news-banner

Vijesti

Korišćenje metapovršina za poboljšanje pojačanja i izolacije širokopojasnih PCB antena za 5G sub-6 GHz komunikacione sisteme

širokopojasna pcb antena (1)

Ovaj rad predlaže kompaktnu integrisanu multi-input-multi-output (MIMO) metasurface (MS) širokopojasnu antenu za sub-6 GHz petu generaciju (5G) bežičnih komunikacionih sistema. Očigledna novina predloženog MIMO sistema je njegova široka radna širina opsega, veliko pojačanje, mali međukomponentni zazori i odlična izolacija unutar MIMO komponenti. Tačka zračenja antene je skraćena dijagonalno, delimično uzemljena, a metapovršine se koriste za poboljšanje performansi antene. Predloženi prototip integrisane single MS antene ima minijaturne dimenzije od 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Rezultati simulacije i mjerenja pokazuju širokopojasne performanse od 3,11 GHz do 7,67 GHz, uključujući najveći postignuti dobitak od 8 dBi. MIMO sistem od četiri elementa je dizajniran tako da je svaka antena ortogonalna jedna prema drugoj, zadržavajući kompaktnu veličinu i širokopojasne performanse od 3,2 do 7,6 GHz. Predloženi MIMO prototip je dizajniran i proizveden na Rogers RT5880 podlozi sa malim gubicima i minijaturizovanim dimenzijama od 1,05? 1.05? 0,02?, a njegove performanse se procjenjuju korištenjem predloženog kvadratnog rezonatora zatvorenog prstena s razdvojenim prstenom 10 x 10. Osnovni materijal je isti. Predložena metapovršina stražnje ploče značajno smanjuje stražnje zračenje antene i manipulira elektromagnetnim poljima, čime se poboljšava propusnost, pojačanje i izolacija MIMO komponenti. U poređenju sa postojećim MIMO antenama, predložena MIMO antena sa 4 porta postiže visoko pojačanje od 8,3 dBi sa prosečnom ukupnom efikasnošću do 82% u opsegu 5G ispod 6 GHz i dobro se slaže sa izmerenim rezultatima. Štaviše, razvijena MIMO antena pokazuje odlične performanse u smislu koeficijenta korelacije omotača (ECC) manjeg od 0,004, diverzitetnog dobitka (DG) od oko 10 dB (>9,98 dB) i visoke izolacije između MIMO komponenti (>15,5 dB). karakteristike. Dakle, predložena MIMO antena bazirana na MS potvrđuje svoju primjenjivost za 5G komunikacione mreže ispod 6 GHz.
5G tehnologija je nevjerojatan napredak u bežičnim komunikacijama koji će omogućiti brže i sigurnije mreže za milijarde povezanih uređaja, pružiti korisničko iskustvo s „nultom“ kašnjenjem (latencija manja od 1 milisekunde) i uvesti nove tehnologije, uključujući elektroniku. Medicinska njega, intelektualno obrazovanje. , pametni gradovi, pametne kuće, virtuelna stvarnost (VR), pametne fabrike i internet vozila (IoV) mijenjaju naše živote, društvo i industrije1,2,3. Američka Federalna komisija za komunikacije (FCC) dijeli 5G spektar u četiri frekvencijska opsega4. Frekvencijski opseg ispod 6 GHz je od interesa za istraživače jer omogućava komunikaciju na velikim udaljenostima sa visokim brzinama podataka5,6. Dodjela 5G spektra ispod 6 GHz za globalne 5G komunikacije prikazana je na slici 1, što ukazuje da sve zemlje razmatraju spektar ispod 6 GHz za 5G komunikacije7,8. Antene su važan dio 5G mreža i zahtijevat će više antena baznih stanica i korisničkih terminala.
Mikrotrakaste patch antene imaju prednosti tankosti i ravne strukture, ali su ograničene u propusnosti i pojačanju9,10, tako da je urađeno mnogo istraživanja kako bi se povećalo pojačanje i širina pojasa antene; Poslednjih godina, metapovršine (MS) su se široko koristile u antenskim tehnologijama, posebno za poboljšanje pojačanja i propusnosti11,12, međutim, ove antene su ograničene na jedan port; MIMO tehnologija je važan aspekt bežične komunikacije jer može koristiti više antena istovremeno za prijenos podataka, čime se poboljšava brzina prijenosa podataka, spektralna efikasnost, kapacitet kanala i pouzdanost13,14,15. MIMO antene su potencijalni kandidati za 5G aplikacije jer mogu prenositi i primati podatke preko više kanala bez potrebe za dodatnim napajanjem16,17. Efekat uzajamnog spajanja između MIMO komponenti zavisi od lokacije MIMO elemenata i pojačanja MIMO antene, što je veliki izazov za istraživače. Slike 18, 19 i 20 prikazuju različite MIMO antene koje rade u opsegu 5G ispod 6 GHz, a sve pokazuju dobru MIMO izolaciju i performanse. Međutim, pojačanje i radni propusni opseg ovih predloženih sistema su niski.
