Aquest treball proposa una antena de banda ampla de metasuperfície (MS) compacta integrada de múltiples entrades i sortides múltiples (MIMO) per a sistemes de comunicació sense fils de cinquena generació (5G) de sub-6 GHz. La novetat òbvia del sistema MIMO proposat és el seu ample ample de banda operatiu, un gran guany, petites separacions entre components i un excel·lent aïllament dins dels components MIMO. El punt radiant de l'antena està truncat en diagonal, parcialment posat a terra i s'utilitzen metasuperfícies per millorar el rendiment de l'antena. El prototip d'antena MS integrada proposada té unes dimensions en miniatura de 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Els resultats de simulació i mesurament demostren un rendiment de banda ampla de 3,11 GHz a 7,67 GHz, inclòs el guany més alt aconseguit de 8 dBi. El sistema MIMO de quatre elements està dissenyat perquè cada antena sigui ortogonal entre si, mantenint una mida compacta i un rendiment de banda ampla de 3,2 a 7,6 GHz. El prototip MIMO proposat està dissenyat i fabricat sobre un substrat Rogers RT5880 amb baixes pèrdues i dimensions miniaturitzades d'1,05? 1.05? 0,02?, i el seu rendiment s'avalua mitjançant la matriu de ressonadors d'anell tancat quadrat proposat amb un anell dividit de 10 x 10. El material bàsic és el mateix. La metasuperfície del pla posterior proposada redueix significativament la radiació posterior de l'antena i manipula els camps electromagnètics, millorant així l'amplada de banda, el guany i l'aïllament dels components MIMO. En comparació amb les antenes MIMO existents, l'antena MIMO de 4 ports proposada aconsegueix un alt guany de 8,3 dBi amb una eficiència global mitjana de fins a un 82% a la banda 5G sub-6 GHz i està d'acord amb els resultats mesurats. A més, l'antena MIMO desenvolupada presenta un rendiment excel·lent en termes de coeficient de correlació d'embolcall (ECC) inferior a 0,004, guany de diversitat (DG) d'uns 10 dB (>9,98 dB) i alt aïllament entre components MIMO (>15,5 dB). característiques. Així, l'antena MIMO basada en MS proposada confirma la seva aplicabilitat per a xarxes de comunicació 5G sub-6 GHz.
La tecnologia 5G és un avenç increïble en les comunicacions sense fil que permetrà xarxes més ràpides i segures per a milers de milions de dispositius connectats, oferirà experiències d'usuari amb latència "zero" (latència de menys d'1 mil·lisegon) i introduirà noves tecnologies, inclosa l'electrònica. Atenció mèdica, educació intel·lectual. , les ciutats intel·ligents, les cases intel·ligents, la realitat virtual (VR), les fàbriques intel·ligents i la Internet dels vehicles (IoV) estan canviant les nostres vides, la societat i les indústries1,2,3. La Comissió Federal de Comunicacions (FCC) dels EUA divideix l'espectre 5G en quatre bandes de freqüència4. La banda de freqüències per sota dels 6 GHz és d'interès per als investigadors perquè permet comunicacions de llarga distància amb altes taxes de dades5,6. L'assignació de l'espectre 5G inferior a 6 GHz per a les comunicacions 5G globals es mostra a la figura 1, que indica que tots els països estan considerant l'espectre inferior a 6 GHz per a les comunicacions 5G7,8. Les antenes són una part important de les xarxes 5G i requeriran més antenes d'estació base i terminal d'usuari.
Les antenes de pegat de microstrip tenen els avantatges de la primesa i l'estructura plana, però tenen una amplada de banda i un guany limitats9,10, de manera que s'han fet moltes investigacions per augmentar el guany i l'amplada de banda de l'antena; En els darrers anys, les metasuperfícies (MS) s'han utilitzat àmpliament en tecnologies d'antena, especialment per millorar el guany i el rendiment11,12, però, aquestes antenes es limiten a un sol port; La tecnologia MIMO és un aspecte important de les comunicacions sense fils perquè pot utilitzar múltiples antenes simultàniament per transmetre dades, millorant així les taxes de dades, l'eficiència espectral, la capacitat del canal i la fiabilitat13,14,15. Les antenes MIMO són candidates potencials per a aplicacions 5G perquè poden transmetre i rebre dades a través de diversos canals sense requerir potència addicional16,17. L'efecte d'acoblament mutu entre components MIMO depèn de la ubicació dels elements MIMO i del guany de l'antena MIMO, que és un gran repte per als investigadors. Les figures 18, 19 i 20 mostren diverses antenes MIMO que funcionen a la banda 5G sub-6 GHz, tot demostrant un bon aïllament i rendiment MIMO. Tanmateix, el guany i l'amplada de banda operativa d'aquests sistemes proposats són baixos.
