Sèvi ak metasurfaces pou amelyore benefis ak izolasyon antèn PCB lajè pou sistèm kominikasyon 5G sub-6 GHz

Travay sa a pwopoze yon kontra enfòmèl ant milti-antre miltip-sòti (MIMO) metasurface (MS) wideband antèn pou sub-6 GHz senkyèm jenerasyon (5G) sistèm kominikasyon san fil. Kado a evidan nan sistèm MIMO pwopoze a se lajè Pleasant fonksyònman li yo, gwo benefis, ti clearances entèkonpozan, ak izolasyon ekselan nan eleman yo MIMO. Tach radyasyon antèn la tronke dyagonalman, pasyèlman tè, epi yo itilize metasurfaces pou amelyore pèfòmans antèn la. Pwototip pwopoze antèn MS entegre sèl gen dimansyon tipòtrè 0.58λ × 0.58λ × 0.02λ. Rezilta simulation ak mezi yo demontre pèfòmans lajè bande soti nan 3.11 GHz a 7.67 GHz, ki gen ladan pi gwo pwogrè ki reyalize nan 8 dBi. Sistèm MIMO kat-eleman fèt pou chak antèn orthogonal youn ak lòt pandan w ap kenbe yon gwosè kontra enfòmèl ant ak pèfòmans lajè nan 3.2 a 7.6 GHz. Pwototip MIMO pwopoze a fèt ak fabrike sou substra Rogers RT5880 ak pèt ki ba ak dimansyon miniaturize nan 1.05? 1.05? 0.02?, epi yo evalye pèfòmans li yo lè l sèvi avèk etalaj resonator bag fèmen kare pwopoze a ak yon bag fann 10 x 10. Materyèl debaz la se menm bagay la. Metasurface backplane pwopoze a siyifikativman diminye radyasyon antèn dèyè epi manipile jaden elektwomayetik, kidonk amelyore Pleasant, benefis ak izolasyon konpozan MIMO yo. Konpare ak antèn MIMO ki deja egziste, antèn MIMO 4-pò yo pwopoze a reyalize yon gwo benefis nan 8.3 dBi ak yon efikasite jeneral mwayèn ki rive jiska 82% nan gwoup 5G sub-6 GHz epi li an bon akò ak rezilta yo mezire. Anplis, antèn MIMO devlope montre pèfòmans ekselan an tèm de koyefisyan korelasyon anvlòp (ECC) ki mwens pase 0.004, divèsite genyen (DG) apeprè 10 dB (> 9.98 dB) ak gwo izolasyon ant eleman MIMO (> 15.5 dB). karakteristik yo. Kidonk, antèn MIMO ki baze sou MS pwopoze a konfime aplikasyon li pou rezo kominikasyon 5G sub-6 GHz.
Teknoloji 5G se yon avansman enkwayab nan kominikasyon san fil ki pral pèmèt rezo pi rapid ak pi an sekirite pou dè milya de aparèy ki konekte, bay eksperyans itilizatè yo ak "zewo" latansi (latansi mwens pase 1 milisgond), epi prezante nouvo teknoloji, tankou elektwonik. Swen medikal, edikasyon entelektyèl. , vil entelijan, kay entelijan, reyalite vityèl (VR), faktori entelijan ak Entènèt Veyikil yo (IoV) ap chanje lavi nou, sosyete a ak endistri yo1,2,3. Komisyon Federal Kominikasyon Ameriken an (FCC) divize spectre 5G a an kat gwoup frekans4. Gwoup frekans ki anba a 6 GHz se yon enterè chèchè yo paske li pèmèt kominikasyon long distans ak gwo pousantaj done5,6. Yo montre alokasyon spectre sub-6 GHz 5G pou kominikasyon mondyal 5G nan Figi 1, ki endike ke tout peyi yo ap konsidere spectre sub-6 GHz pou kominikasyon 5G7,8. Antèn yo se yon pati enpòtan nan rezo 5G epi yo pral mande pou plis estasyon baz ak antèn tèminal itilizatè.
Microstrip patch antèn gen avantaj ki genyen nan mens ak estrikti plat, men yo limite nan Pleasant ak gain9,10, anpil rechèch te fè ogmante benefis ak Pleasant nan antèn la; Nan dènye ane yo, metasurfaces (MS) yo te lajman itilize nan teknoloji antèn, espesyalman amelyore benefis ak debi11,12, sepandan, antèn sa yo limite a yon sèl pò; Teknoloji MIMO se yon aspè enpòtan nan kominikasyon san fil paske li ka itilize plizyè antèn ansanm pou transmèt done, kidonk amelyore pousantaj done, efikasite espèk, kapasite chanèl, ak fyab13,14,15. Antèn MIMO yo se kandida potansyèl pou aplikasyon 5G paske yo ka transmèt ak resevwa done sou plizyè chanèl san yo pa bezwen plis pouvwa16,17. Efè kouti mityèl ant eleman MIMO depann de kote eleman MIMO yo ak benefis antèn MIMO a, ki se yon gwo defi pou chèchè yo. Figi 18, 19, ak 20 montre plizyè antèn MIMO opere nan gwoup 5G sub-6 GHz, tout demontre bon izolasyon MIMO ak pèfòmans. Sepandan, genyen ak Pleasant fonksyònman nan sistèm sa yo pwopoze yo ba.
