Questo lavoro propone un'antenna a banda larga compatta e integrata con metasuperficie (MS) multi-ingresso multiplo-uscita (MIMO) per sistemi di comunicazione wireless di quinta generazione (5G) inferiori a 6 GHz. L'ovvia novità del sistema MIMO proposto è l'ampia larghezza di banda operativa, l'alto guadagno, le piccole distanze tra i componenti e l'eccellente isolamento all'interno dei componenti MIMO. Il punto radiante dell'antenna è troncato diagonalmente, parzialmente messo a terra e le metasuperfici vengono utilizzate per migliorare le prestazioni dell'antenna. Il prototipo di antenna MS integrata singola proposta ha dimensioni in miniatura di 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. I risultati della simulazione e della misurazione dimostrano prestazioni a banda larga da 3,11 GHz a 7,67 GHz, incluso il guadagno più alto raggiunto di 8 dBi. Il sistema MIMO a quattro elementi è progettato in modo che ciascuna antenna sia ortogonale tra loro pur mantenendo dimensioni compatte e prestazioni a banda larga da 3,2 a 7,6 GHz. Il prototipo MIMO proposto è progettato e fabbricato su substrato Rogers RT5880 con basse perdite e dimensioni miniaturizzate di 1,05? 1,05? 0,02?, e le sue prestazioni vengono valutate utilizzando la matrice di risonatori ad anello chiuso quadrata proposta con un anello diviso 10 x 10. Il materiale di base è lo stesso. La metasuperficie del backplane proposta riduce significativamente la radiazione posteriore dell'antenna e manipola i campi elettromagnetici, migliorando così la larghezza di banda, il guadagno e l'isolamento dei componenti MIMO. Rispetto alle antenne MIMO esistenti, l’antenna MIMO a 4 porte proposta raggiunge un elevato guadagno di 8,3 dBi con un’efficienza complessiva media fino all’82% nella banda 5G sub-6 GHz ed è in buon accordo con i risultati misurati. Inoltre, l'antenna MIMO sviluppata mostra prestazioni eccellenti in termini di coefficiente di correlazione dell'inviluppo (ECC) inferiore a 0,004, guadagno di diversità (DG) di circa 10 dB (>9,98 dB) ed elevato isolamento tra i componenti MIMO (>15,5 dB). caratteristiche. Pertanto, l’antenna MIMO proposta basata su MS conferma la sua applicabilità per le reti di comunicazione 5G inferiori a 6 GHz.
La tecnologia 5G rappresenta un incredibile progresso nelle comunicazioni wireless che consentirà reti più veloci e sicure per miliardi di dispositivi connessi, fornirà esperienze utente con latenza “zero” (latenza inferiore a 1 millisecondo) e introdurrà nuove tecnologie, inclusa l’elettronica. Assistenza medica, educazione intellettuale. , città intelligenti, case intelligenti, realtà virtuale (VR), fabbriche intelligenti e Internet dei veicoli (IoV) stanno cambiando le nostre vite, la società e le industrie1,2,3. La Federal Communications Commission (FCC) degli Stati Uniti divide lo spettro 5G in quattro bande di frequenza4. La banda di frequenza inferiore a 6 GHz è interessante per i ricercatori perché consente comunicazioni a lunga distanza con velocità di trasmissione dati elevate5,6. L’allocazione dello spettro 5G inferiore a 6 GHz per le comunicazioni 5G globali è mostrata nella Figura 1, indicando che tutti i paesi stanno prendendo in considerazione lo spettro inferiore a 6 GHz per le comunicazioni 5G7,8. Le antenne sono una parte importante delle reti 5G e richiederanno più stazioni base e antenne per terminali utente.
Le antenne patch a microstriscia presentano i vantaggi della sottigliezza e della struttura piatta, ma sono limitate in termini di larghezza di banda e guadagno9,10, pertanto sono state fatte molte ricerche per aumentare il guadagno e la larghezza di banda dell'antenna; Negli ultimi anni, le metasuperfici (MS) sono state ampiamente utilizzate nelle tecnologie delle antenne, in particolare per migliorare il guadagno e il throughput11,12, tuttavia, queste antenne sono limitate a una singola porta; La tecnologia MIMO è un aspetto importante delle comunicazioni wireless perché può utilizzare più antenne contemporaneamente per trasmettere dati, migliorando così la velocità dei dati, l'efficienza spettrale, la capacità del canale e l'affidabilità13,14,15. Le antenne MIMO sono potenziali candidati per le applicazioni 5G perché possono trasmettere e ricevere dati su più canali senza richiedere potenza aggiuntiva16,17. L'effetto di accoppiamento reciproco tra i componenti MIMO dipende dalla posizione degli elementi MIMO e dal guadagno dell'antenna MIMO, il che rappresenta una sfida importante per i ricercatori. Le figure 18, 19 e 20 mostrano varie antenne MIMO che operano nella banda 5G inferiore a 6 GHz, tutte dimostrando un buon isolamento e prestazioni MIMO. Tuttavia, il guadagno e la larghezza di banda operativa di questi sistemi proposti sono bassi.
