В этой работе предлагается компактная интегрированная метаповерхностная (MS) широкополосная антенна с несколькими входами и множеством выходов (MIMO) для систем беспроводной связи пятого поколения (5G) с частотой менее 6 ГГц. Очевидная новизна предлагаемой системы MIMO заключается в ее широкой рабочей полосе пропускания, высоком коэффициенте усиления, небольших межкомпонентных зазорах и превосходной изоляции внутри компонентов MIMO. Излучающее пятно антенны усечено по диагонали, частично заземлено, а для улучшения характеристик антенны используются метаповерхности. Предлагаемый прототип интегрированной одиночной МС-антенны имеет миниатюрные размеры 0,58λ×0,58λ×0,02λ. Результаты моделирования и измерений демонстрируют производительность в широкополосном диапазоне от 3,11 ГГц до 7,67 ГГц, включая максимально достигнутый коэффициент усиления 8 дБи. Четырехэлементная система MIMO спроектирована таким образом, что каждая антенна расположена ортогонально друг другу, сохраняя при этом компактный размер и широкополосную производительность от 3,2 до 7,6 ГГц. Предлагаемый прототип MIMO спроектирован и изготовлен на подложке Rogers RT5880 с низкими потерями и миниатюрными размерами 1,05? 1,05? 0,02?, а его характеристики оцениваются с использованием предлагаемой квадратной решетки замкнутых кольцевых резонаторов с разрезным кольцом 10 x 10. Основной материал тот же. Предлагаемая метаповерхность объединительной платы значительно снижает обратное излучение антенны и манипулирует электромагнитными полями, тем самым улучшая полосу пропускания, усиление и изоляцию компонентов MIMO. По сравнению с существующими MIMO-антеннами предлагаемая 4-портовая MIMO-антенна обеспечивает высокий коэффициент усиления 8,3 дБи со средней общей эффективностью до 82 % в диапазоне 5G ниже 6 ГГц и хорошо согласуется с результатами измерений. Кроме того, разработанная антенна MIMO демонстрирует отличные характеристики с точки зрения коэффициента корреляции огибающей (ECC) менее 0,004, коэффициента усиления разнесения (DG) около 10 дБ (>9,98 дБ) и высокой изоляции между компонентами MIMO (>15,5 дБ). характеристики. Таким образом, предлагаемая MIMO-антенна на базе MS подтверждает свою применимость для сетей связи 5G с частотой менее 6 ГГц.
Технология 5G — это невероятный прогресс в области беспроводной связи, который обеспечит более быстрые и безопасные сети для миллиардов подключенных устройств, обеспечит удобство работы пользователей с «нулевой» задержкой (задержка менее 1 миллисекунды) и внедрит новые технологии, включая электронику. Медицинское обслуживание, интеллектуальное образование. , умные города, умные дома, виртуальная реальность (VR), умные заводы и Интернет транспортных средств (IoV) меняют нашу жизнь, общество и отрасли1,2,3. Федеральная комиссия по связи США (FCC) делит спектр 5G на четыре частотных диапазона4. Полоса частот ниже 6 ГГц представляет интерес для исследователей, поскольку позволяет осуществлять связь на большие расстояния с высокой скоростью передачи данных5,6. Распределение спектра 5G ниже 6 ГГц для глобальной связи 5G показано на рисунке 1, что указывает на то, что все страны рассматривают возможность использования спектра ниже 6 ГГц для связи 5G7,8. Антенны являются важной частью сетей 5G и потребуют большего количества антенн базовых станций и пользовательских терминалов.
Микрополосковые патч-антенны имеют преимущества тонкости и плоской структуры, но ограничены в полосе пропускания и усилении9,10, поэтому было проведено много исследований для увеличения усиления и полосы пропускания антенны; В последние годы метаповерхности (МС) широко используются в антенных технологиях, особенно для улучшения усиления и пропускной способности11,12, однако эти антенны ограничены одним портом; Технология MIMO является важным аспектом беспроводной связи, поскольку она может использовать несколько антенн одновременно для передачи данных, тем самым улучшая скорость передачи данных, спектральную эффективность, пропускную способность канала и надежность13,14,15. Антенны MIMO являются потенциальными кандидатами для приложений 5G, поскольку они могут передавать и получать данные по нескольким каналам, не требуя дополнительной мощности16,17. Эффект взаимной связи между компонентами MIMO зависит от местоположения элементов MIMO и усиления антенны MIMO, что является серьезной проблемой для исследователей. На рисунках 18, 19 и 20 показаны различные MIMO-антенны, работающие в диапазоне 5G ниже 6 ГГц, и все они демонстрируют хорошую изоляцию и производительность MIMO. Однако коэффициент усиления и рабочая полоса пропускания этих предлагаемых систем невелики.
