У гэтай працы прапануецца кампактная інтэграваная шырокапалосная антэна з некалькімі ўваходамі і множнымі выхадамі (MIMO) з метапаверхняй (MS) для сістэм бесправадной сувязі пятага пакалення (5G) ніжэй за 6 ГГц. Відавочнай навінкай прапанаванай сістэмы MIMO з'яўляецца яе шырокая рабочая паласа прапускання, высокі каэфіцыент узмацнення, малыя межкомпонентные зазоры і выдатная ізаляцыя ўнутры кампанентаў MIMO. Пляма выпраменьвання антэны зрэзана па дыяганалі, часткова заземлена, а метапаверхні выкарыстоўваюцца для паляпшэння характарыстык антэны. Прапанаваны прататып інтэграванай адзіночнай антэны MS мае мініяцюрныя памеры 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Вынікі мадэлявання і вымярэнняў дэманструюць шырокапалосную прадукцыйнасць ад 3,11 ГГц да 7,67 ГГц, у тым ліку максімальнае дасягнутае ўзмацненне ў 8 дБі. Чатырохэлементная сістэма MIMO распрацавана так, што кожная антэна з'яўляецца артаганальнай адна да адной, захоўваючы пры гэтым кампактны памер і шырокапалосную прадукцыйнасць ад 3,2 да 7,6 ГГц. Прапанаваны прататып MIMO распрацаваны і выраблены на падкладцы Rogers RT5880 з нізкімі стратамі і мініяцюрнымі памерамі 1,05? 1,05? 0,02?, і яго прадукцыйнасць ацэньваецца з дапамогай прапанаванага квадратнага замкнёнага кальцавога рэзанатара з раздзельным кольцам 10 х 10. Асноўны матэрыял той жа. Прапанаваная метапаверхня задняй платы значна зніжае зваротнае выпраменьванне антэны і маніпулюе электрамагнітнымі палямі, тым самым паляпшаючы прапускную здольнасць, узмацненне і ізаляцыю кампанентаў MIMO. У параўнанні з існуючымі антэнамі MIMO, прапанаваная 4-портавая антэна MIMO дасягае высокага каэфіцыента ўзмацнення 8,3 дБі з сярэдняй агульнай эфектыўнасцю да 82% у дыяпазоне 5G ніжэй за 6 ГГц і добра супадае з вымеранымі вынікамі. Больш за тое, распрацаваная антэна MIMO дэманструе выдатную прадукцыйнасць з пункту гледжання каэфіцыента карэляцыі агінаючай (ECC) менш за 0,004, узмацнення разнесенасці (DG) каля 10 дБ (>9,98 дБ) і высокай ізаляцыі паміж кампанентамі MIMO (>15,5 дБ). характарыстыкі. Такім чынам, прапанаваная антэна MIMO на аснове MS пацвярджае яе прыдатнасць для сетак сувязі 5G ніжэй за 6 ГГц.
Тэхналогія 5G - гэта неверагодны прагрэс у галіне бесправадной сувязі, які дазволіць стварыць больш хуткія і бяспечныя сеткі для мільярдаў падлучаных прылад, забяспечыць карыстацкі досвед з «нулявой» затрымкай (затрымка менш за 1 мілісекунду) і ўкараніць новыя тэхналогіі, у тым ліку электроніку. Медыцынскае абслугоўванне, інтэлектуальнае выхаванне. , разумныя гарады, разумныя дамы, віртуальная рэальнасць (VR), разумныя фабрыкі і Інтэрнэт транспартных сродкаў (IoV) мяняюць наша жыццё, грамадства і галіны1,2,3. Федэральная камісія па сувязі ЗША (FCC) дзеліць спектр 5G на чатыры дыяпазоны частот4. Паласа частот ніжэй за 6 ГГц уяўляе цікавасць для даследчыкаў, таму што яна дазваляе мець зносіны на вялікія адлегласці з высокай хуткасцю перадачы дадзеных5,6. Размеркаванне спектру ніжэй за 6 ГГц 5G для глабальнай сувязі 5G паказана на малюнку 1, што паказвае, што ўсе краіны разглядаюць магчымасць выкарыстання спектру ніжэй за 6 ГГц для сувязі 5G7,8. Антэны з'яўляюцца важнай часткай сетак 5G і патрабуюць больш антэн базавых станцый і карыстацкіх тэрміналаў.
Мікрапалоскавыя патч-антэны маюць такія перавагі, як тонкасць і плоская структура, але абмежаваныя па прапускной здольнасці і каэфіцыенце ўзмацнення9,10, таму было праведзена шмат даследаванняў, каб павялічыць каэфіцыент узмацнення і прапускной здольнасці антэны; У апошнія гады метапаверхні (MS) шырока выкарыстоўваюцца ў антэнных тэхналогіях, асабліва для паляпшэння ўзмацнення і прапускной здольнасці11,12, аднак гэтыя антэны абмежаваныя адным портам; Тэхналогія MIMO з'яўляецца важным аспектам бесправадной сувязі, таму што яна можа выкарыстоўваць некалькі антэн адначасова для перадачы дадзеных, тым самым паляпшаючы хуткасць перадачы дадзеных, спектральную эфектыўнасць, прапускную здольнасць канала і надзейнасць13,14,15. Антэны MIMO з'яўляюцца патэнцыйнымі кандыдатамі для прыкладанняў 5G, таму што яны могуць перадаваць і прымаць даныя па некалькіх каналах, не патрабуючы дадатковага харчавання16,17. Эфект узаемнай сувязі паміж кампанентамі MIMO залежыць ад размяшчэння элементаў MIMO і каэфіцыента ўзмацнення антэны MIMO, што з'яўляецца сур'ёзнай праблемай для даследчыкаў. На малюнках 18, 19 і 20 паказаны розныя антэны MIMO, якія працуюць у дыяпазоне 5G ніжэй за 6 ГГц, і ўсе дэманструюць добрую ізаляцыю і прадукцыйнасць MIMO. Аднак каэфіцыент узмацнення і рабочая прапускная здольнасць гэтых прапанаваных сістэм нізкія.
