Este traballo propón unha antena de banda ancha de metasuperficie (MS) compacta integrada de múltiples entradas e saídas múltiples (MIMO) para sistemas de comunicación sen fíos de quinta xeración (5G) de sub-6 GHz. A novidade obvia do sistema MIMO proposto é o seu amplo ancho de banda operativo, a súa alta ganancia, as pequenas separacións entre compoñentes e un excelente illamento dentro dos compoñentes MIMO. O punto radiante da antena está truncado en diagonal, parcialmente conectado a terra e as metasuperficies utilízanse para mellorar o rendemento da antena. O prototipo proposto de antena MS única integrada ten dimensións en miniatura de 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Os resultados de simulación e medición demostran un rendemento de banda ancha de 3,11 GHz a 7,67 GHz, incluíndo a ganancia máis alta alcanzada de 8 dBi. O sistema MIMO de catro elementos está deseñado para que cada antena sexa ortogonal entre si mantendo un tamaño compacto e un rendemento de banda ancha de 3,2 a 7,6 GHz. O prototipo MIMO proposto está deseñado e fabricado no substrato Rogers RT5880 con baixas perdas e dimensións miniaturizadas de 1,05? 1.05? 0,02?, e o seu rendemento avalíase usando a matriz de resonadores de anel pechado cadrado proposto cun anel dividido de 10 x 10. O material básico é o mesmo. A metasuperficie do plano posterior proposto reduce significativamente a radiación traseira da antena e manipula os campos electromagnéticos, mellorando así o ancho de banda, a ganancia e o illamento dos compoñentes MIMO. En comparación coas antenas MIMO existentes, a antena MIMO de 4 portos proposta logra unha alta ganancia de 8,3 dBi cunha eficiencia global media de ata o 82% na banda 5G sub-6 GHz e está de acordo cos resultados medidos. Ademais, a antena MIMO desenvolvida presenta un excelente rendemento en termos de coeficiente de correlación de envolvente (ECC) inferior a 0,004, ganancia de diversidade (DG) duns 10 dB (>9,98 dB) e alto illamento entre compoñentes MIMO (>15,5 dB). características. Así, a antena MIMO baseada en MS proposta confirma a súa aplicabilidade para redes de comunicación 5G sub-6 GHz.
A tecnoloxía 5G é un avance incrible nas comunicacións sen fíos que permitirá redes máis rápidas e seguras para miles de millóns de dispositivos conectados, ofrecerá experiencias de usuario cunha latencia "cero" (latencia de menos de 1 milisegundo) e introducirá novas tecnoloxías, incluída a electrónica. Atención médica, educación intelectual. , as cidades intelixentes, as casas intelixentes, a realidade virtual (RV), as fábricas intelixentes e a Internet dos Vehículos (IoV) están cambiando as nosas vidas, a sociedade e as industrias1,2,3. A Comisión Federal de Comunicacións dos Estados Unidos (FCC) divide o espectro 5G en catro bandas de frecuencia4. A banda de frecuencias por debaixo dos 6 GHz é de interese para os investigadores porque permite comunicacións de longa distancia con altas taxas de datos5,6. A asignación do espectro 5G inferior a 6 GHz para as comunicacións 5G globais móstrase na Figura 1, o que indica que todos os países están considerando un espectro inferior a 6 GHz para as comunicacións 5G7,8. As antenas son unha parte importante das redes 5G e necesitarán máis estacións base e antenas de terminal de usuario.
As antenas de parche microstrip teñen as vantaxes da delgadez e da estrutura plana, pero están limitadas en ancho de banda e ganancia9,10, polo que se investigou moito para aumentar a ganancia e o ancho de banda da antena; Nos últimos anos, as metasuperficies (MS) foron moi utilizadas nas tecnoloxías de antenas, especialmente para mellorar a ganancia e o rendemento11,12, non obstante, estas antenas están limitadas a un só porto; A tecnoloxía MIMO é un aspecto importante das comunicacións sen fíos porque pode usar varias antenas á vez para transmitir datos, mellorando así as taxas de datos, a eficiencia espectral, a capacidade das canles e a fiabilidade13,14,15. As antenas MIMO son candidatas potenciais para aplicacións 5G porque poden transmitir e recibir datos a través de varias canles sen necesidade de enerxía adicional16,17. O efecto de acoplamento mutuo entre os compoñentes MIMO depende da localización dos elementos MIMO e da ganancia da antena MIMO, o que supón un gran reto para os investigadores. As figuras 18, 19 e 20 mostran varias antenas MIMO que funcionan na banda 5G sub-6 GHz, todas demostrando un bo illamento e rendemento MIMO. Non obstante, a ganancia e o ancho de banda operativo destes sistemas propostos son baixos.