Metamateryèl (MM) se nouvo materyèl ki pa egziste nan lanati epi yo ka manipile onn elektwomayetik, kidonk amelyore pèfòmans antèn21,22,23,24. MM se kounye a lajman ki itilize nan teknoloji antèn pou amelyore modèl radyasyon, Pleasant, benefis, ak izolasyon ant eleman antèn ak sistèm kominikasyon san fil, jan yo diskite nan 25, 26, 27, 28. Nan 2029, yon sistèm MIMO kat eleman ki baze sou metasurface, nan ki seksyon antèn nan sandwich ant metasurface la ak tè a san yon espas lè, ki amelyore pèfòmans MIMO. Sepandan, konsepsyon sa a gen yon pi gwo gwosè, pi ba frekans opere ak estrikti konplèks. Yon bandgap elektwomayetik (EBG) ak bouk tè yo enkli nan antèn MIMO bande 2-pò yo pwopoze pou amelyore izolasyon konpozan MIMO30 yo. Antèn ki fèt la gen bon pèfòmans divèsite MIMO ak izolasyon ekselan ant de antèn MIMO, men lè l sèvi avèk sèlman de konpozan MIMO, benefis la pral ba. Anplis de sa, in31 te pwopoze tou yon antèn MIMO ultra-wideband (UWB) doub-pò ak envestige pèfòmans MIMO li yo lè l sèvi avèk metamateryèl. Malgre ke antèn sa a kapab operasyon UWB, benefis li yo ba ak izolasyon ki genyen ant de antèn yo se pòv. Travay in32 pwopoze yon sistèm MIMO 2-pò ki sèvi ak reflektè elektwomayetik bandgap (EBG) pou ogmante benefis la. Malgre ke etalaj la antèn devlope gen gwo benefis ak bon pèfòmans divèsite MIMO, gwo gwosè li fè li difisil pou aplike nan aparèy kominikasyon pwochen jenerasyon. Yon lòt antèn bande ki baze sou reflektè te devlope nan 33, kote reflektè a te entegre anba antèn la ak yon pi gwo espas 22 mm, ki montre yon pi ba pik benefis nan 4.87 dB. Papye 34 desine yon antèn MIMO kat pò pou aplikasyon mmWave, ki entegre ak kouch MS la pou amelyore izolasyon ak benefis sistèm MIMO a. Sepandan, antèn sa a bay bon benefis ak izolasyon, men li te limite Pleasant ak pòv pwopriyete mekanik akòz espas sa a lè gwo. Menm jan an tou, nan 2015, yon twa-pè, 4-pò bowtie ki gen fòm metasurface-entegre antèn MIMO te devlope pou kominikasyon mmWave ak yon benefis maksimòm de 7.4 dBi. B36 MS yo itilize sou dèyè yon antèn 5G pou ogmante benefis antèn la, kote metasurface la aji kòm yon reflektè. Sepandan, MS estrikti a se asimetri ak mwens atansyon yo te peye nan estrikti selil inite a.
Dapre rezilta analiz ki anwo yo, okenn nan antèn ki anwo yo pa gen gwo benefis, ekselan izolasyon, pèfòmans MIMO ak pwoteksyon lajè. Se poutèt sa, toujou gen yon bezwen pou yon antèn metasurface MIMO ki ka kouvri yon pakèt frekans spectre 5G anba a 6 GHz ak gwo benefis ak izolasyon. Lè nou konsidere limit yo nan literati ki endike anwo a, yo pwopoze yon sistèm antèn MIMO lajè bande kat eleman ak gwo benefis ak ekselan pèfòmans divèsite pwopoze pou sistèm kominikasyon san fil sub-6 GHz. Anplis de sa, antèn MIMO pwopoze a montre ekselan izolasyon ant eleman MIMO, twou vid ki genyen ti eleman, ak efikasite radyasyon segondè. Patch antèn la tronke dyagonalman epi yo mete l sou tèt metasifas la ak yon espas lè 12mm, ki reflete radyasyon tounen soti nan antèn la epi amelyore pwogrè antèn ak dirèktivite. Anplis de sa, yo itilize antèn sèl pwopoze a pou kreye yon antèn MIMO kat eleman ak pèfòmans siperyè MIMO lè yo pwezante chak antèn orthogonally youn ak lòt. Lè sa a, te devlope antèn MIMO a entegre sou tèt yon etalaj 10 × 10 MS ak yon backplane kwiv pou amelyore pèfòmans emisyon. Konsepsyon an prezante yon ranje fonksyònman lajè (3.08-7.75 GHz), gwo benefis nan 8.3 dBi ak segondè efikasite an jeneral mwayèn nan 82%, osi byen ke ekselan izolasyon ki pi gran pase -15.5 dB ant eleman antèn MIMO. Te devlope antèn MIMO ki baze sou MS la similye lè l sèvi avèk pake lojisyèl elektwomayetik 3D CST Studio 2019 ak valide atravè etid eksperimantal.
Seksyon sa a bay yon entwodiksyon detaye sou achitekti yo pwopoze a ak metodoloji konsepsyon antèn sèl. Anplis de sa, rezilta simulation ak obsève yo diskite an detay, ki gen ladan paramèt gaye, pwogrè, ak efikasite an jeneral avèk ak san metasurfaces. Antèn pwototip la te devlope sou yon substra dyelèktrik pèt ba Rogers 5880 ak yon epesè 1.575mm ak yon konstan dyelèktrik 2.2. Pou devlope ak simulation konsepsyon an, yo te itilize pake similatè elektwomayetik CST estidyo 2019 la.
Figi 2 montre achitekti yo pwopoze a ak modèl konsepsyon yon antèn yon sèl eleman. Dapre ekwasyon matematik ki byen etabli37, antèn la konsiste de yon tach kare kare ki reyon lineyè ak yon plan tè kòb kwiv mete (jan sa dekri nan etap 1) ak rezonans ak yon bandwidth trè etwat nan 10.8 GHz, jan yo montre nan Figi 3b. Gwosè inisyal radyatè antèn la detèmine pa relasyon matematik sa a37:
Ki kote \(P_{L}\) ak \(P_{w}\) se longè ak lajè plak la, c reprezante vitès limyè a, \(\gamma_{r}\) se konstan dyelèktrik substra a. . , \(\gamma_{reff }\) reprezante valè dielectric efikas tach radyasyon an, \(\Delta L\) reprezante chanjman nan longè tach la. Backplane antèn la te optimize nan dezyèm etap la, ogmante Pleasant a enpedans malgre Pleasant a enpedans ki ba anpil nan 10 dB. Nan twazyèm etap la, pozisyon feeder la deplase sou bò dwat la, ki amelyore Pleasant enpedans la ak matche enpedans nan antèn yo pwopoze a38. Nan faz sa a, antèn la demontre yon ekselan Pleasant fonksyònman nan 4 GHz epi li kouvri tou spectre ki anba a 6 GHz nan 5G. Katriyèm ak dènye etap la enplike nan grave siyon kare nan kwen opoze nan plas radyasyon an. Plas sa a siyifikativman elaji bandwidth 4.56 GHz pou kouvri sub-6 GHz spectre 5G soti nan 3.11 GHz rive 7.67 GHz, jan yo montre nan Figi 3b. View pèspektiv devan ak anba nan konsepsyon yo pwopoze a yo montre nan Figi 3a, ak final optimize paramèt konsepsyon obligatwa yo jan sa a: 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) Opinyon anlè ak dèyè yon sèl antèn ki fèt (CST STUDIO SUITE 2019). (b) S-paramèt koub.