Метаматериалы (ММ) — это новые материалы, которые не существуют в природе и могут манипулировать электромагнитными волнами, тем самым улучшая характеристики антенн21,22,23,24. В настоящее время ММ широко используется в антенной технологии для улучшения диаграммы направленности, ширины полосы пропускания, усиления и изоляции между антенными элементами и системами беспроводной связи, как обсуждалось в 25, 26, 27, 28. В 2029 году четырехэлементная система MIMO на основе метаповерхность, в которой секция антенны расположена между метаповерхностью и землей без воздушного зазора, что улучшает характеристики MIMO. Однако эта конструкция имеет больший размер, меньшую рабочую частоту и сложную конструкцию. Электромагнитная запрещенная зона (EBG) и контур заземления включены в предлагаемую 2-портовую широкополосную антенну MIMO для улучшения изоляции компонентов MIMO30. Разработанная антенна имеет хорошие характеристики разнесения MIMO и отличную изоляцию между двумя MIMO-антеннами, но при использовании только двух MIMO-компонентов коэффициент усиления будет низким. Кроме того, in31 также предложил сверхширокополосную (СШП) двухпортовую антенну MIMO и исследовал ее характеристики MIMO с использованием метаматериалов. Хотя эта антенна способна работать в режиме СШП, ее усиление низкое, а изоляция между двумя антеннами плохая. В работе in32 предлагается 2-портовая система MIMO, которая использует отражатели с электромагнитной запрещенной зоной (EBG) для увеличения усиления. Хотя разработанная антенная решетка имеет высокий коэффициент усиления и хорошие характеристики разнесения MIMO, ее большой размер затрудняет ее применение в устройствах связи следующего поколения. Другая широкополосная антенна на основе отражателя была разработана в 33, где отражатель был встроен под антенну с большим зазором 22 мм, демонстрируя более низкое пиковое усиление - 4,87 дБ. В документе 34 разработана четырехпортовая MIMO-антенна для приложений mmWave, которая интегрирована с уровнем MS для улучшения изоляции и усиления системы MIMO. Однако эта антенна обеспечивает хорошее усиление и изоляцию, но имеет ограниченную полосу пропускания и плохие механические свойства из-за большого воздушного зазора. Аналогичным образом, в 2015 году была разработана трехпарная 4-портовая MIMO-антенна в форме галстука-бабочки, интегрированная в метаповерхность, для связи в миллиметровых волнах с максимальным усилением 7,4 дБи. B36 MS используется на задней стороне антенны 5G для увеличения усиления антенны, где метаповерхность действует как отражатель. Однако структура MS асимметрична, и структуре элементарной ячейки уделяется меньше внимания.
Согласно приведенным выше результатам анализа, ни одна из вышеперечисленных антенн не обладает высоким коэффициентом усиления, отличной изоляцией, характеристиками MIMO и широкополосным покрытием. Таким образом, по-прежнему существует потребность в метаповерхностной MIMO-антенне, которая может охватывать широкий диапазон частот спектра 5G ниже 6 ГГц с высоким коэффициентом усиления и изоляцией. Учитывая ограничения вышеупомянутой литературы, для систем беспроводной связи с частотой ниже 6 ГГц предлагается широкополосная четырехэлементная антенная система MIMO с высоким коэффициентом усиления и отличными характеристиками разнесения. Кроме того, предлагаемая антенна MIMO демонстрирует превосходную изоляцию между компонентами MIMO, малые зазоры между элементами и высокую эффективность излучения. Антенное пятно усечено по диагонали и размещено поверх метаповерхности с воздушным зазором шириной 12 мм, который отражает обратное излучение антенны и улучшает усиление и направленность антенны. Кроме того, предложенная одиночная антенна используется для создания четырехэлементной MIMO-антенны с превосходными характеристиками MIMO за счет расположения каждой антенны ортогонально друг другу. Разработанная антенна MIMO была затем интегрирована поверх массива МС 10 × 10 с медной объединительной платой для улучшения характеристик излучения. Конструкция отличается широким рабочим диапазоном (3,08–7,75 ГГц), высоким коэффициентом усиления 8,3 дБи и высокой средней общей эффективностью 82 %, а также превосходной изоляцией более −15,5 дБ между компонентами антенны MIMO. Разработанная MIMO-антенна на базе MS была смоделирована с использованием пакета 3D-электромагнитного программного обеспечения CST Studio 2019 и проверена посредством экспериментальных исследований.
В этом разделе представлено подробное введение в предлагаемую архитектуру и методологию проектирования одиночной антенны. Кроме того, подробно обсуждаются смоделированные и наблюдаемые результаты, включая параметры рассеяния, коэффициент усиления и общую эффективность с метаповерхностями и без них. Прототип антенны был разработан на диэлектрической подложке Rogers 5880 с низкими потерями толщиной 1,575 мм и диэлектрической проницаемостью 2,2. Для разработки и моделирования конструкции использовался пакет электромагнитного симулятора CST studio 2019.
На рис. 2 показаны предлагаемая архитектура и конструктивная модель одноэлементной антенны. Согласно общепризнанным математическим уравнениям37, антенна состоит из линейно питаемого квадратного излучающего пятна и медной заземляющей пластины (как описано в шаге 1) и резонирует с очень узкой полосой пропускания на частоте 10,8 ГГц, как показано на рисунке 3b. Начальный размер излучателя антенны определяется следующим математическим соотношением37:
Где \(P_{L}\) и \(P_{w}\) — длина и ширина патча, c представляет скорость света, \(\gamma_{r}\) — диэлектрическая проницаемость подложки. . , \(\gamma_{reff }\) представляет собой эффективную диэлектрическую величину пятна излучения, \(\Delta L\) представляет собой изменение длины пятна. Объединительная плата антенны была оптимизирована на втором этапе, увеличив полосу сопротивления, несмотря на очень низкую полосу сопротивления в 10 дБ. На третьем этапе положение фидера перемещается вправо, что улучшает полосу пропускания импеданса и согласование импедансов предлагаемой антенны38. На этом этапе антенна демонстрирует отличную рабочую полосу пропускания 4 ГГц, а также покрывает спектр ниже 6 ГГц в 5G. Четвертый и последний этап заключается в травлении квадратных канавок в противоположных углах пятна излучения. Этот слот значительно расширяет полосу пропускания 4,56 ГГц для покрытия спектра 5G ниже 6 ГГц с 3,11 ГГц до 7,67 ГГц, как показано на рисунке 3b. Виды предлагаемой конструкции в перспективе спереди и снизу показаны на рисунке 3а, а окончательные оптимизированные требуемые параметры конструкции следующие: SL = 40 мм, Pw = 18 мм, PL = 18 мм, gL = 12 мм, fL = 11. мм, fW=4,7 мм, с1=2 мм, с2=9,65 мм, с3=1,65 мм.