Os metamateriais (MM) son novos materiais que non existen na natureza e poden manipular ondas electromagnéticas, mellorando así o rendemento das antenas21,22,23,24. O MM utilízase agora amplamente na tecnoloxía de antenas para mellorar o patrón de radiación, o ancho de banda, a ganancia e o illamento entre os elementos da antena e os sistemas de comunicación sen fíos, como se comenta en 25, 26, 27, 28. En 2029, un sistema MIMO de catro elementos baseado en metasuperficie, na que a sección da antena está intercalada entre a metasuperficie e o chan sen un espazo de aire, o que mellora o rendemento do MIMO. Non obstante, este deseño ten un tamaño maior, menor frecuencia de operación e estrutura complexa. Na antena proposta MIMO de banda ancha de 2 portos inclúese unha banda electromagnética (EBG) e un bucle de terra para mellorar o illamento dos compoñentes MIMO30. A antena deseñada ten un bo rendemento de diversidade MIMO e un excelente illamento entre dúas antenas MIMO, pero usando só dous compoñentes MIMO, a ganancia será baixa. Ademais, in31 tamén propuxo unha antena MIMO de dobre porto de banda ultra ancha (UWB) e investigou o seu rendemento MIMO usando metamateriais. Aínda que esta antena é capaz de funcionar con UWB, a súa ganancia é baixa e o illamento entre as dúas antenas é pobre. O traballo in32 propón un sistema MIMO de 2 portos que usa reflectores de banda electromagnética (EBG) para aumentar a ganancia. Aínda que a matriz de antenas desenvolvida ten unha gran ganancia e un bo rendemento de diversidade MIMO, o seu gran tamaño dificulta a súa aplicación en dispositivos de comunicación de próxima xeración. No 33 desenvolveuse outra antena de banda ancha baseada nun reflector, onde o reflector estaba integrado baixo a antena cunha brecha maior de 22 mm, mostrando unha ganancia de pico máis baixa de 4,87 dB. Paper 34 deseña unha antena MIMO de catro portos para aplicacións mmWave, que está integrada coa capa MS para mellorar o illamento e a ganancia do sistema MIMO. Non obstante, esta antena proporciona unha boa ganancia e illamento, pero ten un ancho de banda limitado e unhas propiedades mecánicas pobres debido ao gran espazo de aire. Do mesmo xeito, en 2015, desenvolveuse unha antena MIMO integrada na metasuperficie de tres pares e 4 portos con forma de corbata de moño para comunicacións mmWave cunha ganancia máxima de 7,4 dBi. B36 MS úsase na parte traseira dunha antena 5G para aumentar a ganancia da antena, onde a metasuperficie actúa como reflector. Non obstante, a estrutura da MS é asimétrica e prestouse menos atención á estrutura da célula unitaria.
Segundo os resultados da análise anteriores, ningunha das antenas anteriores ten alta ganancia, excelente illamento, rendemento MIMO e cobertura de banda ancha. Polo tanto, aínda existe a necesidade dunha antena MIMO de metasuperficie que poida cubrir unha ampla gama de frecuencias do espectro 5G por debaixo dos 6 GHz con alta ganancia e illamento. Tendo en conta as limitacións da literatura anteriormente mencionada, proponse un sistema de antena MIMO de catro elementos de banda ancha con alta ganancia e excelente rendemento de diversidade para sistemas de comunicación sen fíos sub-6 GHz. Ademais, a antena MIMO proposta presenta un excelente illamento entre os compoñentes MIMO, pequenos espazos de elementos e alta eficiencia de radiación. O parche da antena está truncado en diagonal e colócase na parte superior da metasuperficie cun espazo de aire de 12 mm, que reflicte a radiación traseira da antena e mellora a ganancia e a direccionalidade da antena. Ademais, a antena única proposta utilízase para crear unha antena MIMO de catro elementos cun rendemento MIMO superior colocando cada antena ortogonalmente entre si. A antena MIMO desenvolvida integrouse entón encima dunha matriz 10 × 10 MS cunha placa posterior de cobre para mellorar o rendemento das emisións. O deseño presenta un amplo rango de operación (3,08-7,75 GHz), unha alta ganancia de 8,3 dBi e unha alta eficiencia global media do 82%, así como un excelente illamento superior a -15,5 dB entre os compoñentes da antena MIMO. A antena MIMO desenvolvida baseada en MS simulouse usando o paquete de software electromagnético 3D CST Studio 2019 e validouse mediante estudos experimentais.
Esta sección ofrece unha introdución detallada á arquitectura proposta e á metodoloxía de deseño de antena única. Ademais, os resultados simulados e observados son discutidos en detalle, incluíndo parámetros de dispersión, ganancia e eficiencia global con e sen metasuperficies. A antena prototipo foi desenvolvida nun substrato dieléctrico de baixa perda Rogers 5880 cun espesor de 1,575 mm cunha constante dieléctrica de 2,2. Para desenvolver e simular o deseño, utilizouse o paquete de simulador electromagnético CST studio 2019.
A figura 2 mostra a arquitectura proposta e o modelo de deseño dunha antena dun só elemento. Segundo ecuacións matemáticas ben establecidas37, a antena está formada por un punto radiante cadrado alimentado linealmente e un plano de terra de cobre (como se describe no paso 1) e resoa cun ancho de banda moi estreito a 10,8 GHz, como se mostra na Figura 3b. O tamaño inicial do radiador da antena está determinado pola seguinte relación matemática37:
Onde \(P_{L}\) e \(P_{w}\) son a lonxitude e ancho do parche, c representa a velocidade da luz, \(\gamma_{r}\) é a constante dieléctrica do substrato . , \(\gamma_{reff }\) representa o valor dieléctrico efectivo do punto de radiación, \(\Delta L\) representa o cambio na lonxitude do punto. O plano posterior da antena foi optimizado na segunda etapa, aumentando o ancho de banda de impedancia a pesar do ancho de banda de impedancia moi baixo de 10 dB. Na terceira etapa, a posición do alimentador móvese cara á dereita, o que mellora o ancho de banda de impedancia e a coincidencia de impedancia da antena proposta38. Nesta fase, a antena demostra un excelente ancho de banda operativo de 4 GHz e tamén cobre o espectro por debaixo dos 6 GHz en 5G. A cuarta e última etapa consiste en gravar sucos cadrados en cantos opostos do punto de radiación. Este slot amplía significativamente o ancho de banda de 4,56 GHz para cubrir o espectro 5G inferior a 6 GHz de 3,11 GHz a 7,67 GHz, como se mostra na Figura 3b. As vistas en perspectiva frontal e inferior do deseño proposto móstranse na Figura 3a, e os parámetros finais de deseño optimizados necesarios son os seguintes: 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) Vistas superior e traseira da antena única deseñada (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Curva do parámetro S.