Metasurface se yon tèm ki refere a yon etalaj peryodik selil inite ki chita nan yon distans sèten youn ak lòt. Metasurfaces yo se yon fason efikas pou amelyore pèfòmans radyasyon antèn, ki gen ladan Pleasant, benefis, ak izolasyon ant eleman MIMO. Akòz enfliyans pwopagasyon vag sifas yo, metasurfaces jenere rezonans adisyonèl ki kontribye nan amelyore pèfòmans antèn39. Travay sa a pwopoze yon inite metamateryèl epsilon-negatif (MM) opere nan gwoup 5G anba a 6 GHz. MM a ak yon sifas 8mm × 8mm te devlope sou yon pèt ki ba Rogers 5880 substra ak yon konstan dyelèktrik nan 2.2 ak yon epesè nan 1.575mm. Patch resonator optimize MM la konsiste de yon bag fann sikilè enteryè ki konekte ak de bag fann ekstèn modifye, jan yo montre nan Figi 4a. Figi 4a rezime paramèt final yo optimize nan konfigirasyon MM yo pwopoze a. Imedyatman, kouch metasurface 40 × 40 mm ak 80 × 80 mm yo te devlope san yo pa yon backplane kòb kwiv mete ak yon backplane kòb kwiv mete lè l sèvi avèk 5 × 5 ak 10 × 10 selil etalaj, respektivman. Estrikti MM pwopoze a te modle lè l sèvi avèk lojisyèl modèl elektwomayetik 3D "CST studio suite 2019". Yon pwototip fabrike nan estrikti etalaj MM yo pwopoze a ak konfigirasyon mezi (analizatè rezo doub-pò PNA ak pò waveguide) yo montre nan Figi 4b pou valide rezilta simulation CST pa analize repons aktyèl la. Konfigirasyon mezi a te itilize yon analizè rezo seri Agilent PNA an konbinezon ak de adaptè kowaksyal waveguide (A-INFOMW, nimewo pati: 187WCAS) pou voye ak resevwa siyal yo. Yo te mete yon pwototip 5 × 5 etalaj ant de adaptè kowaksyal ond ki konekte pa kab kowaksyal ak yon analizè rezo de pò (Agilent PNA N5227A). Yo itilize twous kalibrasyon Agilent N4694-60001 pou kalibre analizè rezo a nan yon plant pilòt. Figi 5a montre paramèt gaye simulation ak CST obsève pwototip MM pwototip yo. Li ka wè ke estrikti MM pwopoze a rezone nan ranje frekans 5G anba a 6 GHz. Malgre ti diferans nan Pleasant 10 dB, rezilta simulation ak eksperimantal yo sanble anpil. Frekans sonorite, Pleasant, ak anplitid nan sonorite obsève a se yon ti kras diferan de sa yo simulation, jan yo montre nan Figi 5a. Diferans sa yo ant rezilta obsève ak simulation se akòz enpèfeksyon fabrikasyon, ti clearance ant pwototip la ak pò waveguide yo, efè kouple ant pò waveguide yo ak konpozan etalaj, ak tolerans mezi. Anplis de sa, bon plasman pwototip devlope ant pò waveguide yo nan konfigirasyon eksperimantal la ka lakòz yon chanjman sonorite. Anplis de sa, yo te obsève bri vle pandan faz kalibrasyon an, ki te mennen nan diferans ki genyen ant rezilta yo nimerik ak mezire. Sepandan, apa de difikilte sa yo, pwototip etalaj MM pwopoze a fè byen akòz gwo korelasyon ant simulation ak eksperyans, ki fè li byen adapte pou aplikasyon pou kominikasyon san fil 5G sub-6 GHz.
(a) Jeyometri selil inite (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 konfigirasyon mezi MM la.
(a) Simulation ak verifikasyon koub paramèt gaye pwototip metamateryèl la. (b) Koub konstan Dielectric nan yon selil inite MM.
Paramèt efikas ki enpòtan tankou konstan dyelèktrik efikas, pèmeyabilite mayetik, ak endèks refraktif yo te etidye lè l sèvi avèk teknik pòs-pwosesis entegre nan similatè elektwomayetik CST pou analize plis konpòtman selil inite MM la. Paramèt MM efikas yo jwenn nan paramèt yo gaye lè l sèvi avèk yon metòd rekonstriksyon gaya. Ekwasyon sa yo transmisyon ak refleksyon koyefisyan: (3) ak (4) ka itilize pou detèmine endèks refraktif la ak enpedans (gade 40).
Pati reyèl ak imajinè operatè a reprezante pa (.)' ak (.)” respektivman, epi valè nonb antye relatif m koresponn ak endèks refraktif reyèl la. Konstan Dielectric ak pèmeyabilite detèmine pa fòmil \(\varepsilon {} = {}n/z,\) ak \(\mu = nz\), ki baze sou enpedans ak endèks refraktif, respektivman. Koub konstan dielectric efikas nan estrikti MM yo montre nan Figi 5b. Nan frekans sonan, konstan dielectric efikas la negatif. Figi 6a, b montre valè extrait pèmeyabilite efikas (μ) ak endèks refraktif efikas (n) selil inite yo pwopoze a. Miyò, pèmeyabilite ekstrè yo montre valè reyèl pozitif ki toupre zewo, ki konfime pwopriyete epsilon-negatif (ENG) estrikti MM yo pwopoze a. Anplis, jan yo montre nan Figi 6a, sonorite a nan pèmeyabilite tou pre zewo fòtman ki gen rapò ak frekans nan sonorite. Selil inite devlope a gen yon endèks refraktif negatif (figi 6b), ki vle di ke MM pwopoze a ka itilize pou amelyore pèfòmans antèn21,41.
