nyheds-banner

Nyheder

Brug af metasurfaces til at forbedre forstærkning og isolering af bredbånds PCB-antenner til 5G sub-6 GHz kommunikationssystemer

bredbånds pcb antenne (1)

Dette arbejde foreslår en kompakt integreret multi-input multiple-output (MIMO) metasurface (MS) bredbåndsantenne til sub-6 GHz femte generation (5G) trådløse kommunikationssystemer. Den åbenlyse nyhed ved det foreslåede MIMO-system er dets brede driftsbåndbredde, høje forstærkning, små interkomponentafstande og fremragende isolation inden for MIMO-komponenterne. Antennens udstrålende plet er afkortet diagonalt, delvist jordet, og metaoverflader bruges til at forbedre antennens ydeevne. Den foreslåede prototype integrerede enkelt MS-antenne har miniaturedimensioner på 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Simulerings- og måleresultater viser bredbåndsydelse fra 3,11 GHz til 7,67 GHz, inklusive den højeste opnåede forstærkning på 8 dBi. MIMO-systemet med fire elementer er designet, så hver antenne er ortogonal i forhold til hinanden, samtidig med at den bevarer en kompakt størrelse og bredbåndsydelse fra 3,2 til 7,6 GHz. Den foreslåede MIMO-prototype er designet og fremstillet på Rogers RT5880-substrat med lavt tab og miniaturiserede dimensioner på 1,05? 1,05? 0,02?, og dens ydeevne evalueres ved hjælp af det foreslåede kvadratiske lukkede ringresonatorarray med en 10 x 10 splitring. Grundmaterialet er det samme. Den foreslåede backplane-metasurface reducerer antennens tilbagestråling betydeligt og manipulerer elektromagnetiske felter og forbedrer derved båndbredden, forstærkningen og isolationen af ​​MIMO-komponenter. Sammenlignet med eksisterende MIMO-antenner opnår den foreslåede 4-ports MIMO-antenne en høj forstærkning på 8,3 dBi med en gennemsnitlig samlet effektivitet på op til 82% i 5G sub-6 GHz-båndet og er i god overensstemmelse med de målte resultater. Desuden udviser den udviklede MIMO-antenne fremragende ydeevne i form af envelope-korrelationskoefficient (ECC) på mindre end 0,004, diversitetsforstærkning (DG) på omkring 10 dB (>9,98 dB) og høj isolation mellem MIMO-komponenter (>15,5 dB). egenskaber. Den foreslåede MS-baserede MIMO-antenne bekræfter således dens anvendelighed for sub-6 GHz 5G-kommunikationsnetværk.
5G-teknologi er et utroligt fremskridt inden for trådløs kommunikation, der vil muliggøre hurtigere og mere sikre netværk for milliarder af tilsluttede enheder, give brugeroplevelser med "nul" latency (latens på mindre end 1 millisekund) og introducere nye teknologier, herunder elektronik. Lægehjælp, intellektuel uddannelse. , smarte byer, smarte hjem, virtual reality (VR), smarte fabrikker og Internet of Vehicles (IoV) ændrer vores liv, samfund og industrier1,2,3. US Federal Communications Commission (FCC) opdeler 5G-spektret i fire frekvensbånd4. Frekvensbåndet under 6 GHz er interessant for forskere, fordi det tillader langdistancekommunikation med høje datahastigheder5,6. Sub-6 GHz 5G-spektrumallokeringen til global 5G-kommunikation er vist i figur 1, hvilket indikerer, at alle lande overvejer sub-6 GHz-spektrum til 5G-kommunikation7,8. Antenner er en vigtig del af 5G-netværk og vil kræve flere basestations- og brugerterminalantenner.
Microstrip patch-antenner har fordelene ved tyndhed og flad struktur, men er begrænset i båndbredde og gain9,10, så meget forskning er blevet udført for at øge forstærkningen og båndbredden af ​​antennen; I de senere år er metasurfaces (MS) blevet brugt i vid udstrækning i antenneteknologier, især for at forbedre gain og throughput11,12, dog er disse antenner begrænset til en enkelt port; MIMO-teknologi er et vigtigt aspekt af trådløs kommunikation, fordi den kan bruge flere antenner samtidigt til at transmittere data og derved forbedre datahastigheder, spektral effektivitet, kanalkapacitet og pålidelighed13,14,15. MIMO-antenner er potentielle kandidater til 5G-applikationer, fordi de kan transmittere og modtage data over flere kanaler uden at kræve yderligere strøm16,17. Den gensidige koblingseffekt mellem MIMO-komponenter afhænger af placeringen af ​​MIMO-elementerne og MIMO-antennens forstærkning, hvilket er en stor udfordring for forskere. Figur 18, 19 og 20 viser forskellige MIMO-antenner, der opererer i 5G sub-6 GHz-båndet, der alle viser god MIMO-isolation og ydeevne. Forstærkningen og driftsbåndbredden for disse foreslåede systemer er imidlertid lav.