Metasuperficie é un termo que se refire a unha matriz periódica de células unitarias situadas a certa distancia entre si. As metasuperficies son unha forma eficaz de mellorar o rendemento da radiación da antena, incluíndo o ancho de banda, a ganancia e o illamento entre os compoñentes MIMO. Debido á influencia da propagación das ondas de superficie, as metasuperficies xeran resonancias adicionais que contribúen a mellorar o rendemento da antena39. Este traballo propón unha unidade de metamaterial épsilon negativo (MM) que opera na banda 5G por debaixo dos 6 GHz. O MM cunha superficie de 8 mm × 8 mm desenvolveuse nun substrato Rogers 5880 de baixa perda cunha constante dieléctrica de 2,2 e un espesor de 1,575 mm. O parche de resonador MM optimizado consiste nun anel dividido circular interno conectado a dous aneis divididos externos modificados, como se mostra na figura 4a. A figura 4a resume os parámetros optimizados finais da configuración MM proposta. Posteriormente, desenvolvéronse capas metasuperficiais de 40 × 40 mm e 80 × 80 mm sen unha placa posterior de cobre e cunha placa posterior de cobre utilizando matrices de células 5 × 5 e 10 × 10, respectivamente. A estrutura MM proposta foi modelada mediante o software de modelado electromagnético 3D "CST studio suite 2019". Na figura 4b móstrase un prototipo fabricado da estrutura da matriz MM proposta e da configuración de medición (analizador de rede de dobre porto PNA e porto de guía de ondas) para validar os resultados da simulación CST analizando a resposta real. A configuración de medición utilizou un analizador de rede Agilent da serie PNA en combinación con dous adaptadores coaxiais de guía de ondas (A-INFOMW, número de peza: 187WCAS) para enviar e recibir sinais. Colocouse un prototipo de matriz 5×5 entre dous adaptadores coaxiais de guía de ondas conectados por cable coaxial a un analizador de rede de dous portos (Agilent PNA N5227A). O kit de calibración Agilent N4694-60001 úsase para calibrar o analizador de rede nunha planta piloto. Na figura 5a móstranse os parámetros de dispersión simulados e observados CST da matriz MM prototipo proposta. Pódese ver que a estrutura MM proposta resoa no rango de frecuencias 5G por debaixo dos 6 GHz. A pesar da pequena diferenza de ancho de banda de 10 dB, os resultados simulados e experimentais son moi similares. A frecuencia de resonancia, o ancho de banda e a amplitude da resonancia observada son lixeiramente diferentes das simuladas, como se mostra na Figura 5a. Estas diferenzas entre os resultados observados e simulados débense a imperfeccións de fabricación, pequenas separacións entre o prototipo e os portos da guía de ondas, os efectos de acoplamento entre os portos da guía de ondas e os compoñentes da matriz e as tolerancias de medición. Ademais, a colocación adecuada do prototipo desenvolvido entre os portos da guía de ondas na configuración experimental pode producir un cambio de resonancia. Ademais, durante a fase de calibración observouse ruído non desexado, o que provocou discrepancias entre os resultados numéricos e medidos. Non obstante, ademais destas dificultades, o prototipo de matriz MM proposto funciona ben debido á forte correlación entre simulación e experimento, o que o fai ben axeitado para aplicacións de comunicación sen fíos 5G sub-6 GHz.
(a) Xeometría da cela unitaria (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 da configuración de medición MM.
(a) Simulación e verificación das curvas de parámetros de dispersión do prototipo de metamaterial. (b) Curva constante dieléctrica dunha cela unitaria MM.
Estudáronse os parámetros efectivos relevantes, como a constante dieléctrica efectiva, a permeabilidade magnética e o índice de refracción, utilizando técnicas de post-procesamento incorporadas do simulador electromagnético CST para analizar aínda máis o comportamento da célula unitaria MM. Os parámetros MM efectivos obtéñense a partir dos parámetros de dispersión mediante un método de reconstrución robusto. As seguintes ecuacións de transmitancia e coeficiente de reflexión: (3) e (4) pódense usar para determinar o índice de refracción e a impedancia (ver 40).
As partes real e imaxinaria do operador represéntanse por (.)' e (.)” respectivamente, e o valor enteiro m corresponde ao índice de refracción real. A constante dieléctrica e a permeabilidade están determinadas polas fórmulas \(\varepsilon { } = { }n/z,\) e \(\mu = nz\), que se basean na impedancia e o índice de refracción, respectivamente. A curva da constante dieléctrica efectiva da estrutura MM móstrase na figura 5b. Na frecuencia de resonancia, a constante dieléctrica efectiva é negativa. As figuras 6a,b mostran os valores extraídos da permeabilidade efectiva (μ) e do índice de refracción efectivo (n) da célula unitaria proposta. Notablemente, as permeabilidades extraídas presentan valores reais positivos próximos a cero, o que confirma as propiedades de épsilon negativo (ENG) da estrutura MM proposta. Ademais, como se mostra na Figura 6a, a resonancia cunha permeabilidade próxima a cero está fortemente relacionada coa frecuencia de resonancia. A célula unitaria desenvolvida ten un índice de refracción negativo (Fig. 6b), o que significa que o MM proposto pode usarse para mellorar o rendemento da antena21,41.