Pwototip devlope yon sèl antèn bande te fabrike pou teste eksperimantal konsepsyon yo pwopoze a. Figi 7a,b montre imaj pwototip antèn sèl pwopoze a, pati estriktirèl li yo ak konfigirasyon mezi tou pre jaden an (SATIMO). Pou amelyore pèfòmans antèn la, yo mete metasurface devlope an kouch anba antèn la, jan yo montre nan Figi 8a, ak wotè h. Yon sèl 40mm x 40mm doub-kouch metasurface te aplike nan dèyè a nan antèn sèl la nan entèval 12mm. Anplis de sa, yo mete yon metasurface ak yon backplane sou bò dèyè sèl antèn nan yon distans 12 mm. Apre w fin aplike metasurface la, antèn sèl la montre yon amelyorasyon siyifikatif nan pèfòmans, jan yo montre nan Figi 1 ak 2. Figi 8 ak 9. Figi 8b montre similye refleksyon an simulation ak mezire pou antèn sèl la san ak ak metasurfaces. Li se vo anyen ke gwoup la kouvèti asirans nan yon antèn ak yon metasurface se trè menm jan ak band la kouvèti asirans nan yon antèn san yon metasurface. Figi 9a,b montre yon konparezon nan similye ak obsève benefis antèn sèl ak efikasite an jeneral san ak ak MS nan spectre nan fonksyone. Li ka wè ke, konpare ak antèn la ki pa metasurface, genyen an nan antèn metasurface la siyifikativman amelyore, ogmante soti nan 5.15 dBi a 8 dBi. Genyen nan metasurface sèl-kouch, metasurface doub kouch, ak antèn sèl ak metasurface backplane ogmante pa 6 dBi, 6.9 dBi, ak 8 dBi, respektivman. Konpare ak lòt metasurfaces (sèl-kouch ak doub-kouch MCs), benefis nan yon sèl antèn metasurface ak yon backplane kwiv se jiska 8 dBi. Nan ka sa a, metasurface la aji kòm yon reflektè, diminye radyasyon dèyè antèn la ak manipile onn elektwomayetik yo nan-faz, kidonk ogmante efikasite radyasyon antèn la ak pakonsekan benefis la. Yon etid sou efikasite an jeneral nan yon sèl antèn san ak ak metasifas yo montre nan Figi 9b. Li se vo anyen ke efikasite nan yon antèn ak ak san yon metasurface se prèske menm bagay la. Nan ranje frekans ki pi ba yo, efikasite antèn la diminye yon ti kras. Koub yo eksperimantal ak simulation pwogrè ak efikasite yo nan bon akò. Sepandan, gen ti diferans ant rezilta simulation ak tès yo akòz defo fabrikasyon, tolerans mezi, pèt koneksyon pò SMA, ak pèt fil. Anplis de sa, antèn la ak MS reflektè yo sitiye ant spacers nilon yo, ki se yon lòt pwoblèm ki afekte rezilta yo obsève konpare ak rezilta yo simulation.
Figi (a) montre yon sèl antèn ranpli ak eleman ki asosye li yo. (b) Konfigirasyon mezi tou pre jaden (SATIMO).
(a) Eksitasyon antèn lè l sèvi avèk reflektè metasifas (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Refleksyon simulation ak eksperimantal nan yon sèl antèn san ak ak MS.
Rezilta simulation ak mezi (a) reyalize ak (b) efikasite an jeneral nan antèn efè metasurface pwopoze a.
Analiz modèl gwo bout bwa lè l sèvi avèk MS. Mezi yon sèl-antèn tou pre jaden yo te fèt nan anviwònman eksperimantal SATIMO Near-Field nan UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Figi 10a, b montre modèl radyasyon E-plane ak H-plane simulation ak obsève nan 5.5 GHz pou antèn sèl pwopoze a avèk ak san MS. Antèn sèl devlope (san MS) bay yon modèl radyasyon ki konsistan bidireksyon ak valè lob bò. Apre w fin aplike reflektè MS yo pwopoze a, antèn la bay yon modèl radyasyon unidireksyon epi redwi nivo lòb dèyè yo, jan yo montre nan Figi 10a, b. Li se vo anyen ke modèl radyasyon antèn pwopoze a se pi estab ak inidireksyon ak do ki ba anpil ak lob bò lè w ap itilize yon metasurface ak yon backplane kwiv. Reflektè etalaj MM pwopoze a diminye lob yo dèyè ak bò nan antèn la pandan y ap amelyore pèfòmans radyasyon an pa dirije aktyèl la nan direksyon unidireksyon (figi 10a, b), kidonk ogmante benefis la ak dirèktivite. Li te obsève ke modèl radyasyon eksperimantal la te prèske konparab ak sa yo ki nan simulation CST yo, men varye yon ti kras akòz move aliyman nan divès kalite eleman yo reyini, tolerans mezi, ak pèt kabl. Anplis de sa, yo te mete yon espas nilon ant antèn la ak reflektè MS, ki se yon lòt pwoblèm ki afekte rezilta obsève yo konpare ak rezilta nimerik yo.
Modèl radyasyon antèn sèl devlope (san MS ak MS) nan yon frekans 5.5 GHz te simulation ak teste.
Yo montre jeyometri antèn MIMO pwopoze a nan Figi 11 e li gen ladan kat antèn sèl. Kat eleman antèn MIMO yo ranje orthogonal youn ak lòt sou yon substra ki gen dimansyon 80 × 80 × 1.575 mm, jan yo montre nan Figi 11. Antèn MIMO ki fèt la gen yon distans entè-eleman 22 mm, ki pi piti pase a. ki pi pre korespondan distans entè-eleman nan antèn la. MIMO antèn devlope. Anplis de sa, yon pati nan avyon tè a sitiye nan menm fason an kòm yon sèl antèn. Valè refleksyon antèn MIMO yo (S11, S22, S33, ak S44) yo montre nan Figi 12a montre menm konpòtman ak yon antèn sèl eleman ki fè rezonans nan gwoup 3.2-7.6 GHz. Se poutèt sa, Pleasant enpedans nan yon antèn MIMO se egzakteman menm jan ak sa yo ki nan yon sèl antèn. Efè kouple ant konpozan MIMO se rezon prensipal pou ti pèt bandwidth MIMO antèn yo. Figi 12b montre efè entèkoneksyon sou eleman MIMO, kote yo te detèmine izolasyon optimal ant eleman MIMO yo. Izolasyon ki genyen ant antèn 1 ak 2 se pi ba a nan apeprè -13.6 dB, ak izolasyon ki genyen ant antèn 1 ak 4 se pi wo a nan apeprè -30.4 dB. Akòz ti gwosè li yo ak pi laj Pleasant, antèn MIMO sa a gen pi ba benefis ak pi ba debi. Izolasyon se ba, kidonk ogmante ranfòsman ak izolasyon yo mande;
Mekanis konsepsyon antèn MIMO yo pwopoze a (a) vi anlè ak (b) avyon tè. (CST Studio Suite 2019).