I metamateriali (MM) sono nuovi materiali che non esistono in natura e possono manipolare le onde elettromagnetiche, migliorando così le prestazioni delle antenne21,22,23,24. Il MM è ora ampiamente utilizzato nella tecnologia delle antenne per migliorare il diagramma di radiazione, la larghezza di banda, il guadagno e l'isolamento tra gli elementi dell'antenna e i sistemi di comunicazione wireless, come discusso in 25, 26, 27, 28. Nel 2029, un sistema MIMO a quattro elementi basato su metasuperficie, in cui la sezione dell'antenna è inserita tra la metasuperficie e il terreno senza intercapedine d'aria, il che migliora le prestazioni MIMO. Tuttavia, questo design ha dimensioni maggiori, frequenza operativa inferiore e struttura complessa. Un bandgap elettromagnetico (EBG) e un anello di terra sono inclusi nell'antenna MIMO a banda larga a 2 porte proposta per migliorare l'isolamento dei componenti MIMO30. L'antenna progettata ha buone prestazioni di diversità MIMO e un eccellente isolamento tra due antenne MIMO, ma utilizzando solo due componenti MIMO, il guadagno sarà basso. Inoltre, in31 ha anche proposto un'antenna MIMO a doppia porta a banda ultra larga (UWB) e ne ha studiato le prestazioni MIMO utilizzando metamateriali. Sebbene questa antenna sia in grado di funzionare in UWB, il suo guadagno è basso e l'isolamento tra le due antenne è scarso. Il lavoro in32 propone un sistema MIMO a 2 porte che utilizza riflettori con bandgap elettromagnetico (EBG) per aumentare il guadagno. Sebbene l'array di antenne sviluppato abbia un guadagno elevato e buone prestazioni di diversità MIMO, le sue grandi dimensioni ne rendono difficile l'applicazione nei dispositivi di comunicazione di prossima generazione. Un'altra antenna a banda larga basata su riflettore è stata sviluppata nel 33, dove il riflettore è stato integrato sotto l'antenna con uno spazio maggiore di 22 mm, mostrando un guadagno di picco inferiore di 4,87 dB. Il Paper 34 progetta un'antenna MIMO a quattro porte per applicazioni mmWave, integrata con lo strato MS per migliorare l'isolamento e il guadagno del sistema MIMO. Tuttavia, questa antenna fornisce un buon guadagno e isolamento, ma ha una larghezza di banda limitata e proprietà meccaniche scadenti a causa dell'ampio traferro. Allo stesso modo, nel 2015, è stata sviluppata un'antenna MIMO integrata nella metasuperficie a tre coppie e 4 porte a forma di papillon per le comunicazioni mmWave con un guadagno massimo di 7,4 dBi. B36 MS viene utilizzato sul retro di un'antenna 5G per aumentare il guadagno dell'antenna, dove la metasuperficie funge da riflettore. Tuttavia, la struttura della MS è asimmetrica e è stata prestata meno attenzione alla struttura della cella unitaria.
Secondo i risultati dell'analisi di cui sopra, nessuna delle antenne sopra indicate ha un guadagno elevato, un eccellente isolamento, prestazioni MIMO e copertura a banda larga. Pertanto, c’è ancora bisogno di un’antenna MIMO sulla metasuperficie in grado di coprire un’ampia gamma di frequenze dello spettro 5G inferiori a 6 GHz con guadagno e isolamento elevati. Considerando i limiti della letteratura sopra menzionata, viene proposto un sistema di antenna MIMO a quattro elementi a banda larga con elevato guadagno ed eccellenti prestazioni di diversità per i sistemi di comunicazione wireless inferiori a 6 GHz. Inoltre, l'antenna MIMO proposta presenta un eccellente isolamento tra i componenti MIMO, piccoli spazi tra gli elementi e un'elevata efficienza di radiazione. Il patch dell'antenna è troncato diagonalmente e posizionato sopra la metasuperficie con un traferro di 12 mm, che riflette la radiazione posteriore dall'antenna e migliora il guadagno e la direttività dell'antenna. Inoltre, l'antenna singola proposta viene utilizzata per creare un'antenna MIMO a quattro elementi con prestazioni MIMO superiori posizionando ciascuna antenna ortogonalmente l'una rispetto all'altra. L'antenna MIMO sviluppata è stata poi integrata su un array 10 × 10 MS con un backplane in rame per migliorare le prestazioni di emissione. Il design presenta un ampio raggio operativo (3,08-7,75 GHz), un guadagno elevato di 8,3 dBi e un'efficienza complessiva media elevata dell'82%, nonché un eccellente isolamento superiore a −15,5 dB tra i componenti dell'antenna MIMO. L'antenna MIMO sviluppata basata su MS è stata simulata utilizzando il pacchetto software elettromagnetico 3D CST Studio 2019 e convalidata attraverso studi sperimentali.
Questa sezione fornisce un'introduzione dettagliata all'architettura proposta e alla metodologia di progettazione della singola antenna. Inoltre, i risultati simulati e osservati vengono discussi in dettaglio, inclusi i parametri di scattering, il guadagno e l'efficienza complessiva con e senza metasuperfici. L'antenna prototipo è stata sviluppata su un substrato dielettrico a bassa perdita Rogers 5880 con uno spessore di 1,575 mm con una costante dielettrica di 2,2. Per sviluppare e simulare il progetto è stato utilizzato il pacchetto di simulazione elettromagnetica CST studio 2019.