Metamaterijal (MM) su novi materijali koji ne postoje u prirodi i mogu manipulisati elektromagnetnim talasima, čime se poboljšavaju performanse antena21,22,23,24. MM se sada široko koristi u antenskoj tehnologiji za poboljšanje dijagrama zračenja, propusnog opsega, pojačanja i izolacije između elemenata antene i bežičnih komunikacionih sistema, kao što je diskutovano u 25, 26, 27, 28. 2029. godine, MIMO sistem sa četiri elementa zasnovan na metasurface, u kojoj je dio antene u sendviču između metapovršine i tla bez zračnog razmaka, što poboljšava MIMO performanse. Međutim, ovaj dizajn ima veću veličinu, nižu radnu frekvenciju i složenu strukturu. Elektromagnetski pojas (EBG) i uzemljena petlja uključeni su u predloženu 2-portnu širokopojasnu MIMO antenu kako bi se poboljšala izolacija MIMO30 komponenti. Dizajnirana antena ima dobre MIMO diverzitetne performanse i odličnu izolaciju između dvije MIMO antene, ali korištenjem samo dvije MIMO komponente dobit će biti niska. Osim toga, in31 je također predložio ultra-širokopojasnu (UWB) MIMO antenu sa dva porta i istražio njene MIMO performanse koristeći metamaterijale. Iako je ova antena sposobna za UWB rad, njeno pojačanje je malo i izolacija između dvije antene je loša. Rad u32 predlaže MIMO sistem sa 2 porta koji koristi reflektore elektromagnetnog pojasa (EBG) za povećanje pojačanja. Iako razvijeni antenski niz ima veliko pojačanje i dobre MIMO performanse diverziteta, njegova velika veličina otežava primenu u komunikacionim uređajima sledeće generacije. Još jedna širokopojasna antena zasnovana na reflektoru razvijena je u 33, gdje je reflektor integriran ispod antene sa većim razmakom od 22 mm, pokazujući niže vršno pojačanje od 4,87 dB. Paper 34 dizajnira MIMO antenu sa četiri priključka za mmWave aplikacije, koja je integrisana sa MS slojem kako bi se poboljšala izolacija i pojačanje MIMO sistema. Međutim, ova antena pruža dobro pojačanje i izolaciju, ali ima ograničen propusni opseg i loša mehanička svojstva zbog velikog zračnog razmaka. Slično tome, 2015. godine razvijena je MIMO antena sa tri para, 4-porta u obliku leptir-mašne, integrirana na površinu, za mmWave komunikaciju s maksimalnim pojačanjem od 7,4 dBi. B36 MS se koristi na poleđini 5G antene za povećanje pojačanja antene, gdje metapovršina djeluje kao reflektor. Međutim, struktura MS je asimetrična i manje pažnje je posvećeno strukturi jedinične ćelije.
Prema gore navedenim rezultatima analize, nijedna od gore navedenih antena nema veliko pojačanje, odličnu izolaciju, MIMO performanse i širokopojasnu pokrivenost. Stoga još uvijek postoji potreba za metasurface MIMO antenom koja može pokriti širok raspon frekvencija 5G spektra ispod 6 GHz sa visokim pojačanjem i izolacijom. Uzimajući u obzir ograničenja gore navedene literature, za bežične komunikacione sisteme ispod 6 GHz predlaže se širokopojasni MIMO antenski sistem sa četiri elementa sa visokim pojačanjem i odličnim diverzitetnim performansama. Pored toga, predložena MIMO antena pokazuje odličnu izolaciju između MIMO komponenti, male praznine u elementima i visoku efikasnost zračenja. Antenski patch je skraćen dijagonalno i postavljen na vrh metapovršine sa zračnim razmakom od 12 mm, koji odbija povratno zračenje antene i poboljšava pojačanje i usmjerenost antene. Pored toga, predložena pojedinačna antena se koristi za kreiranje MIMO antene od četiri elementa sa superiornim MIMO performansama tako što se svaka antena pozicionira ortogonalno jedna prema drugoj. Razvijena MIMO antena je zatim integrisana na vrhu 10 × 10 MS niza sa bakrenom zadnjom pločom kako bi se poboljšale performanse emisije. Dizajn karakteriše širok radni opseg (3,08-7,75 GHz), visoko pojačanje od 8,3 dBi i visoka prosečna ukupna efikasnost od 82%, kao i odličnu izolaciju veću od -15,5 dB između komponenti MIMO antene. Razvijena MIMO antena bazirana na MS simulirana je korištenjem 3D elektromagnetnog softverskog paketa CST Studio 2019 i validirana kroz eksperimentalne studije.
Ovaj odeljak pruža detaljan uvod u predloženu arhitekturu i metodologiju projektovanja jedne antene. Pored toga, detaljno se razmatraju simulirani i posmatrani rezultati, uključujući parametre rasejanja, pojačanje i ukupnu efikasnost sa i bez metapovršina. Prototip antene je razvijen na Rogers 5880 dielektričnoj podlozi sa malim gubicima debljine 1,575 mm sa dielektričnom konstantom 2,2. Za razvoj i simulaciju dizajna korišten je paket elektromagnetnih simulatora CST studio 2019.
Na slici 2 prikazana je predložena arhitektura i model dizajna jednoelementne antene. Prema dobro utvrđenim matematičkim jednačinama37, antena se sastoji od linearno napajane kvadratne zračeće tačke i bakarne uzemljene ravni (kao što je opisano u koraku 1) i rezonira sa vrlo uskim opsegom na 10,8 GHz, kao što je prikazano na slici 3b. Početna veličina radijatora antene određena je sljedećim matematičkim odnosom37:
Gdje su \(P_{L}\) i \(P_{w}\) dužina i širina zakrpe, c predstavlja brzinu svjetlosti, \(\gamma_{r}\) je dielektrična konstanta supstrata . , \(\gamma_{reff }\) predstavlja efektivnu dielektričnu vrijednost radijacijske tačke, \(\Delta L\) predstavlja promjenu dužine tačke. Zadnja ploča antene je optimizovana u drugoj fazi, povećavajući propusni opseg impedanse uprkos veoma niskoj impedanciji od 10 dB. U trećoj fazi, pozicija fidera se pomera udesno, što poboljšava propusni opseg impedanse i usklađivanje impedanse predložene antene38. U ovoj fazi, antena pokazuje odličan radni propusni opseg od 4 GHz i takođe pokriva spektar ispod 6 GHz u 5G. Četvrta i posljednja faza uključuje urezivanje kvadratnih žljebova u suprotnim uglovima radijacijske mrlje. Ovaj slot značajno proširuje propusni opseg od 4,56 GHz kako bi pokrio 5G spektar ispod 6 GHz sa 3,11 GHz na 7,67 GHz, kao što je prikazano na slici 3b. Pogled iz prednje i donje perspektive predloženog dizajna prikazan je na slici 3a, a konačni optimizirani potrebni parametri dizajna su sljedeći: 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) Pogled odozgo i pozadi na dizajniranu jednu antenu (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Kriva S-parametara.