Metamaterialer (MM'er) er nye materialer, der ikke findes i naturen og kan manipulere elektromagnetiske bølger og derved forbedre ydeevnen af ​​antenner21,22,23,24. MM er nu meget brugt i antenneteknologi til at forbedre strålingsmønsteret, båndbredden, forstærkningen og isolationen mellem antenneelementer og trådløse kommunikationssystemer, som diskuteret i 25, 26, 27, 28. I 2029 blev et MIMO-system med fire elementer baseret på metasurface, hvor antennesektionen er klemt mellem metasurface og jorden uden luftgab, hvilket forbedrer MIMO-ydeevnen. Dette design har dog en større størrelse, lavere driftsfrekvens og kompleks struktur. Et elektromagnetisk båndgab (EBG) og jordsløjfe er inkluderet i den foreslåede 2-ports bredbånds MIMO-antenne for at forbedre isoleringen af ​​MIMO30-komponenter. Den designede antenne har god MIMO-diversitetsydelse og fremragende isolation mellem to MIMO-antenner, men ved kun at bruge to MIMO-komponenter vil forstærkningen være lav. Derudover foreslog in31 også en ultra-wideband (UWB) dual-port MIMO-antenne og undersøgte dens MIMO-ydeevne ved hjælp af metamaterialer. Selvom denne antenne er i stand til UWB-drift, er dens forstærkning lav, og isolationen mellem de to antenner er dårlig. Arbejdet i32 foreslår et 2-ports MIMO-system, der bruger elektromagnetiske båndgap (EBG) reflektorer til at øge forstærkningen. Selvom det udviklede antennearray har høj forstærkning og god MIMO-diversitetsydelse, gør dens store størrelse det vanskeligt at anvende i næste generations kommunikationsenheder. En anden reflektorbaseret bredbåndsantenne blev udviklet i 33, hvor reflektoren blev integreret under antennen med et større mellemrum på 22 mm, hvilket viste en lavere peak gain på 4,87 dB. Paper 34 designer en MIMO-antenne med fire porte til mmWave-applikationer, som er integreret med MS-laget for at forbedre isolationen og forstærkningen af ​​MIMO-systemet. Denne antenne giver dog god forstærkning og isolering, men har begrænset båndbredde og dårlige mekaniske egenskaber på grund af det store luftgab. Tilsvarende blev der i 2015 udviklet en tre-par, 4-ports butterfly-formet metasurface-integreret MIMO-antenne til mmWave-kommunikation med en maksimal forstærkning på 7,4 dBi. B36 MS bruges på bagsiden af ​​en 5G-antenne til at øge antenneforstærkningen, hvor metasoverfladen fungerer som en reflektor. MS-strukturen er imidlertid asymmetrisk, og der er blevet mindre opmærksomhed på enhedscellestrukturen.
Ifølge ovenstående analyseresultater har ingen af ​​ovenstående antenner høj forstærkning, fremragende isolering, MIMO-ydeevne og bredbåndsdækning. Derfor er der stadig behov for en metasurface MIMO-antenne, der kan dække en lang række 5G-spektrumfrekvenser under 6 GHz med høj forstærkning og isolation. I betragtning af begrænsningerne i den ovennævnte litteratur foreslås et bredbånds fire-element MIMO-antennesystem med høj forstærkning og fremragende diversitetsydelse til trådløse kommunikationssystemer under 6 GHz. Derudover udviser den foreslåede MIMO-antenne fremragende isolering mellem MIMO-komponenter, små elementgab og høj strålingseffektivitet. Antennelappen afkortes diagonalt og placeres oven på metasfladen med et 12 mm luftgab, som reflekterer tilbagestråling fra antennen og forbedrer antenneforstærkning og retningsevne. Derudover bruges den foreslåede enkeltantenne til at skabe en MIMO-antenne med fire elementer med overlegen MIMO-ydelse ved at placere hver antenne ortogonalt i forhold til hinanden. Den udviklede MIMO-antenne blev derefter integreret oven på et 10 × 10 MS-array med et kobber-bagplan for at forbedre emissionsydelsen. Designet byder på et bredt driftsområde (3,08-7,75 GHz), høj forstærkning på 8,3 dBi og høj gennemsnitlig samlet effektivitet på 82 %, samt fremragende isolation på mere end -15,5 dB mellem MIMO-antennekomponenter. Den udviklede MS-baserede MIMO-antenne blev simuleret ved hjælp af 3D elektromagnetisk softwarepakke CST Studio 2019 og valideret gennem eksperimentelle undersøgelser.
Dette afsnit giver en detaljeret introduktion til den foreslåede arkitektur og enkeltantennedesignmetode. Derudover diskuteres de simulerede og observerede resultater i detaljer, herunder spredningsparametre, forstærkning og overordnet effektivitet med og uden metasurfaces. Prototypeantennen blev udviklet på et Rogers 5880 dielektrisk substrat med lavt tab med en tykkelse på 1,575 mm med en dielektrisk konstant på 2,2. Til at udvikle og simulere designet blev den elektromagnetiske simulatorpakke CST studio 2019 brugt.
Figur 2 viser den foreslåede arkitektur og designmodel af en enkelt-element antenne. Ifølge veletablerede matematiske ligninger37 består antennen af ​​en lineært tilført kvadratisk udstrålende plet og et kobberjordplan (som beskrevet i trin 1) og giver resonans med en meget smal båndbredde ved 10,8 GHz, som vist i figur 3b. Den oprindelige størrelse af antenneradiatoren bestemmes af følgende matematiske forhold37:
Hvor \(P_{L}\) og \(P_{w}\) er længden og bredden af ​​lappen, c repræsenterer lysets hastighed, \(\gamma_{r}\) er den dielektriske konstant for substratet . , \(\gamma_{reff }\) repræsenterer den effektive dielektriske værdi af strålingspletten, \(\Delta L\) repræsenterer ændringen i pletlængden. Antennebagplanet blev optimeret i andet trin, hvilket øgede impedansbåndbredden på trods af den meget lave impedansbåndbredde på 10 dB. I tredje trin flyttes feederpositionen til højre, hvilket forbedrer impedansbåndbredden og impedanstilpasningen af ​​den foreslåede antenne38. På dette stadium demonstrerer antennen en fremragende driftsbåndbredde på 4 GHz og dækker også spektret under 6 GHz i 5G. Det fjerde og sidste trin involverer ætsning af firkantede riller i modsatte hjørner af strålingspletten. Denne slot udvider 4,56 GHz-båndbredden markant til at dække 5G-spektrum under 6 GHz fra 3,11 GHz til 7,67 GHz, som vist i figur 3b. For- og bundperspektivbilleder af det foreslåede design er vist i figur 3a, og de endelige optimerede nødvendige designparametre er som følger: 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) Set ovenfra og bagfra af den designede enkeltantenne (CST STUDIO SUITE 2019). (b) S-parameterkurve.