Метаматэрыялы (MM) - гэта новыя матэрыялы, якія не існуюць у прыродзе і могуць маніпуляваць электрамагнітнымі хвалямі, тым самым паляпшаючы прадукцыйнасць антэн 21, 22, 23, 24. У цяперашні час ММ шырока выкарыстоўваецца ў антэнных тэхналогіях для паляпшэння дыяграмы дыяграмы, прапускной здольнасці, узмацнення і ізаляцыі паміж элементамі антэны і сістэмамі бесправадной сувязі, як абмяркоўвалася ў 25, 26, 27, 28. У 2029 годзе чатырохэлементная сістэма MIMO, заснаваная на metasurface, у якой секцыя антэны заціснутая паміж metasurface і зямлёй без паветранага зазору, што паляпшае прадукцыйнасць MIMO. Аднак гэтая канструкцыя мае большы памер, меншую працоўную частату і складаную структуру. Каб палепшыць ізаляцыю кампанентаў MIMO30, у прапанаваную 2-портавую шырокапалосную антэну MIMO уключаны электрамагнітная шырыня забароненай зоны (EBG) і контур зазямлення. Распрацаваная антэна мае добрую прадукцыйнасць разнясення MIMO і выдатную ізаляцыю паміж дзвюма антэнамі MIMO, але пры выкарыстанні толькі двух кампанентаў MIMO каэфіцыент узмацнення будзе нізкім. Акрамя таго, in31 таксама прапанавала звышшырокапалосную (UWB) двухпортавую антэну MIMO і даследавала яе характарыстыкі MIMO з выкарыстаннем метаматэрыялаў. Нягледзячы на тое, што гэтая антэна здольная працаваць у UWB, яе ўзмацненне нізкае, а ізаляцыя паміж дзвюма антэнамі дрэнная. У працы in32 прапануецца 2-портавая сістэма MIMO, якая выкарыстоўвае электрамагнітныя адбівальнікі з зазорнай зонай (EBG) для павелічэння ўзмацнення. Хоць распрацаваная антэнная рашотка мае высокі каэфіцыент узмацнення і добрую прадукцыйнасць разнесенасці MIMO, яе вялікі памер абцяжарвае прымяненне ў прыладах сувязі наступнага пакалення. Іншая шырокапалосная антэна на аснове адбівальніка была распрацавана ў 33 годзе, дзе адбівальнік быў убудаваны пад антэну з большым прамежкам у 22 мм, дэманструючы меншае пікавае ўзмацненне ў 4,87 дБ. У артыкуле 34 распрацавана чатырохпортавая антэна MIMO для прыкладанняў mmWave, інтэграваная з узроўнем MS для паляпшэння ізаляцыі і ўзмацнення сістэмы MIMO. Аднак гэтая антэна забяспечвае добрае ўзмацненне і ізаляцыю, але мае абмежаваную прапускную здольнасць і дрэнныя механічныя ўласцівасці з-за вялікага паветранага зазору. Аналагічным чынам у 2015 годзе была распрацавана трохпарная 4-портавая антэна MIMO з убудаванай метапаверхняй у форме матылька для перадачы дадзеных у мм-хвалях з максімальным узмацненнем 7,4 дБі. B36 MS выкарыстоўваецца на задняй частцы антэны 5G для павелічэння каэфіцыента ўзмацнення антэны, дзе метапаверхня дзейнічае як адбівальнік. Аднак структура MS асіметрычная, і менш увагі надаецца структуры элементарнай ячэйкі.
Згодна з прыведзенымі вышэй вынікамі аналізу, ні адна з вышэйпералічаных антэн не мае высокага ўзмацнення, выдатнай ізаляцыі, прадукцыйнасці MIMO і шырокапалоснага пакрыцця. Такім чынам, па-ранейшаму існуе патрэба ў метапавярховай антэне MIMO, якая можа ахопліваць шырокі дыяпазон частот спектру 5G ніжэй за 6 ГГц з высокім узмацненнем і ізаляцыяй. Улічваючы абмежаванні вышэйзгаданай літаратуры, для сістэм бесправадной сувязі ніжэй за 6 ГГц прапануецца шырокапалосная чатырохэлементная антэнная сістэма MIMO з высокім каэфіцыентам узмацнення і выдатнымі характарыстыкамі разнесенасці. Акрамя таго, прапанаваная антэна MIMO дэманструе выдатную ізаляцыю паміж кампанентамі MIMO, невялікія зазоры паміж элементамі і высокую эфектыўнасць выпраменьвання. Накладка антэны абрэзана па дыяганалі і размешчана на верхняй частцы метапаверхні з паветраным зазорам 12 мм, які адлюстроўвае зваротнае выпраменьванне ад антэны і паляпшае ўзмацненне і накіраванасць антэны. Акрамя таго, прапанаваная адна антэна выкарыстоўваецца для стварэння чатырохэлементнай антэны MIMO з найвышэйшай прадукцыйнасцю MIMO шляхам размяшчэння кожнай антэны артаганальна адна да адной. Затым распрацаваную антэну MIMO інтэгравалі ў вяршыню масіва 10 × 10 MS з меднай аб'яднальнай платай для паляпшэння характарыстык выпраменьвання. Канструкцыя мае шырокі працоўны дыяпазон (3,08-7,75 ГГц), высокі каэфіцыент узмацнення 8,3 дБі і высокую сярэднюю агульную эфектыўнасць 82%, а таксама выдатную ізаляцыю больш за −15,5 дБ паміж кампанентамі антэны MIMO. Распрацаваная антэна MIMO на аснове MS была змадэлявана з выкарыстаннем трохмернага электрамагнітнага пакета праграмнага забеспячэння CST Studio 2019 і праверана шляхам эксперыментальных даследаванняў.
У гэтым раздзеле змяшчаецца падрабязнае ўвядзенне ў прапанаваную архітэктуру і метадалогію праектавання адной антэны. Акрамя таго, падрабязна абмяркоўваюцца змадэляваныя і назіраныя вынікі, уключаючы параметры рассейвання, узмацненне і агульную эфектыўнасць з метапаверхнямі і без іх. Прататып антэны быў распрацаваны на дыэлектрычнай падкладцы Rogers 5880 з нізкімі стратамі таўшчынёй 1,575 мм з дыэлектрычнай пастаяннай 2,2. Для распрацоўкі і мадэлявання канструкцыі выкарыстоўваўся пакет электрамагнітнага сімулятара CST studio 2019.
На малюнку 2 паказаны прапанаваная архітэктура і мадэль канструкцыі аднаэлементнай антэны. У адпаведнасці з усталяванымі матэматычнымі ўраўненнямі37, антэна складаецца з квадратнага выпраменьваючага плямы з лінейным харчаваннем і меднай плоскасці зазямлення (як апісана ў кроку 1) і рэзаніруе з вельмі вузкай паласой частот 10,8 ГГц, як паказана на малюнку 3b. Пачатковы памер выпраменьвальніка антэны вызначаецца наступнай матэматычнай залежнасцю37:
Дзе \(P_{L}\) і \(P_{w}\) — даўжыня і шырыня ўчастка, c — хуткасць святла, \(\gamma_{r}\) — дыэлектрычная пранікальнасць падкладкі . , \(\gamma_{reff }\) уяўляе сабой эфектыўнае дыэлектрычнае значэнне плямы выпраменьвання, \(\Delta L\) уяўляе змяненне даўжыні плямы. Задняя плата антэны была аптымізавана на другім этапе, павялічыўшы паласу прапускання імпедансу, нягледзячы на вельмі нізкую паласу прапускання імпедансу ў 10 дБ. На трэцім этапе пазіцыя фідэра перамяшчаецца направа, што паляпшае паласу прапускання імпедансу і ўзгадненне імпедансу прапанаванай антэны38. На гэтым этапе антэна дэманструе выдатную рабочую прапускную здольнасць 4 ГГц, а таксама ахоплівае спектр ніжэй за 6 ГГц у 5G. Чацвёрты і апошні этап прадугледжвае пратручванне квадратных баразёнак у процілеглых кутах плямы выпраменьвання. Гэты слот значна пашырае прапускную здольнасць 4,56 ГГц, каб пакрыць спектр 5G ніжэй за 6 ГГц ад 3,11 ГГц да 7,67 ГГц, як паказана на малюнку 3b. Выгляды спераду і знізу ў перспектыве прапанаванай канструкцыі паказаны на малюнку 3a, а канчатковыя аптымізаваныя патрабаваныя параметры канструкцыі наступныя: SL = 40 мм, Pw = 18 мм, PL = 18 мм, gL = 12 мм, fL = 11. мм, fW = 4,7 мм, c1 = 2 мм, c2 = 9,65 мм, c3 = 1,65 мм.