Els metamaterials (MM) són nous materials que no existeixen a la natura i poden manipular ones electromagnètiques, millorant així el rendiment de les antenes21,22,23,24. Actualment, MM s'utilitza àmpliament en la tecnologia d'antenes per millorar el patró de radiació, l'amplada de banda, el guany i l'aïllament entre els elements de l'antena i els sistemes de comunicació sense fil, tal com es va comentar a 25, 26, 27, 28. El 2029, un sistema MIMO de quatre elements basat en metasuperfície, en què la secció de l'antena s'intercala entre la metasuperfície i el terra sense un buit d'aire, cosa que millora el rendiment MIMO. Tanmateix, aquest disseny té una mida més gran, una freqüència de funcionament més baixa i una estructura complexa. S'inclouen un bucle de banda electromagnètic (EBG) i un bucle de terra a l'antena MIMO de banda ampla de 2 ports proposada per millorar l'aïllament dels components MIMO30. L'antena dissenyada té un bon rendiment de diversitat MIMO i un excel·lent aïllament entre dues antenes MIMO, però utilitzant només dos components MIMO, el guany serà baix. A més, in31 també va proposar una antena MIMO de doble port de banda ultra ampla (UWB) i va investigar el seu rendiment MIMO mitjançant metamaterials. Tot i que aquesta antena és capaç de funcionar UWB, el seu guany és baix i l'aïllament entre les dues antenes és pobre. El treball in32 proposa un sistema MIMO de 2 ports que utilitza reflectors de banda electromagnètica (EBG) per augmentar el guany. Tot i que la matriu d'antenes desenvolupada té un gran guany i un bon rendiment de diversitat MIMO, la seva gran mida fa que sigui difícil d'aplicar als dispositius de comunicació de nova generació. L'any 33 es va desenvolupar una altra antena de banda ampla basada en reflectors, on el reflector es va integrar sota l'antena amb un espai més gran de 22 mm, mostrant un guany màxim inferior de 4,87 dB. Paper 34 dissenya una antena MIMO de quatre ports per a aplicacions mmWave, que s'integra amb la capa MS per millorar l'aïllament i el guany del sistema MIMO. Tanmateix, aquesta antena proporciona un bon guany i aïllament, però té una amplada de banda limitada i propietats mecàniques pobres a causa del gran espai d'aire. De la mateixa manera, el 2015, es va desenvolupar una antena MIMO integrada en metasuperfície de tres parells i 4 ports en forma de corbata per a comunicacions mmWave amb un guany màxim de 7,4 dBi. B36 MS s'utilitza a la part posterior d'una antena 5G per augmentar el guany de l'antena, on la metasuperfície actua com a reflector. Tanmateix, l'estructura MS és asimètrica i s'ha prestat menys atenció a l'estructura de la cèl·lula unitat.
Segons els resultats de l'anàlisi anteriors, cap de les antenes anteriors té un gran guany, un excel·lent aïllament, un rendiment MIMO i una cobertura de banda ampla. Per tant, encara hi ha una necessitat d'una antena MIMO de metasuperfície que pugui cobrir una àmplia gamma de freqüències de l'espectre 5G per sota dels 6 GHz amb un gran guany i aïllament. Tenint en compte les limitacions de la literatura esmentada anteriorment, es proposa un sistema d'antena MIMO de quatre elements de banda ampla amb un gran guany i un excel·lent rendiment de diversitat per a sistemes de comunicació sense fils de menys de 6 GHz. A més, l'antena MIMO proposada presenta un excel·lent aïllament entre els components MIMO, petits buits d'elements i una alta eficiència de radiació. El pegat de l'antena es trunca en diagonal i es col·loca a la part superior de la metasuperfície amb un espai d'aire de 12 mm, que reflecteix la radiació posterior de l'antena i millora el guany i la directivitat de l'antena. A més, l'antena única proposada s'utilitza per crear una antena MIMO de quatre elements amb un rendiment MIMO superior col·locant cada antena ortogonalment entre si. L'antena MIMO desenvolupada es va integrar a la part superior d'una matriu MS de 10 × 10 amb una placa posterior de coure per millorar el rendiment d'emissions. El disseny presenta un ampli rang de funcionament (3,08-7,75 GHz), un gran guany de 8,3 dBi i una eficiència global mitjana alta del 82%, així com un excel·lent aïllament de més de -15,5 dB entre els components de l'antena MIMO. L'antena MIMO desenvolupada basada en MS es va simular mitjançant el paquet de programari electromagnètic 3D CST Studio 2019 i es va validar mitjançant estudis experimentals.
Aquesta secció ofereix una introducció detallada a l'arquitectura proposada i la metodologia de disseny d'antena única. A més, es comenten amb detall els resultats simulats i observats, inclosos els paràmetres de dispersió, el guany i l'eficiència general amb i sense metasuperfícies. L'antena prototip es va desenvolupar sobre un substrat dielèctric de baixes pèrdues Rogers 5880 amb un gruix d'1,575 mm amb una constant dielèctrica de 2,2. Per desenvolupar i simular el disseny, es va utilitzar el paquet de simulador electromagnètic CST studio 2019.
La figura 2 mostra l'arquitectura i el model de disseny proposats d'una antena d'un sol element. Segons equacions matemàtiques ben establertes37, l'antena consta d'un punt radiant quadrat alimentat linealment i un pla de terra de coure (tal com es descriu al pas 1) i ressona amb una amplada de banda molt estreta a 10, 8 GHz, tal com es mostra a la figura 3b. La mida inicial del radiador de l'antena ve determinada per la següent relació matemàtica37:
On \(P_{L}\) i \(P_{w}\) són la longitud i l'amplada del pegat, c representa la velocitat de la llum, \(\gamma_{r}\) és la constant dielèctrica del substrat . , \(\gamma_{reff }\) representa el valor dielèctric efectiu del punt de radiació, \(\Delta L\) representa el canvi en la longitud del punt. El pla posterior de l'antena es va optimitzar en la segona etapa, augmentant l'amplada de banda d'impedància malgrat l'amplada de banda d'impedància molt baixa de 10 dB. En la tercera etapa, la posició de l'alimentador es mou cap a la dreta, la qual cosa millora l'amplada de banda d'impedància i la coincidència d'impedància de l'antena proposada38. En aquesta etapa, l'antena demostra un excel·lent ample de banda de funcionament de 4 GHz i també cobreix l'espectre per sota dels 6 GHz en 5G. La quarta i última etapa consisteix a gravar solcs quadrats a les cantonades oposades del punt de radiació. Aquesta ranura amplia significativament l'ample de banda de 4,56 GHz per cobrir l'espectre 5G inferior a 6 GHz de 3,11 GHz a 7,67 GHz, tal com es mostra a la figura 3b. Les vistes en perspectiva frontal i inferior del disseny proposat es mostren a la figura 3a, i els paràmetres finals de disseny optimitzats necessaris són els següents: 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) Vista superior i posterior de l'antena única dissenyada (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Corba del paràmetre S.