Metapovršina je termin koji se odnosi na periodični niz jediničnih ćelija koje se nalaze na određenoj udaljenosti jedna od druge. Metapovršine su efikasan način za poboljšanje performansi zračenja antene, uključujući propusni opseg, pojačanje i izolaciju između MIMO komponenti. Zbog uticaja širenja površinskog talasa, metapovršine stvaraju dodatne rezonancije koje doprinose poboljšanju performansi antene39. Ovaj rad predlaže jedinicu epsilon-negativnog metamaterijala (MM) koja radi u 5G opsegu ispod 6 GHz. MM sa površinom od 8mm×8mm razvijen je na Rogers 5880 podlozi sa malim gubicima sa dielektričnom konstantom od 2,2 i debljinom od 1,575 mm. Optimizovani MM rezonator sastoji se od unutrašnjeg kružnog razdvojenog prstena povezanog sa dva modifikovana spoljna podeljena prstena, kao što je prikazano na slici 4a. Slika 4a sumira konačne optimizirane parametre predložene MM postavke. Nakon toga, 40 × 40 mm i 80 × 80 mm metapovršinski slojevi su razvijeni bez bakarne pozadinske ploče i sa bakrenom pozadinskom pločom koristeći 5 × 5 i 10 × 10 ćelijskih nizova, respektivno. Predložena MM struktura je modelirana pomoću softvera za 3D elektromagnetno modeliranje “CST studio suite 2019”. Proizvedeni prototip predložene strukture MM niza i postavke mjerenja (mrežni analizator sa dva porta PNA i port za talasovod) prikazan je na slici 4b radi validacije rezultata CST simulacije analizom stvarnog odgovora. Postavka mjerenja koristila je analizator mreže Agilent PNA serije u kombinaciji sa dva koaksijalna adaptera valovoda (A-INFOMW, broj dijela: 187WCAS) za slanje i primanje signala. Prototip 5×5 niza postavljen je između dva talasovodna koaksijalna adaptera povezana koaksijalnim kablom sa dva porta mrežnog analizatora (Agilent PNA N5227A). Komplet za kalibraciju Agilent N4694-60001 koristi se za kalibraciju analizatora mreže u pilot postrojenju. Simulirani i CST opaženi parametri rasejanja predloženog prototipa MM niza prikazani su na slici 5a. Može se vidjeti da predložena MM struktura rezonira u 5G frekvencijskom opsegu ispod 6 GHz. Uprkos maloj razlici u propusnom opsegu od 10 dB, simulirani i eksperimentalni rezultati su veoma slični. Rezonantna frekvencija, propusni opseg i amplituda uočene rezonancije se malo razlikuju od simuliranih, kao što je prikazano na slici 5a. Ove razlike između uočenih i simuliranih rezultata su posledica proizvodnih nesavršenosti, malih zazora između prototipa i portova talasovoda, efekata sprege između portova talasovoda i komponenti niza, i tolerancija merenja. Osim toga, pravilno postavljanje razvijenog prototipa između portova talasovoda u eksperimentalnoj postavci može rezultirati pomakom rezonancije. Osim toga, tokom faze kalibracije uočen je neželjeni šum, što je dovelo do neslaganja između numeričkih i izmjerenih rezultata. Međutim, osim ovih poteškoća, predloženi prototip MM niza ima dobre performanse zbog jake korelacije između simulacije i eksperimenta, što ga čini vrlo pogodnim za aplikacije bežične komunikacije ispod 6 GHz 5G.
(a) Geometrija jedinične ćelije (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) Fotografija MM mjerne postavke.
(a) Simulacija i verifikacija krivulja parametara raspršenja prototipa metamaterijala. (b) Kriva dielektrične konstante jedinične ćelije MM.
Relevantni efektivni parametri kao što su efektivna dielektrična konstanta, magnetna permeabilnost i indeks prelamanja su proučavani korišćenjem ugrađenih tehnika post-procesiranja CST elektromagnetnog simulatora radi dalje analize ponašanja MM jedinične ćelije. Efektivni MM parametri se dobijaju iz parametara raspršenja koristeći metod robusne rekonstrukcije. Sljedeće jednačine propusnosti i koeficijenta refleksije: (3) i (4) mogu se koristiti za određivanje indeksa prelamanja i impedanse (vidi 40).
Realni i imaginarni dio operatora su predstavljeni sa (.)' i (.)” respektivno, a cjelobrojna vrijednost m odgovara realnom indeksu prelamanja. Dielektrična konstanta i permeabilnost određuju se formulama \(\varepsilon { } = { }n/z,\) i \(\mu = nz\), koje se zasnivaju na impedansi i indeksu prelamanja, respektivno. Kriva efektivne dielektrične konstante MM strukture prikazana je na slici 5b. Na rezonantnoj frekvenciji efektivna dielektrična konstanta je negativna. Na slikama 6a,b prikazane su izvučene vrijednosti efektivne permeabilnosti (μ) i efektivnog indeksa prelamanja (n) predložene jedinične ćelije. Značajno je da ekstrahirane permeabilnosti pokazuju pozitivne realne vrijednosti bliske nuli, što potvrđuje epsilon-negativna (ENG) svojstva predložene MM strukture. Štaviše, kao što je prikazano na slici 6a, rezonancija pri permeabilnosti blizu nule je snažno povezana sa rezonantnom frekvencijom. Razvijena jedinična ćelija ima negativan indeks prelamanja (slika 6b), što znači da se predloženi MM može koristiti za poboljšanje performansi antene21,41.