La Figura 2 mostra l'architettura proposta e il modello di progettazione di un'antenna a elemento singolo. Secondo equazioni matematiche consolidate37, l'antenna è costituita da un punto radiante quadrato alimentato linearmente e da un piano di terra in rame (come descritto nel passaggio 1) e risuona con una larghezza di banda molto stretta a 10,8 GHz, come mostrato nella Figura 3b. La dimensione iniziale del radiatore dell'antenna è determinata dalla seguente relazione matematica37:
Dove \(P_{L}\) e \(P_{w}\) sono la lunghezza e la larghezza del patch, c rappresenta la velocità della luce, \(\gamma_{r}\) è la costante dielettrica del substrato . , \(\gamma_{reff }\) rappresenta il valore dielettrico effettivo dello spot di radiazione, \(\Delta L\) rappresenta la variazione della lunghezza dello spot. Nella seconda fase è stato ottimizzato il backplane dell'antenna, aumentando la larghezza di banda dell'impedenza nonostante la larghezza di banda dell'impedenza molto bassa di 10 dB. Nella terza fase, la posizione dell'alimentatore viene spostata a destra, il che migliora la larghezza di banda dell'impedenza e l'adattamento dell'impedenza dell'antenna proposta38. In questa fase l’antenna dimostra un’eccellente larghezza di banda operativa di 4 GHz e copre anche lo spettro inferiore a 6 GHz in 5G. La quarta e ultima fase prevede l'incisione di scanalature quadrate negli angoli opposti del punto di radiazione. Questo slot espande in modo significativo la larghezza di banda di 4,56 GHz per coprire lo spettro 5G inferiore a 6 GHz da 3,11 GHz a 7,67 GHz, come mostrato nella Figura 3b. Le viste prospettiche anteriore e inferiore del progetto proposto sono mostrate nella Figura 3a e i parametri di progettazione finali ottimizzati richiesti sono i seguenti: 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) Viste dall'alto e dal retro dell'antenna singola progettata (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Curva dei parametri S.
Metasuperficie è un termine che si riferisce a una serie periodica di celle unitarie situate ad una certa distanza l'una dall'altra. Le metasuperfici rappresentano un modo efficace per migliorare le prestazioni di radiazione dell'antenna, inclusi larghezza di banda, guadagno e isolamento tra i componenti MIMO. A causa dell’influenza della propagazione delle onde superficiali, le metasuperfici generano ulteriori risonanze che contribuiscono a migliorare le prestazioni dell’antenna39. Questo lavoro propone un'unità di metamateriale (MM) epsilon-negativo che opera nella banda 5G inferiore a 6 GHz. Il MM con una superficie di 8mm×8mm è stato sviluppato su un substrato Rogers 5880 a bassa perdita con una costante dielettrica di 2,2 e uno spessore di 1,575mm. La patch del risonatore MM ottimizzata è costituita da un anello diviso circolare interno collegato a due anelli divisi esterni modificati, come mostrato nella Figura 4a. La Figura 4a riassume i parametri ottimizzati finali della configurazione MM proposta. Successivamente, sono stati sviluppati strati di metasuperficie da 40 × 40 mm e 80 × 80 mm senza un backplane in rame e con un backplane in rame utilizzando rispettivamente array di celle 5 × 5 e 10 × 10. La struttura MM proposta è stata modellata utilizzando il software di modellazione elettromagnetica 3D “CST studio suite 2019”. Un prototipo fabbricato della struttura dell'array MM proposta e della configurazione di misurazione (analizzatore di rete a doppia porta PNA e porta della guida d'onda) è mostrato nella Figura 4b per convalidare i risultati della simulazione CST analizzando la risposta effettiva. La configurazione di misurazione ha utilizzato un analizzatore di rete Agilent serie PNA in combinazione con due adattatori coassiali per guida d'onda (A-INFOMW, codice articolo: 187WCAS) per inviare e ricevere segnali. Un prototipo di array 5×5 è stato posizionato tra due adattatori coassiali per guida d'onda collegati tramite cavo coassiale a un analizzatore di rete a due porte (Agilent PNA N5227A). Il kit di calibrazione Agilent N4694-60001 viene utilizzato per calibrare l'analizzatore di rete in un impianto pilota. I parametri di scattering simulati e osservati dal CST del prototipo proposto di array MM sono mostrati nella Figura 5a. Si può vedere che la struttura MM proposta risuona nella gamma di frequenze 5G inferiore a 6 GHz. Nonostante la piccola differenza nella larghezza di banda di 10 dB, i risultati simulati e sperimentali sono molto simili. La frequenza di risonanza, la larghezza di banda e l'ampiezza della risonanza osservata sono leggermente diverse da quelle simulate, come mostrato nella Figura 5a. Queste differenze tra i risultati osservati e quelli simulati sono dovute a imperfezioni di produzione, piccoli spazi tra il prototipo e le porte della guida d'onda, effetti di accoppiamento tra le porte della guida d'onda e i componenti dell'array e tolleranze di misurazione. Inoltre, il corretto posizionamento del prototipo sviluppato tra le porte della guida d'onda nella configurazione sperimentale può comportare uno spostamento della risonanza. Inoltre, durante la fase di calibrazione è stato osservato un rumore indesiderato che ha portato a discrepanze tra i risultati numerici e quelli misurati. Tuttavia, a parte queste difficoltà, il prototipo di array MM proposto funziona bene grazie alla forte correlazione tra simulazione ed esperimento, rendendolo adatto per applicazioni di comunicazione wireless 5G inferiori a 6 GHz.
(a) Geometria della cella unitaria (S1 = 8 mm, S2 = 7 mm, S3 = 5 mm, f1, f2, f4 = 0,5 mm, f3 = 0,75 mm, h1 = 0,5 mm, h2 = 1,75 mm) (CST STUDIO SUITE) ) 2019) (b) Foto della configurazione di misurazione MM.
(a) Simulazione e verifica delle curve dei parametri di scattering del prototipo di metamateriale. (b) Curva della costante dielettrica di una cella unitaria MM.
I parametri efficaci rilevanti come la costante dielettrica effettiva, la permeabilità magnetica e l'indice di rifrazione sono stati studiati utilizzando tecniche di post-elaborazione integrate del simulatore elettromagnetico CST per analizzare ulteriormente il comportamento della cella unitaria MM. I parametri MM effettivi sono ottenuti dai parametri di scattering utilizzando un metodo di ricostruzione robusto. Le seguenti equazioni di trasmittanza e coefficiente di riflessione: (3) e (4) possono essere utilizzate per determinare l'indice di rifrazione e l'impedenza (vedere 40).