(a) Выгляды спраектаванай адной антэны зверху і ззаду (CST STUDIO SUITE 2019). (б) Крывая S-параметраў.
Метапаверхня - гэта тэрмін, які адносіцца да перыядычнага масіва элементарных ячэек, размешчаных на пэўнай адлегласці адна ад адной. Метапаверхні - гэта эфектыўны спосаб палепшыць характарыстыкі выпраменьвання антэны, уключаючы прапускную здольнасць, узмацненне і ізаляцыю паміж кампанентамі MIMO. З-за ўплыву распаўсюджвання павярхоўнай хвалі метапаверхні ствараюць дадатковыя рэзанансы, якія спрыяюць паляпшэнню характарыстык антэны39. У гэтай працы прапануецца блок эпсілон-адмоўнага метаматэрыялу (MM), які працуе ў дыяпазоне 5G ніжэй за 6 ГГц. ММ з плошчай паверхні 8 мм × 8 мм быў распрацаваны на падкладцы Rogers 5880 з нізкімі стратамі з дыэлектрычнай пастаяннай 2,2 і таўшчынёй 1,575 мм. Аптымізаваны рэзанатар ММ складаецца з унутранага круглага разрэзнага кольца, злучанага з двума мадыфікаванымі вонкавымі разрэзнымі кольцамі, як паказана на малюнку 4a. На малюнку 4a прыведзены канчатковыя аптымізаваныя параметры прапанаванай устаноўкі ММ. Пасля былі распрацаваны метапавярхоўныя пласты памерам 40 × 40 мм і 80 × 80 мм без меднай апорнай панэлі і з меднай ашалёўкай з выкарыстаннем масіваў ячэек 5 × 5 і 10 × 10 адпаведна. Прапанаваная структура ММ была змадэлявана з дапамогай праграмнага забеспячэння для трохмернага электрамагнітнага мадэлявання «CST studio suite 2019». Выраблены прататып прапанаванай структуры масіва ММ і ўстаноўкі вымярэння (двухпортавы сеткавы аналізатар PNA і хваляводны порт) паказаны на малюнку 4b для пацверджання вынікаў мадэлявання CST шляхам аналізу рэальнага водгуку. Для ўстаноўкі вымярэння выкарыстоўваўся аналізатар сеткі Agilent серыі PNA у спалучэнні з двума хваляводнымі кааксіяльнымі адаптарамі (A-INFOMW, нумар дэталі: 187WCAS) для адпраўкі і атрымання сігналаў. Прататып рашоткі 5×5 быў размешчаны паміж двума хваляводнымі кааксіяльнымі адаптарамі, падлучанымі кааксіяльным кабелем да двухпортавага аналізатара сеткі (Agilent PNA N5227A). Набор для каліброўкі Agilent N4694-60001 выкарыстоўваецца для каліброўкі аналізатара сеткі на эксперыментальнай устаноўцы. Змадэляваныя і назіраныя CST параметры рассейвання прапанаванага прататыпа масіва ММ паказаны на малюнку 5а. Можна заўважыць, што прапанаваная структура ММ рэзаніруе ў дыяпазоне частот 5G ніжэй за 6 ГГц. Нягледзячы на невялікую розніцу ў паласе прапускання ў 10 дБ, змадэляваныя і эксперыментальныя вынікі вельмі падобныя. Рэзанансная частата, паласа прапускання і амплітуда назіранага рэзанансу нязначна адрозніваюцца ад змадэляваных, як паказана на малюнку 5а. Гэтыя адрозненні паміж назіранымі і змадэляванымі вынікамі абумоўлены недасканаласцю вытворчасці, невялікімі зазорамі паміж прататыпам і хваляводнымі портамі, эфектам сувязі паміж хваляводнымі портамі і кампанентамі масіва і допускамі вымярэнняў. Акрамя таго, правільнае размяшчэнне распрацаванага прататыпа паміж хваляводнымі портамі ў эксперыментальнай устаноўцы можа прывесці да рэзананснага зруху. Акрамя таго, на этапе каліброўкі назіраўся непажаданы шум, які прывёў да разыходжанняў паміж лікавымі і вымеранымі вынікамі. Аднак, акрамя гэтых цяжкасцей, прапанаваны прататып масіва MM працуе добра з-за моцнай карэляцыі паміж мадэляваннем і эксперыментам, што робіць яго добра прыдатным для прыкладанняў бесправадной сувязі 5G ніжэй за 6 ГГц.
(a) Геаметрыя элементарнай ячэйкі (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 STUDIO SUITE) ) 2019) (b) Фота вымяральнай устаноўкі ММ.
(а) Мадэляванне і праверка крывых параметраў рассейвання метаматэрыяльнага прататыпа. (Б) Крывая дыэлектрычнай пранікальнасці элементарнай ячэйкі ММ.
Адпаведныя эфектыўныя параметры, такія як эфектыўная дыэлектрычная пранікальнасць, магнітная пранікальнасць і паказчык праламлення, былі вывучаны з дапамогай убудаваных метадаў пост-апрацоўкі электрамагнітнага сімулятара CST для далейшага аналізу паводзін элементарнай ячэйкі ММ. Эфектыўныя параметры ММ атрымліваюцца з параметраў рассейвання з дапамогай надзейнага метаду рэканструкцыі. Наступныя ўраўненні каэфіцыента прапускання і адлюстравання: (3) і (4) могуць быць выкарыстаны для вызначэння паказчыка праламлення і імпедансу (гл. 40).
Сапраўдная і ўяўная часткі аператара прадстаўлены (.)' і (.)” адпаведна, а цэлае значэнне m адпавядае сапраўднаму паказчыку праламлення. Дыэлектрычная пранікальнасць і пранікальнасць вызначаюцца па формулах \(\varepsilon { } = { }n/z,\) і \(\mu = nz\), якія заснаваны на імпедансе і паказчыку праламлення адпаведна. Крывая эфектыўнай дыэлектрычнай пранікальнасці структуры ММ паказана на малюнку 5b. На рэзананснай частаце эфектыўная дыэлектрычная пранікальнасць адмоўная. На малюнках 6a,b паказаны вынятыя значэнні эфектыўнай пранікальнасці (μ) і эфектыўнага паказчыка праламлення (n) прапанаванай элементарнай ячэйкі. Характэрна, што атрыманыя пранікальнасці дэманструюць станоўчыя рэальныя значэнні, блізкія да нуля, што пацвярджае эпсілон-адмоўныя (ENG) уласцівасці прапанаванай структуры ММ. Акрамя таго, як паказана на малюнку 6а, рэзананс пры пранікальнасці, блізкай да нуля, цесна звязаны з рэзананснай частатой. Распрацаваная элементарная ячэйка мае адмоўны паказчык праламлення (мал. 6b), што азначае, што прапанаваны ММ можна выкарыстоўваць для паляпшэння характарыстык антэны21,41.