Razvijeni prototip jedne širokopojasne antene proizveden je za eksperimentalno testiranje predloženog dizajna. Na slikama 7a,b prikazane su slike predloženog prototipa jednostruke antene, njenih strukturnih dijelova i mjerne postavke bliskog polja (SATIMO). Da bi se poboljšale performanse antene, razvijena metapovršina se postavlja u slojeve ispod antene, kao što je prikazano na slici 8a, visine h. Jedna dvoslojna metapovršina dimenzija 40 mm x 40 mm nanesena je na stražnju stranu pojedinačne antene u intervalima od 12 mm. Dodatno, metapovršina sa stražnjom pločom postavljena je na stražnjoj strani jedne antene na udaljenosti od 12 mm. Nakon nanošenja metapovršine, pojedinačna antena pokazuje značajno poboljšanje u performansama, kao što je prikazano na slikama 1 i 2. Slike 8 i 9. Slika 8b prikazuje simulirane i izmjerene dijagrame refleksije za jednu antenu bez i sa metapovršinama. Vrijedi napomenuti da je opseg pokrivenosti antene s metapovršinom vrlo sličan opsegu pokrivenosti antene bez metapovršine. Slike 9a,b prikazuju poređenje simuliranog i posmatranog pojačanja jedne antene i ukupne efikasnosti bez i sa MS u radnom spektru. Može se vidjeti da je u poređenju sa antenom koja nije metapovršina, pojačanje metapovršinske antene značajno poboljšano, povećavajući se sa 5,15 dBi na 8 dBi. Pojačanje jednoslojne metapovršine, dvoslojne metapovršine i jedne antene sa metapovršinom stražnje ploče povećano je za 6 dBi, 6,9 dBi i 8 dBi, respektivno. U poređenju sa drugim metapovršinama (jednoslojnim i dvoslojnim MC-ovima), pojačanje jedne metapovršinske antene sa bakrenom zadnjom pločom je do 8 dBi. U ovom slučaju, metapovršina deluje kao reflektor, smanjujući zadnje zračenje antene i manipulišući elektromagnetnim talasima u fazi, čime se povećava efikasnost zračenja antene, a time i pojačanje. Studija ukupne efikasnosti jedne antene bez i sa metapovršinama prikazana je na slici 9b. Vrijedi napomenuti da je efikasnost antene sa i bez metapovršine gotovo ista. U nižem frekventnom opsegu efikasnost antene blago opada. Eksperimentalne i simulirane krive pojačanja i efikasnosti se dobro slažu. Međutim, postoje male razlike između simuliranih i testiranih rezultata zbog grešaka u proizvodnji, tolerancije mjerenja, gubitka veze na SMA portu i gubitka žice. Pored toga, antena i MS reflektor se nalaze između najlonskih odstojnika, što je još jedan problem koji utiče na uočene rezultate u odnosu na rezultate simulacije.
Slika (a) prikazuje završenu jednu antenu i njene povezane komponente. (b) Podešavanje merenja bliskog polja (SATIMO).
(a) Pobuđivanje antene pomoću metapovršinskih reflektora (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Simulirane i eksperimentalne refleksije jedne antene bez i sa MS.
Rezultati simulacije i mjerenja (a) postignutog pojačanja i (b) ukupne efikasnosti predložene antene za metapovršinski efekat.
Analiza uzorka zraka pomoću MS. Mjerenja bliskog polja sa jednom antenom obavljena su u eksperimentalnom okruženju SATIMO Near-Field Experimental Environment UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Slike 10a, b prikazuju simulirane i posmatrane dijagrame zračenja u E-ravni i H-ravni na 5,5 GHz za predloženu jednu antenu sa i bez MS. Razvijena pojedinačna antena (bez MS) daje konzistentan dvosmjerni uzorak zračenja sa vrijednostima bočnih režnja. Nakon primjene predloženog MS reflektora, antena daje jednosmjerni uzorak zračenja i smanjuje nivo stražnjih režnjeva, kao što je prikazano na slikama 10a, b. Vrijedi napomenuti da je predloženi dijagram zračenja jedne antene stabilniji i jednosmjerniji s vrlo niskim stražnjim i bočnim režnjevima kada se koristi metapovršina s bakrenom zadnjom pločom. Predloženi reflektor MM niza smanjuje zadnju i bočnu režnju antene dok poboljšava performanse zračenja usmjeravajući struju u jednosmjernim smjerovima (slika 10a, b), čime se povećava pojačanje i usmjerenost. Uočeno je da je eksperimentalni obrazac zračenja skoro uporediv sa onim kod CST simulacija, ali je neznatno varirao zbog neusklađenosti različitih sastavljenih komponenti, tolerancija mjerenja i gubitaka u kablovima. Pored toga, između antene i MS reflektora umetnut je najlonski odstojnik, što je još jedan problem koji utiče na uočene rezultate u odnosu na numeričke rezultate.
Simuliran je i testiran dijagram zračenja razvijene pojedinačne antene (bez MS i sa MS) na frekvenciji od 5,5 GHz.
Predložena geometrija MIMO antene prikazana je na slici 11 i uključuje četiri pojedinačne antene. Četiri komponente MIMO antene su raspoređene ortogonalno jedna prema drugoj na podlozi dimenzija 80 × 80 × 1,575 mm, kao što je prikazano na slici 11. Projektovana MIMO antena ima međuelementni razmak od 22 mm, što je manje od najbliža odgovarajuća međuelementna udaljenost antene. MIMO antena razvijena. Osim toga, dio zemaljske ravni se nalazi na isti način kao i jedna antena. Vrijednosti refleksije MIMO antena (S11, S22, S33 i S44) prikazane na slici 12a pokazuju isto ponašanje kao jednoelementna antena koja rezonuje u opsegu 3,2–7,6 GHz. Stoga je propusni opseg impedancije MIMO antene potpuno isti kao i kod jedne antene. Efekat spajanja između MIMO komponenti je glavni razlog za mali gubitak propusnog opsega MIMO antena. Na slici 12b prikazan je uticaj interkonekcije na MIMO komponente, gdje je određena optimalna izolacija između MIMO komponenti. Izolacija između antena 1 i 2 je najniža na oko -13,6 dB, a izolacija između antena 1 i 4 je najviša na oko -30,4 dB. Zbog svoje male veličine i šireg propusnog opsega, ova MIMO antena ima niže pojačanje i manji protok. Izolacija je niska, pa je potrebno pojačano ojačanje i izolacija;
Dizajnerski mehanizam predložene MIMO antene (a) pogled odozgo i (b) uzemljenje. (CST Studio Suite 2019).