La metasuperfície és un terme que es refereix a una matriu periòdica de cèl·lules unitats situades a una certa distància les unes de les altres. Les metasuperfícies són una manera eficaç de millorar el rendiment de la radiació de l'antena, incloent l'amplada de banda, el guany i l'aïllament entre components MIMO. A causa de la influència de la propagació de les ones superficials, les metasuperfícies generen ressonàncies addicionals que contribueixen a millorar el rendiment de l'antena39. Aquest treball proposa una unitat de metamaterial èpsilon negatiu (MM) que funciona a la banda 5G per sota dels 6 GHz. El MM amb una superfície de 8 mm × 8 mm es va desenvolupar sobre un substrat Rogers 5880 de baixes pèrdues amb una constant dielèctrica de 2,2 i un gruix d'1,575 mm. El pegat de ressonador MM optimitzat consisteix en un anell dividit circular interior connectat a dos anells dividits exteriors modificats, tal com es mostra a la figura 4a. La figura 4a resumeix els paràmetres optimitzats finals de la configuració de MM proposada. Posteriorment, es van desenvolupar capes de metasuperfície de 40 × 40 mm i 80 × 80 mm sense una placa posterior de coure i amb una placa posterior de coure utilitzant matrius de cel·les de 5 × 5 i 10 × 10, respectivament. L'estructura MM proposada es va modelar mitjançant el programari de modelatge electromagnètic 3D "CST studio suite 2019". A la figura 4b es mostra un prototip fabricat de l'estructura de matriu MM i la configuració de mesura proposada (analitzador de xarxa de doble port PNA i port de guia d'ones) per validar els resultats de la simulació CST mitjançant l'anàlisi de la resposta real. La configuració de mesura va utilitzar un analitzador de xarxa de la sèrie Agilent PNA en combinació amb dos adaptadors coaxials de guia d'ona (A-INFOMW, número de peça: 187WCAS) per enviar i rebre senyals. Es va col·locar un prototip de matriu de 5 × 5 entre dos adaptadors coaxials de guia d'ona connectats per cable coaxial a un analitzador de xarxa de dos ports (Agilent PNA N5227A). El kit de calibratge Agilent N4694-60001 s'utilitza per calibrar l'analitzador de xarxa en una planta pilot. A la figura 5a es mostren els paràmetres de dispersió simulats i observats CST de la matriu MM prototip proposada. Es pot veure que l'estructura MM proposada ressona en el rang de freqüències 5G per sota dels 6 GHz. Malgrat la petita diferència d'amplada de banda de 10 dB, els resultats simulats i experimentals són molt similars. La freqüència de ressonància, l'amplada de banda i l'amplitud de la ressonància observada són lleugerament diferents de les simulades, tal com es mostra a la figura 5a. Aquestes diferències entre els resultats observats i simulats es deuen a imperfeccions de fabricació, petites separacions entre el prototip i els ports de la guia d'ona, els efectes d'acoblament entre els ports de la guia d'ona i els components de la matriu i les toleràncies de mesura. A més, la col·locació adequada del prototip desenvolupat entre els ports de la guia d'ones a la configuració experimental pot provocar un canvi de ressonància. A més, es va observar soroll no desitjat durant la fase de calibratge, que va provocar discrepàncies entre els resultats numèrics i mesurats. Tanmateix, a part d'aquestes dificultats, el prototip de matriu MM proposat funciona bé a causa de la forta correlació entre simulació i experiment, el que el fa molt adequat per a aplicacions de comunicació sense fils 5G sub-6 GHz.
(a) Geometria de la cel·la unitat (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 de la configuració de mesura MM.
( a ) Simulació i verificació de les corbes dels paràmetres de dispersió del prototip de metamaterial. (b) Corba constant dielèctrica d'una cel·la unitat MM.
Es van estudiar paràmetres efectius rellevants com la constant dielèctrica efectiva, la permeabilitat magnètica i l'índex de refracció mitjançant tècniques de postprocessament integrades del simulador electromagnètic CST per analitzar encara més el comportament de la cèl·lula unitat MM. Els paràmetres MM efectius s'obtenen a partir dels paràmetres de dispersió mitjançant un mètode de reconstrucció robust. Les següents equacions de transmitància i coeficient de reflexió: (3) i (4) es poden utilitzar per determinar l'índex de refracció i la impedància (vegeu 40).
Les parts real i imaginària de l'operador es representen amb (.)' i (.)” respectivament, i el valor enter m correspon a l'índex de refracció real. La constant dielèctrica i la permeabilitat estan determinades per les fórmules \(\varepsilon { } = { }n/z,\) i \(\mu = nz\), que es basen en la impedància i l'índex de refracció, respectivament. La corba constant dielèctrica efectiva de l'estructura MM es mostra a la figura 5b. A la freqüència de ressonància, la constant dielèctrica efectiva és negativa. Les figures 6a,b mostren els valors extrets de permeabilitat efectiva (μ) i índex de refracció efectiu (n) de la cel·la unitat proposada. En particular, les permeabilitats extretes presenten valors reals positius propers a zero, cosa que confirma les propietats epsilon-negatives (ENG) de l'estructura MM proposada. A més, com es mostra a la figura 6a, la ressonància a una permeabilitat propera a zero està fortament relacionada amb la freqüència de ressonància. La cèl·lula unitat desenvolupada té un índex de refracció negatiu (Fig. 6b), cosa que significa que el MM proposat es pot utilitzar per millorar el rendiment de l'antena21,41.