Metasurface er et udtryk, der refererer til en periodisk række af enhedsceller placeret i en vis afstand fra hinanden. Metasurfaces er en effektiv måde at forbedre antennestrålingsydelsen på, herunder båndbredde, forstærkning og isolation mellem MIMO-komponenter. På grund af påvirkningen af ​​overfladebølgeudbredelse genererer metaoverflader yderligere resonanser, der bidrager til forbedret antenneydelse39. Dette arbejde foreslår en epsilon-negativ metamateriale (MM) enhed, der opererer i 5G-båndet under 6 GHz. MM med et overfladeareal på 8 mm × 8 mm blev udviklet på et Rogers 5880-substrat med lavt tab med en dielektrisk konstant på 2,2 og en tykkelse på 1,575 mm. Det optimerede MM-resonatorplaster består af en indre cirkulær splitring forbundet til to modificerede ydre splitringe, som vist i figur 4a. Figur 4a opsummerer de endelige optimerede parametre for den foreslåede MM-opsætning. Efterfølgende blev 40 × 40 mm og 80 × 80 mm metasurface-lag udviklet uden et kobberbagplan og med et kobberbagplan ved brug af henholdsvis 5 × 5 og 10 × 10 cellearrays. Den foreslåede MM-struktur blev modelleret ved hjælp af 3D elektromagnetisk modelleringssoftware "CST studio suite 2019". En fremstillet prototype af den foreslåede MM-arraystruktur og måleopsætning (dual-port netværksanalysator PNA og bølgelederport) er vist i figur 4b for at validere CST-simuleringsresultaterne ved at analysere den faktiske respons. Måleopsætningen brugte en netværksanalysator i Agilent PNA-serien i kombination med to bølgeleder-koaksiale adaptere (A-INFOMW, varenummer: 187WCAS) til at sende og modtage signaler. En prototype 5×5-array blev placeret mellem to bølgeleder-koaksiale adaptere forbundet med et koaksialkabel til en to-ports netværksanalysator (Agilent PNA N5227A). Agilent N4694-60001 kalibreringssættet bruges til at kalibrere netværksanalysatoren i et pilotanlæg. De simulerede og CST observerede spredningsparametre for den foreslåede prototype MM-array er vist i figur 5a. Det kan ses, at den foreslåede MM-struktur giver genlyd i 5G-frekvensområdet under 6 GHz. På trods af den lille forskel i båndbredde på 10 dB er de simulerede og eksperimentelle resultater meget ens. Resonansfrekvensen, båndbredden og amplituden af ​​den observerede resonans er lidt anderledes end de simulerede, som vist i figur 5a. Disse forskelle mellem observerede og simulerede resultater skyldes fremstillingsfejl, små afstande mellem prototypen og bølgelederportene, koblingseffekter mellem bølgelederportene og array-komponenterne og måletolerancer. Derudover kan korrekt placering af den udviklede prototype mellem bølgelederportene i forsøgsopstillingen resultere i et resonansskift. Derudover blev der observeret uønsket støj under kalibreringsfasen, hvilket førte til uoverensstemmelser mellem de numeriske og målte resultater. Men bortset fra disse vanskeligheder klarer den foreslåede MM-array-prototype sig godt på grund af den stærke korrelation mellem simulering og eksperiment, hvilket gør den velegnet til sub-6 GHz 5G trådløs kommunikationsapplikationer.
(a) Enhedscellegeometri (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 af MM-måleopsætningen.
(a) Simulering og verifikation af spredningsparameterkurverne for metamaterialeprototypen. (b) Dielektrisk konstantkurve for en MM-enhedscelle.
Relevante effektive parametre såsom effektiv dielektrisk konstant, magnetisk permeabilitet og brydningsindeks blev undersøgt ved hjælp af indbyggede efterbehandlingsteknikker i den elektromagnetiske CST-simulator for yderligere at analysere opførselen af ​​MM-enhedscellen. De effektive MM-parametre opnås fra spredningsparametrene ved hjælp af en robust rekonstruktionsmetode. Følgende transmittans- og reflektionskoefficientligninger: (3) og (4) kan bruges til at bestemme brydningsindekset og impedansen (se 40).
De reelle og imaginære dele af operatoren er repræsenteret med henholdsvis (.)' og (.)", og heltalsværdien m svarer til det reelle brydningsindeks. Dielektrisk konstant og permeabilitet bestemmes af formlerne \(\varepsilon { } = { }n/z,\) og \(\mu = nz\), som er baseret på henholdsvis impedans og brydningsindeks. Den effektive dielektriske konstantkurve for MM-strukturen er vist i figur 5b. Ved resonansfrekvensen er den effektive dielektriske konstant negativ. Figur 6a,b viser de ekstraherede værdier af effektiv permeabilitet (μ) og effektivt brydningsindeks (n) for den foreslåede enhedscelle. Især udviser de ekstraherede permeabiliteter positive reelle værdier tæt på nul, hvilket bekræfter de epsilon-negative (ENG) egenskaber af den foreslåede MM-struktur. Desuden, som vist i figur 6a, er resonansen ved permeabilitet tæt på nul stærkt relateret til resonansfrekvensen. Den udviklede enhedscelle har et negativt brydningsindeks (fig. 6b), hvilket betyder, at den foreslåede MM kan bruges til at forbedre antenneydelsen21,41.