Geometrijski raspored i metoda pobude predložene metapovršinske MIMO antene prikazani su na slici 13a. Matrica 10x10mm sa dimenzijama 80x80x1.575mm je dizajnirana za zadnju stranu MIMO antene visoke 12mm, kao što je prikazano na slici 13a. Dodatno, metapovršine sa bakrenim stražnjim pločama su namijenjene za upotrebu u MIMO antenama kako bi se poboljšale njihove performanse. Udaljenost između metapovršine i MIMO antene je kritična za postizanje visokog pojačanja uz istovremeno omogućavanje konstruktivne interferencije između talasa koje generiše antena i onih koji se reflektuju od metapovršine. Izvršeno je opsežno modeliranje kako bi se optimizirala visina između antene i metapovršine uz održavanje četvrtvalnih standarda za maksimalno pojačanje i izolaciju između MIMO elemenata. Značajna poboljšanja u performansama MIMO antena postignuta upotrebom metapovršina sa stražnjim pločama u poređenju sa metapovršinama bez stražnjih ploča biće demonstrirana u narednim poglavljima.
(a) Postavljanje CST simulacije predložene MIMO antene koristeći MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Krive refleksije razvijenog MIMO sistema bez MS i sa MS.
Refleksije MIMO antena sa i bez metapovršina prikazane su na slici 13b, gdje su prikazani S11 i S44 zbog skoro identičnog ponašanja svih antena u MIMO sistemu. Vrijedi napomenuti da je propusni opseg impedanse od -10 dB MIMO antene bez i sa jednom metapovršinom gotovo isti. Nasuprot tome, propusni opseg impedancije predložene MIMO antene je poboljšan pomoću dvoslojnog MS-a i MS-a na zadnjoj ploči. Vrijedi napomenuti da bez MS-a, MIMO antena pruža djelomični propusni opseg od 81,5% (3,2-7,6 GHz) u odnosu na središnju frekvenciju. Integracija MS-a sa zadnjom pločom povećava propusni opseg impedancije predložene MIMO antene na 86,3% (3,08–7,75 GHz). Iako dvoslojni MS povećava propusnost, poboljšanje je manje nego kod MS-a sa bakrenom zadnjom pločom. Štaviše, dvoslojni MC povećava veličinu antene, povećava njenu cenu i ograničava njen domet. Dizajnirana MIMO antena i metapovršinski reflektor su proizvedeni i verifikovani kako bi se potvrdili rezultati simulacije i procenile stvarne performanse. Slika 14a prikazuje izrađeni MS sloj i MIMO antenu sa različitim sastavljenim komponentama, dok slika 14b prikazuje fotografiju razvijenog MIMO sistema. MIMO antena se montira na vrh metapovršine pomoću četiri najlonska odstojnika, kao što je prikazano na slici 14b. Slika 15a prikazuje snimak eksperimentalne postavke bliskog polja razvijenog MIMO antenskog sistema. PNA mrežni analizator (Agilent Technologies PNA N5227A) korišten je za procjenu parametara raspršenja i za evaluaciju i karakterizaciju emisijskih karakteristika bliskog polja u laboratoriji UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory.
(a) Fotografije SATIMO mjerenja bliskog polja (b) Simulirane i eksperimentalne krive S11 MIMO antene sa i bez MS.
Ovaj odjeljak predstavlja komparativnu studiju simuliranih i promatranih S-parametara predložene 5G MIMO antene. Slika 15b prikazuje eksperimentalni dijagram refleksije integrisane 4-elementne MIMO MS antene i upoređuje je sa rezultatima CST simulacije. Utvrđeno je da su eksperimentalne refleksije iste kao kod CST proračuna, ali su se malo razlikovale zbog grešaka u proizvodnji i eksperimentalnih tolerancija. Osim toga, uočena refleksija predloženog MIMO prototipa zasnovanog na MS-u pokriva 5G spektar ispod 6 GHz sa propusnim opsegom impedancije od 4,8 GHz, što znači da su 5G aplikacije moguće. Međutim, izmjerena rezonantna frekvencija, propusni opseg i amplituda se neznatno razlikuju od rezultata CST simulacije. Defekti u proizvodnji, gubici koaksijalne sprege na SMA i postavke mjerenja na otvorenom mogu uzrokovati razlike između izmjerenih i simuliranih rezultata. Međutim, uprkos ovim nedostacima, predloženi MIMO radi dobro, pružajući jaku saglasnost između simulacija i merenja, što ga čini veoma pogodnim za 5G bežične aplikacije ispod 6 GHz.
Simulirane i posmatrane krive pojačanja MIMO antene prikazane su na slikama 2 i 2. Kao što je prikazano na slikama 16a,b i 17a,b, prikazana je međusobna interakcija MIMO komponenti. Kada se metapovršine primjenjuju na MIMO antene, izolacija između MIMO antena je značajno poboljšana. Dijagrami izolacije između susjednih antenskih elemenata S12, S14, S23 i S34 pokazuju slične krive, dok dijagonalne MIMO antene S13 i S42 pokazuju slično visoku izolaciju zbog veće udaljenosti između njih. Simulirane karakteristike prenosa susjednih antena prikazane su na slici 16a. Vrijedi napomenuti da je u 5G radnom spektru ispod 6 GHz minimalna izolacija MIMO antene bez metapovršine -13,6 dB, a za metapovršinu sa stražnjom pločom – 15,5 dB. Grafikon pojačanja (Slika 16a) pokazuje da metapovršina stražnje ploče značajno poboljšava izolaciju između elemenata MIMO antene u poređenju sa jednoslojnim i dvoslojnim metapovršinama. Na susednim elementima antene, jednoslojne i dvoslojne metapovršine obezbeđuju minimalnu izolaciju od približno -13,68 dB i -14,78 dB, a bakarna metapovršina zadnje ploče obezbeđuje približno -15,5 dB.