La parte reale e quella immaginaria dell'operatore sono rappresentate rispettivamente da (.)' e (.)” e il valore intero m corrisponde all'indice di rifrazione reale. La costante dielettrica e la permeabilità sono determinate dalle formule \(\varepsilon { } = { }n/z,\) e \(\mu = nz\), che si basano rispettivamente sull'impedenza e sull'indice di rifrazione. La curva della costante dielettrica effettiva della struttura MM è mostrata nella Figura 5b. Alla frequenza di risonanza la costante dielettrica effettiva è negativa. Le figure 6a,b mostrano i valori estratti di permeabilità effettiva (μ) e indice di rifrazione efficace (n) della cella unitaria proposta. In particolare, le permeabilità estratte mostrano valori reali positivi prossimi allo zero, il che conferma le proprietà epsilon-negative (ENG) della struttura MM proposta. Inoltre, come mostrato nella Figura 6a, la risonanza a permeabilità prossima allo zero è fortemente correlata alla frequenza di risonanza. La cella unitaria sviluppata ha un indice di rifrazione negativo (Fig. 6b), il che significa che il MM proposto può essere utilizzato per migliorare le prestazioni dell'antenna21,41.
Il prototipo sviluppato di un'unica antenna a banda larga è stato fabbricato per testare sperimentalmente il progetto proposto. Le figure 7a,b mostrano le immagini del prototipo di singola antenna proposto, delle sue parti strutturali e della configurazione di misurazione in campo vicino (SATIMO). Per migliorare le prestazioni dell'antenna, la metasuperficie sviluppata è posizionata a strati sotto l'antenna, come mostrato nella Figura 8a, con altezza h. Una singola metasuperficie a doppio strato da 40 mm x 40 mm è stata applicata sul retro della singola antenna a intervalli di 12 mm. Inoltre, sul lato posteriore dell'antenna singola è posizionata una metasuperficie con backplane a una distanza di 12 mm. Dopo aver applicato la metasuperficie, la singola antenna mostra un miglioramento significativo delle prestazioni, come mostrato nelle Figure 1 e 2. Figure 8 e 9. La Figura 8b mostra i grafici di riflettanza simulati e misurati per la singola antenna senza e con metasuperfici. Vale la pena notare che la banda di copertura di un'antenna con metasuperficie è molto simile alla banda di copertura di un'antenna senza metasuperficie. Le Figure 9a,b mostrano un confronto tra il guadagno di una singola antenna simulato e osservato e l'efficienza complessiva senza e con MS nello spettro operativo. Si può vedere che, rispetto all'antenna non metasuperficiale, il guadagno dell'antenna metasuperficiale è significativamente migliorato, aumentando da 5,15 dBi a 8 dBi. Il guadagno della metasuperficie a strato singolo, della metasuperficie a doppio strato e dell'antenna singola con metasuperficie backplane è aumentato rispettivamente di 6 dBi, 6,9 dBi e 8 dBi. Rispetto ad altre metasuperfici (MC a strato singolo e doppio strato), il guadagno di una singola antenna a metasuperficie con backplane in rame arriva fino a 8 dBi. In questo caso, la metasuperficie agisce come un riflettore, riducendo la radiazione posteriore dell'antenna e manipolando le onde elettromagnetiche in fase, aumentando così l'efficienza della radiazione dell'antenna e quindi il guadagno. Uno studio dell'efficienza complessiva di una singola antenna senza e con metasuperfici è mostrato nella Figura 9b. Vale la pena notare che l'efficienza di un'antenna con e senza metasuperficie è quasi la stessa. Nella gamma di frequenze più basse l'efficienza dell'antenna diminuisce leggermente. Le curve di guadagno ed efficienza sperimentali e simulate sono in buon accordo. Tuttavia, esistono lievi differenze tra i risultati simulati e quelli testati a causa di difetti di fabbricazione, tolleranze di misurazione, perdita di connessione della porta SMA e perdita di cavi. Inoltre, l'antenna e il riflettore MS si trovano tra i distanziatori in nylon, un altro problema che influisce sui risultati osservati rispetto a quelli della simulazione.
La figura (a) mostra la singola antenna completata e i suoi componenti associati. (b) Configurazione della misurazione del campo vicino (SATIMO).
(a) Eccitazione dell'antenna utilizzando riflettori sulla metasuperficie (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Riflettanze simulate e sperimentali di una singola antenna senza e con MS.
Risultati della simulazione e della misurazione di (a) il guadagno ottenuto e (b) l'efficienza complessiva dell'antenna ad effetto metasuperficiale proposta.
Analisi del modello del fascio mediante MS. Le misurazioni del campo vicino con antenna singola sono state effettuate nell'ambiente sperimentale del campo vicino SATIMO del Laboratorio di sistemi di campo vicino SATIMO dell'UKM. Le figure 10a, b mostrano i modelli di radiazione del piano E e del piano H simulati e osservati a 5,5 GHz per la singola antenna proposta con e senza MS. La singola antenna sviluppata (senza MS) fornisce un diagramma di radiazione bidirezionale coerente con valori dei lobi laterali. Dopo aver applicato il riflettore MS proposto, l'antenna fornisce un diagramma di radiazione unidirezionale e riduce il livello dei lobi posteriori, come mostrato nelle Figure 10a, b. Vale la pena notare che il modello di radiazione proposto ad antenna singola è più stabile e unidirezionale con lobi posteriori e laterali molto bassi quando si utilizza una metasuperficie con un backplane in rame. Il riflettore a matrice MM proposto riduce i lobi posteriori e laterali dell'antenna migliorando al contempo le prestazioni di radiazione dirigendo la corrente in direzioni unidirezionali (Fig. 10a, b), aumentando così il guadagno e la direttività. È stato osservato che il diagramma di radiazione sperimentale era quasi paragonabile a quello delle simulazioni CST, ma variava leggermente a causa del disallineamento dei vari componenti assemblati, delle tolleranze di misurazione e delle perdite di cablaggio. Inoltre, è stato inserito un distanziatore in nylon tra l'antenna e il riflettore MS, il che è un altro problema che influenza i risultati osservati rispetto ai risultati numerici.