El prototip desenvolupat d'una única antena de banda ampla es va fabricar per provar experimentalment el disseny proposat. Les figures 7a, b mostren imatges del prototip d'antena única proposada, les seves parts estructurals i la configuració de mesura de camp proper (SATIMO). Per millorar el rendiment de l'antena, la metasuperfície desenvolupada es col·loca en capes sota l'antena, tal com es mostra a la figura 8a, amb alçada h. Es va aplicar una única metasuperfície de doble capa de 40 mm x 40 mm a la part posterior de l'antena única a intervals de 12 mm. A més, es col·loca una metasuperfície amb un pla posterior a la part posterior de l'antena única a una distància de 12 mm. Després d'aplicar la metasuperfície, l'antena única mostra una millora significativa en el rendiment, tal com es mostra a les figures 1 i 2. Figures 8 i 9. La figura 8b mostra els diagrames de reflectància simulats i mesurats per a l'antena única sense i amb metasuperfícies. Val la pena assenyalar que la banda de cobertura d'una antena amb metasuperfície és molt semblant a la banda de cobertura d'una antena sense metasuperfície. Les figures 9a, b mostren una comparació del guany d'antena única simulat i observat i l'eficiència global sense i amb MS a l'espectre operatiu. Es pot veure que, en comparació amb l'antena no metasuperfície, el guany de l'antena metasuperfície millora significativament, passant de 5,15 dBi a 8 dBi. El guany de la metasuperfície d'una sola capa, la metasuperfície de doble capa i l'antena única amb metasuperfície del pla posterior va augmentar en 6 dBi, 6, 9 dBi i 8 dBi, respectivament. En comparació amb altres metasuperfícies (MC d'una sola capa i de doble capa), el guany d'una antena de metasuperfície única amb una placa posterior de coure és de fins a 8 dBi. En aquest cas, la metasuperfície actua com a reflector, reduint la radiació posterior de l'antena i manipulant les ones electromagnètiques en fase, augmentant així l'eficiència de radiació de l'antena i, per tant, el guany. A la figura 9b es mostra un estudi de l'eficiència global d'una sola antena sense i amb metasuperfícies. Val la pena assenyalar que l'eficiència d'una antena amb i sense metasuperfície és gairebé la mateixa. En el rang de freqüència inferior, l'eficiència de l'antena disminueix lleugerament. Les corbes de guany i eficiència experimentals i simulades coincideixen. Tanmateix, hi ha petites diferències entre els resultats simulats i provats a causa de defectes de fabricació, toleràncies de mesura, pèrdua de connexió del port SMA i pèrdua de cable. A més, l'antena i el reflector MS es troben entre els separadors de niló, que és un altre problema que afecta els resultats observats en comparació amb els resultats de la simulació.
La figura (a) mostra l'antena única completada i els seus components associats. (b) Configuració de mesura de camp proper (SATIMO).
(a) Excitació de l'antena mitjançant reflectors de metasuperfície (CST STUDIO SUITE 2019). ( b ) Reflectàncies simulades i experimentals d'una sola antena sense i amb MS.
Resultats de simulació i mesura de (a) el guany aconseguit i (b) l'eficiència global de l'antena d'efecte metasuperfície proposada.
Anàlisi de patró de feix mitjançant MS. Les mesures de camp proper d'una sola antena es van dur a terme a l'entorn experimental de camp proper SATIMO del laboratori de sistemes de camp proper SATIMO d'UKM. Les figures 10a, b mostren els patrons de radiació del pla E i del pla H simulats i observats a 5, 5 GHz per a l'antena única proposada amb i sense MS. L'antena única desenvolupada (sense MS) proporciona un patró de radiació bidireccional consistent amb valors de lòbuls laterals. Després d'aplicar el reflector MS proposat, l'antena proporciona un patró de radiació unidireccional i redueix el nivell dels lòbuls posteriors, tal com es mostra a les figures 10a, b. Val la pena assenyalar que el patró de radiació d'antena única proposat és més estable i unidireccional amb lòbuls posteriors i laterals molt baixos quan s'utilitza una metasuperfície amb una placa posterior de coure. El reflector de matriu MM proposat redueix els lòbuls posterior i lateral de l'antena alhora que millora el rendiment de la radiació dirigint el corrent en direccions unidireccionals (Fig. 10a, b), augmentant així el guany i la directivitat. Es va observar que el patró de radiació experimental era gairebé comparable al de les simulacions CST, però variava lleugerament a causa de la desalineació dels diferents components muntats, les toleràncies de mesura i les pèrdues de cablejat. A més, es va inserir un separador de niló entre l'antena i el reflector MS, que és un altre problema que afecta els resultats observats en comparació amb els resultats numèrics.
Es va simular i provar el patró de radiació de l'antena única desenvolupada (sense MS i amb MS) a una freqüència de 5,5 GHz.
La geometria de l'antena MIMO proposta es mostra a la figura 11 i inclou quatre antenes individuals. Els quatre components de l'antena MIMO estan disposats ortogonalment entre si sobre un substrat de dimensions 80 × 80 × 1,575 mm, tal com es mostra a la figura 11. L'antena MIMO dissenyada té una distància entre elements de 22 mm, que és més petita que la distància interelement corresponent més propera de l'antena. Antena MIMO desenvolupada. A més, part del pla de terra es troba de la mateixa manera que una sola antena. Els valors de reflectància de les antenes MIMO (S11, S22, S33 i S44) que es mostren a la figura 12a presenten el mateix comportament que una antena d'un sol element que ressona a la banda de 3,2-7,6 GHz. Per tant, l'amplada de banda d'impedància d'una antena MIMO és exactament la mateixa que la d'una sola antena. L'efecte d'acoblament entre components MIMO és el principal motiu de la petita pèrdua d'amplada de banda de les antenes MIMO. La figura 12b mostra l'efecte de la interconnexió en components MIMO, on es va determinar l'aïllament òptim entre components MIMO. L'aïllament entre les antenes 1 i 2 és el més baix a uns -13,6 dB, i l'aïllament entre les antenes 1 i 4 és el més alt a uns -30,4 dB. A causa de la seva petita mida i ample de banda més ampli, aquesta antena MIMO té un guany i un rendiment més baixos. L'aïllament és baix, de manera que cal augmentar el reforç i l'aïllament;
Mecanisme de disseny de l'antena MIMO proposada (a) vista superior i (b) pla de terra. (CST Studio Suite 2019).