Распрацаваны прататып адзінай шырокапалоснай антэны быў выраблены для эксперыментальнай праверкі прапанаванай канструкцыі. На малюнках 7a,b паказаны выявы прапанаванага прататыпа адзіночнай антэны, яе структурных частак і ўстаноўкі для вымярэння блізкага поля (SATIMO). Каб палепшыць прадукцыйнасць антэны, распрацаваную метапаверхню размяшчаюць пластамі пад антэнай, як паказана на малюнку 8а, вышынёй h. Адзіная двухслаёвая метапаверхня памерам 40 мм х 40 мм была нанесена на заднюю частку адной антэны з інтэрвалам у 12 мм. Акрамя таго, з тыльнага боку адзіночнай антэны на адлегласці 12 мм размешчана метапаверхня з задняй платай. Пасля нанясення метапаверхні прадукцыйнасць адзіночнай антэны значна палепшылася, як паказана на малюнках 1 і 2. На малюнках 8 і 9. На малюнку 8b паказаны змадэляваныя і вымераныя графікі адлюстравання для адзіночнай антэны без і з метапаверхнямі. Варта адзначыць, што паласа пакрыцця антэны з метапаверхняй вельмі падобная на паласу пакрыцця антэны без метапаверхні. На малюнках 9a,b паказана параўнанне змадэляванага і назіранага ўзмацнення адной антэны і агульнай эфектыўнасці без і з MS у працоўным спектры. Можна заўважыць, што ў параўнанні з неметапавярхоўнай антэнай каэфіцыент узмацнення метапаверхневай антэны значна павялічыўся з 5,15 дБі да 8 дБі. Каэфіцыент узмацнення аднаслаёвай метапаверхні, двухслаёвай метапаверхні і адной антэны з метапаверхняй задняй платы павялічыўся на 6 дБі, 6,9 дБі і 8 дБі адпаведна. У параўнанні з іншымі метапаверхнямі (аднаслаёвымі і двухслаёвымі МС), каэфіцыент узмацнення адной метапаверхневай антэны з меднай аб'яднальнай платай складае да 8 дБі. У гэтым выпадку метапаверхня дзейнічае як адбівальнік, памяншаючы зваротнае выпраменьванне антэны і маніпулюючы электрамагнітнымі хвалямі ў фазе, тым самым павялічваючы эфектыўнасць выпраменьвання антэны і, такім чынам, узмацненне. Даследаванне агульнай эфектыўнасці адной антэны без і з метапаверхнямі паказана на малюнку 9b. Варта адзначыць, што эфектыўнасць антэны з метаповерхностью і без яе практычна аднолькавая. У ніжнім частотным дыяпазоне эфектыўнасць антэны крыху зніжаецца. Эксперыментальныя і змадэляваныя крывыя ўзмацнення і эфектыўнасці добра супадаюць. Тым не менш, ёсць невялікія адрозненні паміж змадэляванымі і праверанымі вынікамі з-за вытворчых дэфектаў, дапушчальных адхіленняў, страты злучэння порта SMA і страты правадоў. Акрамя таго, антэна і адбівальнік MS размешчаны паміж нейлонавымі пракладкамі, што з'яўляецца яшчэ адной праблемай, якая ўплывае на назіраныя вынікі ў параўнанні з вынікамі мадэлявання.
На малюнку (а) паказаная завершаная адзіная антэна і звязаныя з ёй кампаненты. (b) Налада вымярэння блізкага поля (SATIMO).
(a) Узбуджэнне антэны з выкарыстаннем метапаверхневых адбівальнікаў (CST STUDIO SUITE 2019). (Б) Змадэляваныя і эксперыментальныя каэфіцыенты адлюстравання адной антэны без і з MS.
Вынікі мадэлявання і вымярэння (а) дасягнутага ўзмацнення і (б) агульнай эфектыўнасці прапанаванай антэны з метапаверхневым эфектам.
Аналіз дыяграмы прамяня з дапамогай MS. Вымярэнні блізкага поля з дапамогай адной антэны праводзіліся ў эксперыментальным асяроддзі SATIMO Near-Field Experimental Environment Лабараторыі сістэм блізкага поля UKM SATIMO. На малюнках 10a, b паказаны змадэляваныя і назіраныя дыяграмы выпраменьвання ў плоскасці E і H на частаце 5,5 ГГц для прапанаванай адной антэны з MS і без яго. Распрацаваная адна антэна (без MS) забяспечвае паслядоўную двухнакіраваную дыяграму выпраменьвання са значэннямі бакавых пялёсткаў. Пасля прымянення прапанаванага адбівальніка MS антэна забяспечвае аднанакіраваную дыяграму выпраменьвання і зніжае ўзровень задніх пялёсткаў, як паказана на малюнках 10а, б. Варта адзначыць, што прапанаваная дыяграма выпраменьвання адной антэны з'яўляецца больш стабільнай і аднанакіраванай з вельмі нізкімі заднімі і бакавымі лепесткамі пры выкарыстанні метапаверхні з меднай аб'яднальнай платай. Прапанаваны адбівальнік з рашоткай ММ памяншае задні і бакавы пялёсткі антэны, адначасова паляпшаючы характарыстыкі выпраменьвання, накіроўваючы ток у аднанакіраваных кірунках (мал. 10а, б), павялічваючы тым самым каэфіцыент узмацнення і накіраванасць. Было заўважана, што эксперыментальная дыяграма выпраменьвання была амаль параўнальная з мадэляваннем CST, але нязначна адрознівалася з-за несумяшчальнасці розных сабраных кампанентаў, допускаў вымярэнняў і страт у кабелях. Акрамя таго, паміж антэнай і адбівальнікам MS была ўстаўлена нейлонавая пракладка, што з'яўляецца яшчэ адной праблемай, якая ўплывае на назіраныя вынікі ў параўнанні з лічбавымі вынікамі.
Праведзена мадэляванне і праверка дыяграмы дыяграмы выпраменьвання распрацаванай адзіночнай антэны (без МС і з МС) на частаце 5,5 Ггц.