Aranjman jewometrik ak metòd eksitasyon antèn MIMO metasurface pwopoze a montre nan Figi 13a. Yon matris 10x10mm ak dimansyon 80x80x1.575mm fèt pou dèyè yon antèn MIMO 12mm segondè, jan yo montre nan Figi 13a. Anplis de sa, metasurfaces ak backplane kwiv yo fèt pou itilize nan antèn MIMO pou amelyore pèfòmans yo. Distans ki genyen ant metasurface la ak antèn MIMO a enpòtan anpil pou reyalize gwo benefis pandan y ap pèmèt entèferans konstriktif ant vag ki te pwodwi pa antèn la ak sa ki reflete nan metasurface la. Yo te fè anpil modèl pou optimize wotè ant antèn la ak metasifas la pandan y ap kenbe estanda trimès vag pou benefis maksimòm ak izolasyon ant eleman MIMO yo. Amelyorasyon enpòtan yo nan pèfòmans antèn MIMO reyalize lè w itilize metasurfaces ak backplanes konpare ak metasurfaces san backplanes pral demontre nan chapit ki vin apre yo.
(a) Konfigirasyon simulation CST nan antèn MIMO pwopoze a lè l sèvi avèk MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Koub refleksyon nan sistèm MIMO devlope san MS ak MS.
Refleksyon yo nan antèn MIMO ak ak san metasurfaces yo montre nan Figi 13b, kote S11 ak S44 yo prezante akòz konpòtman an prèske idantik nan tout antèn nan sistèm nan MIMO. Li se vo anyen ke -10 dB Pleasant enpedans nan yon antèn MIMO san ak ak yon sèl metasurface se prèske menm bagay la. Kontrèman, Pleasant enpedans antèn MIMO pwopoze a amelyore pa MS doub kouch ak MS backplane. Li se vo anyen ke san MS, antèn la MIMO bay yon bandwidth fraksyon nan 81.5% (3.2-7.6 GHz) relatif nan frekans nan sant. Entegre MS a ak backplane a ogmante Pleasant enpedans nan antèn MIMO yo pwopoze a 86.3% (3.08-7.75 GHz). Malgre ke MS doub-kouch ogmante debi, amelyorasyon an pi piti pase MS ak yon backplane kwiv. Anplis, yon MC doub-kouch ogmante gwosè a nan antèn la, ogmante pri li yo, ak limite ranje li yo. Antèn MIMO ki fèt ak reflektè metasurface yo fabrike ak verifye pou valide rezilta simulation yo epi evalye pèfòmans aktyèl la. Figi 14a montre kouch MS fabrike ak antèn MIMO ak divès konpozan reyini, pandan y ap Figi 14b montre yon foto sistèm MIMO devlope. Antèn MIMO a monte sou tèt metasifas la lè l sèvi avèk kat espas nilon, jan yo montre nan Figi 14b. Figi 15a montre yon snapshot nan konfigirasyon eksperimantal tou pre jaden an nan sistèm antèn MIMO devlope. Yo te itilize yon analizè rezo PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) pou estime paramèt dispèsyon yo epi pou evalye ak karakterize karakteristik emisyon tou pre jaden an nan laboratwa Sistèm Near-Field UKM SATIMO.
(a) Foto mezi SATIMO toupre jaden (b) Koub simulation ak eksperimantal nan antèn S11 MIMO ak ak san MS.
Seksyon sa a prezante yon etid konparatif sou paramèt S simulation ak obsève nan antèn 5G MIMO yo pwopoze a. Figi 15b montre trase refleksyon eksperimantal nan antèn entegre 4-eleman MIMO MS epi konpare li ak rezilta simulation CST yo. Refleksyon eksperimantal yo te jwenn menm jan ak kalkil CST yo, men yo te yon ti kras diferan akòz defo fabrikasyon ak tolerans eksperimantal. Anplis de sa, refleksyon obsève pwototip MIMO ki baze sou MS pwopoze a kouvri spectre 5G anba a 6 GHz ak yon Pleasant enpedans 4.8 GHz, ki vle di ke aplikasyon 5G yo posib. Sepandan, frekans sonans mezire, Pleasant, ak anplitid diferan yon ti kras ak rezilta simulation CST yo. Defo fabrikasyon, pèt kouple coax-a-SMA, ak konfigirasyon mezi deyò ka lakòz diferans ki genyen ant rezilta mezire ak simulation. Sepandan, malgre enpèfeksyon sa yo, MIMO pwopoze a fè byen, bay yon akò solid ant simulation ak mezi, ki fè li byen adapte pou aplikasyon san fil 5G anba-6 GHz.
Yo montre koub antèn MIMO simulation ak obsève nan Figi 2 ak 2. Jan yo montre nan Figi 16a,b ak 17a,b, respektivman, yo montre entèraksyon mityèl konpozan MIMO yo. Lè metasurfaces yo aplike nan antèn MIMO, izolasyon ki genyen ant antèn MIMO yo amelyore anpil. Trase izolasyon yo ant eleman antèn adjasan S12, S14, S23 ak S34 montre koub menm jan an, pandan y ap antèn dyagonal MIMO S13 ak S42 yo montre menm izolasyon segondè akòz distans ki pi gwo ant yo. Karakteristik transmisyon simulation nan antèn adjasan yo montre nan Figi 16a. Li se vo anyen ke nan spectre opere 5G ki anba a 6 GHz, izolasyon minimòm yon antèn MIMO san yon metasurface se -13.6 dB, ak pou yon metasurface ak yon backplane - 15.5 dB. Konplo a genyen (Figi 16a) montre ke metasurface backplane la siyifikativman amelyore izolasyon ki genyen ant eleman antèn MIMO konpare ak metasurfaces yon sèl ak doub kouch. Sou eleman antèn adjasan yo, yon sèl ak doub-kouch metasurfaces bay izolasyon minimòm apeprè -13.68 dB ak -14.78 dB, ak metasurface backplane kwiv la bay apeprè -15.5 dB.