Simulirane krivulje izolacije MIMO elemenata bez MS sloja i sa MS slojem: (a) S12, S14, S34 i S32 i (b) S13 i S24.
Eksperimentalne krive pojačanja predloženih MS baziranih MIMO antena bez i sa: (a) S12, S14, S34 i S32 i (b) S13 i S24.
Dijagonale MIMO dijagonalnog pojačanja antene prije i nakon dodavanja MS sloja prikazane su na slici 16b. Vrijedi napomenuti da je minimalna izolacija između dijagonalnih antena bez metapovršine (antene 1 i 3) – 15,6 dB po radnom spektru, a metapovršine sa stražnjom pločom je – 18 dB. Metasurface pristup značajno smanjuje efekte spajanja između dijagonalnih MIMO antena. Maksimalna izolacija za jednoslojnu metapovršinu je -37 dB, dok za dvoslojnu metapovršinu ova vrijednost pada na -47 dB. Maksimalna izolacija metapovršine sa bakrenom zadnjom pločom je −36,2 dB, koja se smanjuje sa povećanjem frekvencijskog opsega. U poređenju sa jednoslojnim i dvoslojnim metapovršinama bez pozadinske ploče, metapovršine sa zadnjom pločom pružaju superiornu izolaciju u cijelom potrebnom radnom frekvencijskom opsegu, posebno u 5G opsegu ispod 6 GHz, kao što je prikazano na slikama 16a, b. U najpopularnijem i najšire korištenom 5G opsegu ispod 6 GHz (3,5 GHz), jednoslojne i dvoslojne metapovršine imaju nižu izolaciju između MIMO komponenti nego metapovršine sa bakrenim stražnjim pločama (skoro da nema MS) (vidi sliku 16a), b). Mjerenja pojačanja prikazana su na slikama 17a, b, prikazujući izolaciju susjednih antena (S12, S14, S34 i S32) i dijagonalnih antena (S24 i S13), respektivno. Kao što se može vidjeti iz ovih slika (slika 17a, b), eksperimentalna izolacija između MIMO komponenti dobro se slaže sa simuliranom izolacijom. Iako postoje manje razlike između simuliranih i izmjerenih CST vrijednosti zbog grešaka u proizvodnji, priključaka SMA porta i gubitaka žice. Pored toga, antena i MS reflektor se nalaze između najlonskih odstojnika, što je još jedan problem koji utiče na uočene rezultate u odnosu na rezultate simulacije.
proučavao raspodjelu površinske struje na 5,5 GHz kako bi se racionalizirala uloga metapovršina u smanjenju međusobnog spajanja kroz potiskivanje površinskih valova42. Raspodjela površinske struje predložene MIMO antene prikazana je na slici 18, gdje je antena 1 pogonjena, a ostatak antene je završen opterećenjem od 50 oma. Kada je antena 1 pod naponom, značajne struje međusobnog spajanja će se pojaviti na susjednim antenama na 5,5 GHz u odsustvu metapovršine, kao što je prikazano na slici 18a. Naprotiv, korišćenjem metapovršina, kao što je prikazano na slici 18b–d, poboljšana je izolacija između susednih antena. Treba napomenuti da se efekat međusobnog spajanja susednih polja može minimizirati širenjem struje sprege na susedne prstenove jediničnih ćelija i susednih MS jediničnih ćelija duž MS sloja u antiparalelnim pravcima. Ubrizgavanje struje iz distribuiranih antena u MS jedinice je ključna metoda za poboljšanje izolacije između MIMO komponenti. Kao rezultat toga, struja spajanja između MIMO komponenti je znatno smanjena, a izolacija je također značajno poboljšana. Budući da je polje spajanja široko raspoređeno u elementu, metapovršina bakarne stražnje ploče izoluje sklop MIMO antene znatno više od jednoslojnih i dvoslojnih metapovršina (slika 18d). Štaviše, razvijena MIMO antena ima vrlo nisko povratno i bočno širenje, stvarajući jednosmjerni uzorak zračenja, čime se povećava pojačanje predložene MIMO antene.
Obrasci površinskih struja predložene MIMO antene na 5,5 GHz (a) bez MC, (b) jednoslojni MC, (c) dvoslojni MC i (d) jednoslojni MC sa bakrenom zadnjom pločom. (CST Studio Suite 2019).