O prototipo desenvolvido dunha única antena de banda ancha foi fabricado para probar experimentalmente o deseño proposto. As figuras 7a,b mostran imaxes do prototipo de antena única proposta, as súas partes estruturais e a configuración de medición de campo próximo (SATIMO). Para mellorar o rendemento da antena, a metasuperficie desenvolvida colócase en capas baixo a antena, como se mostra na Figura 8a, coa altura h. Aplicouse unha única metasuperficie de dobre capa de 40 mm x 40 mm na parte traseira da antena única a intervalos de 12 mm. Ademais, unha metasuperficie cun plano posterior colócase na parte traseira da única antena a unha distancia de 12 mm. Despois de aplicar a metasuperficie, a antena única mostra unha mellora significativa no rendemento, como se mostra nas Figuras 1 e 2. Figuras 8 e 9. A Figura 8b mostra os gráficos de reflectancia simulados e medidos para a única antena sen e con metasuperficies. Cabe destacar que a banda de cobertura dunha antena cunha metasuperficie é moi similar á banda de cobertura dunha antena sen metasuperficie. As figuras 9a,b mostran unha comparación da ganancia de antena única simulada e observada e a eficiencia global sen e con MS no espectro operativo. Pódese ver que, en comparación coa antena non metasuperficial, a ganancia da antena metasuperficial mellora significativamente, aumentando de 5,15 dBi a 8 dBi. A ganancia da metasuperficie dunha soa capa, da metasuperficie de dobre capa e da antena única con metasuperficie do plano posterior aumentou en 6 dBi, 6,9 dBi e 8 dBi, respectivamente. En comparación con outras metasuperficies (MCs de capa única e de dobre capa), a ganancia dunha única antena de metasuperficie cunha placa posterior de cobre é de ata 8 dBi. Neste caso, a metasuperficie actúa como un reflector, reducindo a radiación traseira da antena e manipulando as ondas electromagnéticas en fase, aumentando así a eficiencia de radiación da antena e, polo tanto, a ganancia. Na figura 9b móstrase un estudo da eficiencia global dunha única antena sen e con metasuperficies. Paga a pena notar que a eficiencia dunha antena con e sen metasuperficie é case a mesma. No intervalo de frecuencia inferior, a eficiencia da antena diminúe lixeiramente. As curvas experimentais e simuladas de ganancia e eficiencia están en boa concordancia. Non obstante, hai pequenas diferenzas entre os resultados simulados e probados debido a defectos de fabricación, tolerancias de medición, perda de conexión do porto SMA e perda de cable. Ademais, a antena e o reflector MS están situados entre os espaciadores de nailon, que é outro problema que afecta aos resultados observados en comparación cos resultados da simulación.
A figura (a) mostra a antena única completada e os seus compoñentes asociados. (b) Configuración de medición de campo próximo (SATIMO).
(a) Excitación da antena mediante reflectores de metasuperficie (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Reflectancias simuladas e experimentais dunha soa antena sen e con MS.
Resultados de simulación e medición de (a) a ganancia acadada e (b) a eficiencia global da antena de efecto metasuperficie proposta.
Análise do patrón de feixe mediante MS. Realizáronse medicións de campo próximo dunha soa antena no SATIMO Near-Field Experimental Environment do UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. As figuras 10a, b mostran os patróns de radiación do plano E e do plano H simulados e observados a 5,5 GHz para a antena única proposta con e sen MS. A antena única desenvolvida (sen MS) proporciona un patrón de radiación bidireccional consistente con valores de lóbulos laterais. Despois de aplicar o reflector MS proposto, a antena proporciona un patrón de radiación unidireccional e reduce o nivel dos lóbulos posteriores, como se mostra nas figuras 10a, b. Cómpre sinalar que o patrón de radiación de antena única proposto é máis estable e unidireccional con lóbulos laterais e traseiros moi baixos cando se utiliza unha metasuperficie cunha placa posterior de cobre. O reflector de matriz MM proposto reduce os lóbulos traseiros e laterais da antena ao tempo que mellora o rendemento da radiación dirixindo a corrente en direccións unidireccionais (Fig. 10a, b), aumentando así a ganancia e a directividade. Observouse que o patrón de radiación experimental era case comparable ao das simulacións CST, pero variou lixeiramente debido ao desalineamento dos distintos compoñentes ensamblados, as tolerancias de medición e as perdas de cableado. Ademais, inseriuse un espaciador de nailon entre a antena e o reflector MS, que é outro problema que afecta aos resultados observados en comparación cos resultados numéricos.
Simulouse e probouse o patrón de radiación da antena única desenvolvida (sen MS e con MS) a unha frecuencia de 5,5 GHz.
A xeometría da antena MIMO proposta móstrase na Figura 11 e inclúe catro antenas individuais. Os catro compoñentes da antena MIMO están dispostos ortogonalmente entre si nun substrato de dimensións 80 × 80 × 1,575 mm, como se mostra na Figura 11. A antena MIMO deseñada ten unha distancia entre elementos de 22 mm, que é menor que a antena MIMO. distancia entre elementos correspondente máis próxima da antena. Desenvolveuse antena MIMO. Ademais, parte do plano terrestre sitúase do mesmo xeito que unha única antena. Os valores de reflectancia das antenas MIMO (S11, S22, S33 e S44) mostrados na Figura 12a presentan o mesmo comportamento que unha antena dun só elemento que resoa na banda de 3,2-7,6 GHz. Polo tanto, o ancho de banda de impedancia dunha antena MIMO é exactamente o mesmo que o dunha única antena. O efecto de acoplamento entre os compoñentes MIMO é o principal motivo da pequena perda de ancho de banda das antenas MIMO. A figura 12b mostra o efecto da interconexión nos compoñentes MIMO, onde se determinou o illamento óptimo entre os compoñentes MIMO. O illamento entre as antenas 1 e 2 é o máis baixo nuns -13,6 dB, e o illamento entre as antenas 1 e 4 é o máis alto nuns -30,4 dB. Debido ao seu pequeno tamaño e ancho de banda máis amplo, esta antena MIMO ten menor ganancia e menor rendemento. O illamento é baixo, polo que é necesario un maior reforzo e illamento;
Mecanismo de deseño da antena MIMO proposta (a) vista superior e (b) plano de terra. (CST Studio Suite 2019).