Den udviklede prototype af en enkelt bredbåndsantenne blev fremstillet for eksperimentelt at teste det foreslåede design. Figur 7a,b viser billeder af den foreslåede prototype enkeltantenne, dens strukturelle dele og nærfeltsmålingsopsætningen (SATIMO). For at forbedre antenneydelsen placeres den udviklede metaflade i lag under antennen, som vist i figur 8a, med højden h. En enkelt 40 mm x 40 mm dobbeltlags metaoverflade blev påført bagsiden af ​​den enkelte antenne med 12 mm intervaller. Derudover er en metasurface med et backplane placeret på bagsiden af ​​den enkelte antenne i en afstand af 12 mm. Efter påføring af metaoverfladen viser den enkelte antenne en væsentlig forbedring af ydeevnen, som vist i figur 1 og 2. Figur 8 og 9. Figur 8b viser de simulerede og målte reflektansplot for den enkelte antenne uden og med metaoverflader. Det er værd at bemærke, at dækningsbåndet for en antenne med en metasurface er meget lig dækningsbåndet for en antenne uden en metasurface. Figur 9a,b viser en sammenligning af den simulerede og observerede enkeltantenneforstærkning og den samlede effektivitet uden og med MS i driftsspektret. Det kan ses, at sammenlignet med ikke-metasurface-antennen er forstærkningen af ​​metasurface-antennen væsentligt forbedret, idet den stiger fra 5,15 dBi til 8 dBi. Forstærkningen af ​​enkeltlags metasurface, dobbeltlags metasurface og enkelt antenne med backplane metasurface steg med henholdsvis 6 dBi, 6,9 dBi og 8 dBi. Sammenlignet med andre metasurfaces (enkeltlags- og dobbeltlags MC'er) er forstærkningen af ​​en enkelt metasurface-antenne med en kobberbagplade op til 8 dBi. I dette tilfælde fungerer metaoverfladen som en reflektor, der reducerer antennens bagudstråling og manipulerer de elektromagnetiske bølger i fase, hvorved antennens strålingseffektivitet og dermed forstærkningen øges. En undersøgelse af den samlede effektivitet af en enkelt antenne uden og med metaoverflader er vist i figur 9b. Det er værd at bemærke, at effektiviteten af ​​en antenne med og uden en metasurface er næsten den samme. I det lavere frekvensområde falder antenneeffektiviteten lidt. De eksperimentelle og simulerede forstærknings- og effektivitetskurver stemmer godt overens. Der er dog små forskelle mellem de simulerede og testede resultater på grund af fabrikationsfejl, måletolerancer, tab af SMA-portforbindelse og ledningstab. Derudover er antennen og MS-reflektoren placeret mellem nylonafstandsstykkerne, hvilket er et andet problem, der påvirker de observerede resultater sammenlignet med simuleringsresultaterne.
Figur (a) viser den færdige enkeltantenne og dens tilknyttede komponenter. (b) Opsætning af nærfeltsmåling (SATIMO).
(a) Antenneexcitation ved hjælp af metasurface-reflektorer (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Simulerede og eksperimentelle reflektanser af en enkelt antenne uden og med MS.
Simulerings- og måleresultater af (a) den opnåede forstærkning og (b) den samlede effektivitet af den foreslåede metasurface-effektantenne.
Strålemønsteranalyse ved hjælp af MS. Enkelt-antenne nærfeltsmålinger blev udført i SATIMO Near-Field Experimental Environment i UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Figur 10a, b viser de simulerede og observerede E-plan og H-plan strålingsmønstre ved 5,5 GHz for den foreslåede enkeltantenne med og uden MS. Den udviklede enkeltantenne (uden MS) giver et konsekvent tovejs strålingsmønster med sidesløjfeværdier. Efter påføring af den foreslåede MS-reflektor giver antennen et ensrettet strålingsmønster og reducerer niveauet af baglapperne, som vist i figur 10a, b. Det er værd at bemærke, at det foreslåede strålingsmønster med en enkelt antenne er mere stabilt og ensrettet med meget lave ryg- og sidesløjfer, når man bruger en metasurface med en kobberbagplade. Den foreslåede MM-arrayreflektor reducerer antennens bag- og sidesløjfer, mens den forbedrer strålingsydelsen ved at rette strømmen i ensrettede retninger (fig. 10a, b), hvorved forstærkningen og retningsevnen øges. Det blev observeret, at det eksperimentelle strålingsmønster næsten var sammenligneligt med det i CST-simuleringerne, men varierede lidt på grund af fejljustering af de forskellige samlede komponenter, målingstolerancer og kabeltab. Derudover blev der indsat en nylonafstandsholder mellem antennen og MS-reflektoren, hvilket er et andet problem, der påvirker de observerede resultater sammenlignet med de numeriske resultater.
Strålingsmønsteret for den udviklede enkeltantenne (uden MS og med MS) ved en frekvens på 5,5 GHz blev simuleret og testet.
Den foreslåede MIMO-antennegeometri er vist i figur 11 og inkluderer fire enkeltantenner. De fire komponenter i MIMO-antennen er arrangeret ortogonalt i forhold til hinanden på et substrat med dimensionerne 80 × 80 × 1,575 mm, som vist i figur 11. Den designede MIMO-antenne har en afstand mellem elementerne på 22 mm, hvilket er mindre end nærmeste tilsvarende inter-element afstand af antennen. MIMO-antenne udviklet. Derudover er en del af jordplanet placeret på samme måde som en enkelt antenne. Refleksionsværdierne for MIMO-antennerne (S11, S22, S33 og S44) vist i figur 12a udviser samme adfærd som en enkeltelementsantenne, der resonerer i 3,2-7,6 GHz-båndet. Derfor er impedansbåndbredden for en MIMO-antenne nøjagtig den samme som for en enkelt antenne. Koblingseffekten mellem MIMO-komponenter er hovedårsagen til det lille båndbreddetab af MIMO-antenner. Figur 12b viser effekten af ​​sammenkobling på MIMO-komponenter, hvor den optimale isolation mellem MIMO-komponenter blev bestemt. Isolationen mellem antenne 1 og 2 er den laveste ved ca. -13,6 dB, og isolationen mellem antenne 1 og 4 er den højeste ved ca. -30,4 dB. På grund af sin lille størrelse og bredere båndbredde har denne MIMO-antenne lavere forstærkning og lavere gennemløb. Isoleringen er lav, så øget forstærkning og isolering er påkrævet;
Designmekanisme for den foreslåede MIMO-antenne (a) set ovenfra og (b) stelplan. (CST Studio Suite 2019).