U okviru radne frekvencije, Slika 19a prikazuje simulirane i uočene pojačanja projektovane MIMO antene bez i sa metapovršinama. Simulirano postignuto pojačanje MIMO antene bez metapovršine je 5,4 dBi, kao što je prikazano na slici 19a. Zbog efekta međusobnog spajanja između MIMO komponenti, predložena MIMO antena zapravo postiže 0,25 dBi veće pojačanje od jedne antene. Dodavanje metapovršina može pružiti značajne dobitke i izolaciju između MIMO komponenti. Dakle, predložena metapovršinska MIMO antena može postići visoko ostvareno pojačanje do 8,3 dBi. Kao što je prikazano na slici 19a, kada se koristi jedna metapovršina na zadnjoj strani MIMO antene, pojačanje se povećava za 1,4 dBi. Kada se metapovršina udvostruči, pojačanje se povećava za 2,1 dBi, kao što je prikazano na slici 19a. Međutim, očekivano maksimalno pojačanje od 8,3 dBi se postiže kada se koristi metapovršina sa bakrenom zadnjom pločom. Značajno je da je maksimalno postignuto pojačanje za jednoslojne i dvoslojne metapovršine 6,8 dBi i 7,5 dBi, respektivno, dok je maksimalno postignuto pojačanje za metapovršinu donjeg sloja 8,3 dBi. Metapovršinski sloj na stražnjoj strani antene djeluje kao reflektor, reflektirajući zračenje sa stražnje strane antene i poboljšavajući odnos naprijed-nazad (F/B) dizajnirane MIMO antene. Pored toga, MS reflektor visoke impedanse manipuliše elektromagnetnim talasima u fazi, stvarajući na taj način dodatnu rezonanciju i poboljšavajući performanse zračenja predložene MIMO antene. MS reflektor ugrađen iza MIMO antene može značajno povećati postignuto pojačanje, što potvrđuju i eksperimentalni rezultati. Uočeni i simulirani dobici razvijene prototipa MIMO antene su skoro isti, međutim, na nekim frekvencijama je izmjereno pojačanje veće od simuliranog pojačanja, posebno za MIMO bez MS; Ove varijacije u eksperimentalnom pojačanju su posledica tolerancija merenja najlonskih jastučića, gubitaka u kablu i spajanja u sistemu antene. Maksimalno izmjereno pojačanje MIMO antene bez metapovršine je 5,8 dBi, dok je metapovršina sa bakrenom stražnjom pločom 8,5 dBi. Vrijedi napomenuti da predloženi kompletan 4-portni MIMO antenski sistem sa MS reflektorom pokazuje veliko pojačanje u eksperimentalnim i numeričkim uvjetima.
Simulacija i eksperimentalni rezultati (a) postignutog pojačanja i (b) ukupnih performansi predložene MIMO antene sa metapovršinskim efektom.
Slika 19b prikazuje ukupne performanse predloženog MIMO sistema bez i sa metapovršinskim reflektorima. Na slici 19b, najniža efikasnost korišćenjem MS-a sa zadnjom pločom bila je preko 73% (do 84%). Ukupna efikasnost razvijenih MIMO antena bez MC i sa MC je skoro ista sa manjim razlikama u odnosu na simulirane vrednosti. Razlozi za to su tolerancije mjerenja i upotreba odstojnika između antene i MS reflektora. Izmjereni postignuti dobitak i ukupna efikasnost na cijeloj frekvenciji su skoro slični rezultatima simulacije, što ukazuje da su performanse predloženog MIMO prototipa očekivane i da je preporučena MIMO antena bazirana na MS prikladna za 5G komunikaciju. Zbog grešaka u eksperimentalnim studijama, postoje razlike između ukupnih rezultata laboratorijskih eksperimenata i rezultata simulacija. Na performanse predloženog prototipa utiču neusklađenost impedancije između antene i SMA konektora, gubici pri spajanju koaksijalnog kabla, efekti lemljenja i blizina različitih elektronskih uređaja eksperimentalnoj postavci.
Slika 20. opisuje napredak projektovanja i optimizacije navedene antene u obliku blok dijagrama. Ovaj blok dijagram daje korak po korak opis predloženih principa dizajna MIMO antene, kao i parametara koji igraju ključnu ulogu u optimizaciji antene kako bi se postigla potrebna visoka dobit i visoka izolacija na širokoj radnoj frekvenciji.
Mjerenja MIMO antene u bliskom polju mjerena su u SATIMO eksperimentalnom okruženju bliskog polja u Laboratoriji za sisteme bliskog polja UKM SATIMO. Slike 21a,b prikazuju simulirane i posmatrane dijagrame zračenja u E-ravni i H-ravni MIMO antene sa i bez MS na radnoj frekvenciji od 5,5 GHz. U opsegu radne frekvencije od 5,5 GHz, razvijena ne-MS MIMO antena pruža konzistentan dvosmjerni uzorak zračenja sa vrijednostima bočnih režnjeva. Nakon primjene MS reflektora, antena daje jednosmjerni uzorak zračenja i smanjuje nivo stražnjih režnjeva, kao što je prikazano na slikama 21a, b. Vrijedi napomenuti da je korištenjem metapovršine sa bakrenom zadnjom pločom, predloženi MIMO antenski dijagram stabilniji i jednosmjerniji nego bez MS, sa vrlo niskim stražnjim i bočnim režnjevima. Predloženi reflektor MM niza smanjuje stražnje i bočne režnjeve antene i također poboljšava karakteristike zračenja usmjeravajući struju u jednosmjernom smjeru (slika 21a, b), čime se povećava pojačanje i usmjerenost. Izmjereni dijagram zračenja dobiven je za priključak 1 s opterećenjem od 50 oma spojenim na preostale priključke. Uočeno je da je eksperimentalni obrazac zračenja bio gotovo identičan onom simuliranom pomoću CST-a, iako je bilo nekih odstupanja zbog neusklađenosti komponenti, refleksije sa terminalnih priključaka i gubitaka u kabelskim vezama. Dodatno, između antene i MS reflektora umetnut je najlonski odstojnik, što je još jedan problem koji utiče na uočene rezultate u odnosu na predviđene rezultate.
Simuliran je i testiran dijagram zračenja razvijene MIMO antene (bez MS i sa MS) na frekvenciji od 5,5 GHz.
Važno je napomenuti da su izolacija portova i njegove povezane karakteristike bitne kada se procjenjuje performanse MIMO sistema. Performanse diverziteta predloženog MIMO sistema, uključujući koeficijent korelacije omotača (ECC) i diverzitetsko pojačanje (DG), ispitane su da bi se ilustrovala robusnost projektovanog MIMO antenskog sistema. ECC i DG MIMO antene mogu se koristiti za procjenu njenih performansi jer su važni aspekti performansi MIMO sistema. Sljedeći odjeljci će detaljno opisati ove karakteristike predložene MIMO antene.