La disposició geomètrica i el mètode d'excitació de l'antena MIMO metasuperfície proposada es mostren a la figura 13a. Una matriu de 10x10 mm amb unes dimensions de 80x80x1,575 mm està dissenyada per a la part posterior d'una antena MIMO de 12 mm d'alçada, tal com es mostra a la figura 13a. A més, les metasuperfícies amb plaques posteriors de coure estan destinades a utilitzar-se en antenes MIMO per millorar-ne el rendiment. La distància entre la metasuperfície i l'antena MIMO és fonamental per aconseguir un gran guany alhora que permet una interferència constructiva entre les ones generades per l'antena i les reflectides per la metasuperfície. Es va realitzar un modelatge extens per optimitzar l'alçada entre l'antena i la metasuperfície mantenint els estàndards de quart d'ona per obtenir el màxim guany i aïllament entre els elements MIMO. Les millores significatives en el rendiment de l'antena MIMO aconseguides mitjançant l'ús de metasuperfícies amb placa posterior en comparació amb metasuperfícies sense placa posterior es demostraran en capítols posteriors.
(a) Configuració de simulació CST de l'antena MIMO proposada mitjançant MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Corbes de reflectància del sistema MIMO desenvolupat sense MS i amb MS.
Les reflectàncies de les antenes MIMO amb i sense metasuperfícies es mostren a la figura 13b, on es presenten S11 i S44 a causa del comportament gairebé idèntic de totes les antenes del sistema MIMO. Val la pena assenyalar que l'amplada de banda d'impedància de -10 dB d'una antena MIMO sense i amb una sola metasuperfície és gairebé la mateixa. En canvi, l'amplada de banda d'impedància de l'antena MIMO proposada es millora amb MS de doble capa i MS de la placa posterior. Val la pena assenyalar que sense MS, l'antena MIMO proporciona una amplada de banda fraccional del 81,5% (3,2-7,6 GHz) en relació amb la freqüència central. La integració de l'MS amb el pla posterior augmenta l'amplada de banda d'impedància de l'antena MIMO proposada al 86,3% (3,08–7,75 GHz). Tot i que MS de doble capa augmenta el rendiment, la millora és menor que la de MS amb una placa posterior de coure. A més, un MC de doble capa augmenta la mida de l'antena, augmenta el seu cost i limita el seu abast. L'antena MIMO dissenyada i el reflector metasuperfície es fabriquen i es verifica per validar els resultats de la simulació i avaluar el rendiment real. La figura 14a mostra la capa MS fabricada i l'antena MIMO amb diversos components muntats, mentre que la figura 14b mostra una fotografia del sistema MIMO desenvolupat. L'antena MIMO es munta a la part superior de la metasuperfície mitjançant quatre separadors de niló, tal com es mostra a la figura 14b. La figura 15a mostra una instantània de la configuració experimental de camp proper del sistema d'antena MIMO desenvolupat. Es va utilitzar un analitzador de xarxa PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) per estimar els paràmetres de dispersió i per avaluar i caracteritzar les característiques d'emissió de camp proper al laboratori de sistemes de camp proper UKM SATIMO.
( a ) Fotos de mesures de camp proper SATIMO ( b ) Corbes simulades i experimentals de l'antena S11 MIMO amb i sense MS.
Aquesta secció presenta un estudi comparatiu dels paràmetres S simulats i observats de l'antena MIMO 5G proposada. La figura 15b mostra la trama de reflectància experimental de l'antena integrada de 4 elements MIMO MS i la compara amb els resultats de la simulació CST. Es va trobar que les reflectàncies experimentals eren les mateixes que els càlculs CST, però eren lleugerament diferents a causa de defectes de fabricació i toleràncies experimentals. A més, la reflectància observada del prototip MIMO proposat basat en MS cobreix l'espectre 5G per sota dels 6 GHz amb una amplada de banda d'impedància de 4,8 GHz, la qual cosa significa que són possibles aplicacions 5G. Tanmateix, la freqüència de ressonància, l'amplada de banda i l'amplitud mesurades difereixen lleugerament dels resultats de la simulació CST. Els defectes de fabricació, les pèrdues d'acoblament coaxial a SMA i les configuracions de mesurament a l'aire lliure poden causar diferències entre els resultats mesurats i simulats. Tanmateix, malgrat aquestes deficiències, el MIMO proposat funciona bé, proporcionant un fort acord entre simulacions i mesures, el que el fa molt adequat per a aplicacions sense fils 5G sub-6 GHz.
Les corbes de guany de l'antena MIMO simulades i observades es mostren a les figures 2 i 2. Com es mostra a les figures 16a,b i 17a,b, respectivament, es mostra la interacció mútua dels components MIMO. Quan s'apliquen metasuperfícies a les antenes MIMO, l'aïllament entre les antenes MIMO es millora significativament. Els diagrames d'aïllament entre els elements d'antena adjacents S12, S14, S23 i S34 mostren corbes similars, mentre que les antenes diagonals MIMO S13 i S42 mostren un aïllament igualment elevat a causa de la major distància entre ells. Les característiques de transmissió simulades de les antenes adjacents es mostren a la figura 16a. Val la pena assenyalar que a l'espectre operatiu 5G per sota dels 6 GHz, l'aïllament mínim d'una antena MIMO sense metasuperfície és de -13,6 dB, i per a una metasuperfície amb un pla posterior - 15,5 dB. El diagrama de guany (figura 16a) mostra que la metasuperfície del pla posterior millora significativament l'aïllament entre els elements de l'antena MIMO en comparació amb les metasuperfícies d'una i doble capa. En els elements d'antena adjacents, les metasuperfícies d'una i doble capa proporcionen un aïllament mínim d'aproximadament -13,68 dB i -14,78 dB, i la metasuperfície de la placa posterior de coure proporciona aproximadament -15,5 dB.