Det geometriske arrangement og excitationsmetoden for den foreslåede metasurface MIMO-antenne er vist i figur 13a. En 10x10 mm matrix med dimensioner på 80x80x1,575 mm er designet til bagsiden af ​​en 12 mm høj MIMO-antenne, som vist i figur 13a. Derudover er metasurfaces med kobber-bagplan beregnet til brug i MIMO-antenner for at forbedre deres ydeevne. Afstanden mellem metasoverfladen og MIMO-antennen er kritisk for at opnå høj forstærkning og samtidig tillade konstruktiv interferens mellem de bølger, der genereres af antennen, og dem, der reflekteres fra metasoverfladen. Omfattende modellering blev udført for at optimere højden mellem antennen og metasfladen, samtidig med at kvartbølgestandarder blev opretholdt for maksimal forstærkning og isolation mellem MIMO-elementer. De væsentlige forbedringer i MIMO-antennes ydeevne opnået ved at bruge metasurfaces med backplanes sammenlignet med metasurfaces uden backplanes vil blive demonstreret i efterfølgende kapitler.
(a) CST-simuleringsopsætning af den foreslåede MIMO-antenne ved hjælp af MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Reflektanskurver for det udviklede MIMO-system uden MS og med MS.
Refleksionerne af MIMO-antenner med og uden metaoverflader er vist i figur 13b, hvor S11 og S44 er præsenteret på grund af den næsten identiske opførsel af alle antenner i MIMO-systemet. Det er værd at bemærke, at -10 dB impedansbåndbredden af ​​en MIMO-antenne uden og med en enkelt metasurface er næsten den samme. I modsætning hertil er impedansbåndbredden af ​​den foreslåede MIMO-antenne forbedret af dobbeltlags MS og backplane MS. Det er værd at bemærke, at uden MS giver MIMO-antennen en fraktioneret båndbredde på 81,5% (3,2-7,6 GHz) i forhold til centerfrekvensen. Integrering af MS med backplane øger impedansbåndbredden af ​​den foreslåede MIMO-antenne til 86,3 % (3,08–7,75 GHz). Selvom dual-layer MS øger gennemløbet, er forbedringen mindre end for MS med en kobber backplane. Desuden øger en dobbeltlags MC størrelsen af ​​antennen, øger dens omkostninger og begrænser dens rækkevidde. Den designede MIMO-antenne og metasurface-reflektor er fremstillet og verificeret for at validere simuleringsresultaterne og evaluere den faktiske ydeevne. Figur 14a viser det fremstillede MS-lag og MIMO-antenne med forskellige komponenter samlet, mens figur 14b viser et fotografi af det udviklede MIMO-system. MIMO-antennen er monteret oven på metasfladen ved hjælp af fire nylonafstandsstykker, som vist i figur 14b. Figur 15a viser et øjebliksbillede af nærfelts eksperimentelle opsætning af det udviklede MIMO-antennesystem. En PNA-netværksanalysator (Agilent Technologies PNA N5227A) blev brugt til at estimere spredningsparametre og til at evaluere og karakterisere nærfeltsemissionskarakteristika i UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory.
(a) Billeder af SATIMO nærfeltsmålinger (b) Simulerede og eksperimentelle kurver af S11 MIMO-antenne med og uden MS.
Dette afsnit præsenterer en sammenlignende undersøgelse af de simulerede og observerede S-parametre for den foreslåede 5G MIMO-antenne. Figur 15b viser det eksperimentelle reflektansplot af den integrerede 4-element MIMO MS-antenne og sammenligner den med CST-simuleringsresultaterne. De eksperimentelle reflektanser viste sig at være de samme som CST-beregningerne, men var lidt anderledes på grund af fabrikationsfejl og eksperimentelle tolerancer. Derudover dækker den observerede reflektans af den foreslåede MS-baserede MIMO-prototype 5G-spektret under 6 GHz med en impedansbåndbredde på 4,8 GHz, hvilket betyder, at 5G-applikationer er mulige. Den målte resonansfrekvens, båndbredde og amplitude afviger dog lidt fra CST-simuleringsresultaterne. Produktionsfejl, coax-til-SMA-koblingstab og udendørs måleopsætninger kan forårsage forskelle mellem målte og simulerede resultater. På trods af disse mangler klarer den foreslåede MIMO sig godt, hvilket giver en stærk overensstemmelse mellem simuleringer og målinger, hvilket gør den velegnet til trådløse applikationer under 6 GHz 5G.
De simulerede og observerede MIMO-antenneforstærkningskurver er vist i fig. 2 og 2. Som vist i henholdsvis fig. 16a,b og 17a,b er den gensidige interaktion mellem MIMO-komponenter vist. Når metasurfaces anvendes på MIMO-antenner, er isolationen mellem MIMO-antenner væsentligt forbedret. Isolationsplottene mellem tilstødende antenneelementer S12, S14, S23 og S34 viser lignende kurver, mens de diagonale MIMO-antenner S13 og S42 viser tilsvarende høj isolation på grund af den større afstand mellem dem. De simulerede transmissionskarakteristika for tilstødende antenner er vist i figur 16a. Det er værd at bemærke, at i 5G-driftsspektret under 6 GHz er minimumsisolationen af ​​en MIMO-antenne uden en metasurface -13,6 dB, og for en metasurface med en backplane - 15,5 dB. Forstærkningsdiagrammet (figur 16a) viser, at bagplanets metasurface signifikant forbedrer isolationen mellem MIMO-antenneelementer sammenlignet med enkelt- og dobbeltlags metasurfaces. På tilstødende antenneelementer giver enkelt- og dobbeltlags metaoverflader en minimumsisolation på ca. -13,68 dB og -14,78 dB, og kobberbagpladens metasurface giver ca. -15,5 dB.