È stato simulato e testato il diagramma di radiazione della singola antenna sviluppata (senza MS e con MS) ad una frequenza di 5,5 GHz.
La geometria dell'antenna MIMO proposta è mostrata nella Figura 11 e comprende quattro antenne singole. I quattro componenti dell'antenna MIMO sono disposti ortogonalmente tra loro su un substrato di dimensioni 80 × 80 × 1.575 mm, come mostrato nella Figura 11. L'antenna MIMO progettata ha una distanza tra gli elementi di 22 mm, che è inferiore a quella dell'antenna MIMO distanza interelemento corrispondente più vicina dell'antenna. Sviluppata antenna MIMO. Inoltre, parte del piano terra si trova allo stesso modo di un'unica antenna. I valori di riflettanza delle antenne MIMO (S11, S22, S33 e S44) mostrati nella Figura 12a mostrano lo stesso comportamento di un'antenna a elemento singolo che risuona nella banda 3,2–7,6 GHz. Pertanto, la larghezza di banda dell'impedenza di un'antenna MIMO è esattamente la stessa di quella di una singola antenna. L'effetto di accoppiamento tra i componenti MIMO è la ragione principale della piccola perdita di larghezza di banda delle antenne MIMO. La Figura 12b mostra l'effetto dell'interconnessione sui componenti MIMO, dove è stato determinato l'isolamento ottimale tra i componenti MIMO. L'isolamento tra le antenne 1 e 2 è il più basso con circa -13,6 dB, e l'isolamento tra le antenne 1 e 4 è il più alto con circa -30,4 dB. A causa delle sue dimensioni ridotte e della larghezza di banda più ampia, questa antenna MIMO ha un guadagno e un throughput inferiori. L'isolamento è basso, quindi sono necessari rinforzi e isolamenti maggiori;
Meccanismo di progettazione dell'antenna MIMO proposta (a) vista dall'alto e (b) piano di terra. (CST StudioSuite 2019).
La disposizione geometrica e il metodo di eccitazione dell'antenna MIMO sulla metasuperficie proposta sono mostrati nella Figura 13a. Una matrice 10x10 mm con dimensioni di 80x80x1.575 mm è progettata per il lato posteriore di un'antenna MIMO alta 12 mm, come mostrato nella Figura 13a. Inoltre, le metasuperfici con backplane in rame sono destinate all'uso nelle antenne MIMO per migliorarne le prestazioni. La distanza tra la metasuperficie e l'antenna MIMO è fondamentale per ottenere un guadagno elevato consentendo al tempo stesso un'interferenza costruttiva tra le onde generate dall'antenna e quelle riflesse dalla metasuperficie. È stata eseguita un'ampia modellazione per ottimizzare l'altezza tra l'antenna e la metasuperficie mantenendo al contempo gli standard a quarto d'onda per il massimo guadagno e isolamento tra gli elementi MIMO. I miglioramenti significativi nelle prestazioni dell'antenna MIMO ottenuti utilizzando metasuperfici con backplane rispetto alle metasuperfici senza backplane saranno dimostrati nei capitoli successivi.
(a) Configurazione della simulazione CST dell'antenna MIMO proposta utilizzando MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Curve di riflettanza del sistema MIMO sviluppato senza MS e con MS.
Le riflettanze delle antenne MIMO con e senza metasuperfici sono mostrate nella Figura 13b, dove S11 e S44 sono presentati a causa del comportamento quasi identico di tutte le antenne nel sistema MIMO. Vale la pena notare che la larghezza di banda dell'impedenza di -10 dB di un'antenna MIMO senza e con una singola metasuperficie è quasi la stessa. Al contrario, la larghezza di banda dell'impedenza dell'antenna MIMO proposta è migliorata da MS a doppio strato e MS backplane. Vale la pena notare che senza MS, l'antenna MIMO fornisce una larghezza di banda frazionaria dell'81,5% (3,2-7,6 GHz) rispetto alla frequenza centrale. L'integrazione dell'MS con il backplane aumenta la larghezza di banda dell'impedenza dell'antenna MIMO proposta all'86,3% (3,08–7,75 GHz). Sebbene il sistema MS a doppio strato aumenti la produttività, il miglioramento è inferiore a quello del sistema MS con backplane in rame. Inoltre, un MC a doppio strato aumenta le dimensioni dell’antenna, ne aumenta il costo e ne limita la portata. L'antenna MIMO progettata e il riflettore della metasuperficie vengono fabbricati e verificati per convalidare i risultati della simulazione e valutare le prestazioni effettive. La Figura 14a mostra lo strato MS fabbricato e l'antenna MIMO con vari componenti assemblati, mentre la Figura 14b mostra una fotografia del sistema MIMO sviluppato. L'antenna MIMO è montata sulla parte superiore della metasuperficie utilizzando quattro distanziatori in nylon, come mostrato nella Figura 14b. La Figura 15a mostra un'istantanea della configurazione sperimentale in campo vicino del sistema di antenne MIMO sviluppato. Un analizzatore di rete PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) è stato utilizzato per stimare i parametri di scattering e per valutare e caratterizzare le caratteristiche di emissione del campo vicino nel Laboratorio di sistemi di campo vicino SATIMO dell'UKM.