Corbes d'aïllament simulades d'elements MIMO sense capa MS i amb capa MS: (a) S12, S14, S34 i S32 i (b) S13 i S24.
Corbes de guany experimentals de les antenes MIMO proposades basades en MS sense i amb: (a) S12, S14, S34 i S32 i (b) S13 i S24.
A la figura 16b es mostren els diagrames de guany de l'antena diagonal MIMO abans i després d'afegir la capa MS. Val la pena assenyalar que l'aïllament mínim entre antenes diagonals sense metasuperfície (antenes 1 i 3) és de – 15,6 dB a tot l'espectre de funcionament, i una metasuperfície amb un pla posterior és de – 18 dB. L'enfocament de la metasuperfície redueix significativament els efectes d'acoblament entre les antenes MIMO diagonals. L'aïllament màxim per a una metasuperfície d'una sola capa és de -37 dB, mentre que per a una metasuperfície de doble capa aquest valor baixa a -47 dB. L'aïllament màxim de la metasuperfície amb una placa posterior de coure és de -36,2 dB, que disminueix amb l'augment del rang de freqüència. En comparació amb les metasuperfícies d'una i doble capa sense placa posterior, les metasuperfícies amb una placa posterior proporcionen un aïllament superior en tot el rang de freqüències de funcionament necessari, especialment en el rang 5G per sota dels 6 GHz, tal com es mostra a les figures 16a, b. A la banda 5G més popular i àmpliament utilitzada per sota de 6 GHz (3,5 GHz), les metasuperfícies de capa única i doble tenen un aïllament més baix entre components MIMO que les metasuperfícies amb plaques posteriors de coure (gairebé cap MS) (vegeu la figura 16a), b). Les mesures de guany es mostren a les figures 17a, b, que mostren l'aïllament de les antenes adjacents (S12, S14, S34 i S32) i les antenes diagonals (S24 i S13), respectivament. Com es pot veure en aquestes figures (Fig. 17a, b), l'aïllament experimental entre components MIMO coincideix bé amb l'aïllament simulat. Tot i que hi ha diferències menors entre els valors CST simulats i mesurats a causa de defectes de fabricació, connexions de port SMA i pèrdues de cables. A més, l'antena i el reflector MS es troben entre els separadors de niló, que és un altre problema que afecta els resultats observats en comparació amb els resultats de la simulació.
va estudiar la distribució del corrent superficial a 5,5 GHz per racionalitzar el paper de les metasuperfícies en la reducció de l'acoblament mutu mitjançant la supressió d'ones superficials42. La distribució del corrent superficial de l'antena MIMO proposada es mostra a la figura 18, on s'acciona l'antena 1 i la resta de l'antena s'acaba amb una càrrega de 50 ohms. Quan s'activa l'antena 1, apareixeran corrents d'acoblament mutus significatius a les antenes adjacents a 5, 5 GHz en absència d'una metasuperfície, tal com es mostra a la figura 18a. Per contra, mitjançant l'ús de metasuperfícies, com es mostra a la figura 18b-d, es millora l'aïllament entre les antenes adjacents. Cal tenir en compte que l'efecte de l'acoblament mutu de camps adjacents es pot minimitzar propagant el corrent d'acoblament als anells adjacents de les cel·les unitàries i a les cèl·lules unitàries MS adjacents al llarg de la capa MS en direccions antiparal·leles. La injecció de corrent des d'antenes distribuïdes a les unitats MS és un mètode clau per millorar l'aïllament entre components MIMO. Com a resultat, el corrent d'acoblament entre components MIMO es redueix molt i l'aïllament també millora molt. Com que el camp d'acoblament està àmpliament distribuït a l'element, la metasuperfície de la placa posterior de coure aïlla el conjunt d'antena MIMO significativament més que les metasuperfícies d'una i doble capa (figura 18d). A més, l'antena MIMO desenvolupada té una propagació posterior i una propagació lateral molt baixes, produint un patró de radiació unidireccional, augmentant així el guany de l'antena MIMO proposada.
Patrons de corrent superficial de l'antena MIMO proposada a 5,5 GHz (a) sense MC, (b) MC d'una sola capa, (c) MC de doble capa i (d) MC d'una sola capa amb placa posterior de coure. (CST Studio Suite 2019).