Koub izolasyon simulation nan eleman MIMO san MS kouch ak MS kouch: (a) S12, S14, S34 ak S32 ak (b) S13 ak S24.
Koub eksperyans eksperimantal nan antèn MIMO ki baze sou MS pwopoze yo san ak avèk: (a) S12, S14, S34 ak S32 ak (b) S13 ak S24.
Figi 16b montre antèn antèn dyagonal MIMO anvan ak apre ajoute kouch MS la. Li se vo anyen ke izolasyon minimòm ant antèn dyagonal san yon metasurface (antèn 1 ak 3) se - 15.6 dB atravè spectre nan fonksyone, ak yon metasurface ak yon backplane se - 18 dB. Apwòch metasurface la siyifikativman diminye efè kouple ant antèn MIMO dyagonal yo. Izolasyon maksimòm pou yon metasurface sèl-kouch se -37 dB, pandan y ap pou yon metasurface doub-kouch valè sa a desann nan -47 dB. Izolasyon maksimòm metasifas la ak yon backplane kwiv se -36.2 dB, ki diminye ak ogmante ranje frekans. Konpare ak yon sèl ak doub-kouch metasurfaces san yon backplane, metasurfaces ak yon backplane bay izolasyon siperyè atravè tout ranje frekans opere obligatwa, espesyalman nan seri 5G ki anba a 6 GHz, jan yo montre nan Figi 16a, b. Nan gwoup 5G ki pi popilè ak lajman itilize anba a 6 GHz (3.5 GHz), metasurfaces yon sèl ak doub kouch gen pi ba izolasyon ant eleman MIMO pase metasurfaces ak backplane kwiv (prèske pa gen MS) (gade Figi 16a), b). Mezi pwogrè yo montre nan Figi 17a, b, ki montre izolasyon antèn adjasan (S12, S14, S34 ak S32) ak antèn dyagonal (S24 ak S13), respektivman. Kòm yo ka wè nan figi sa yo (Fig. 17a, b), izolasyon eksperimantal ant eleman MIMO dakò byen ak izolasyon an simulation. Malgre ke gen ti diferans ant valè CST simulation ak mezire akòz defo fabrikasyon, koneksyon pò SMA ak pèt fil. Anplis de sa, antèn la ak MS reflektè yo sitiye ant spacers nilon yo, ki se yon lòt pwoblèm ki afekte rezilta yo obsève konpare ak rezilta yo simulation.
etidye distribisyon aktyèl sifas nan 5.5 GHz pou rasyonèl wòl metasurfaces nan diminye kouple mityèl atravè suppression vag sifas42. Yo montre distribisyon sifas aktyèl la nan antèn MIMO pwopoze a nan Figi 18, kote antèn 1 kondwi epi rès antèn la fini ak yon chaj 50 ohm. Lè antèn 1 a kouran, siyifikatif kouran koupl mityèl ap parèt nan antèn adjasan nan 5.5 GHz nan absans yon metasurface, jan yo montre nan Figi 18a. Okontrè, atravè itilizasyon metasurfaces, jan yo montre nan Figi 18b–d, izolasyon ant antèn adjasan yo amelyore. Li ta dwe remake ke efè a nan kouple mityèl nan jaden adjasan ka minimize pa pwopaje aktyèl la kouple nan bag adjasan nan selil inite yo ak selil inite adjasan MS ansanm kouch MS la nan direksyon antiparalèl. Enjekte aktyèl soti nan antèn distribiye nan inite MS se yon metòd kle pou amelyore izolasyon ant eleman MIMO. Kòm yon rezilta, aktyèl la kouple ant eleman MIMO redwi anpil, epi izolasyon an amelyore anpil. Paske jaden an kouple lajman distribiye nan eleman an, metasurface backplane kwiv la izole asanble antèn MIMO siyifikativman plis pase metasurfaces sèl-ak doub-kouch (Figi 18d). Anplis, antèn MIMO devlope gen yon pwopagasyon ki ba anpil nan bak ak pwopagasyon bò, ki pwodui yon modèl radyasyon unidireksyon, kidonk ogmante benefis antèn MIMO yo pwopoze a.
Modèl aktyèl sifas nan antèn MIMO pwopoze a nan 5.5 GHz (a) san MC, (b) yon sèl-kouch MC, (c) doub-kouch MC, ak (d) yon sèl-kouch MC ak backplane kwiv. (CST Studio Suite 2019).