Koeficijent korelacije omotača (ECC). Kada se razmatra bilo koji MIMO sistem, ECC određuje stepen do kojeg sastavni elementi koreliraju jedni s drugima u pogledu njihovih specifičnih svojstava. Dakle, ECC pokazuje stepen izolacije kanala u bežičnoj komunikacijskoj mreži. ECC (koeficijent korelacije omotača) razvijenog MIMO sistema može se odrediti na osnovu S-parametara i emisije dalekog polja. Iz Eq. (7) i (8) može se odrediti ECC predložene MIMO antene 31.
Koeficijent refleksije je predstavljen sa Sii, a Sij predstavlja koeficijent prijenosa. Trodimenzionalni dijagram zračenja j-te i i-te antene dati su izrazima \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi} \desno)\) i \( \vec {{R_{ i } }} Puni ugao predstavljen sa \left( {\theta ,\varphi } \right)\) i \({\Omega }\). ECC kriva predložene antene prikazana je na slici 22a i njena vrijednost je manja od 0,004, što je znatno ispod prihvatljive vrijednosti od 0,5 za bežični sistem. Stoga, smanjena ECC vrijednost znači da predloženi MIMO sistem sa 4 porta pruža superiornu raznolikost43.
Diversity Gain (DG) DG je još jedna metrika performansi MIMO sistema koja opisuje kako shema diverziteta utiče na snagu zračenja. Relacija (9) određuje DG MIMO antenskog sistema koji se razvija, kao što je opisano u 31.
Slika 22b prikazuje DG dijagram predloženog MIMO sistema, gdje je vrijednost DG vrlo blizu 10 dB. DG vrijednosti svih antena projektovanog MIMO sistema prelaze 9,98 dB.
Tabela 1 upoređuje predloženu metasurface MIMO antenu sa nedavno razvijenim sličnim MIMO sistemima. Poređenje uzima u obzir različite parametre performansi, uključujući propusni opseg, pojačanje, maksimalnu izolaciju, ukupnu efikasnost i raznolikost performansi. Istraživači su predstavili različite prototipove MIMO antena sa tehnikama poboljšanja pojačanja i izolacije u 5, 44, 45, 46, 47. U poređenju sa prethodno objavljenim radovima, predloženi MIMO sistem sa metapovršinskim reflektorima ih nadmašuje u smislu širine opsega, pojačanja i izolacije. Dodatno, u poređenju sa sličnim antenama koje su objavljene, razvijeni MIMO sistem pokazuje superiorne performanse diverziteta i ukupnu efikasnost pri manjoj veličini. Iako antene opisane u Odjeljku 5.46 imaju veću izolaciju od naših predloženih antena, ove antene pate od velike veličine, malog pojačanja, uskog propusnog opsega i loših MIMO performansi. MIMO antena sa 4 porta predložena u 45 pokazuje visoko pojačanje i efikasnost, ali njen dizajn ima nisku izolaciju, veliku veličinu i loše performanse diverziteta. S druge strane, antenski sistem male veličine predložen u 47 ima vrlo nisko pojačanje i radni propusni opseg, dok naš predloženi MS baziran 4-port MIMO sistem pokazuje malu veličinu, veliko pojačanje, visoku izolaciju i bolje performanse MIMO. Stoga, predložena metapovršinska MIMO antena može postati glavni kandidat za 5G komunikacione sisteme ispod 6 GHz.
Predložena je širokopojasna MIMO antena sa četiri porta zasnovana na metasurface reflektoru sa visokim pojačanjem i izolacijom za podršku 5G aplikacijama ispod 6 GHz. Mikrotrakasta linija napaja kvadratni zračeći dio, koji je skraćen kvadratom na dijagonalnim uglovima. Predloženi MS i antenski emiter implementirani su na materijale supstrata sličnih Rogers RT5880 kako bi se postigle odlične performanse u brzim 5G komunikacionim sistemima. MIMO antena ima širok domet i visoko pojačanje, te pruža zvučnu izolaciju između MIMO komponenti i odličnu efikasnost. Razvijena pojedinačna antena ima minijaturne dimenzije 0,58?0,58?0,02? sa 5×5 metasurface nizom, pruža široki radni propusni opseg od 4,56 GHz, vršno pojačanje od 8 dBi i superiornu izmjerenu efikasnost. Predložena MIMO antena sa četiri porta (2 × 2 niz) je dizajnirana ortogonalnim poravnavanjem svake predložene pojedinačne antene sa drugom antenom dimenzija 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Preporučuje se sastavljanje niza 10×10 MM ispod MIMO antene visoke 12 mm, koja može smanjiti povratno zračenje i smanjiti međusobnu spregu između MIMO komponenti, čime se poboljšava pojačanje i izolacija. Eksperimentalni i rezultati simulacije pokazuju da razvijeni MIMO prototip može raditi u širokom frekventnom opsegu od 3,08–7,75 GHz, pokrivajući 5G spektar ispod 6 GHz. Pored toga, predložena MIMO antena zasnovana na MS poboljšava svoje pojačanje za 2,9 dBi, postižući maksimalno pojačanje od 8,3 dBi, i pruža odličnu izolaciju (>15,5 dB) između MIMO komponenti, potvrđujući doprinos MS-a. Osim toga, predložena MIMO antena ima visoku prosječnu ukupnu efikasnost od 82% i malu međuelementnu udaljenost od 22 mm. Antena pokazuje odlične performanse MIMO diverziteta uključujući vrlo visok DG (preko 9,98 dB), vrlo nizak ECC (manje od 0,004) i jednosmjerni uzorak zračenja. Rezultati mjerenja su vrlo slični rezultatima simulacije. Ove karakteristike potvrđuju da razvijeni MIMO antenski sistem sa četiri priključka može biti održiv izbor za 5G komunikacione sisteme u frekvencijskom opsegu ispod 6 GHz.
Cowin može pružiti širokopojasnu PCB antenu od 400-6000MHz i podršku za dizajniranje nove antene prema vašim zahtjevima, kontaktirajte nas bez oklijevanja ako imate bilo kakav zahtjev.

 

 


Vrijeme objave: 10.10.2024