(а) Виды спроектированной одиночной антенны сверху и сзади (CST STUDIO SUITE 2019). (б) Кривая S-параметра.
Метаповерхность — термин, обозначающий периодический массив элементарных ячеек, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Метаповерхности — это эффективный способ улучшить характеристики излучения антенны, включая полосу пропускания, усиление и изоляцию между компонентами MIMO. Из-за влияния распространения поверхностных волн метаповерхности генерируют дополнительные резонансы, которые способствуют улучшению характеристик антенны39. В этой работе предлагается блок эпсилон-отрицательного метаматериала (ММ), работающий в диапазоне 5G ниже 6 ГГц. ММ с площадью поверхности 8мм×8мм был разработан на подложке Rogers 5880 с низкими потерями, диэлектрической проницаемостью 2,2 и толщиной 1,575мм. Оптимизированная заплата резонатора ММ состоит из внутреннего круглого разрезного кольца, соединенного с двумя модифицированными внешними разрезными кольцами, как показано на рисунке 4а. На рисунке 4а суммированы окончательные оптимизированные параметры предлагаемой установки ММ. Впоследствии были разработаны слои метаповерхности 40 × 40 мм и 80 × 80 мм без медной объединительной платы и с медной объединительной платой с использованием массивов ячеек 5 × 5 и 10 × 10 соответственно. Предложенная структура ММ была смоделирована с использованием программного обеспечения для трехмерного электромагнитного моделирования «CST studio suite 2019». Изготовленный прототип предлагаемой структуры массива ММ и измерительной установки (двухпортовый анализатор цепей PNA и порт волновода) показан на рисунке 4b для проверки результатов моделирования CST путем анализа фактического отклика. В измерительной установке использовался анализатор цепей серии Agilent PNA в сочетании с двумя волноводными коаксиальными адаптерами (A-INFOMW, номер детали: 187WCAS) для отправки и приема сигналов. Прототип матрицы 5×5 был помещен между двумя волноводными коаксиальными адаптерами, подключенными коаксиальным кабелем к двухпортовому анализатору цепей (Agilent PNA N5227A). Калибровочный комплект Agilent N4694-60001 используется для калибровки анализатора цепей на пилотной установке. Смоделированные и наблюдаемые CST параметры рассеяния предлагаемого прототипа массива ММ показаны на рисунке 5а. Видно, что предложенная структура ММ резонирует в диапазоне частот 5G ниже 6 ГГц. Несмотря на небольшую разницу в полосе пропускания в 10 дБ, смоделированные и экспериментальные результаты очень похожи. Резонансная частота, полоса пропускания и амплитуда наблюдаемого резонанса немного отличаются от смоделированных, как показано на рисунке 5а. Эти различия между наблюдаемыми и смоделированными результатами обусловлены несовершенством изготовления, небольшими зазорами между прототипом и портами волновода, эффектами связи между портами волновода и компонентами решетки, а также допусками измерений. Кроме того, правильное размещение разработанного прототипа между портами волновода в экспериментальной установке может привести к резонансному сдвигу. Кроме того, на этапе калибровки наблюдался нежелательный шум, что приводило к расхождениям между численными и измеренными результатами. Однако, помимо этих трудностей, предлагаемый прототип массива ММ работает хорошо благодаря сильной корреляции между моделированием и экспериментом, что делает его хорошо подходящим для приложений беспроводной связи 5G с частотой менее 6 ГГц.
(a) Геометрия элементарной ячейки (S1 = 8 мм, S2 = 7 мм, S3 = 5 мм, f1, f2, f4 = 0,5 мм, f3 = 0,75 мм, h1 = 0,5 мм, h2 = 1,75 мм) (CST СТУДИЯ) ) 2019) (б) Фотография измерительной установки ММ.
(а) Моделирование и проверка кривых параметров рассеяния прототипа метаматериала. (б) Кривая диэлектрической проницаемости элементарной ячейки ММ.
Соответствующие эффективные параметры, такие как эффективная диэлектрическая проницаемость, магнитная проницаемость и показатель преломления, были изучены с использованием встроенных методов постобработки электромагнитного симулятора CST для дальнейшего анализа поведения элементарной ячейки ММ. Эффективные параметры ММ получаются из параметров рассеяния с использованием робастного метода реконструкции. Следующие уравнения коэффициентов пропускания и отражения: (3) и (4) можно использовать для определения показателя преломления и импеданса (см. 40).
Действительная и мнимая части оператора представлены символами (.)' и (.)” соответственно, а целое значение m соответствует действительному показателю преломления. Диэлектрическая проницаемость и проницаемость определяются по формулам \(\varepsilon { } = { }n/z,\) и \(\mu = nz\), которые основаны на импедансе и показателе преломления соответственно. Кривая эффективной диэлектрической проницаемости структуры ММ показана на рисунке 5б. На резонансной частоте эффективная диэлектрическая проницаемость отрицательна. На рисунках 6а,б показаны извлеченные значения эффективной проницаемости (μ) и эффективного показателя преломления (n) предлагаемой элементарной ячейки. Примечательно, что извлеченные проницаемости демонстрируют положительные реальные значения, близкие к нулю, что подтверждает эпсилон-отрицательные (ENG) свойства предлагаемой структуры ММ. Более того, как показано на рисунке 6а, резонанс при проницаемости, близкой к нулю, сильно связан с резонансной частотой. Разработанная элементарная ячейка имеет отрицательный показатель преломления (рис. 6б), а это означает, что предложенный ММ можно использовать для улучшения характеристик антенны21,41.