Nan frekans fonksyònman an, Figi 19a montre pwogrè simulation ak obsève nan antèn MIMO ki fèt san ak ak metasurfaces. Similye pwogrè reyalize nan antèn MIMO san metasurface se 5.4 dBi, jan yo montre nan Figi 19a. Akòz efè kouti mityèl ant konpozan MIMO, antèn MIMO pwopoze a aktyèlman reyalize 0.25 dBi pi wo pase yon sèl antèn. Anplis de sa nan metasurfaces ka bay pwogrè enpòtan ak izolasyon ant eleman MIMO. Kidonk, antèn MIMO metasurface pwopoze a ka reyalize gwo pwogrè ki rive jiska 8.3 dBi. Jan yo montre nan Figi 19a, lè yo itilize yon sèl metasurface nan do antèn MIMO a, benefis la ogmante pa 1.4 dBi. Lè metasifas la double, benefis la ogmante pa 2.1 dBi, jan yo montre nan Figi 19a. Sepandan, benefis maksimòm espere nan 8.3 dBi reyalize lè w ap itilize metasurface la ak yon backplane kwiv. Miyò, benefis maksimòm reyalize pou metasurfaces sèl-kouch ak doub-kouch se 6.8 dBi ak 7.5 dBi, respektivman, pandan y ap pwogrè maksimòm reyalize pou metasurface anba-kouch la se 8.3 dBi. Kouch metasifas la sou bò dèyè antèn la aji kòm yon reflektè, reflete radyasyon ki soti nan bò dèyè antèn la ak amelyore rapò devan-a-dèyè (F/B) nan antèn MIMO ki fèt la. Anplis de sa, reflektè MS wo-enpedans manipile onn elektwomayetik nan faz, kidonk kreye sonorite adisyonèl ak amelyore pèfòmans radyasyon antèn MIMO yo pwopoze a. MS reflektè enstale dèyè antèn MIMO a ka ogmante siyifikativman pwogrè reyalize, ki konfime pa rezilta eksperimantal yo. Pwogrè yo obsève ak simulation nan antèn MIMO pwototip devlope yo prèske menm bagay la, sepandan, nan kèk frekans benefis la mezire pi wo pase benefis la simulation, espesyalman pou MIMO san MS; Varyasyon sa yo nan pwogrè eksperimantal yo akòz tolerans mezi kousinen nilon yo, pèt kab, ak kouple nan sistèm antèn la. Pik la mezire pwogrè nan antèn MIMO san metasurface la se 5.8 dBi, pandan y ap metasurface ak yon backplane kwiv se 8.5 dBi. Li se vo anyen ke yo pwopoze konplè 4-pò MIMO antèn sistèm lan ak MS reflektè montre gwo benefis anba kondisyon eksperimantal ak nimerik.
Simulation ak rezilta eksperimantal nan (a) benefis la reyalize ak (b) pèfòmans an jeneral nan antèn MIMO pwopoze a ak efè metasurface.
Figi 19b montre pèfòmans an jeneral nan sistèm MIMO pwopoze a san ak ak reflektè metasurface. Nan Figi 19b, efikasite ki pi ba lè l sèvi avèk MS ak backplane te plis pase 73% (jiska 84%). Efikasite an jeneral nan antèn MIMO yo devlope san MC ak ak MC se prèske menm bagay la ak diferans minè konpare ak valè yo simulation. Rezon ki fè sa yo se tolerans mezi ak itilizasyon espas ant antèn la ak reflektè MS la. Yo mezire pwogrè reyalize ak efikasite jeneral atravè tout frekans lan prèske menm jan ak rezilta simulation yo, sa ki endike ke pèfòmans pwototip MIMO yo pwopoze a se jan yo espere e ke antèn MIMO ki baze sou MS rekòmande a apwopriye pou kominikasyon 5G. Akòz erè nan etid eksperimantal, diferans ki genyen ant rezilta jeneral eksperyans laboratwa ak rezilta simulation. Pèfòmans pwototip yo pwopoze a afekte pa dezakò enpedans ant antèn la ak konektè SMA a, pèt kowaksyal episur kab, efè soude, ak pwoksimite divès kalite aparèy elektwonik nan konfigirasyon eksperimantal la.
Figi 20 dekri pwogrè konsepsyon ak optimize antèn di a nan fòm yon dyagram blòk. Dyagram blòk sa a bay yon deskripsyon etap pa etap sou prensip konsepsyon antèn MIMO yo pwopoze a, ansanm ak paramèt ki jwe yon wòl kle nan optimize antèn la pou reyalize gwo benefis ki nesesè yo ak izolasyon segondè sou yon frekans opere lajè.
Yo te mezire mezi antèn MIMO tou pre jaden an nan anviwònman eksperimantal SATIMO Near-Field nan UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Figi 21a,b montre modèl radyasyon E-plane ak H-plane simulation ak obsève nan antèn MIMO reklame ak ak san MS nan yon frekans fonksyònman 5.5 GHz. Nan ranje frekans fonksyònman 5.5 GHz, devlope antèn ki pa MS MIMO bay yon modèl radyasyon ki konsistan bidirectionnelle ak valè lòb bò. Apre w fin aplike reflektè MS la, antèn la bay yon modèl radyasyon unidireksyon epi redwi nivo lòb dèyè yo, jan yo montre nan Figi 21a, b. Li se vo anyen ke lè l sèvi avèk yon metasurface ak yon backplane kòb kwiv mete, modèl antèn MIMO pwopoze a se pi estab ak unidireksyon pase san MS, ak do ki ba anpil ak lob bò. Reflektè etalaj MM pwopoze a diminye lob yo dèyè ak bò nan antèn la epi tou li amelyore karakteristik radyasyon yo lè li dirije aktyèl la nan yon direksyon unidireksyon (figi 21a, b), kidonk ogmante benefis la ak dirèktivite. Yo te jwenn modèl radyasyon mezire pou pò 1 ak yon chaj 50 ohm ki konekte ak pò ki rete yo. Yo te obsève ke modèl radyasyon eksperimantal la te prèske idantik ak sa ki similye pa CST, byenke te gen kèk devyasyon akòz dezayaj eleman, refleksyon nan pò tèminal yo, ak pèt nan koneksyon kab. Anplis de sa, yo te mete yon espas nilon ant antèn la ak reflektè MS, ki se yon lòt pwoblèm ki afekte rezilta obsève yo konpare ak rezilta yo prevwa.
Modèl radyasyon antèn MIMO devlope (san MS ak MS) nan yon frekans 5.5 GHz te simulation ak teste.
Li enpòtan sonje ke izolasyon pò ak karakteristik ki asosye li yo esansyèl lè w ap evalye pèfòmans sistèm MIMO yo. Yo egzamine pèfòmans divèsite sistèm MIMO yo pwopoze a, ki gen ladan koyefisyan korelasyon anvlòp (ECC) ak benefis divèsite (DG), pou ilistre solidite sistèm antèn MIMO ki fèt la. Yo ka itilize ECC ak DG yon antèn MIMO pou evalye pèfòmans li paske yo se aspè enpòtan nan pèfòmans yon sistèm MIMO. Seksyon sa yo pral detaye karakteristik sa yo nan antèn MIMO yo pwopoze a.