A disposición xeométrica e o método de excitación da antena MIMO metasuperficial proposta móstranse na figura 13a. Unha matriz de 10 x 10 mm cunhas dimensións de 80 x 80 x 1,575 mm está deseñada para a parte traseira dunha antena MIMO de 12 mm de alto, como se mostra na Figura 13a. Ademais, as metasuperficies con placas traseiras de cobre están pensadas para o seu uso en antenas MIMO para mellorar o seu rendemento. A distancia entre a metasuperficie e a antena MIMO é fundamental para conseguir unha alta ganancia ao tempo que permite unha interferencia construtiva entre as ondas xeradas pola antena e as reflectidas pola metasuperficie. Realizouse un amplo modelado para optimizar a altura entre a antena e a metasuperficie mantendo os estándares de cuarto de onda para a máxima ganancia e illamento entre os elementos MIMO. As melloras significativas no rendemento da antena MIMO conseguidas mediante o uso de metasuperficies con plano posterior en comparación coas metasuperficies sen plano posterior demostraranse en capítulos posteriores.
(a) Configuración de simulación CST da antena MIMO proposta usando MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Curvas de reflectancia do sistema MIMO desenvolvido sen MS e con MS.
As reflectancias das antenas MIMO con e sen metasuperficies móstranse na Figura 13b, onde se presentan S11 e S44 debido ao comportamento case idéntico de todas as antenas do sistema MIMO. Paga a pena notar que o ancho de banda de impedancia de -10 dB dunha antena MIMO sen e cunha única metasuperficie é case o mesmo. Pola contra, o ancho de banda de impedancia da antena MIMO proposta é mellorado por MS de dobre capa e MS da placa posterior. Paga a pena notar que sen MS, a antena MIMO proporciona un ancho de banda fraccional do 81,5% (3,2-7,6 GHz) en relación á frecuencia central. A integración do MS co backplane aumenta o ancho de banda de impedancia da antena MIMO proposta ata o 86,3% (3,08–7,75 GHz). Aínda que o MS de dobre capa aumenta o rendemento, a mellora é menor que a do MS cunha placa posterior de cobre. Ademais, un MC de dobre capa aumenta o tamaño da antena, aumenta o seu custo e limita o seu alcance. A antena MIMO deseñada e o reflector metasuperficial son fabricados e verificados para validar os resultados da simulación e avaliar o rendemento real. A figura 14a mostra a capa MS fabricada e a antena MIMO con varios compoñentes ensamblados, mentres que a figura 14b mostra unha fotografía do sistema MIMO desenvolvido. A antena MIMO está montada na parte superior da metasuperficie usando catro espaciadores de nailon, como se mostra na Figura 14b. A figura 15a mostra unha instantánea da configuración experimental de campo próximo do sistema de antena MIMO desenvolvido. Utilizouse un analizador de rede PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) para estimar os parámetros de dispersión e para avaliar e caracterizar as características de emisión de campo próximo no Laboratorio de Sistemas de Campo Próximo de UKM SATIMO.
(a) Fotos de medicións de campo próximo SATIMO (b) Curvas simuladas e experimentais da antena S11 MIMO con e sen MS.
Esta sección presenta un estudo comparativo dos parámetros S simulados e observados da antena MIMO 5G proposta. A figura 15b mostra o gráfico de reflectancia experimental da antena MIMO MS integrada de 4 elementos e compáraa cos resultados da simulación CST. Atopouse que as reflectancias experimentais eran as mesmas que os cálculos CST, pero foron lixeiramente diferentes debido a defectos de fabricación e tolerancias experimentais. Ademais, a reflectancia observada do prototipo MIMO baseado en MS proposto cobre o espectro 5G por debaixo dos 6 GHz cun ancho de banda de impedancia de 4,8 GHz, o que significa que son posibles aplicacións 5G. Non obstante, a frecuencia de resonancia, o ancho de banda e a amplitude medidos difiren lixeiramente dos resultados da simulación CST. Os defectos de fabricación, as perdas de acoplamento coaxial a SMA e as configuracións de medición ao aire libre poden causar diferenzas entre os resultados medidos e simulados. Non obstante, a pesar destas deficiencias, o MIMO proposto funciona ben, proporcionando un forte acordo entre simulacións e medicións, o que o fai ben axeitado para aplicacións sen fíos 5G sub-6 GHz.
As curvas de ganancia da antena MIMO simuladas e observadas móstranse nas Figuras 2 e 2. Como se mostra nas Figuras 16a,b e 17a,b, respectivamente, móstrase a interacción mutua dos compoñentes MIMO. Cando se aplican metasuperficies a antenas MIMO, o illamento entre as antenas MIMO mellora significativamente. Os gráficos de illamento entre os elementos de antenas adxacentes S12, S14, S23 e S34 mostran curvas similares, mentres que as antenas diagonais MIMO S13 e S42 mostran un illamento similar debido á maior distancia entre elas. As características de transmisión simuladas das antenas adxacentes móstranse na figura 16a. Paga a pena notar que no espectro operativo 5G por debaixo dos 6 GHz, o illamento mínimo dunha antena MIMO sen metasuperficie é de -13,6 dB, e para unha metasuperficie cun plano posterior - 15,5 dB. O gráfico de ganancia (Figura 16a) mostra que a metasuperficie do plano posterior mellora significativamente o illamento entre os elementos da antena MIMO en comparación coas metasuperficies de capa simple e dobre. Nos elementos de antena adxacentes, as metasuperficies de capa simple e dobre proporcionan un illamento mínimo de aproximadamente -13,68 dB e -14,78 dB, e a metasuperficie do plano posterior de cobre proporciona aproximadamente -15,5 dB.