Разработанный прототип одиночной широкополосной антенны был изготовлен для экспериментальной проверки предложенной конструкции. На рисунках 7а,б показаны изображения предлагаемого прототипа одиночной антенны, ее конструктивных частей и установки для измерения ближнего поля (SATIMO). Для улучшения характеристик антенны разработанную метаповерхность размещают слоями под антенной, как показано на рисунке 8а, высотой h. К задней части одинарной антенны была нанесена одна двухслойная метаповерхность размером 40 х 40 мм с интервалом 12 мм. Кроме того, на задней стороне одиночной антенны на расстоянии 12 мм размещена метаповерхность с объединительной платой. После применения метаповерхности одиночная антенна демонстрирует значительное улучшение характеристик, как показано на рисунках 1 и 2. Рисунки 8 и 9. На рисунке 8b показаны смоделированные и измеренные графики отражения для одиночной антенны без метаповерхностей и с ними. Стоит отметить, что полоса покрытия антенны с метаповерхностью очень похожа на полосу покрытия антенны без метаповерхности. На рисунках 9a,b показано сравнение смоделированного и наблюдаемого усиления одиночной антенны и общей эффективности без MS и с ней в рабочем спектре. Видно, что по сравнению с неметаповерхностной антенной усиление метаповерхностной антенны значительно улучшено, увеличившись с 5,15 дБи до 8 дБи. Усиление однослойной метаповерхности, двухслойной метаповерхности и одиночной антенны с метаповерхностью объединительной платы увеличилось на 6 дБи, 6,9 дБи и 8 дБи соответственно. По сравнению с другими метаповерхностями (однослойными и двухслойными МК) коэффициент усиления одиночной антенны метаповерхности с медной объединительной платой составляет до 8 дБи. В этом случае метаповерхность действует как отражатель, уменьшая обратное излучение антенны и манипулируя синфазными электромагнитными волнами, тем самым увеличивая эффективность излучения антенны и, следовательно, коэффициент усиления. Исследование общей эффективности одиночной антенны без метаповерхностей и с ними показано на рисунке 9б. Стоит отметить, что эффективность антенны с метаповерхностью и без нее практически одинакова. В нижнем диапазоне частот эффективность антенны несколько снижается. Экспериментальные и смоделированные кривые усиления и эффективности хорошо согласуются. Однако существуют небольшие различия между смоделированными и протестированными результатами из-за производственных дефектов, допусков измерений, потерь соединения порта SMA и потерь проводов. Кроме того, антенна и отражатель МС расположены между нейлоновыми прокладками, что является еще одной проблемой, влияющей на наблюдаемые результаты по сравнению с результатами моделирования.
На рисунке (а) показана готовая одиночная антенна и связанные с ней компоненты. (б) Установка для измерения ближнего поля (SATIMO).
(а) Возбуждение антенны с помощью метаповерхностных отражателей (CST STUDIO SUITE 2019). (б) Смоделированные и экспериментальные коэффициенты отражения одиночной антенны без МС и с ней.
Результаты моделирования и измерений (а) достигнутого усиления и (б) общей эффективности предлагаемой антенны с эффектом метаповерхности.
Анализ диаграммы направленности с использованием MS. Измерения ближнего поля с одной антенной проводились в экспериментальной среде ближнего поля SATIMO Лаборатории систем ближнего поля UKM SATIMO. На рисунках 10a, b показаны смоделированные и наблюдаемые диаграммы направленности в E-плоскости и H-плоскости на частоте 5,5 ГГц для предлагаемой одиночной антенны с МС и без нее. Разработанная одиночная антенна (без МС) обеспечивает последовательную двунаправленную диаграмму направленности со значениями боковых лепестков. После применения предложенного отражателя МС антенна обеспечивает однонаправленную диаграмму направленности и снижает уровень задних лепестков, как показано на рисунках 10а, б. Стоит отметить, что предлагаемая диаграмма направленности одиночной антенны является более стабильной и однонаправленной с очень низкими задними и боковыми лепестками при использовании метаповерхности с медной объединительной платой. Предлагаемый отражатель ММ-решетки уменьшает задние и боковые лепестки антенны, одновременно улучшая характеристики излучения за счет направления тока в однонаправленных направлениях (рис. 10а, б), тем самым увеличивая коэффициент усиления и направленность. Было замечено, что экспериментальная диаграмма направленности была почти сопоставима с диаграммой направленности моделирования CST, но незначительно отличалась из-за несоосности различных собранных компонентов, допусков измерений и потерь в кабелях. Кроме того, между антенной и отражателем MS была вставлена нейлоновая прокладка, что является еще одной проблемой, влияющей на наблюдаемые результаты по сравнению с численными результатами.
Смоделирована и протестирована диаграмма направленности разработанной одиночной антенны (без МС и с МС) на частоте 5,5 ГГц.
Предлагаемая геометрия антенны MIMO показана на рисунке 11 и включает четыре одиночные антенны. Четыре компонента MIMO-антенны расположены ортогонально друг другу на подложке размерами 80×80×1,575 мм, как показано на рисунке 11. Разработанная MIMO-антенна имеет межэлементное расстояние 22 мм, что меньше, чем у ближайшее соответствующее межэлементное расстояние антенны. Разработана антенна MIMO. Кроме того, часть заземления расположена так же, как и одиночная антенна. Значения коэффициента отражения MIMO-антенн (S11, S22, S33 и S44), показанных на рисунке 12а, демонстрируют такое же поведение, как и у одноэлементной антенны, резонирующей в диапазоне 3,2–7,6 ГГц. Следовательно, полоса импеданса MIMO-антенны точно такая же, как и у одиночной антенны. Эффект связи между компонентами MIMO является основной причиной небольшой потери полосы пропускания антенн MIMO. На рисунке 12b показано влияние межсоединения на компоненты MIMO, где была определена оптимальная изоляция между компонентами MIMO. Изоляция между антеннами 1 и 2 самая низкая и составляет около -13,6 дБ, а изоляция между антеннами 1 и 4 самая высокая и составляет около -30,4 дБ. Из-за своего небольшого размера и более широкой полосы пропускания эта антенна MIMO имеет меньший коэффициент усиления и меньшую пропускную способность. Изоляция низкая, поэтому требуется усиленное армирование и изоляция;
Механизм конструкции предлагаемой MIMO-антенны (а) вид сверху и (б) наземная плоскость. (CST Studio Suite 2019).