Simulerede isoleringskurver af MIMO-elementer uden MS-lag og med MS-lag: (a) S12, S14, S34 og S32 og (b) S13 og S24.
Eksperimentelle forstærkningskurver for de foreslåede MS-baserede MIMO-antenner uden og med: (a) S12, S14, S34 og S32 og (b) S13 og S24.
MIMO diagonale antenneforstærkningsplot før og efter tilføjelse af MS-laget er vist i figur 16b. Det er værd at bemærke, at minimumsisolationen mellem diagonale antenner uden en metasurface (antenne 1 og 3) er – 15,6 dB over hele driftsspektret, og en metasurface med en backplane er – 18 dB. Metasurface-tilgangen reducerer koblingseffekterne mellem diagonale MIMO-antenner markant. Den maksimale isolering for en enkeltlags metasurface er -37 dB, mens denne værdi for en dobbeltlags metasurface falder til -47 dB. Den maksimale isolation af metasoverfladen med et kobber-bagplan er -36,2 dB, hvilket falder med stigende frekvensområde. Sammenlignet med enkelt- og dobbeltlags metasurfaces uden backplane giver metasurfaces med backplane overlegen isolation over hele det krævede driftsfrekvensområde, især i 5G-området under 6 GHz, som vist i figur 16a, b. I det mest populære og udbredte 5G-bånd under 6 GHz (3,5 GHz) har enkelt- og dobbeltlags metasurfaces lavere isolation mellem MIMO-komponenter end metasurfaces med kobber-bagplan (næsten ingen MS) (se figur 16a), b). Forstærkningsmålingerne er vist i fig. 17a, b, der viser isolationen af ​​tilstødende antenner (S12, S14, S34 og S32) og diagonale antenner (S24 og S13), henholdsvis. Som det kan ses af disse figurer (fig. 17a, b), stemmer den eksperimentelle isolation mellem MIMO-komponenter godt overens med den simulerede isolation. Selvom der er mindre forskelle mellem de simulerede og målte CST-værdier på grund af fabrikationsfejl, SMA-portforbindelser og ledningstab. Derudover er antennen og MS-reflektoren placeret mellem nylonafstandsstykkerne, hvilket er et andet problem, der påvirker de observerede resultater sammenlignet med simuleringsresultaterne.
undersøgte overfladestrømfordelingen ved 5,5 GHz for at rationalisere metasurfacernes rolle i at reducere gensidig kobling gennem overfladebølgeundertrykkelse42. Overfladestrømfordelingen af ​​den foreslåede MIMO-antenne er vist i figur 18, hvor antenne 1 drives og resten af ​​antennen afsluttes med en 50 ohm belastning. Når antenne 1 er aktiveret, vil betydelige gensidige koblingsstrømme optræde ved tilstødende antenner ved 5,5 GHz i fravær af en metaoverflade, som vist i figur 18a. Tværtimod forbedres isolationen mellem tilstødende antenner gennem brugen af ​​metasurfaces, som vist i fig. 18b-d. Det skal bemærkes, at effekten af ​​gensidig kobling af tilstødende felter kan minimeres ved at udbrede koblingsstrømmen til tilstødende ringe af enhedsceller og tilstødende MS-enhedsceller langs MS-laget i antiparallelle retninger. Injektion af strøm fra distribuerede antenner til MS-enheder er en nøglemetode til at forbedre isolationen mellem MIMO-komponenter. Som et resultat er koblingsstrømmen mellem MIMO-komponenter kraftigt reduceret, og isolationen er også væsentligt forbedret. Fordi koblingsfeltet er bredt fordelt i elementet, isolerer kobberbagplanets metasurface MIMO-antennesamlingen væsentligt mere end enkelt- og dobbeltlags metasurfaces (figur 18d). Desuden har den udviklede MIMO-antenne meget lav tilbageudbredelse og sideudbredelse, hvilket producerer et ensrettet strålingsmønster, hvilket øger forstærkningen af ​​den foreslåede MIMO-antenne.
Overfladestrømmønstre for den foreslåede MIMO-antenne ved 5,5 GHz (a) uden MC, (b) enkeltlags MC, (c) dobbeltlags MC og (d) enkeltlags MC med kobberbagplade. (CST Studio Suite 2019).