Прапанаваная геаметрыя антэны MIMO паказана на малюнку 11 і ўключае чатыры адзінкавыя антэны. Чатыры кампаненты антэны MIMO размешчаны артаганальна адзін аднаму на падкладцы памерам 80 × 80 × 1,575 мм, як паказана на малюнку 11. Распрацаваная антэна MIMO мае адлегласць паміж элементамі 22 мм, што менш, чым у антэны MIMO. бліжэйшая адпаведная адлегласць паміж элементамі антэны. Распрацавана антэна MIMO. Акрамя таго, частка зазямлення размешчана гэтак жа, як і адна антэна. Каэфіцыенты адлюстравання антэн MIMO (S11, S22, S33 і S44), паказаных на малюнку 12a, дэманструюць такія ж паводзіны, што і аднаэлементная антэна, якая рэзаніруе ў дыяпазоне 3,2–7,6 ГГц. Такім чынам, паласа прапускання імпедансу антэны MIMO сапраўды такая ж, як і ў адной антэны. Эфект сувязі паміж кампанентамі MIMO з'яўляецца асноўнай прычынай невялікай страты прапускной здольнасці антэн MIMO. На малюнку 12b паказаны ўплыў узаемасувязі на кампаненты MIMO, дзе была вызначана аптымальная ізаляцыя паміж кампанентамі MIMO. Ізаляцыя паміж антэнамі 1 і 2 самая нізкая - прыкладна -13,6 дБ, а ізаляцыя паміж антэнамі 1 і 4 - самая высокая - прыкладна -30,4 дБ. З-за свайго невялікага памеру і больш шырокай прапускной здольнасці гэтая антэна MIMO мае меншы каэфіцыент узмацнення і меншую прапускную здольнасць. Цеплаізаляцыя нізкая, таму патрабуецца ўзмоцненае ўзмацненне і ўцяпленне;
Канструктыўны механізм прапанаванай антэны MIMO (а) выгляд зверху і (б) плоскасць зазямлення. (CST Studio Suite 2019).
Геаметрычнае размяшчэнне і метад узбуджэння прапанаванай метапаверхневай антэны MIMO паказаны на малюнку 13a. Матрыца 10x10 мм з памерамі 80x80x1,575 мм прызначана для тыльнага боку антэны MIMO вышынёй 12 мм, як паказана на малюнку 13a. Акрамя таго, метапаверхні з меднымі аб'яднальнымі платамі прызначаны для выкарыстання ў антэнах MIMO для павышэння іх прадукцыйнасці. Адлегласць паміж метапаверхняй і антэнай MIMO мае вырашальнае значэнне для дасягнення высокага каэфіцыента ўзмацнення, адначасова дазваляючы канструктыўную інтэрферэнцыю паміж хвалямі, якія ствараюцца антэнай, і хвалямі, адлюстраванымі ад метапаверхні. Было праведзена шырокае мадэляванне для аптымізацыі вышыні паміж антэнай і метапаверхняй пры захаванні чвэрцьхвалевых стандартаў для максімальнага ўзмацнення і ізаляцыі паміж элементамі MIMO. Значныя паляпшэнні прадукцыйнасці антэны MIMO, дасягнутыя выкарыстаннем метапаверхняў з аб'яднальнымі платамі ў параўнанні з метапаверхнямі без аб'яднальных плат, будуць прадэманстраваны ў наступных раздзелах.
(a) Налада мадэлявання CST прапанаванай антэны MIMO з выкарыстаннем MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Крывыя адлюстравання распрацаванай сістэмы MIMO без MS і з MS.
Каэфіцыенты адлюстравання антэн MIMO з метапаверхнямі і без іх паказаны на малюнку 13b, дзе S11 і S44 прадстаўлены з-за амаль аднолькавых паводзін усіх антэн у сістэме MIMO. Варта адзначыць, што паласа прапускання імпедансу -10 дБ антэны MIMO без і з адной метапаверхняй амаль аднолькавая. Наадварот, паласа прапускання імпедансу прапанаванай антэны MIMO палепшана за кошт двухслаёвай MS і аб'яднальнай платы MS. Варта адзначыць, што без MS антэна MIMO забяспечвае дробавую прапускную здольнасць 81,5% (3,2-7,6 ГГц) адносна цэнтральнай частаты. Інтэграцыя MS з аб'яднальнай платай павялічвае паласу прапускання імпедансу прапанаванай антэны MIMO да 86,3% (3,08–7,75 ГГц). Хоць двухслаёвы MS павялічвае прапускную здольнасць, паляпшэнне меншае, чым у MS з меднай аб'яднальнай платай. Больш за тое, двухслаёвая МК павялічвае памеры антэны, павялічвае яе кошт і абмяжоўвае радыус дзеяння. Распрацаваная антэна MIMO і рэфлектар на метапаверхні выраблены і правераны для праверкі вынікаў мадэлявання і ацэнкі фактычных характарыстык. На малюнку 14a паказаны выраблены пласт MS і антэна MIMO з рознымі сабранымі кампанентамі, а на малюнку 14b паказаны фотаздымак распрацаванай сістэмы MIMO. Антэна MIMO усталявана на метапаверхні з дапамогай чатырох нейлонавых распорак, як паказана на малюнку 14b. На малюнку 15а паказаны здымак эксперыментальнай устаноўкі блізкага поля распрацаванай антэннай сістэмы MIMO. Аналізатар сеткі PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) выкарыстоўваўся для ацэнкі параметраў рассейвання, а таксама для ацэнкі і характарыстыкі характарыстык выпраменьвання блізкага поля ў Лабараторыі сістэм блізкага поля UKM SATIMO.
(a) Фота вымярэнняў SATIMO блізкага поля (b) Змадэляваныя і эксперыментальныя крывыя антэны S11 MIMO з і без MS.
У гэтым раздзеле прадстаўлена параўнальнае даследаванне змадэляваных і назіраных S-параметраў прапанаванай антэны 5G MIMO. На малюнку 15b паказаны эксперыментальны графік адлюстравання інтэграванай 4-элементнай антэны MIMO MS і параўнанне з вынікамі мадэлявання CST. Эксперыментальныя каэфіцыенты адлюстравання апынуліся такімі ж, як і разлікі CST, але крыху адрозніваліся з-за вытворчых дэфектаў і эксперыментальных допускаў. Акрамя таго, назіраная здольнасць адлюстравання прапанаванага прататыпа MIMO на базе MS ахоплівае спектр 5G ніжэй за 6 ГГц з паласой прапускання імпедансу 4,8 ГГц, што азначае, што прымяненне 5G магчыма. Аднак вымераныя рэзанансная частата, паласа прапускання і амплітуда нязначна адрозніваюцца ад вынікаў мадэлявання CST. Вытворчыя дэфекты, страты на сувязі кааксіяльнага кабеля з SMA і ўстаноўка вымярэнняў на адкрытым паветры могуць выклікаць адрозненні паміж вымеранымі і змадэляванымі вынікамі. Аднак, нягледзячы на гэтыя недахопы, прапанаваны MIMO працуе добра, забяспечваючы моцную адпаведнасць паміж мадэляваннем і вымярэннямі, што робіць яго добра прыдатным для бесправадных прыкладанняў 5G ніжэй за 6 ГГц.
Змадэляваныя і назіраныя крывыя ўзмацнення антэны MIMO паказаны на малюнках 2 і 2. Як паказана на малюнках 16a,b і 17a,b адпаведна, паказана ўзаемнае ўзаемадзеянне кампанентаў MIMO. Калі метапаверхні прымяняюцца да антэн MIMO, ізаляцыя паміж антэнамі MIMO значна паляпшаецца. Графікі ізаляцыі паміж суседнімі элементамі антэны S12, S14, S23 і S34 паказваюць падобныя крывыя, у той час як дыяганальныя антэны MIMO S13 і S42 дэманструюць гэтак жа высокую ізаляцыю з-за большай адлегласці паміж імі. Змадэляваныя характарыстыкі перадачы суседніх антэн паказаны на малюнку 16а. Варта адзначыць, што ў працоўным спектры 5G ніжэй за 6 ГГц мінімальная ізаляцыя антэны MIMO без метапаверхні складае -13,6 дБ, а для метапаверхні з задняй платай – 15,5 дБ. Графік узмацнення (малюнак 16а) паказвае, што метапаверхня задняй платы значна паляпшае ізаляцыю паміж элементамі антэны MIMO у параўнанні з адна- і двухслаёвымі метапаверхнямі. На суседніх элементах антэны адна- і двухслаёвыя метапаверхні забяспечваюць мінімальную ізаляцыю прыблізна -13,68 дБ і -14,78 дБ, а метапаверхня меднай аб'яднальнай платы забяспечвае прыблізна -15,5 дБ.