(a) Foto di misurazioni SATIMO in campo vicino (b) Curve simulate e sperimentali dell'antenna S11 MIMO con e senza MS.
Questa sezione presenta uno studio comparativo dei parametri S simulati e osservati dell'antenna 5G MIMO proposta. La Figura 15b mostra il grafico della riflettanza sperimentale dell'antenna MIMO MS integrata a 4 elementi e lo confronta con i risultati della simulazione CST. Le riflettanze sperimentali sono risultate essere le stesse dei calcoli CST, ma erano leggermente diverse a causa di difetti di fabbricazione e tolleranze sperimentali. Inoltre, la riflettanza osservata del prototipo MIMO proposto basato su MS copre lo spettro 5G inferiore a 6 GHz con una larghezza di banda di impedenza di 4,8 GHz, il che significa che sono possibili applicazioni 5G. Tuttavia, la frequenza di risonanza, la larghezza di banda e l'ampiezza misurate differiscono leggermente dai risultati della simulazione CST. Difetti di fabbricazione, perdite di accoppiamento da coassiale a SMA e configurazioni di misurazione esterne possono causare differenze tra i risultati misurati e quelli simulati. Tuttavia, nonostante queste carenze, il MIMO proposto funziona bene, fornendo un forte accordo tra simulazioni e misurazioni, rendendolo adatto per applicazioni wireless 5G inferiori a 6 GHz.
Le curve di guadagno dell'antenna MIMO simulate e osservate sono mostrate nelle Figure 2 e 2. Come mostrato rispettivamente nelle Figure 16a,b e 17a,b, viene mostrata l'interazione reciproca dei componenti MIMO. Quando le metasuperfici vengono applicate alle antenne MIMO, l'isolamento tra le antenne MIMO viene notevolmente migliorato. I grafici di isolamento tra gli elementi di antenna adiacenti S12, S14, S23 e S34 mostrano curve simili, mentre le antenne MIMO diagonali S13 e S42 mostrano un isolamento altrettanto elevato a causa della maggiore distanza tra loro. Le caratteristiche di trasmissione simulate delle antenne adiacenti sono mostrate nella Figura 16a. Vale la pena notare che nello spettro operativo 5G inferiore a 6 GHz, l’isolamento minimo di un’antenna MIMO senza metasuperficie è di -13,6 dB, e per una metasuperficie con backplane – 15,5 dB. Il grafico del guadagno (Figura 16a) mostra che la metasuperficie del backplane migliora significativamente l'isolamento tra gli elementi dell'antenna MIMO rispetto alle metasuperfici a strato singolo e doppio. Sugli elementi dell'antenna adiacenti, le metasuperfici a strato singolo e doppio forniscono un isolamento minimo di circa -13,68 dB e -14,78 dB, mentre la metasuperficie del backplane in rame fornisce circa -15,5 dB.
Curve di isolamento simulate di elementi MIMO senza strato MS e con strato MS: (a) S12, S14, S34 e S32 e (b) S13 e S24.
Curve di guadagno sperimentali delle antenne MIMO proposte basate su MS senza e con: (a) S12, S14, S34 e S32 e (b) S13 e S24.
I grafici del guadagno dell'antenna diagonale MIMO prima e dopo l'aggiunta dello strato MS sono mostrati nella Figura 16b. Vale la pena notare che l’isolamento minimo tra antenne diagonali senza metasuperficie (antenne 1 e 3) è – 15,6 dB su tutto lo spettro operativo, e una metasuperficie con backplane è – 18 dB. L'approccio metasuperficiale riduce significativamente gli effetti di accoppiamento tra antenne MIMO diagonali. L'isolamento massimo per una metasuperficie a singolo strato è di -37 dB, mentre per una metasuperficie a doppio strato questo valore scende a -47 dB. L'isolamento massimo della metasuperficie con un backplane in rame è di −36,2 dB, che diminuisce con l'aumentare della gamma di frequenza. Rispetto alle metasuperfici a strato singolo e doppio senza backplane, le metasuperfici con backplane forniscono un isolamento superiore su tutta la gamma di frequenze operative richieste, in particolare nella gamma 5G inferiore a 6 GHz, come mostrato nelle Figure 16a, b. Nella banda 5G più popolare e ampiamente utilizzata, inferiore a 6 GHz (3,5 GHz), le metasuperfici a strato singolo e doppio hanno un isolamento inferiore tra i componenti MIMO rispetto alle metasuperfici con backplane in rame (quasi senza MS) (vedere Figura 16a), b). Le misurazioni del guadagno sono mostrate nelle Figure 17a, b, che mostrano rispettivamente l'isolamento delle antenne adiacenti (S12, S14, S34 e S32) e delle antenne diagonali (S24 e S13). Come si può vedere da queste figure (Fig. 17a, b), l'isolamento sperimentale tra i componenti MIMO concorda bene con l'isolamento simulato. Sebbene vi siano piccole differenze tra i valori CST simulati e misurati a causa di difetti di fabbricazione, collegamenti delle porte SMA e perdite di filo. Inoltre, l'antenna e il riflettore MS si trovano tra i distanziatori in nylon, un altro problema che influisce sui risultati osservati rispetto a quelli della simulazione.