Curvas de illamento simuladas de elementos MIMO sen capa MS e con capa MS: (a) S12, S14, S34 e S32 e (b) S13 e S24.
Curvas de ganancia experimentais das antenas MIMO baseadas en MS propostas sen e con: (a) S12, S14, S34 e S32 e (b) S13 e S24.
Os gráficos de ganancia da antena diagonal MIMO antes e despois de engadir a capa MS móstranse na Figura 16b. Paga a pena sinalar que o illamento mínimo entre antenas diagonais sen metasuperficie (antenas 1 e 3) é de – 15,6 dB en todo o espectro operativo, e unha metasuperficie cun plano posterior é de – 18 dB. O enfoque da metasuperficie reduce significativamente os efectos de acoplamento entre as antenas MIMO diagonais. O illamento máximo para unha metasuperficie dunha soa capa é de -37 dB, mentres que para unha metasuperficie de dobre capa este valor cae a -47 dB. O illamento máximo da metasuperficie cun backplane de cobre é de -36,2 dB, que diminúe ao aumentar a gama de frecuencias. En comparación coas metasuperficies dunha e dobre capa sen plano posterior, as metasuperficies cun plano posterior proporcionan un illamento superior en todo o intervalo de frecuencias de funcionamento necesario, especialmente no intervalo 5G por debaixo dos 6 GHz, como se mostra nas figuras 16a, b. Na banda 5G máis popular e amplamente usada por debaixo de 6 GHz (3,5 GHz), as metasuperficies de capa única e dobre teñen un illamento menor entre os compoñentes MIMO que as metasuperficies con placas posteriores de cobre (case sen MS) (ver Figura 16a), b). As medidas de ganancia móstranse nas figuras 17a, b, que mostran o illamento das antenas adxacentes (S12, S14, S34 e S32) e das antenas diagonais (S24 e S13), respectivamente. Como se pode ver nestas figuras (Fig. 17a, b), o illamento experimental entre compoñentes MIMO concorda ben co illamento simulado. Aínda que hai pequenas diferenzas entre os valores CST simulados e medidos debido a defectos de fabricación, conexións de porto SMA e perdas de cable. Ademais, a antena e o reflector MS están situados entre os espaciadores de nailon, que é outro problema que afecta aos resultados observados en comparación cos resultados da simulación.
estudou a distribución da corrente superficial a 5,5 GHz para racionalizar o papel das metasuperficies na redución do acoplamento mutuo mediante a supresión de ondas de superficie42. A distribución da corrente superficial da antena MIMO proposta móstrase na Figura 18, onde a antena 1 é impulsada e o resto da antena remata cunha carga de 50 ohmios. Cando se energiza a antena 1, aparecerán importantes correntes de acoplamento mutuo nas antenas adxacentes a 5,5 GHz en ausencia dunha metasuperficie, como se mostra na Figura 18a. Pola contra, mediante o uso de metasuperficies, como se mostra na figura 18b-d, mellórase o illamento entre as antenas adxacentes. Hai que ter en conta que o efecto do acoplamento mutuo dos campos adxacentes pode minimizarse propagando a corrente de acoplamento aos aneis adxacentes das células unitarias e ás células unitarias MS adxacentes ao longo da capa MS en direccións antiparalelas. A inxección de corrente desde as antenas distribuídas ás unidades MS é un método clave para mellorar o illamento entre os compoñentes MIMO. Como resultado, a corrente de acoplamento entre os compoñentes MIMO redúcese moito e o illamento tamén se mellora moito. Debido a que o campo de acoplamento está amplamente distribuído no elemento, a metasuperficie do plano posterior de cobre illa o conxunto de antenas MIMO significativamente máis que as metasuperficies de capa simple e dobre (Figura 18d). Ademais, a antena MIMO desenvolvida ten unha propagación posterior e lateral moi baixas, producindo un patrón de radiación unidireccional, aumentando así a ganancia da antena MIMO proposta.
Patróns de corrente de superficie da antena MIMO proposta a 5,5 GHz (a) sen MC, (b) MC dunha soa capa, (c) MC de dobre capa e (d) MC dunha soa capa con placa posterior de cobre. (CST Studio Suite 2019).