Inden for driftsfrekvensen viser figur 19a de simulerede og observerede forstærkninger af den designede MIMO-antenne uden og med metaoverflader. Den simulerede opnåede forstærkning af MIMO-antennen uden metasurface er 5,4 dBi, som vist i figur 19a. På grund af den gensidige koblingseffekt mellem MIMO-komponenter opnår den foreslåede MIMO-antenne faktisk 0,25 dBi højere forstærkning end en enkelt antenne. Tilføjelsen af ​​metasurfaces kan give betydelige gevinster og isolation mellem MIMO-komponenter. Således kan den foreslåede metasurface MIMO-antenne opnå høj realiseret forstærkning på op til 8,3 dBi. Som vist i figur 19a, når en enkelt metasurface bruges på bagsiden af ​​MIMO-antennen, øges forstærkningen med 1,4 dBi. Når metasfladen fordobles, øges forstærkningen med 2,1 dBi, som vist i figur 19a. Den forventede maksimale forstærkning på 8,3 dBi opnås dog ved brug af metasurfacen med en kobber-bagplade. Det er bemærkelsesværdigt, at den maksimalt opnåede forstærkning for enkeltlags- og dobbeltlagsmetaoverfladen er henholdsvis 6,8 dBi og 7,5 dBi, mens den maksimalt opnåede forstærkning for bundlagsmetasfladen er 8,3 dBi. Metasurfacelaget på bagsiden af ​​antennen fungerer som en reflektor, der reflekterer stråling fra bagsiden af ​​antennen og forbedrer forholdet mellem front og bagside (F/B) af den designede MIMO-antenne. Derudover manipulerer den højimpedans MS-reflektor elektromagnetiske bølger i fase og skaber derved yderligere resonans og forbedrer strålingsydelsen af ​​den foreslåede MIMO-antenne. MS-reflektoren installeret bag MIMO-antennen kan øge den opnåede forstærkning markant, hvilket bekræftes af eksperimentelle resultater. De observerede og simulerede forstærkninger af den udviklede prototype MIMO-antenne er næsten de samme, dog ved nogle frekvenser er den målte forstærkning højere end den simulerede forstærkning, især for MIMO uden MS; Disse variationer i eksperimentel forstærkning skyldes måletolerancer for nylonpuderne, kabeltab og kobling i antennesystemet. Den maksimale målte forstærkning af MIMO-antennen uden metasurface er 5,8 dBi, mens metasurfacen med en kobber-bagplade er 8,5 dBi. Det er værd at bemærke, at det foreslåede komplette 4-ports MIMO-antennesystem med MS-reflektor udviser høj forstærkning under eksperimentelle og numeriske forhold.
Simulering og eksperimentelle resultater af (a) den opnåede forstærkning og (b) den samlede ydeevne af den foreslåede MIMO-antenne med metasurface-effekt.
Figur 19b viser den samlede ydeevne af det foreslåede MIMO-system uden og med metasurface-reflektorer. I figur 19b var den laveste effektivitet ved anvendelse af MS med backplane over 73 % (ned til 84 %). Den samlede effektivitet af de udviklede MIMO-antenner uden MC og med MC er næsten den samme med mindre forskelle i forhold til de simulerede værdier. Årsagerne til dette er måletolerancer og brug af afstandsstykker mellem antennen og MS-reflektoren. Den målte opnåede forstærkning og overordnede effektivitet over hele frekvensen svarer næsten til simuleringsresultaterne, hvilket indikerer, at ydeevnen af ​​den foreslåede MIMO-prototype er som forventet, og at den anbefalede MS-baserede MIMO-antenne er egnet til 5G-kommunikation. På grund af fejl i eksperimentelle undersøgelser er der forskelle mellem de overordnede resultater af laboratorieforsøg og resultaterne af simuleringer. Ydeevnen af ​​den foreslåede prototype påvirkes af impedansmisforhold mellem antennen og SMA-stikket, koaksialkabelsplejsningstab, loddeeffekter og forskellige elektroniske enheders nærhed til den eksperimentelle opsætning.
Figur 20 beskriver design- og optimeringsfremskridtet af nævnte antenne i form af et blokdiagram. Dette blokdiagram giver en trin-for-trin beskrivelse af de foreslåede MIMO-antennedesignprincipper samt de parametre, der spiller en nøglerolle i at optimere antennen for at opnå den nødvendige høje forstærkning og høj isolation over en bred driftsfrekvens.
Nærfelts MIMO-antennemålingerne blev målt i SATIMO Near-Field Experimental Environment på UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Figur 21a,b viser de simulerede og observerede E-plan og H-plan strålingsmønstre af den påberåbte MIMO-antenne med og uden MS ved en driftsfrekvens på 5,5 GHz. I driftsfrekvensområdet på 5,5 GHz giver den udviklede ikke-MS MIMO-antenne et konsekvent tovejs strålingsmønster med sidesløjfeværdier. Efter påføring af MS-reflektoren giver antennen et ensrettet strålingsmønster og reducerer niveauet af baglapperne, som vist i figur 21a, b. Det er værd at bemærke, at ved at bruge en metasurface med et kobber-bagplan er det foreslåede MIMO-antennemønster mere stabilt og ensrettet end uden MS, med meget lave ryg- og sidelapper. Den foreslåede MM-arrayreflektor reducerer antennens bag- og sidesløjfer og forbedrer også strålingskarakteristikaene ved at rette strømmen i en ensrettet retning (fig. 21a, b), hvorved forstærkningen og retningsevnen øges. Det målte strålingsmønster blev opnået for port 1 med en 50 ohm belastning forbundet til de resterende porte. Det blev observeret, at det eksperimentelle strålingsmønster var næsten identisk med det, der blev simuleret af CST, selvom der var nogle afvigelser på grund af komponentforskydning, refleksioner fra terminalporte og tab i kabelforbindelser. Derudover blev der indsat et nylonafstandsstykke mellem antennen og MS-reflektoren, hvilket er et andet problem, der påvirker de observerede resultater sammenlignet med de forudsagte resultater.
Strålingsmønsteret af den udviklede MIMO-antenne (uden MS og med MS) ved en frekvens på 5,5 GHz blev simuleret og testet.
Det er vigtigt at bemærke, at portisolation og dens tilknyttede egenskaber er essentielle ved evaluering af MIMO-systemers ydeevne. Diversitetsydelsen af ​​det foreslåede MIMO-system, herunder envelope-korrelationskoefficient (ECC) og diversitetsforstærkning (DG), undersøges for at illustrere robustheden af ​​det designede MIMO-antennesystem. ECC og DG for en MIMO-antenne kan bruges til at evaluere dens ydeevne, da de er vigtige aspekter af ydeevnen af ​​et MIMO-system. De følgende sektioner vil detaljere disse funktioner i den foreslåede MIMO-antenne.