Геометрическое расположение и метод возбуждения предлагаемой метаповерхностной MIMO-антенны показаны на рисунке 13а. Матрица размером 10x10 мм и размерами 80x80x1,575 мм предназначена для задней стороны MIMO-антенны высотой 12 мм, как показано на рисунке 13а. Кроме того, метаповерхности с медными объединительными панелями предназначены для использования в антеннах MIMO для улучшения их характеристик. Расстояние между метаповерхностью и антенной MIMO имеет решающее значение для достижения высокого усиления, обеспечивая при этом конструктивную интерференцию между волнами, генерируемыми антенной, и волнами, отраженными от метаповерхности. Было выполнено обширное моделирование для оптимизации высоты между антенной и метаповерхностью при сохранении четвертьволновых стандартов для максимального усиления и изоляции между элементами MIMO. Значительные улучшения характеристик антенн MIMO, достигаемые за счет использования метаповерхностей с объединительными панелями по сравнению с метаповерхностями без объединительных плат, будут продемонстрированы в последующих главах.
(а) Настройка CST-моделирования предлагаемой MIMO-антенны с использованием MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Кривые отражения разработанной системы MIMO без MS и с MS.
Коэффициенты отражения антенн MIMO с метаповерхностями и без них показаны на рисунке 13b, где представлены S11 и S44 из-за почти идентичного поведения всех антенн в системе MIMO. Стоит отметить, что полоса импеданса -10 дБ антенны MIMO без единой метаповерхности и с ней практически одинакова. Напротив, полоса пропускания импеданса предлагаемой MIMO-антенны улучшена за счет двухслойной MS и объединительной платы MS. Стоит отметить, что без MS антенна MIMO обеспечивает дробную полосу пропускания 81,5% (3,2–7,6 ГГц) относительно центральной частоты. Интеграция MS с объединительной платой увеличивает полосу сопротивления предлагаемой антенны MIMO до 86,3% (3,08–7,75 ГГц). Хотя двухслойный MS увеличивает пропускную способность, это улучшение меньше, чем у MS с медной объединительной платой. Более того, двухслойный МК увеличивает размеры антенны, увеличивает ее стоимость и ограничивает дальность действия. Спроектированные антенна MIMO и отражатель метаповерхности изготовлены и проверены для проверки результатов моделирования и оценки фактических характеристик. На рисунке 14a показаны изготовленный уровень MS и антенна MIMO с различными собранными компонентами, а на рисунке 14b показана фотография разработанной системы MIMO. Антенна MIMO крепится сверху метаповерхности с помощью четырех нейлоновых прокладок, как показано на рисунке 14b. На рисунке 15а показан снимок экспериментальной установки ближнего поля разработанной антенной системы MIMO. Сетевой анализатор PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) использовался для оценки параметров рассеяния, а также для оценки и характеристики характеристик излучения ближнего поля в лаборатории ближнепольных систем UKM SATIMO.
(а) Фотографии измерений SATIMO в ближнем поле (б) Смоделированные и экспериментальные кривые антенны S11 MIMO с МС и без нее.
В этом разделе представлено сравнительное исследование смоделированных и наблюдаемых S-параметров предлагаемой антенны 5G MIMO. На рисунке 15b показан экспериментальный график отражения интегрированной 4-элементной антенны MIMO MS и его сравнение с результатами моделирования CST. Экспериментальные коэффициенты отражения оказались такими же, как и расчеты CST, но немного отличались из-за производственных дефектов и экспериментальных допусков. Кроме того, наблюдаемая отражательная способность предлагаемого прототипа MIMO на базе MS охватывает спектр 5G ниже 6 ГГц с полосой импеданса 4,8 ГГц, что означает, что приложения 5G возможны. Однако измеренные резонансная частота, полоса пропускания и амплитуда немного отличаются от результатов моделирования CST. Производственные дефекты, потери связи между коаксиальным кабелем и SMA, а также условия проведения измерений вне помещения могут привести к различиям между измеренными и смоделированными результатами. Однако, несмотря на эти недостатки, предлагаемый MIMO работает хорошо, обеспечивая четкое согласие между моделированием и измерениями, что делает его хорошо подходящим для беспроводных приложений 5G с частотой менее 6 ГГц.
Смоделированные и наблюдаемые кривые усиления антенны MIMO показаны на рисунках 2 и 2. Как показано на рисунках 16a,b и 17a,b соответственно, показано взаимное взаимодействие компонентов MIMO. Когда метаповерхности применяются к антеннам MIMO, изоляция между антеннами MIMO значительно улучшается. Графики изоляции между соседними антенными элементами S12, S14, S23 и S34 показывают аналогичные кривые, в то время как диагональные MIMO-антенны S13 и S42 демонстрируют одинаково высокую изоляцию из-за большего расстояния между ними. Смоделированные характеристики передачи соседних антенн показаны на рисунке 16a. Стоит отметить, что в рабочем спектре 5G ниже 6 ГГц минимальная изоляция MIMO-антенны без метаповерхности составляет -13,6 дБ, а для метаповерхности с объединительной платой – 15,5 дБ. График усиления (рис. 16а) показывает, что метаповерхность объединительной платы значительно улучшает изоляцию между антенными элементами MIMO по сравнению с одно- и двухслойными метаповерхностями. На соседних антенных элементах одно- и двухслойные метаповерхности обеспечивают минимальную изоляцию примерно -13,68 дБ и -14,78 дБ, а метаповерхность медной объединительной платы обеспечивает примерно -15,5 дБ.