Dentro da frecuencia de operación, a Figura 19a mostra as ganancias simuladas e observadas da antena MIMO deseñada sen e con metasuperficies. A ganancia conseguida simulada da antena MIMO sen metasuperficie é de 5,4 dBi, como se mostra na Figura 19a. Debido ao efecto de acoplamento mutuo entre os compoñentes MIMO, a antena MIMO proposta realmente consegue unha ganancia 0,25 dBi máis alta que unha única antena. A adición de metasuperficies pode proporcionar beneficios significativos e illamento entre os compoñentes MIMO. Así, a antena MIMO metasuperficial proposta pode acadar unha alta ganancia realizada de ata 8,3 dBi. Como se mostra na Figura 19a, cando se usa unha única metasuperficie na parte traseira da antena MIMO, a ganancia aumenta en 1,4 dBi. Cando se duplica a metasuperficie, a ganancia aumenta en 2,1 dBi, como se mostra na Figura 19a. Non obstante, a ganancia máxima esperada de 8,3 dBi conséguese cando se usa a metasuperficie cunha placa posterior de cobre. Notablemente, a ganancia máxima conseguida para as metasuperficies de capa única e de dobre capa é de 6,8 dBi e 7,5 dBi, respectivamente, mentres que a ganancia máxima alcanzada para a metasuperficie da capa inferior é de 8,3 dBi. A capa metasuperficial na parte traseira da antena actúa como un reflector, reflectindo a radiación da parte traseira da antena e mellorando a relación fronte a atrás (F/B) da antena MIMO deseñada. Ademais, o reflector MS de alta impedancia manipula as ondas electromagnéticas en fase, creando así unha resonancia adicional e mellorando o rendemento da radiación da antena MIMO proposta. O reflector MS instalado detrás da antena MIMO pode aumentar significativamente a ganancia acadada, o que se confirma polos resultados experimentais. As ganancias observadas e simuladas da antena MIMO prototipo desenvolvida son case as mesmas, con todo, nalgunhas frecuencias a ganancia medida é maior que a ganancia simulada, especialmente para MIMO sen MS; Estas variacións na ganancia experimental débense ás tolerancias de medición das almofadas de nailon, ás perdas de cable e ao acoplamento no sistema de antenas. A ganancia máxima medida da antena MIMO sen a metasuperficie é de 5,8 dBi, mentres que a metasuperficie cunha placa posterior de cobre é de 8,5 dBi. Paga a pena sinalar que o sistema de antena MIMO completo de 4 portos proposto con reflector MS presenta unha gran ganancia en condicións experimentais e numéricas.
Simulación e resultados experimentais de (a) a ganancia acadada e (b) o rendemento global da antena MIMO proposta con efecto metasuperficie.
A figura 19b mostra o rendemento global do sistema MIMO proposto sen e con reflectores de metasuperficie. Na figura 19b, a eficiencia máis baixa usando MS con placa posterior foi superior ao 73 % (ata o 84 %). A eficiencia global das antenas MIMO desenvolvidas sen MC e con MC é case a mesma con pequenas diferenzas en comparación cos valores simulados. As razóns para isto son as tolerancias de medición e o uso de espaciadores entre a antena e o reflector MS. A ganancia acadada medida e a eficiencia global en toda a frecuencia son case similares aos resultados da simulación, o que indica que o rendemento do prototipo MIMO proposto é o esperado e que a antena MIMO baseada en MS recomendada é adecuada para comunicacións 5G. Debido a erros nos estudos experimentais, existen diferenzas entre os resultados xerais dos experimentos de laboratorio e os resultados das simulacións. O rendemento do prototipo proposto vese afectado pola falta de coincidencia de impedancia entre a antena e o conector SMA, as perdas de empalme do cable coaxial, os efectos de soldadura e a proximidade de varios dispositivos electrónicos á configuración experimental.
A figura 20 describe o progreso do deseño e optimización da devandita antena en forma de diagrama de bloques. Este diagrama de bloques proporciona unha descrición paso a paso dos principios de deseño de antenas MIMO propostos, así como dos parámetros que xogan un papel fundamental na optimización da antena para conseguir a alta ganancia e o alto illamento necesarios nunha ampla frecuencia de funcionamento.
As medicións da antena MIMO de campo próximo midéronse no SATIMO Near-Field Experimental Environment no UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. As figuras 21a,b representan os patróns de radiación do plano E e do plano H simulados e observados da antena MIMO reivindicada con e sen MS a unha frecuencia de funcionamento de 5,5 GHz. No rango de frecuencias de operación de 5,5 GHz, a antena MIMO non MS desenvolvida proporciona un patrón de radiación bidireccional consistente con valores de lóbulos laterais. Despois de aplicar o reflector MS, a antena proporciona un patrón de radiación unidireccional e reduce o nivel dos lóbulos posteriores, como se mostra nas figuras 21a, b. Paga a pena sinalar que ao usar unha metasuperficie cunha placa posterior de cobre, o patrón de antena MIMO proposto é máis estable e unidireccional que sen MS, con lóbulos laterais e traseiros moi baixos. O reflector de matriz MM proposto reduce os lóbulos traseiros e laterais da antena e tamén mellora as características da radiación dirixindo a corrente nunha dirección unidireccional (Fig. 21a, b), aumentando así a ganancia e a directividade. O patrón de radiación medido obtívose para o porto 1 cunha carga de 50 ohmios conectada aos portos restantes. Observouse que o patrón de radiación experimental era case idéntico ao simulado por CST, aínda que houbo algunhas desviacións debido ao desalineamento dos compoñentes, reflexións dos portos terminais e perdas nas conexións de cables. Ademais, inseriuse un espaciador de nailon entre a antena e o reflector MS, que é outro problema que afecta aos resultados observados en comparación cos resultados previstos.
Simulouse e probou o patrón de radiación da antena MIMO desenvolvida (sen MS e con MS) a unha frecuencia de 5,5 GHz.
É importante ter en conta que o illamento dos portos e as súas características asociadas son esenciais á hora de avaliar o rendemento dos sistemas MIMO. Examínase o rendemento da diversidade do sistema MIMO proposto, incluíndo o coeficiente de correlación de envolvente (ECC) e a ganancia de diversidade (DG), para ilustrar a robustez do sistema de antena MIMO deseñado. O ECC e o DG dunha antena MIMO pódense utilizar para avaliar o seu rendemento xa que son aspectos importantes do rendemento dun sistema MIMO. Nas seguintes seccións detallaranse estas características da antena MIMO proposta.