Dins de la freqüència de funcionament, la figura 19a mostra els guanys simulats i observats de l'antena MIMO dissenyada sense i amb metasuperfícies. El guany aconseguit simulat de l'antena MIMO sense metasuperfície és de 5, 4 dBi, tal com es mostra a la figura 19a. A causa de l'efecte d'acoblament mutu entre components MIMO, l'antena MIMO proposada aconsegueix realment un guany 0,25 dBi més gran que una sola antena. L'addició de metasuperfícies pot proporcionar guanys significatius i aïllament entre components MIMO. Així, l'antena MIMO de metasuperfície proposada pot aconseguir un gran guany realitzat de fins a 8,3 dBi. Com es mostra a la figura 19a, quan s'utilitza una sola metasuperfície a la part posterior de l'antena MIMO, el guany augmenta en 1,4 dBi. Quan la metasuperfície es duplica, el guany augmenta en 2, 1 dBi, tal com es mostra a la figura 19a. Tanmateix, el guany màxim esperat de 8,3 dBi s'aconsegueix quan s'utilitza la metasuperfície amb una placa posterior de coure. En particular, el guany màxim aconseguit per a les metasuperfícies d'una sola capa i de doble capa és de 6,8 dBi i 7,5 dBi, respectivament, mentre que el guany màxim aconseguit per a la metasuperfície de la capa inferior és de 8,3 dBi. La capa metasuperficial de la part posterior de l'antena actua com a reflector, reflectint la radiació de la part posterior de l'antena i millorant la relació davant-enrere (F/B) de l'antena MIMO dissenyada. A més, el reflector MS d'alta impedància manipula les ones electromagnètiques en fase, creant així una ressonància addicional i millorant el rendiment de la radiació de l'antena MIMO proposada. El reflector MS instal·lat darrere de l'antena MIMO pot augmentar significativament el guany aconseguit, cosa que es confirma amb els resultats experimentals. Els guanys observats i simulats del prototip d'antena MIMO desenvolupat són gairebé els mateixos, però en algunes freqüències el guany mesurat és superior al guany simulat, especialment per a MIMO sense MS; Aquestes variacions en el guany experimental es deuen a les toleràncies de mesura dels coixinets de niló, les pèrdues de cable i l'acoblament en el sistema d'antena. El guany màxim mesurat de l'antena MIMO sense la metasuperfície és de 5,8 dBi, mentre que la metasuperfície amb una placa posterior de coure és de 8,5 dBi. Val la pena assenyalar que el sistema complet d'antena MIMO de 4 ports proposat amb reflector MS presenta un gran guany en condicions experimentals i numèriques.
Simulació i resultats experimentals de (a) el guany aconseguit i (b) el rendiment global de l'antena MIMO proposada amb efecte metasuperfície.
La figura 19b mostra el rendiment global del sistema MIMO proposat sense i amb reflectors de metasuperfície. A la figura 19b, l'eficiència més baixa utilitzant MS amb placa posterior va ser superior al 73% (fins al 84%). L'eficiència global de les antenes MIMO desenvolupades sense MC i amb MC és gairebé la mateixa amb diferències menors en comparació amb els valors simulats. Les raons d'això són les toleràncies de mesura i l'ús d'espaiadors entre l'antena i el reflector MS. El guany aconseguit mesurat i l'eficiència global a tota la freqüència són gairebé similars als resultats de la simulació, cosa que indica que el rendiment del prototip MIMO proposat és el que s'esperava i que l'antena MIMO recomanada basada en MS és adequada per a comunicacions 5G. A causa d'errors en els estudis experimentals, existeixen diferències entre els resultats globals dels experiments de laboratori i els resultats de les simulacions. El rendiment del prototip proposat es veu afectat pel desajust d'impedància entre l'antena i el connector SMA, les pèrdues d'empalmament del cable coaxial, els efectes de soldadura i la proximitat de diversos dispositius electrònics a la configuració experimental.
La figura 20 descriu el progrés de disseny i optimització de l'esmentada antena en forma de diagrama de blocs. Aquest diagrama de blocs proporciona una descripció pas a pas dels principis de disseny de l'antena MIMO proposats, així com dels paràmetres que tenen un paper clau en l'optimització de l'antena per aconseguir l'elevat guany i l'aïllament elevat necessaris en una àmplia freqüència de funcionament.
Les mesures de l'antena MIMO de camp proper es van mesurar a l'entorn experimental de camp proper SATIMO al laboratori de sistemes de camp proper SATIMO d'UKM. Les figures 21a, b representen els patrons de radiació del pla E i del pla H simulats i observats de l'antena MIMO reivindicada amb i sense MS a una freqüència de funcionament de 5,5 GHz. En el rang de freqüències de funcionament de 5,5 GHz, l'antena MIMO no MS desenvolupada proporciona un patró de radiació bidireccional consistent amb valors de lòbuls laterals. Després d'aplicar el reflector MS, l'antena proporciona un patró de radiació unidireccional i redueix el nivell dels lòbuls posteriors, tal com es mostra a les figures 21a, b. Val la pena assenyalar que utilitzant una metasuperfície amb una placa posterior de coure, el patró d'antena MIMO proposat és més estable i unidireccional que sense MS, amb lòbuls posteriors i laterals molt baixos. El reflector de matriu MM proposat redueix els lòbuls posterior i lateral de l'antena i també millora les característiques de la radiació dirigint el corrent en una direcció unidireccional (Fig. 21a, b), augmentant així el guany i la directivitat. El patró de radiació mesurat es va obtenir per al port 1 amb una càrrega de 50 ohms connectada als ports restants. Es va observar que el patró de radiació experimental era gairebé idèntic al simulat per CST, tot i que hi havia algunes desviacions a causa de la desalineació dels components, els reflexos dels ports terminals i les pèrdues en les connexions de cable. A més, es va inserir un separador de niló entre l'antena i el reflector MS, que és un altre problema que afecta els resultats observats en comparació amb els resultats previstos.
Es va simular i provar el patró de radiació de l'antena MIMO desenvolupada (sense MS i amb MS) a una freqüència de 5,5 GHz.
És important tenir en compte que l'aïllament del port i les seves característiques associades són essencials a l'hora d'avaluar el rendiment dels sistemes MIMO. S'examina el rendiment de diversitat del sistema MIMO proposat, inclòs el coeficient de correlació d'embolcall (ECC) i el guany de diversitat (DG), per il·lustrar la robustesa del sistema d'antena MIMO dissenyat. L'ECC i el DG d'una antena MIMO es poden utilitzar per avaluar el seu rendiment, ja que són aspectes importants del rendiment d'un sistema MIMO. Les seccions següents detallaran aquestes característiques de l'antena MIMO proposada.