ha studiato la distribuzione della corrente superficiale a 5,5 GHz per razionalizzare il ruolo delle metasuperfici nel ridurre l'accoppiamento reciproco attraverso la soppressione delle onde superficiali42. La distribuzione della corrente superficiale dell'antenna MIMO proposta è mostrata nella Figura 18, dove l'antenna 1 è pilotata e il resto dell'antenna è terminato con un carico di 50 ohm. Quando l'antenna 1 è energizzata, in assenza di una metasuperficie appariranno significative correnti di accoppiamento reciproco sulle antenne adiacenti a 5,5 GHz, come mostrato nella Figura 18a. Al contrario, attraverso l'uso di metasuperfici, come mostrato in Fig. 18b-d, viene migliorato l'isolamento tra antenne adiacenti. Si dovrebbe notare che l'effetto dell'accoppiamento reciproco di campi adiacenti può essere minimizzato propagando la corrente di accoppiamento agli anelli adiacenti di celle unitarie e celle unitarie MS adiacenti lungo lo strato MS in direzioni antiparallele. L'iniezione di corrente dalle antenne distribuite alle unità MS è un metodo chiave per migliorare l'isolamento tra i componenti MIMO. Di conseguenza, la corrente di accoppiamento tra i componenti MIMO viene notevolmente ridotta e anche l'isolamento risulta notevolmente migliorato. Poiché il campo di accoppiamento è ampiamente distribuito nell'elemento, la metasuperficie del backplane in rame isola il gruppo dell'antenna MIMO in modo significativamente maggiore rispetto alle metasuperfici a strato singolo e doppio (Figura 18d). Inoltre, l'antenna MIMO sviluppata ha una propagazione posteriore e laterale molto bassa, producendo un diagramma di radiazione unidirezionale, aumentando così il guadagno dell'antenna MIMO proposta.
Modelli di corrente superficiale dell'antenna MIMO proposta a 5,5 GHz (a) senza MC, (b) MC a strato singolo, (c) MC a doppio strato e (d) MC a strato singolo con backplane in rame. (CST StudioSuite 2019).
All'interno della frequenza operativa, la Figura 19a mostra i guadagni simulati e osservati dell'antenna MIMO progettata senza e con metasuperfici. Il guadagno simulato ottenuto dall'antenna MIMO senza metasuperficie è 5,4 dBi, come mostrato nella Figura 19a. A causa dell'effetto di accoppiamento reciproco tra i componenti MIMO, l'antenna MIMO proposta raggiunge effettivamente un guadagno maggiore di 0,25 dBi rispetto a una singola antenna. L'aggiunta di metasuperfici può fornire guadagni significativi e isolamento tra i componenti MIMO. Pertanto, l'antenna MIMO sulla metasuperficie proposta può raggiungere un elevato guadagno realizzato fino a 8,3 dBi. Come mostrato nella Figura 19a, quando viene utilizzata una singola metasuperficie sul retro dell'antenna MIMO, il guadagno aumenta di 1,4 dBi. Quando la metasuperficie viene raddoppiata, il guadagno aumenta di 2,1 dBi, come mostrato nella Figura 19a. Tuttavia, il guadagno massimo previsto di 8,3 dBi si ottiene utilizzando la metasuperficie con un backplane in rame. In particolare, il guadagno massimo raggiunto per le metasuperfici a strato singolo e doppio è rispettivamente di 6,8 dBi e 7,5 dBi, mentre il guadagno massimo raggiunto per la metasuperficie dello strato inferiore è 8,3 dBi. Lo strato di metasuperficie sul lato posteriore dell'antenna agisce come un riflettore, riflettendo la radiazione dal lato posteriore dell'antenna e migliorando il rapporto fronte-retro (F/B) dell'antenna MIMO progettata. Inoltre, il riflettore MS ad alta impedenza manipola le onde elettromagnetiche in fase, creando così ulteriore risonanza e migliorando le prestazioni di radiazione dell'antenna MIMO proposta. Il riflettore MS installato dietro l'antenna MIMO può aumentare significativamente il guadagno ottenuto, come confermato dai risultati sperimentali. I guadagni osservati e simulati del prototipo di antenna MIMO sviluppato sono quasi gli stessi, tuttavia, ad alcune frequenze il guadagno misurato è superiore al guadagno simulato, soprattutto per MIMO senza MS; Queste variazioni nel guadagno sperimentale sono dovute alle tolleranze di misurazione dei cuscinetti in nylon, alle perdite del cavo e all'accoppiamento nel sistema dell'antenna. Il guadagno di picco misurato dell'antenna MIMO senza metasuperficie è 5,8 dBi, mentre la metasuperficie con backplane in rame è 8,5 dBi. Vale la pena notare che il sistema completo di antenna MIMO a 4 porte proposto con riflettore MS mostra un guadagno elevato in condizioni sperimentali e numeriche.
Simulazione e risultati sperimentali di (a) guadagno ottenuto e (b) prestazioni complessive dell'antenna MIMO proposta con effetto metasuperficie.
La Figura 19b mostra le prestazioni complessive del sistema MIMO proposto senza e con riflettori sulla metasuperficie. Nella Figura 19b, l'efficienza più bassa utilizzando MS con backplane è stata superiore al 73% (fino all'84%). L'efficienza complessiva delle antenne MIMO sviluppate senza MC e con MC è quasi la stessa con differenze minori rispetto ai valori simulati. Le ragioni di ciò sono le tolleranze di misurazione e l'uso di distanziatori tra l'antenna e il riflettore MS. Il guadagno ottenuto misurato e l’efficienza complessiva su tutta la frequenza sono quasi simili ai risultati della simulazione, indicando che le prestazioni del prototipo MIMO proposto sono quelle previste e che l’antenna MIMO raccomandata basata su MS è adatta per le comunicazioni 5G. A causa di errori negli studi sperimentali, esistono differenze tra i risultati complessivi degli esperimenti di laboratorio e i risultati delle simulazioni. Le prestazioni del prototipo proposto sono influenzate dal disadattamento di impedenza tra l'antenna e il connettore SMA, dalle perdite di giunzione del cavo coassiale, dagli effetti di saldatura e dalla vicinanza di vari dispositivi elettronici all'apparato sperimentale.
