintataajuusalueella 5,5 GHz kehitetty ei-MS-MIMO-antenni tarjoaa yhtenäisen kaksisuuntaisen säteilykuvion sivukeila-arvoineen. MS-heijastimen asettamisen jälkeen antenni muodostaa yksisuuntaisen säteilykuvion ja alentaa takakeilojen tasoa, kuten kuvioissa 21a, b esitetään. On syytä huomata, että käyttämällä metapintaa kuparisella taustalevyllä ehdotettu MIMO-antennikuvio on vakaampi ja yksisuuntaisempi kuin ilman MS:ää, erittäin matalalla selkä- ja sivukeiloilla. Ehdotettu MM-ryhmän heijastin pienentää antennin taka- ja sivukeiloja ja parantaa myös säteilyominaisuuksia ohjaamalla virtaa yksisuuntaiseen suuntaan (kuvat 21a, b), mikä lisää vahvistusta ja suuntaavuutta. Mitattu säteilykuvio saatiin portille 1 50 ohmin kuormalla kytkettynä muihin portteihin. Havaittiin, että kokeellinen säteilykuvio oli lähes identtinen CST:n simuloiman kanssa, vaikka joitakin poikkeamia johtui komponenttien kohdistusvirheestä, heijastuksista pääteporteista ja häviöistä kaapeliyhteyksissä. Lisäksi antennin ja MS-heijastimen väliin laitettiin nailonvälike, mikä on toinen ongelma, joka vaikuttaa havaittuihin tuloksiin verrattuna ennustettuihin tuloksiin.
Kehitetyn MIMO-antennin (ilman MS:ää ja MS:n kanssa) säteilykuviota 5,5 GHz:n taajuudella simuloitiin ja testattiin.
On tärkeää huomata, että portin eristäminen ja siihen liittyvät ominaisuudet ovat olennaisia ​​arvioitaessa MIMO-järjestelmien suorituskykyä. Ehdotetun MIMO-järjestelmän diversiteettisuorituskykyä, mukaan lukien verhokäyräkorrelaatiokerroin (ECC) ja diversiteettivahvistusta (DG), tarkastellaan suunnitellun MIMO-antennijärjestelmän kestävyyden havainnollistamiseksi. MIMO-antennin ECC:tä ja DG:tä voidaan käyttää sen suorituskyvyn arvioimiseen, koska ne ovat tärkeitä näkökohtia MIMO-järjestelmän suorituskyvyssä. Seuraavissa osissa kuvataan yksityiskohtaisesti nämä ehdotetun MIMO-antennin ominaisuudet.
Kirjekuoren korrelaatiokerroin (ECC). Mitä tahansa MIMO-järjestelmää tarkasteltaessa ECC määrittää, missä määrin osaelementit korreloivat toistensa kanssa niiden erityisominaisuuksien suhteen. Siten ECC osoittaa kanavan eristyksen asteen langattomassa viestintäverkossa. Kehitetyn MIMO-järjestelmän ECC (verhokäyräkorrelaatiokerroin) voidaan määrittää S-parametrien ja kaukokentän emission perusteella. Eq. (7) ja (8) ehdotetun MIMO-antennin 31 ECC voidaan määrittää.
Heijastuskerrointa edustaa Sii ja Sij edustaa lähetyskerrointa. J:nnen ja i:nnen antennin kolmiulotteiset säteilykuviot saadaan lausekkeilla \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) ja \( \vec {{R_{ i } }} Solidikulma, jota edustavat \vasen( {\theta ,\varphi } \right)\) ja \({\Omega }\). Ehdotetun antennin ECC-käyrä on esitetty kuvassa 22a ja sen arvo on alle 0,004, mikä on selvästi alle langattoman järjestelmän hyväksyttävän arvon 0,5. Siksi alennettu ECC-arvo tarkoittaa, että ehdotettu 4-porttinen MIMO-järjestelmä tarjoaa erinomaisen diversiteetin43.
Diversity Gain (DG) DG on toinen MIMO-järjestelmän suorituskykymittari, joka kuvaa kuinka diversiteettimalli vaikuttaa säteilytehoon. Relaatio (9) määrittää kehitettävän MIMO-antennijärjestelmän DG:n kohdassa 31 kuvatulla tavalla.
Kuvassa 22b on esitetty ehdotetun MIMO-järjestelmän DG-kaavio, jossa DG-arvo on hyvin lähellä 10 dB. Suunnitellun MIMO-järjestelmän kaikkien antennien DG-arvot ylittävät 9,98 dB.