Coeficient de correlació de l'embolcall (ECC). Quan es considera qualsevol sistema MIMO, ECC determina el grau en què els elements constitutius es correlacionen entre si pel que fa a les seves propietats específiques. Així, ECC demostra el grau d'aïllament del canal en una xarxa de comunicació sense fil. L'ECC (coeficient de correlació d'envelope) del sistema MIMO desenvolupat es pot determinar en funció dels paràmetres S i l'emissió de camp llunyà. De l'eq. (7) i (8) es pot determinar l'ECC de l'antena MIMO 31 proposada.
El coeficient de reflexió està representat per Sii i Sij representa el coeficient de transmissió. Els patrons de radiació tridimensionals de les antenes j-èsima i i-èsima estan donats per les expressions \(\vec{R}_{j} \left({\theta,\varphi } \right)\) i \( \vec {{R_{ i } }} Angle sòlid representat per \left( {\theta ,\varphi } \right)\) i \({\Omega }\). La corba ECC de l'antena proposada es mostra a la figura 22a i el seu valor és inferior a 0,004, que està molt per sota del valor acceptable de 0,5 per a un sistema sense fil. Per tant, el valor ECC reduït significa que el sistema MIMO de 4 ports proposat proporciona una diversitat superior43.
Diversity Gain (DG) DG és una altra mètrica de rendiment del sistema MIMO que descriu com l'esquema de diversitat afecta la potència radiada. La relació (9) determina el DG del sistema d'antena MIMO que s'està desenvolupant, tal com es descriu a 31.
La figura 22b mostra el diagrama DG del sistema MIMO proposat, on el valor DG és molt proper als 10 dB. Els valors DG de totes les antenes del sistema MIMO dissenyat superen els 9,98 dB.
La taula 1 compara l'antena MIMO metasuperfície proposada amb sistemes MIMO similars desenvolupats recentment. La comparació té en compte diversos paràmetres de rendiment, com ara l'amplada de banda, el guany, l'aïllament màxim, l'eficiència general i el rendiment de la diversitat. Els investigadors han presentat diversos prototips d'antena MIMO amb tècniques de millora de guany i aïllament a 5, 44, 45, 46, 47. En comparació amb treballs publicats anteriorment, el sistema MIMO proposat amb reflectors de metasuperfície els supera en termes d'amplada de banda, guany i aïllament. A més, en comparació amb antenes similars informades, el sistema MIMO desenvolupat presenta un rendiment de diversitat superior i una eficiència general a una mida més petita. Tot i que les antenes descrites a la secció 5.46 tenen un aïllament més alt que les antenes que proposem, aquestes antenes pateixen de gran mida, guany baix, amplada de banda estreta i rendiment MIMO deficient. L'antena MIMO de 4 ports proposada en 45 presenta un gran guany i eficiència, però el seu disseny té un aïllament baix, una mida gran i un rendiment de diversitat baix. D'altra banda, el sistema d'antena de mida petita proposat a 47 té un guany i una amplada de banda operativa molt baixos, mentre que el nostre sistema MIMO de 4 ports basat en MS presenta una mida petita, un guany elevat, un aïllament alt i un millor rendiment MIMO. Així, l'antena MIMO metasuperfície proposada pot convertir-se en un gran competidor per als sistemes de comunicació 5G sub-6 GHz.
Es proposa una antena MIMO de banda ampla basada en reflectors metasuperficials de quatre ports amb guany i aïllament elevats per suportar aplicacions 5G per sota de 6 GHz. La línia de microstrip alimenta una secció radiant quadrada, que està truncada per un quadrat a les cantonades diagonals. El MS i l'emissor d'antena proposats s'implementen en materials de substrat similars al Rogers RT5880 per aconseguir un rendiment excel·lent en sistemes de comunicació 5G d'alta velocitat. L'antena MIMO té un ampli rang i un gran guany, i proporciona aïllament acústic entre components MIMO i una excel·lent eficiència. L'antena única desenvolupada té unes dimensions en miniatura de 0,58?0,58?0,02? amb una matriu de metasuperfície de 5 × 5, proporciona un ample de banda operatiu de 4,56 GHz, un guany màxim de 8 dBi i una eficiència mesurada superior. L'antena MIMO de quatre ports proposada (matriu 2 × 2) està dissenyada alineant ortogonalment cada antena única proposada amb una altra antena amb dimensions d'1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Es recomana muntar una matriu de 10 × 10 MM sota una antena MIMO de 12 mm d'alçada, que pot reduir la radiació posterior i reduir l'acoblament mutu entre components MIMO, millorant així el guany i l'aïllament. Els resultats experimentals i de simulació mostren que el prototip MIMO desenvolupat pot funcionar en un ampli rang de freqüències de 3,08 a 7,75 GHz, cobrint l'espectre 5G per sota dels 6 GHz. A més, l'antena MIMO basada en MS proposada millora el seu guany en 2,9 dBi, aconseguint un guany màxim de 8,3 dBi, i proporciona un excel·lent aïllament (>15,5 dB) entre components MIMO, validant la contribució de MS. A més, l'antena MIMO proposada té una eficiència global mitjana alta del 82% i una distància entre elements baixa de 22 mm. L'antena presenta un excel·lent rendiment de diversitat MIMO, incloent un DG molt alt (més de 9,98 dB), un ECC molt baix (menys de 0,004) i un patró de radiació unidireccional. Els resultats de la mesura són molt semblants als resultats de la simulació. Aquestes característiques confirmen que el sistema d'antena MIMO de quatre ports desenvolupat pot ser una opció viable per als sistemes de comunicació 5G en el rang de freqüència inferior a 6 GHz.
Cowin pot proporcionar una antena PCB de banda ampla de 400-6000MHz i suport per dissenyar una antena nova segons el vostre requisit, poseu-vos en contacte amb nosaltres sense dubtar-ho si teniu cap sol·licitud.
Hora de publicació: Oct-10-2024