Envelope Correlation Coefficient (ECC). Når man overvejer ethvert MIMO-system, bestemmer ECC i hvilken grad de indgående elementer korrelerer med hinanden med hensyn til deres specifikke egenskaber. Således demonstrerer ECC graden af ​​kanalisolation i et trådløst kommunikationsnetværk. ECC (envelope correlation coefficient) for det udviklede MIMO-system kan bestemmes baseret på S-parametre og fjernfeltsemission. Fra Eq. (7) og (8) kan ECC for den foreslåede MIMO-antenne 31 bestemmes.
Refleksionskoefficienten er repræsenteret af Sii og Sij repræsenterer transmissionskoefficienten. De tredimensionelle strålingsmønstre for de j-te og i-te antenner er givet ved udtrykkene \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) og \( \vec {{R_{ i } }} Massiv vinkel repræsenteret af \left( {\theta ,\varphi } \right)\) og \({\Omega }\). ECC-kurven for den foreslåede antenne er vist i figur 22a, og dens værdi er mindre end 0,004, hvilket er et godt stykke under den acceptable værdi på 0,5 for et trådløst system. Derfor betyder den reducerede ECC-værdi, at det foreslåede 4-ports MIMO-system giver overlegen diversitet43.
Diversity Gain (DG) DG er en anden MIMO-systemydelsesmåling, der beskriver, hvordan diversitetsskemaet påvirker den udstrålede effekt. Relation (9) bestemmer DG for det MIMO-antennesystem, der udvikles, som beskrevet i 31.
Figur 22b viser DG-diagrammet for det foreslåede MIMO-system, hvor DG-værdien er meget tæt på 10 dB. DG-værdierne for alle antenner i det designede MIMO-system overstiger 9,98 dB.
Tabel 1 sammenligner den foreslåede metasurface MIMO-antenne med nyligt udviklede lignende MIMO-systemer. Sammenligningen tager højde for forskellige ydeevneparametre, herunder båndbredde, forstærkning, maksimal isolation, samlet effektivitet og diversitetsydelse. Forskere har præsenteret forskellige MIMO-antenneprototyper med forstærknings- og isolationsforbedringsteknikker i 5, 44, 45, 46, 47. Sammenlignet med tidligere offentliggjorte værker overgår det foreslåede MIMO-system med metasurface-reflektorer dem med hensyn til båndbredde, forstærkning og isolation. Derudover, sammenlignet med lignende antenner rapporteret, udviser det udviklede MIMO-system overlegen diversitetsydelse og overordnet effektivitet i en mindre størrelse. Selvom antennerne beskrevet i afsnit 5.46 har højere isolation end vores foreslåede antenner, lider disse antenner af stor størrelse, lav forstærkning, smal båndbredde og dårlig MIMO-ydeevne. Den 4-ports MIMO-antenne, der blev foreslået i 45, udviser høj forstærkning og effektivitet, men dens design har lav isolation, stor størrelse og dårlig diversitetsydelse. På den anden side har det lille antennesystem, der er foreslået i 47, meget lav forstærkning og driftsbåndbredde, mens vores foreslåede MS-baserede 4-ports MIMO-system udviser lille størrelse, høj forstærkning, høj isolation og bedre ydeevne MIMO. Således kan den foreslåede metasurface MIMO-antenne blive en stor udfordrer til sub-6 GHz 5G-kommunikationssystemer.
En fire-ports metasurface-reflektorbaseret bredbånds MIMO-antenne med høj forstærkning og isolering foreslås til at understøtte 5G-applikationer under 6 GHz. Mikrostrimlen føder en firkantet udstrålende sektion, som er afkortet af en firkant ved de diagonale hjørner. Den foreslåede MS og antenneemitter er implementeret på substratmaterialer svarende til Rogers RT5880 for at opnå fremragende ydeevne i højhastigheds 5G kommunikationssystemer. MIMO-antennen har bred rækkevidde og høj forstærkning og giver lydisolering mellem MIMO-komponenter og fremragende effektivitet. Den udviklede enkeltantenne har miniaturedimensioner på 0,58?0,58?0,02? med en 5×5 metasurface array, giver en bred 4,56 GHz driftsbåndbredde, 8 dBi peak gain og overlegen målt effektivitet. Den foreslåede MIMO-antenne med fire porte (2 × 2 array) er designet ved at justere hver foreslået enkelt antenne ortogonalt med en anden antenne med dimensionerne 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Det anbefales at samle et 10×10 MM-array under en 12 mm høj MIMO-antenne, som kan reducere tilbagestråling og reducere gensidig kobling mellem MIMO-komponenter og derved forbedre forstærkning og isolation. Eksperimentelle og simuleringsresultater viser, at den udviklede MIMO-prototype kan fungere i et bredt frekvensområde på 3,08-7,75 GHz, der dækker 5G-spektret under 6 GHz. Derudover forbedrer den foreslåede MS-baserede MIMO-antenne sin forstærkning med 2,9 dBi og opnår en maksimal forstærkning på 8,3 dBi og giver fremragende isolation (>15,5 dB) mellem MIMO-komponenter, hvilket validerer MS's bidrag. Derudover har den foreslåede MIMO-antenne en høj gennemsnitlig samlet effektivitet på 82 % og en lav afstand mellem elementerne på 22 mm. Antennen udviser fremragende MIMO-diversitetsydelse, herunder meget høj DG (over 9,98 dB), meget lav ECC (mindre end 0,004) og ensrettet strålingsmønster. Måleresultaterne minder meget om simuleringsresultaterne. Disse karakteristika bekræfter, at det udviklede MIMO-antennesystem med fire porte kan være et levedygtigt valg for 5G-kommunikationssystemer i frekvensområdet under 6 GHz.
Cowin kan levere 400-6000MHz bredbånds PCB-antenne og støtte til at designe ny antenne i henhold til dit krav, kontakt os venligst uden tøven, hvis du har nogen anmodning.

 

 


Indlægstid: 10-10-2024