Taulukossa 1 verrataan ehdotettua metapinnan MIMO-antennia äskettäin kehitettyihin vastaaviin MIMO-järjestelmiin. Vertailussa otetaan huomioon erilaiset suorituskykyparametrit, mukaan lukien kaistanleveys, vahvistus, maksimieristys, kokonaistehokkuus ja diversiteettisuorituskyky. Tutkijat ovat esitelleet erilaisia ​​MIMO-antenniprototyyppejä vahvistuksen ja eristyksen tehostamisen tekniikoilla 5, 44, 45, 46, 47. Verrattuna aiemmin julkaistuihin töihin, ehdotettu MIMO-järjestelmä metapinnan heijastimilla ylittää ne kaistanleveyden, vahvistuksen ja eristyksen suhteen. Lisäksi, verrattuna raportoituihin vastaaviin antenneihin, kehitetyllä MIMO-järjestelmällä on erinomainen diversiteettisuorituskyky ja kokonaistehokkuus pienemmässä koossa. Vaikka kohdassa 5.46 kuvatuilla antenneilla on suurempi eristys kuin ehdotetuilla antenneilla, nämä antennit kärsivät suuresta koosta, alhaisesta vahvistuksesta, kapeasta kaistanleveydestä ja huonosta MIMO-suorituskyvystä. 45:ssä ehdotetulla 4-porttisella MIMO-antennilla on korkea vahvistus ja hyötysuhde, mutta sen suunnittelussa on alhainen eristys, suuri koko ja huono diversiteettisuorituskyky. Toisaalta 47:ssä ehdotetulla pienikokoisella antennijärjestelmällä on erittäin pieni vahvistus ja toimintakaistanleveys, kun taas ehdotetulla MS-pohjaisella 4-porttisella MIMO-järjestelmällämme on pieni koko, korkea vahvistus, korkea eristys ja parempi suorituskyky MIMO. Siten ehdotetusta metapinnan MIMO-antennista voi tulla merkittävä haastaja alle 6 GHz:n 5G-viestintäjärjestelmissä.
Neliporttista metasurface-heijastinpohjaista laajakaistaista MIMO-antennia, jolla on korkea vahvistus ja eristys, ehdotetaan tukemaan alle 6 GHz:n 5G-sovelluksia. Mikroliuskalinja syöttää neliön säteilevän osan, joka on katkaistu neliöllä diagonaalisista kulmista. Ehdotettu MS ja antennilähetin on toteutettu alustamateriaaleille, jotka ovat samanlaisia ​​kuin Rogers RT5880, jotta saavutetaan erinomainen suorituskyky nopeissa 5G-viestintäjärjestelmissä. MIMO-antennissa on laaja kantama ja korkea vahvistus, ja se tarjoaa äänieristyksen MIMO-komponenttien välillä ja erinomaisen tehokkuuden. Kehitetyn yksittäisen antennin miniatyyrimitat ovat 0,58-0,58-0,02? 5 × 5 metasurface-ryhmällä tarjoaa laajan 4,56 GHz:n toimintakaistan, 8 dBi:n huippuvahvistuksen ja erinomaisen mitatun tehokkuuden. Ehdotettu neliporttinen MIMO-antenni (2 × 2 -ryhmä) on suunniteltu kohdistamalla jokainen ehdotettu yksittäinen antenni ortogonaalisesti toisen antennin kanssa, jonka mitat ovat 1,05 λ × 1,05 λ × 0,02 λ. On suositeltavaa koota 10 × 10 mm:n ryhmä 12 mm korkean MIMO-antennin alle, mikä voi vähentää vastasäteilyä ja vähentää MIMO-komponenttien välistä keskinäistä kytkentää, mikä parantaa vahvistusta ja eristystä. Kokeet ja simulaatiot osoittavat, että kehitetty MIMO-prototyyppi voi toimia laajalla 3,08–7,75 GHz:n taajuusalueella kattaen alle 6 GHz:n 5G-spektrin. Lisäksi ehdotettu MS-pohjainen MIMO-antenni parantaa vahvistustaan ​​2,9 dBi:llä saavuttaen 8,3 dBi:n maksimivahvistuksen ja tarjoaa erinomaisen eristyksen (>15,5 dB) MIMO-komponenttien välillä vahvistaen MS:n panoksen. Lisäksi ehdotetun MIMO-antennin keskimääräinen kokonaishyötysuhde on korkea, 82 %, ja pieni elementtien välinen etäisyys 22 mm. Antennilla on erinomainen MIMO-diversiteettisuorituskyky, mukaan lukien erittäin korkea DG (yli 9,98 dB), erittäin alhainen ECC (alle 0,004) ja yksisuuntainen säteilykuvio. Mittaustulokset ovat hyvin samankaltaisia ​​kuin simulaatiotulokset. Nämä ominaisuudet vahvistavat, että kehitetty neliporttinen MIMO-antennijärjestelmä voi olla varteenotettava valinta 5G-viestintäjärjestelmiin alle 6 GHz:n taajuusalueella.
Cowin voi tarjota 400-6000 MHz laajakaistaisen PCB-antennin ja tukea uuden antennin suunnitteluun tarpeidesi mukaan, ota meihin yhteyttä epäröimättä, jos sinulla on pyyntöjä.