Смоделированные кривые изоляции элементов MIMO без уровня MS и со слоем MS: (a) S12, S14, S34 и S32 и (b) S13 и S24.
Экспериментальные кривые усиления предлагаемых MIMO-антенн на базе MS без и с: (a) S12, S14, S34 и S32 и (b) S13 и S24.
Графики усиления диагональной антенны MIMO до и после добавления уровня MS показаны на рисунке 16b. Стоит отметить, что минимальная развязка между диагональными антеннами без метаповерхности (антенны 1 и 3) составляет – 15,6 дБ по всему рабочему спектру, а метаповерхность с объединительной платой – 18 дБ. Подход метаповерхностей значительно снижает эффекты связи между диагональными антеннами MIMO. Максимальная изоляция для однослойной метаповерхности составляет -37 дБ, а для двухслойной метаповерхности это значение снижается до -47 дБ. Максимальная изоляция метаповерхности с медной объединительной платой составляет −36,2 дБ, которая уменьшается с увеличением частотного диапазона. По сравнению с одно- и двухслойными метаповерхностями без объединительной платы метаповерхности с объединительной платой обеспечивают превосходную изоляцию во всем требуемом диапазоне рабочих частот, особенно в диапазоне 5G ниже 6 ГГц, как показано на рисунках 16a, b. В наиболее популярном и широко используемом диапазоне 5G ниже 6 ГГц (3,5 ГГц) одно- и двухслойные метаповерхности имеют меньшую изоляцию между компонентами MIMO, чем метаповерхности с медными объединительными платами (почти без MS) (см. рисунок 16a), b). Измерения усиления показаны на рисунках 17a, b, демонстрируя изоляцию соседних антенн (S12, S14, S34 и S32) и диагональных антенн (S24 и S13) соответственно. Как видно из этих рисунков (рис. 17а, б), экспериментальная изоляция между MIMO-компонентами хорошо согласуется с смоделированной изоляцией. Хотя между смоделированными и измеренными значениями CST имеются незначительные различия из-за производственных дефектов, соединений портов SMA и потерь в проводах. Кроме того, антенна и отражатель МС расположены между нейлоновыми прокладками, что является еще одной проблемой, влияющей на наблюдаемые результаты по сравнению с результатами моделирования.
изучили распределение поверхностного тока на частоте 5,5 ГГц, чтобы рационализировать роль метаповерхностей в уменьшении взаимной связи посредством подавления поверхностных волн42. Распределение поверхностного тока предлагаемой антенны MIMO показано на рисунке 18, где антенна 1 активна, а остальная часть антенны подключена к нагрузке 50 Ом. Когда на антенну 1 подается питание, на соседних антеннах на частоте 5,5 ГГц при отсутствии метаповерхности появятся значительные токи взаимной связи, как показано на рисунке 18а. Напротив, за счет использования метаповерхностей, как показано на рис. 18b–d, изоляция между соседними антеннами улучшается. Следует отметить, что эффект взаимной связи соседних полей можно минимизировать, распространяя ток связи к соседним кольцам элементарных ячеек и соседним элементарным ячейкам МС вдоль слоя МС в антипараллельных направлениях. Подача тока от распределенных антенн к блокам MS является ключевым методом улучшения изоляции между компонентами MIMO. В результате ток связи между компонентами MIMO значительно снижается, а изоляция также значительно улучшается. Поскольку поле связи широко распределено в элементе, метаповерхность медной объединительной платы изолирует антенный узел MIMO значительно лучше, чем одно- и двухслойные метаповерхности (рис. 18d). Более того, разработанная MIMO-антенна имеет очень низкое обратное и боковое распространение, создавая однонаправленную диаграмму направленности, тем самым увеличивая коэффициент усиления предлагаемой MIMO-антенны.
Диаграммы поверхностного тока предлагаемой антенны MIMO на частоте 5,5 ГГц (а) без MC, (b) однослойный MC, (c) двухслойный MC и (d) однослойный MC с медной объединительной платой. (CST Studio Suite 2019).