Змадэляваныя крывыя ізаляцыі элементаў MIMO без узроўня MS і з узроўнем MS: (a) S12, S14, S34 і S32 і (b) S13 і S24.
Эксперыментальныя крывыя ўзмацнення прапанаваных антэн MIMO на аснове MS без і з: (a) S12, S14, S34 і S32 і (b) S13 і S24.
Графікі дыяганальнага ўзмацнення антэны MIMO да і пасля дадання ўзроўню MS паказаны на малюнку 16b. Варта адзначыць, што мінімальная ізаляцыя паміж дыяганальнымі антэнамі без метапаверхні (антэны 1 і 3) складае - 15,6 дБ па ўсім працоўным спектры, а метапаверхню з задняй платай - 18 дБ. Метапаверхневы падыход значна памяншае эфекты сувязі паміж дыяганальнымі антэнамі MIMO. Максімальная ізаляцыя для аднаслаёвай метапаверхні складае -37 дБ, у той час як для двухслаёвай метапаверхні гэта значэнне падае да -47 дБ. Максімальная ізаляцыя метапаверхні з меднай аб'яднальнай платай складае -36,2 дБ, якая памяншаецца з павелічэннем дыяпазону частот. У параўнанні з адна- і двухслаёвымі метапаверхнямі без аб'яднальнай платы, метапаверхні з аб'яднальнай платай забяспечваюць выдатную ізаляцыю ва ўсім патрабаваным дыяпазоне працоўных частот, асабліва ў дыяпазоне 5G ніжэй за 6 ГГц, як паказана на малюнках 16a, b. У самым папулярным і шырока выкарыстоўваным дыяпазоне 5G ніжэй за 6 ГГц (3,5 ГГц) адна- і двухслаёвыя метапаверхні маюць меншую ізаляцыю паміж кампанентамі MIMO, чым метапаверхні з меднымі аб'яднальнымі платамі (амаль без MS) (гл. малюнак 16a, b). Вымярэнні ўзмацнення паказаны на малюнках 17a, b, дзе паказана ізаляцыя суседніх антэн (S12, S14, S34 і S32) і дыяганальных антэн (S24 і S13) адпаведна. Як відаць з гэтых малюнкаў (мал. 17а, б), эксперыментальная ізаляцыя паміж кампанентамі MIMO добра ўзгадняецца з змадэляванай ізаляцыяй. Хоць ёсць нязначныя адрозненні паміж змадэляванымі і вымеранымі значэннямі CST з-за вытворчых дэфектаў, злучэнняў порта SMA і страт правадоў. Акрамя таго, антэна і адбівальнік MS размешчаны паміж нейлонавымі пракладкамі, што з'яўляецца яшчэ адной праблемай, якая ўплывае на назіраныя вынікі ў параўнанні з вынікамі мадэлявання.
вывучаў размеркаванне павярхоўнага току на частаце 5,5 ГГц, каб рацыяналізаваць ролю метапаверхняў у памяншэнні ўзаемнай сувязі праз падаўленне павярхоўнай хвалі42. Размеркаванне павярхоўнага току прапанаванай антэны MIMO паказана на малюнку 18, дзе антэна 1 прыводзіцца ў рух, а астатняя частка антэны мае нагрузку 50 Ом. Калі антэна 1 знаходзіцца пад напругай, у суседніх антэнах з'явяцца значныя токі ўзаемнай сувязі на частаце 5,5 ГГц пры адсутнасці метапаверхні, як паказана на малюнку 18а. Наадварот, дзякуючы выкарыстанню метапаверхняў, як паказана на мал. 18b–d, паляпшаецца ізаляцыя паміж суседнімі антэнамі. Варта адзначыць, што эфект узаемнай сувязі суседніх палёў можа быць зведзены да мінімуму шляхам распаўсюджвання току сувязі да суседніх кольцаў элементарных ячэек і суседніх элементарных ячэек MS уздоўж пласта MS у антыпаралельных напрамках. Падача току ад размеркаваных антэн да блокаў MS з'яўляецца ключавым метадам паляпшэння ізаляцыі паміж кампанентамі MIMO. У выніку ток сувязі паміж кампанентамі MIMO значна зніжаецца, і ізаляцыя таксама значна паляпшаецца. Паколькі поле сувязі шырока распаўсюджана ў элеменце, медная метапаверхня аб'яднальнай платы ізалюе зборку антэны MIMO значна больш, чым адна- і двухслаёвыя метапаверхні (малюнак 18d). Больш за тое, распрацаваная антэна MIMO мае вельмі нізкае зваротнае і бакавое распаўсюджванне, ствараючы аднанакіраваную дыяграму выпраменьвання, тым самым павялічваючы каэфіцыент узмацнення прапанаванай антэны MIMO.
Дыяграмы павярхоўнага току прапанаванай антэны MIMO на 5,5 ГГц (a) без MC, (b) аднаслаёвы MC, (c) двухслаёвы MC і (d) аднаслаёвы MC з меднай аб'яднальнай платай. (CST Studio Suite 2019).