Coeficiente de correlación de envolvente (ECC). Ao considerar calquera sistema MIMO, ECC determina o grao en que os elementos constituíntes se correlacionan entre si respecto das súas propiedades específicas. Así, ECC demostra o grao de illamento da canle nunha rede de comunicación sen fíos. O ECC (coeficiente de correlación de envolvente) do sistema MIMO desenvolvido pódese determinar en función dos parámetros S e da emisión de campo afastado. Da ec. (7) e (8) pódese determinar o ECC da antena MIMO proposta 31.
O coeficiente de reflexión está representado por Sii e Sij representa o coeficiente de transmisión. Os patróns de radiación tridimensionais das antenas j-ésima e i-ésima veñen dados polas expresións \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) e \( \vec {{R_{ i } }} Ángulo sólido representado por \left( {\theta ,\varphi } \right)\) e \({\Omega }\). A curva ECC da antena proposta móstrase na Figura 22a e o seu valor é inferior a 0,004, que está moi por debaixo do valor aceptable de 0,5 para un sistema sen fíos. Polo tanto, o valor ECC reducido significa que o sistema MIMO de 4 portos proposto proporciona unha diversidade superior43.
Diversity Gain (DG) DG é outra métrica de rendemento do sistema MIMO que describe como o esquema de diversidade afecta a potencia irradiada. A relación (9) determina o DG do sistema de antena MIMO que se está a desenvolver, tal e como se describe en 31.
A figura 22b mostra o diagrama DG do sistema MIMO proposto, onde o valor DG está moi próximo a 10 dB. Os valores DG de todas as antenas do sistema MIMO deseñado superan os 9,98 dB.
A táboa 1 compara a antena MIMO metasuperficial proposta con sistemas MIMO similares desenvolvidos recentemente. A comparación ten en conta varios parámetros de rendemento, incluíndo ancho de banda, ganancia, illamento máximo, eficiencia global e rendemento de diversidade. Os investigadores presentaron varios prototipos de antenas MIMO con técnicas de mellora de ganancia e illamento en 5, 44, 45, 46, 47. En comparación con traballos publicados anteriormente, o sistema MIMO proposto con reflectores de metasuperficie supera os resultados en canto a ancho de banda, ganancia e illamento. Ademais, en comparación con antenas similares informadas, o sistema MIMO desenvolvido presenta un rendemento de diversidade superior e unha eficiencia global a un tamaño máis pequeno. Aínda que as antenas descritas na Sección 5.46 teñen un illamento maior que as nosas antenas propostas, estas antenas sofren de gran tamaño, baixa ganancia, ancho de banda estreito e un rendemento MIMO deficiente. A antena MIMO de 4 portos proposta en 45 presenta unha gran ganancia e eficiencia, pero o seu deseño ten un illamento baixo, un tamaño grande e un rendemento de diversidade pobre. Por outra banda, o sistema de antena de pequeno tamaño proposto en 47 ten unha ganancia e un ancho de banda operativo moi baixos, mentres que o noso sistema MIMO de 4 portos baseado en MS presenta un tamaño pequeno, unha ganancia elevada, un alto illamento e un mellor rendemento MIMO. Así, a antena MIMO metasuperficial proposta pode converterse nun gran competidor para sistemas de comunicación 5G sub-6 GHz.
Proponse unha antena MIMO de banda ancha baseada nun reflector metasuperficial de catro portos con alta ganancia e illamento para soportar aplicacións 5G por debaixo de 6 GHz. A liña microstrip alimenta unha sección radiada cadrada, que está truncada por un cadrado nas esquinas diagonais. O MS proposto e o emisor de antena impléntanse en materiais de substrato similares ao Rogers RT5880 para lograr un excelente rendemento en sistemas de comunicación 5G de alta velocidade. A antena MIMO presenta un amplo rango e alta ganancia e proporciona illamento acústico entre os compoñentes MIMO e unha excelente eficiencia. A antena única desenvolvida ten dimensións en miniatura de 0,58?0,58?0,02? cunha matriz de metasuperficie de 5 × 5, ofrece un ancho de banda operativo de 4,56 GHz, unha ganancia máxima de 8 dBi e unha eficiencia medida superior. A antena MIMO de catro portos proposta (matriz 2 × 2) está deseñada aliñando ortogonalmente cada antena única proposta con outra antena cunhas dimensións de 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Recoméndase montar unha matriz de 10 × 10 MM baixo unha antena MIMO de 12 mm de alto, que pode reducir a radiación traseira e reducir o acoplamento mutuo entre os compoñentes MIMO, mellorando así a ganancia e o illamento. Os resultados experimentais e de simulación mostran que o prototipo MIMO desenvolvido pode funcionar nun amplo rango de frecuencias de 3,08 a 7,75 GHz, cubrindo o espectro 5G por debaixo dos 6 GHz. Ademais, a antena MIMO baseada en MS proposta mellora a súa ganancia en 2,9 dBi, logrando unha ganancia máxima de 8,3 dBi, e proporciona un excelente illamento (>15,5 dB) entre os compoñentes MIMO, validando a contribución de MS. Ademais, a antena MIMO proposta ten unha alta eficiencia global media do 82% e unha baixa distancia entre elementos de 22 mm. A antena presenta un excelente rendemento de diversidade MIMO, incluíndo DG moi alto (máis de 9,98 dB), ECC moi baixo (menos de 0,004) e patrón de radiación unidireccional. Os resultados da medición son moi similares aos resultados da simulación. Estas características confirman que o sistema de antena MIMO de catro portos desenvolvido pode ser unha opción viable para os sistemas de comunicación 5G no rango de frecuencia inferior a 6 GHz.
Cowin pode fornecer antenas PCB de banda ancha de 400-6000MHz e soporte para deseñar unha nova antena segundo as súas necesidades, póñase en contacto connosco sen dúbida se tes algunha solicitude.
Hora de publicación: 10-Oct-2024