В пределах рабочей частоты на рисунке 19а показаны смоделированные и наблюдаемые коэффициенты усиления разработанной MIMO-антенны без метаповерхностей и с ними. Смоделированное достигнутое усиление антенны MIMO без метаповерхности составляет 5,4 дБи, как показано на рисунке 19a. Из-за эффекта взаимной связи между компонентами MIMO предлагаемая антенна MIMO фактически обеспечивает усиление на 0,25 дБи выше, чем одиночная антенна. Добавление метаповерхностей может обеспечить значительные преимущества и изоляцию между компонентами MIMO. Таким образом, предлагаемая метаповерхностная MIMO-антенна может обеспечить высокий реализованный коэффициент усиления до 8,3 дБи. Как показано на рисунке 19a, когда на задней стороне антенны MIMO используется одна метаповерхность, усиление увеличивается на 1,4 дБи. Когда метаповерхность увеличивается вдвое, усиление увеличивается на 2,1 дБи, как показано на рисунке 19а. Однако ожидаемое максимальное усиление в 8,3 дБи достигается при использовании метаповерхности с медной объединительной платой. Примечательно, что максимальное достигнутое усиление для однослойных и двухслойных метаповерхностей составляет 6,8 дБи и 7,5 дБи соответственно, тогда как максимальное достигнутое усиление для метаповерхности нижнего слоя составляет 8,3 дБи. Слой метаповерхности на задней стороне антенны действует как отражатель, отражая излучение с задней стороны антенны и улучшая соотношение передней и задней частей (F/B) разработанной MIMO-антенны. Кроме того, высокоомный отражатель MS манипулирует синфазными электромагнитными волнами, тем самым создавая дополнительный резонанс и улучшая характеристики излучения предлагаемой MIMO-антенны. Отражатель МС, установленный за антенной MIMO, позволяет существенно увеличить достигаемый коэффициент усиления, что подтверждается экспериментальными результатами. Наблюдаемый и смоделированный коэффициент усиления разработанного прототипа MIMO-антенны практически одинаковы, однако на некоторых частотах измеренный коэффициент усиления превышает моделируемый, особенно для MIMO без MS; Эти различия в экспериментальном усилении обусловлены допусками измерения нейлоновых прокладок, потерями в кабеле и связью в антенной системе. Пиковое измеренное усиление антенны MIMO без метаповерхности составляет 5,8 дБи, тогда как метаповерхность с медной объединительной платой составляет 8,5 дБи. Стоит отметить, что предлагаемая полная 4-портовая антенная система MIMO с отражателем MS демонстрирует высокий коэффициент усиления в экспериментальных и численных условиях.
Результаты моделирования и экспериментов (а) достигнутого усиления и (б) общих характеристик предлагаемой антенны MIMO с эффектом метаповерхности.
На рисунке 19b показаны общие характеристики предлагаемой системы MIMO без отражателей метаповерхности и с ними. На рисунке 19b самая низкая эффективность при использовании MS с объединительной платой составила более 73% (до 84%). Общая эффективность разработанных MIMO-антенн без МК и с МК практически одинакова с небольшими отличиями по сравнению с смоделированными значениями. Причинами этого являются допуски измерений и использование прокладок между антенной и отражателем МС. Измеренный достигнутый коэффициент усиления и общая эффективность по всей частоте почти аналогичны результатам моделирования, что указывает на то, что производительность предлагаемого прототипа MIMO соответствует ожиданиям и что рекомендуемая MIMO-антенна на базе MS подходит для связи 5G. Из-за ошибок в экспериментальных исследованиях существуют различия между общими результатами лабораторных экспериментов и результатами моделирования. На производительность предлагаемого прототипа влияют несоответствие импеданса между антенной и разъемом SMA, потери при сращивании коаксиального кабеля, эффекты пайки и близость различных электронных устройств к экспериментальной установке.
На рисунке 20 описан ход проектирования и оптимизации указанной антенны в виде блок-схемы. На этой блок-схеме представлено пошаговое описание предлагаемых принципов проектирования MIMO-антенны, а также параметров, которые играют ключевую роль в оптимизации антенны для достижения требуемого высокого коэффициента усиления и высокой изоляции на широкой рабочей частоте.
Измерения антенны MIMO ближнего поля были измерены в экспериментальной среде ближнего поля SATIMO в Лаборатории систем ближнего поля UKM SATIMO. На рисунках 21a,b изображены смоделированные и наблюдаемые диаграммы направленности излучения в E-плоскости и H-плоскости заявленной MIMO-антенны с МС и без нее на рабочей частоте 5,5 ГГц. В рабочем диапазоне частот 5,5 ГГц разработанная не-MS MIMO-антенна обеспечивает последовательную двунаправленную диаграмму направленности со значениями боковых лепестков. После применения отражателя МС антенна обеспечивает однонаправленную диаграмму направленности и уменьшает уровень задних лепестков, как показано на рисунках 21а, б. Стоит отметить, что при использовании метаповерхности с медной объединительной платой предлагаемая диаграмма направленности антенны MIMO является более стабильной и однонаправленной, чем без MS, с очень низкими обратными и боковыми лепестками. Предлагаемый отражатель ММ-решетки уменьшает задние и боковые лепестки антенны, а также улучшает характеристики излучения за счет направления тока в однонаправленном направлении (рис. 21а, б), тем самым увеличивая коэффициент усиления и направленность. Измеренная диаграмма направленности была получена для порта 1 с нагрузкой 50 Ом, подключенной к остальным портам. Было замечено, что экспериментальная диаграмма направленности практически идентична моделируемой CST, хотя и имелись некоторые отклонения из-за несоосности компонентов, отражений от оконечных портов и потерь в кабельных соединениях. Кроме того, между антенной и отражателем MS была вставлена нейлоновая прокладка, что является еще одной проблемой, влияющей на наблюдаемые результаты по сравнению с прогнозируемыми результатами.
Смоделирована и протестирована диаграмма направленности разработанной MIMO-антенны (без МС и с МС) на частоте 5,5 ГГц.
Важно отметить, что изоляция портов и связанные с ней характеристики важны при оценке производительности систем MIMO. Характеристики разнесения предлагаемой системы MIMO, включая коэффициент корреляции огибающей (ECC) и выигрыш от разнесения (DG), исследуются, чтобы проиллюстрировать надежность разработанной антенной системы MIMO. ECC и DG антенны MIMO можно использовать для оценки ее производительности, поскольку они являются важными аспектами производительности системы MIMO. В следующих разделах будут подробно описаны эти особенности предлагаемой антенны MIMO.