Koefisyan korelasyon anvlòp (ECC). Lè w ap konsidere nenpòt sistèm MIMO, ECC detèmine degre nan ki eleman konstitiyan yo korelasyon youn ak lòt konsènan pwopriyete espesifik yo. Se konsa, ECC demontre degre nan izolasyon chanèl nan yon rezo kominikasyon san fil. Yo ka detèmine ECC (koyefisyan korelasyon anvlòp) nan sistèm MIMO devlope ki baze sou S-paramèt ak emisyon byen lwen. Soti nan Eq. (7) ak (8) ECC antèn MIMO pwopoze a 31 ka detèmine.
Koefisyan refleksyon an reprezante pa Sii ak Sij reprezante koyefisyan transmisyon an. Ekspresyon \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) bay modèl radyasyon ki genyen twa dimansyon nan j-yèm ak i-yèm antèn yo. \vec {{R_{ i } }} Ang solid reprezante pa \left( {\theta ,\varphi } \right)\) ak \({\Omega }\). Koub ECC antèn pwopoze a montre nan Figi 22a ak valè li se mwens pase 0.004, ki se byen pi ba pase valè akseptab 0.5 pou yon sistèm san fil. Se poutèt sa, valè ECC redwi vle di ke sistèm MIMO 4-pò yo pwopoze a bay divèsite siperyè43.
Diversity Gain (DG) DG se yon lòt metrik pèfòmans sistèm MIMO ki dekri kijan konplo divèsite afekte pouvwa radiasyon an. Relasyon (9) detèmine DG sistèm antèn MIMO k ap devlope, jan sa dekri nan 31.
Figi 22b montre dyagram DG sistèm MIMO yo pwopoze a, kote valè DG a trè pre 10 dB. Valè DG yo nan tout antèn nan sistèm MIMO ki fèt yo depase 9.98 dB.
Tablo 1 konpare antèn MIMO metasurface yo pwopoze a ak sistèm MIMO menm jan an ki fèk devlope. Konparezon an pran an kont divès paramèt pèfòmans, ki gen ladan Pleasant, benefis, maksimòm izolasyon, efikasite jeneral, ak pèfòmans divèsite. Chèchè yo te prezante plizyè pwototip antèn MIMO ak teknik amelyorasyon izolasyon ak pwogrè nan 5, 44, 45, 46, 47. Konpare ak travay ki te pibliye deja, sistèm MIMO pwopoze a ak reflektè metasurface depase yo an tèm de Pleasant, benefis, ak izolasyon. Anplis de sa, konpare ak antèn menm jan yo rapòte, sistèm MIMO devlope montre pèfòmans siperyè divèsite ak efikasite jeneral nan yon gwosè ki pi piti. Malgre ke antèn ki dekri nan Seksyon 5.46 yo gen pi wo izolasyon pase antèn yo pwopoze nou an, antèn sa yo soufri nan gwo gwosè, benefis ki ba, Pleasant etwat, ak pòv pèfòmans MIMO. Antèn MIMO 4-pò yo pwopoze nan 45 montre gwo benefis ak efikasite, men konsepsyon li yo gen izolasyon ki ba, gwo gwosè, ak pèfòmans divèsite pòv. Nan lòt men an, sistèm antèn ti gwosè yo pwopoze nan 47 gen anpil benefis ak Pleasant opere, pandan y ap pwopoze MS nou an ki baze sou 4-pò MIMO sistèm montre ti gwosè, gwo benefis, segondè izolasyon ak pi bon pèfòmans MIMO. Kidonk, antèn MIMO metasurface pwopoze a ka vin yon gwo konkiran pou sistèm kominikasyon 5G sub-6 GHz.
Yo pwopoze yon antèn MIMO lajè bande ki baze sou kat-pò metasurface ki gen gwo benefis ak izolasyon pou sipòte aplikasyon 5G anba 6 GHz. Liy microstrip la bay yon seksyon kare ki gaye, ki tronke pa yon kare nan kwen dyagonal yo. MS yo pwopoze a ak emeteur antèn yo aplike sou materyèl substra ki sanble ak Rogers RT5880 pou reyalize pèfòmans ekselan nan sistèm kominikasyon 5G gwo vitès. Antèn MIMO a gen yon seri gwo ak gwo benefis, epi li bay izolasyon son ant eleman MIMO ak efikasite ekselan. Antèn sèl devlope a gen dimansyon tipòtrè 0.58?0.58?0.02? ak yon etalaj metasurface 5 × 5, bay yon lajè Pleasant fonksyònman 4.56 GHz, 8 dBi pik genyen ak efikasite siperyè mezire. Pwopoze antèn MIMO kat pò a (2 × 2 etalaj) fèt pa aliman orthogonally chak pwopoze antèn sèl ak yon lòt antèn ak dimansyon 1.05λ × 1.05λ × 0.02λ. Li rekòmande pou rasanble yon etalaj 10 × 10 MM anba yon antèn MIMO 12mm segondè, sa ki ka diminye radyasyon dèyè ak diminye kouple mityèl ant eleman MIMO, kidonk amelyore benefis ak izolasyon. Rezilta eksperimantal ak simulation montre ke pwototip MIMO devlope ka opere nan yon pakèt frekans 3.08-7.75 GHz, ki kouvri spectre 5G anba a 6 GHz. Anplis de sa, antèn MIMO ki baze sou MS pwopoze a amelyore benefis li yo pa 2.9 dBi, reyalize yon benefis maksimòm de 8.3 dBi, epi li bay ekselan izolasyon (> 15.5 dB) ant eleman MIMO, valide kontribisyon MS. Anplis de sa, antèn MIMO pwopoze a gen yon efikasite segondè mwayèn an jeneral nan 82% ak yon distans ki ba ant eleman nan 22 mm. Antèn la montre ekselan pèfòmans divèsite MIMO ki gen ladan DG trè wo (plis pase 9.98 dB), trè ba ECC (mwens pase 0.004) ak modèl radyasyon unidireksyon. Rezilta mezi yo sanble anpil ak rezilta simulation yo. Karakteristik sa yo konfime ke sistèm antèn MIMO devlope kat pò kapab yon chwa solid pou sistèm kominikasyon 5G nan ranje frekans sub-6 GHz.
Cowin ka bay antèn PCB 400-6000MHz bande, ak sipò pou konsepsyon nouvo antèn selon kondisyon ou, tanpri kontakte nou san ezitasyon si ou gen nenpòt demann.