У межах працоўнай частаты малюнак 19a паказвае змадэляваныя і назіраныя каэфіцыенты ўзмацнення распрацаванай антэны MIMO без і з метапаверхнямі. Змадэляванае дасягнутае ўзмацненне антэны MIMO без метапаверхні складае 5,4 дБі, як паказана на малюнку 19a. З-за ўзаемнага эфекту сувязі паміж кампанентамі MIMO прапанаваная антэна MIMO фактычна дасягае на 0,25 дБі большага ўзмацнення, чым адна антэна. Даданне метапаверхняў можа забяспечыць значныя перавагі і ізаляцыю паміж кампанентамі MIMO. Такім чынам, прапанаваная метапаверхневая антэна MIMO можа дасягнуць высокага рэалізаванага ўзмацнення да 8,3 дБі. Як паказана на малюнку 19a, калі на задняй частцы антэны MIMO выкарыстоўваецца адна метапаверхня, узмацненне павялічваецца на 1,4 дБі. Калі метапаверхня падвойваецца, узмацненне павялічваецца на 2,1 дБі, як паказана на малюнку 19а. Аднак чаканы максімальны ўзмацненне ў 8,3 дБі дасягаецца пры выкарыстанні метапаверхні з меднай задняй платай. Характэрна, што максімальнае дасягнутае ўзмацненне для аднаслаёвай і двухслаёвай метапаверхняў складае 6,8 дБі і 7,5 дБі адпаведна, у той час як максімальнае дасягнутае ўзмацненне для метапаверхні ніжняга пласта складае 8,3 дБі. Пласт метапаверхні на заднім баку антэны дзейнічае як адбівальнік, адлюстроўваючы выпраменьванне ад задняга боку антэны і паляпшаючы стаўленне спераду да спіны (F/B) распрацаванай антэны MIMO. Акрамя таго, высокаімпедансны адбівальнік MS маніпулюе электрамагнітнымі хвалямі ў фазе, тым самым ствараючы дадатковы рэзананс і паляпшаючы характарыстыкі выпраменьвання прапанаванай антэны MIMO. Рэфлектар MS, усталяваны за антэнай MIMO, можа істотна павялічыць дасягнутае ўзмацненне, што пацвярджаецца вынікамі эксперыментаў. Назіраныя і змадэляваныя каэфіцыенты ўзмацнення распрацаванага прататыпа антэны MIMO амаль аднолькавыя, аднак на некаторых частотах вымеранае ўзмацненне вышэйшае за змадэляванае, асабліва для MIMO без MS; Гэтыя варыяцыі эксперыментальнага ўзмацнення абумоўлены допускамі вымярэнняў нейлонавых пракладак, стратамі ў кабелі і сувяззю ў антэннай сістэме. Пікавы вымераны каэфіцыент узмацнення антэны MIMO без метапаверхні складае 5,8 дБі, у той час як метапаверхні з меднай аб'яднальнай платай складае 8,5 дБі. Варта адзначыць, што прапанаваная поўная 4-портавая антэнная сістэма MIMO з рэфлектарам MS дэманструе высокі каэфіцыент узмацнення ў эксперыментальных і лікавых умовах.
Мадэляванне і эксперыментальныя вынікі (а) дасягнутага ўзмацнення і (б) агульных характарыстык прапанаванай антэны MIMO з эфектам метапаверхні.
На малюнку 19b паказаны агульныя характарыстыкі прапанаванай сістэмы MIMO без і з адбівальнікамі на метапаверхнях. На малюнку 19b самая нізкая эфектыўнасць пры выкарыстанні MS з задняй панэллю складала больш за 73 % (да 84 %). Агульная эфектыўнасць распрацаваных антэн MIMO без MC і з MC амаль аднолькавая з нязначнымі адрозненнямі ў параўнанні з мадэляванымі значэннямі. Прычыны гэтага - допускі на вымярэнні і выкарыстанне пракладак паміж антэнай і адбівальнікам MS. Вымеранае дасягнутае ўзмацненне і агульная эфектыўнасць на ўсёй частаце амаль падобныя да вынікаў мадэлявання, што паказвае на тое, што прадукцыйнасць прапанаванага прататыпа MIMO адпавядае чаканням і што рэкамендаваная антэна MIMO на аснове MS падыходзіць для сувязі 5G. З-за памылак у эксперыментальных даследаваннях існуюць адрозненні паміж агульнымі вынікамі лабараторных эксперыментаў і вынікамі мадэлявання. Прадукцыйнасць прапанаванага прататыпа залежыць ад неадпаведнасці імпедансу паміж антэнай і раздымам SMA, страт пры зрошчванні кааксіяльнага кабеля, эфектаў паяння і блізкасці розных электронных прылад да эксперыментальнай устаноўкі.
Малюнак 20 апісвае канструкцыю і ход аптымізацыі згаданай антэны ў выглядзе блок-схемы. Гэтая блок-схема дае пакрокавае апісанне прапанаваных прынцыпаў канструкцыі антэны MIMO, а таксама параметраў, якія гуляюць ключавую ролю ў аптымізацыі антэны для дасягнення патрабаванага высокага каэфіцыента ўзмацнення і высокай ізаляцыі на шырокай працоўнай частаце.
Вымярэнні антэны блізкага поля MIMO былі вымераны ў эксперыментальным асяроддзі SATIMO Near-Field Experimental Environment у Лабараторыі сістэм блізкага поля UKM SATIMO. На малюнках 21a,b паказаны змадэляваныя і назіраныя дыяграмы выпраменьвання ў плоскасці E і H-плоскасці заяўленай антэны MIMO з і без MS на працоўнай частаце 5,5 ГГц. У працоўным дыяпазоне частот 5,5 ГГц распрацаваная антэна MIMO без MS забяспечвае паслядоўную двухнакіраваную дыяграму выпраменьвання са значэннямі бакавых лепесткаў. Пасля прымянення рэфлектара MS антэна забяспечвае аднанакіраваную дыяграму выпраменьвання і зніжае ўзровень задніх пялёсткаў, як паказана на малюнках 21a, b. Варта адзначыць, што пры выкарыстанні метапаверхні з меднай аб'яднальнай платай прапанаваная дыяграма накіраванасці антэны MIMO больш стабільная і аднанакіраваная, чым без MS, з вельмі нізкай задняй і бакавымі лепесткамі. Прапанаваны рэфлектар з рашоткай ММ памяншае задні і бакавы лепесткі антэны, а таксама паляпшае характарыстыкі выпраменьвання, накіроўваючы ток у аднанакіраваным кірунку (мал. 21а, б), павялічваючы тым самым каэфіцыент узмацнення і накіраванасць. Вымераная дыяграма выпраменьвання была атрымана для порта 1 з нагрузкай 50 Ом, падлучанай да астатніх партоў. Было заўважана, што эксперыментальная дыяграма выпраменьвання была амаль ідэнтычная мадэляванай CST, хоць былі некаторыя адхіленні з-за несумяшчальнасці кампанентаў, адлюстраванняў ад тэрмінальных партоў і страт у кабельных злучэннях. Акрамя таго, паміж антэнай і адбівальнікам MS была ўстаўлена нейлонавая пракладка, што з'яўляецца яшчэ адной праблемай, якая ўплывае на назіраныя вынікі ў параўнанні з прагназуемымі вынікамі.
Праведзена мадэляванне і праверка дыяграмы дыяграмы выпраменьвання распрацаванай антэны MIMO (без МС і з МС) на частаце 5,5 Ггц.
Важна адзначыць, што ізаляцыя партоў і звязаныя з ёй характарыстыкі важныя пры ацэнцы прадукцыйнасці сістэм MIMO. Прадукцыйнасць разнесенасці прапанаванай сістэмы MIMO, уключаючы каэфіцыент карэляцыі агінаючай (ECC) і ўзмацненне разнесенасці (DG), разглядаецца, каб праілюстраваць надзейнасць распрацаванай антэннай сістэмы MIMO. ECC і DG антэны MIMO можна выкарыстоўваць для ацэнкі яе прадукцыйнасці, паколькі яны з'яўляюцца важнымі аспектамі прадукцыйнасці сістэмы MIMO. У наступных раздзелах будуць падрабязна апісаны гэтыя асаблівасці прапанаванай антэны MIMO.