Коэффициент корреляции огибающей (ECC). При рассмотрении любой системы MIMO ECC определяет степень, в которой составляющие элементы коррелируют друг с другом относительно их конкретных свойств. Таким образом, ECC демонстрирует степень изоляции каналов в сети беспроводной связи. ECC (коэффициент корреляции огибающей) разработанной системы MIMO может быть определен на основе S-параметров и излучения в дальней зоне. Из уравнения. (7) и (8) можно определить ECC предлагаемой MIMO-антенны 31.
Коэффициент отражения представлен Sii, а Sij представляет коэффициент передачи. Трехмерные диаграммы направленности j-й и i-й антенн задаются выражениями \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) и \( \vec {{R_{ i } }} Телесный угол, представленный \left( {\theta ,\varphi } \right)\) и \({\Omega }\). Кривая ECC предлагаемой антенны показана на рисунке 22а, ее значение меньше 0,004, что значительно ниже приемлемого значения 0,5 для беспроводной системы. Таким образом, уменьшенное значение ECC означает, что предлагаемая 4-портовая система MIMO обеспечивает превосходное разнесение43.
Коэффициент усиления разнесения (DG) DG — это еще один показатель производительности системы MIMO, который описывает, как схема разнесения влияет на излучаемую мощность. Соотношение (9) определяет РГ разрабатываемой антенной системы MIMO, как описано в 31.
На рисунке 22б показана диаграмма DG предлагаемой системы MIMO, где значение DG очень близко к 10 дБ. Значения ДГ всех антенн проектируемой системы MIMO превышают 9,98 дБ.
В таблице 1 сравнивается предлагаемая метаповерхностная антенна MIMO с недавно разработанными аналогичными системами MIMO. При сравнении учитываются различные параметры производительности, включая полосу пропускания, усиление, максимальную изоляцию, общую эффективность и производительность разнесения. Исследователи представили различные прототипы антенн MIMO с методами улучшения усиления и изоляции в 5, 44, 45, 46, 47. По сравнению с ранее опубликованными работами предлагаемая система MIMO с метаповерхностными отражателями превосходит их с точки зрения полосы пропускания, усиления и изоляции. Кроме того, по сравнению с аналогичными антеннами, о которых сообщалось, разработанная система MIMO демонстрирует превосходные характеристики разнесения и общую эффективность при меньшем размере. Хотя антенны, описанные в разделе 5.46, имеют более высокую изоляцию, чем предлагаемые нами антенны, эти антенны страдают от большого размера, низкого усиления, узкой полосы пропускания и плохой производительности MIMO. 4-портовая антенна MIMO, предложенная в 45, демонстрирует высокий коэффициент усиления и эффективность, но ее конструкция имеет низкую изоляцию, большой размер и плохую эффективность разнесения. С другой стороны, антенная система небольшого размера, предложенная в 47, имеет очень низкий коэффициент усиления и рабочую полосу пропускания, в то время как предлагаемая нами 4-портовая система MIMO на базе MS демонстрирует небольшой размер, высокий коэффициент усиления, высокую изоляцию и лучшую производительность MIMO. Таким образом, предлагаемая метаповерхностная MIMO-антенна может стать основным претендентом на системы связи 5G с частотой менее 6 ГГц.
Предлагается четырехпортовая широкополосная MIMO-антенна на основе метаповерхностного отражателя с высоким коэффициентом усиления и изоляцией для поддержки приложений 5G на частотах ниже 6 ГГц. Микрополосковая линия питает квадратную излучающую секцию, которая усечена квадратом в диагональных углах. Предлагаемый МС и излучатель антенны реализованы на материалах подложки, аналогичных Rogers RT5880, для достижения отличных характеристик в высокоскоростных системах связи 5G. Антенна MIMO отличается широким диапазоном действия и высоким коэффициентом усиления, обеспечивает звукоизоляцию между компонентами MIMO и превосходную эффективность. Разработанная одиночная антенна имеет миниатюрные размеры 0,58?0,58?0,02? с массивом метаповерхностей 5×5 обеспечивает широкую рабочую полосу пропускания 4,56 ГГц, пиковое усиление 8 дБи и превосходную измеренную эффективность. Предлагаемая четырехпортовая антенна MIMO (решетка 2 × 2) спроектирована путем ортогонального выравнивания каждой предлагаемой одиночной антенны с другой антенной с размерами 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Рекомендуется собирать массив 10×10 мм под антенной MIMO высотой 12 мм, что позволяет уменьшить обратное излучение и уменьшить взаимную связь между компонентами MIMO, тем самым улучшая усиление и изоляцию. Результаты экспериментов и моделирования показывают, что разработанный прототип MIMO может работать в широком диапазоне частот 3,08–7,75 ГГц, охватывая спектр 5G ниже 6 ГГц. Кроме того, предлагаемая MIMO-антенна на базе MS улучшает свое усиление на 2,9 дБи, достигая максимального усиления 8,3 дБи, и обеспечивает отличную изоляцию (>15,5 дБ) между компонентами MIMO, подтверждая вклад MS. Кроме того, предлагаемая MIMO-антенна имеет высокий средний общий КПД 82% и низкое межэлементное расстояние 22 мм. Антенна демонстрирует превосходные характеристики разнесения MIMO, включая очень высокий DG (более 9,98 дБ), очень низкий ECC (менее 0,004) и однонаправленную диаграмму направленности. Результаты измерений очень похожи на результаты моделирования. Эти характеристики подтверждают, что разработанная четырехпортовая антенная система MIMO может стать жизнеспособным выбором для систем связи 5G в диапазоне частот ниже 6 ГГц.
Cowin может предоставить широкополосную антенну для печатной платы 400–6000 МГц, а также оказать поддержку в разработке новой антенны в соответствии с вашими требованиями. Если у вас есть какие-либо запросы, пожалуйста, свяжитесь с нами без колебаний.
Время публикации: 10 октября 2024 г.