Каэфіцыент карэляцыі абгінаючай (ECC). Пры разглядзе любой сістэмы MIMO ECC вызначае ступень карэляцыі складовых элементаў адзін з адным адносна іх спецыфічных уласцівасцей. Такім чынам, ECC дэманструе ступень ізаляцыі канала ў сетцы бесправадной сувязі. ECC (каэфіцыент карэляцыі абгінаючай) распрацаванай сістэмы MIMO можна вызначыць на аснове S-параметраў і выпраменьвання ў далёкім полі. З раўнання (7) і (8) можна вызначыць ECC прапанаванай антэны 31 MIMO.
Каэфіцыент адлюстравання прадстаўлены Sii, а Sij - каэфіцыентам прапускання. Трохмерныя дыяграмы выпраменьвання j-й і i-й антэн задаюцца выразамі \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) і \( \vec {{R_{ i } }} Цялесны вугал, прадстаўлены \left( {\theta ,\varphi } \right)\) і \({\Omega }\). Крывая ECC прапанаванай антэны паказана на малюнку 22a, і яе значэнне складае менш за 0,004, што значна ніжэй за прымальнае значэнне 0,5 для бесправадной сістэмы. Такім чынам, паменшанае значэнне ECC азначае, што прапанаваная 4-портавая сістэма MIMO забяспечвае найвышэйшае разнастайнасць43.
Diversity Gain (DG) DG - яшчэ адзін паказчык прадукцыйнасці сістэмы MIMO, які апісвае, як схема разнясення ўплывае на выпраменьваную магутнасць. Суадносіны (9) вызначаюць DG антэннай сістэмы MIMO, якая распрацоўваецца, як апісана ў 31.
На малюнку 22b паказана дыяграма DG прапанаванай сістэмы MIMO, дзе значэнне DG вельмі блізкае да 10 дБ. Значэнні DG ўсіх антэн распрацаванай сістэмы MIMO перавышаюць 9,98 дБ.
Табліца 1 параўноўвае прапанаваную метапаверхневую антэну MIMO з нядаўна распрацаванымі падобнымі сістэмамі MIMO. Параўнанне ўлічвае розныя параметры прадукцыйнасці, уключаючы прапускную здольнасць, узмацненне, максімальную ізаляцыю, агульную эфектыўнасць і прадукцыйнасць разнастайнасці. Даследчыкі прадставілі розныя прататыпы антэн MIMO з метадамі павышэння ўзмацнення і ізаляцыі ў 5, 44, 45, 46, 47. У параўнанні з раней апублікаванымі працамі, прапанаваная сістэма MIMO з метапавярхоўнымі адбівальнікамі пераўзыходзіць іх з пункту гледжання прапускной здольнасці, узмацнення і ізаляцыі. Акрамя таго, у параўнанні з аналагічнымі антэнамі, пра якія паведамлялася, распрацаваная сістэма MIMO дэманструе цудоўную прадукцыйнасць разнесенасці і агульную эфектыўнасць пры меншым памеры. Хаця антэны, апісаныя ў Раздзеле 5.46, маюць больш высокую ізаляцыю, чым прапанаваныя намі антэны, гэтыя антэны пакутуюць ад вялікага памеру, нізкага ўзмацнення, вузкай прапускной здольнасці і нізкай прадукцыйнасці MIMO. 4-портавая антэна MIMO, прапанаваная ў 45, дэманструе высокі каэфіцыент узмацнення і эфектыўнасць, але яе канструкцыя мае нізкую ізаляцыю, вялікі памер і нізкія характарыстыкі разнясення. З іншага боку, малагабарытная антэнная сістэма, прапанаваная ў 47, мае вельмі нізкі каэфіцыент узмацнення і рабочую прапускную здольнасць, у той час як прапанаваная намі 4-портавая MIMO-сістэма на аснове MS дэманструе невялікі памер, высокі каэфіцыент узмацнення, высокую ізаляцыю і лепшую прадукцыйнасць MIMO. Такім чынам, прапанаваная метапаверхневая антэна MIMO можа стаць галоўным супернікам для сістэм сувязі 5G ніжэй за 6 ГГц.
Чатырохпортавая метапаверхневая шырокапалосная антэна MIMO на аснове рэфлектара з высокім узмацненнем і ізаляцыяй прапануецца для падтрымкі прыкладанняў 5G ніжэй за 6 ГГц. Мікрапалоскавая лінія забяспечвае квадратны выпраменьваючы ўчастак, які абрэзаны квадратам па дыяганальных кутах. Прапанаваны MS і антэнны выпраменьвальнік выкананы на матэрыялах падкладкі, падобных да Rogers RT5880, для дасягнення выдатных характарыстык у высакахуткасных сістэмах сувязі 5G. Антэна MIMO адрозніваецца шырокім дыяпазонам і высокім узмацненнем, а таксама забяспечвае гукаізаляцыю паміж кампанентамі MIMO і выдатную эфектыўнасць. Распрацаваная адзінкавая антэна мае мініяцюрныя памеры 0,58?0,58?0,02? з масівам метапаверхняў 5×5, забяспечвае шырокую рабочую паласу частот 4,56 ГГц, пікавы ўзмацненне 8 дБі і выдатную вымераную эфектыўнасць. Прапанаваная чатырохпортавая антэна MIMO (рашотка 2 × 2) распрацавана шляхам артаганальнага выраўноўвання кожнай прапанаванай адной антэны з іншай антэнай з памерамі 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Рэкамендуецца сабраць масіў 10 × 10 мм пад антэну MIMO вышынёй 12 мм, якая можа паменшыць зваротнае выпраменьванне і паменшыць узаемную сувязь паміж кампанентамі MIMO, тым самым паляпшаючы ўзмацненне і ізаляцыю. Вынікі эксперыментаў і мадэлявання паказваюць, што распрацаваны прататып MIMO можа працаваць у шырокім дыяпазоне частот 3,08–7,75 ГГц, ахопліваючы спектр 5G ніжэй за 6 ГГц. Акрамя таго, прапанаваная антэна MIMO на базе MS паляпшае свой узмацненне на 2,9 дБі, дасягаючы максімальнага ўзмацнення ў 8,3 дБі, і забяспечвае выдатную ізаляцыю (>15,5 дБ) паміж кампанентамі MIMO, што пацвярджае ўклад MS. Акрамя таго, прапанаваная антэна MIMO мае высокую сярэднюю агульную эфектыўнасць 82% і нізкую адлегласць паміж элементамі 22 мм. Антэна дэманструе выдатныя характарыстыкі разнесенасці MIMO, уключаючы вельмі высокі DG (больш за 9,98 дБ), вельмі нізкі ECC (менш за 0,004) і аднанакіраваную дыяграму выпраменьвання. Вынікі вымярэнняў вельмі падобныя на вынікі мадэлявання. Гэтыя характарыстыкі пацвярджаюць, што распрацаваная антэнная сістэма MIMO з чатырма портамі можа быць прыдатным выбарам для сістэм сувязі 5G у дыяпазоне частот ніжэй за 6 ГГц.
Cowin можа забяспечыць шырокапалосную антэну на друкаванай плаце 400-6000 МГц і падтрымку для распрацоўкі новай антэны ў адпаведнасці з вашымі патрабаваннямі, калі ў вас ёсць запыты, калі ласка, звяжыцеся з намі без ваганняў.
Час публікацыі: 10 кастрычніка 2024 г