La Figura 20 descrive lo stato di avanzamento della progettazione e dell'ottimizzazione di detta antenna sotto forma di diagramma a blocchi. Questo diagramma a blocchi fornisce una descrizione passo passo dei principi di progettazione dell'antenna MIMO proposti, nonché dei parametri che svolgono un ruolo chiave nell'ottimizzazione dell'antenna per ottenere l'elevato guadagno e l'elevato isolamento richiesti su un'ampia frequenza operativa.
Le misurazioni dell'antenna MIMO a campo vicino sono state misurate nell'ambiente sperimentale a campo vicino SATIMO presso il Laboratorio di sistemi a campo vicino SATIMO dell'UKM. Le Figure 21a,b rappresentano i modelli di radiazione del piano E e del piano H simulati e osservati dell'antenna MIMO rivendicata con e senza MS ad una frequenza operativa di 5,5 GHz. Nell'intervallo di frequenza operativa di 5,5 GHz, l'antenna MIMO non MS sviluppata fornisce un modello di radiazione bidirezionale coerente con valori dei lobi laterali. Dopo aver applicato il riflettore MS, l'antenna fornisce un diagramma di radiazione unidirezionale e riduce il livello dei lobi posteriori, come mostrato nelle Figure 21a, b. Vale la pena notare che utilizzando una metasuperficie con un backplane in rame, il modello di antenna MIMO proposto è più stabile e unidirezionale che senza MS, con lobi posteriori e laterali molto bassi. Il riflettore array MM proposto riduce i lobi posteriori e laterali dell'antenna e migliora anche le caratteristiche di radiazione dirigendo la corrente in una direzione unidirezionale (Fig. 21a, b), aumentando così il guadagno e la direttività. Il diagramma di radiazione misurato è stato ottenuto per la porta 1 con un carico di 50 ohm collegato alle restanti porte. È stato osservato che il diagramma di radiazione sperimentale era quasi identico a quello simulato dal CST, sebbene fossero presenti alcune deviazioni dovute al disallineamento dei componenti, alle riflessioni dalle porte dei terminali e alle perdite nei collegamenti dei cavi. Inoltre, è stato inserito un distanziatore in nylon tra l'antenna e il riflettore MS, il che rappresenta un altro problema che incide sui risultati osservati rispetto a quelli previsti.
È stato simulato e testato il diagramma di radiazione dell'antenna MIMO sviluppata (senza MS e con MS) ad una frequenza di 5,5 GHz.
È importante notare che l'isolamento delle porte e le caratteristiche ad esso associate sono essenziali quando si valutano le prestazioni dei sistemi MIMO. Le prestazioni di diversità del sistema MIMO proposto, incluso il coefficiente di correlazione dell'inviluppo (ECC) e il guadagno di diversità (DG), vengono esaminate per illustrare la robustezza del sistema di antenna MIMO progettato. L'ECC e il DG di un'antenna MIMO possono essere utilizzati per valutarne le prestazioni poiché sono aspetti importanti delle prestazioni di un sistema MIMO. Le sezioni seguenti descriveranno in dettaglio queste caratteristiche dell'antenna MIMO proposta.
Coefficiente di correlazione dell'inviluppo (ECC). Quando si considera qualsiasi sistema MIMO, l'ECC determina il grado in cui gli elementi costitutivi sono correlati tra loro per quanto riguarda le loro proprietà specifiche. Pertanto, l'ECC dimostra il grado di isolamento del canale in una rete di comunicazione wireless. L'ECC (coefficiente di correlazione dell'inviluppo) del sistema MIMO sviluppato può essere determinato in base ai parametri S e all'emissione in campo lontano. Dall'Eq. (7) e (8) è possibile determinare l'ECC dell'antenna MIMO 31 proposta.
Il coefficiente di riflessione è rappresentato da Sii e Sij rappresenta il coefficiente di trasmissione. I diagrammi di radiazione tridimensionali delle antenne j-esima e i-esima sono dati dalle espressioni \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) e \( \vec {{R_{ i } }} Angolo solido rappresentato da \left( {\theta ,\varphi } \right)\) e \({\Omega }\). La curva ECC dell'antenna proposta è mostrata nella Figura 22a e il suo valore è inferiore a 0,004, che è ben al di sotto del valore accettabile di 0,5 per un sistema wireless. Pertanto, il valore ECC ridotto significa che il sistema MIMO a 4 porte proposto offre una diversità superiore43.
Diversity Gain (DG) DG è un'altra metrica delle prestazioni del sistema MIMO che descrive come lo schema di diversità influisce sulla potenza irradiata. La relazione (9) determina la DG del sistema di antenna MIMO in fase di sviluppo, come descritto in 31.
La Figura 22b mostra il diagramma DG del sistema MIMO proposto, dove il valore DG è molto vicino a 10 dB. I valori DG di tutte le antenne del sistema MIMO progettato superano i 9,98 dB.
La tabella 1 confronta l'antenna MIMO della metasuperficie proposta con sistemi MIMO simili recentemente sviluppati. Il confronto tiene conto di vari parametri prestazionali, tra cui larghezza di banda, guadagno, isolamento massimo, efficienza complessiva e prestazioni di diversità. I ricercatori hanno presentato vari prototipi di antenne MIMO con tecniche di miglioramento del guadagno e dell'isolamento in 5, 44, 45, 46, 47. Rispetto ai lavori pubblicati in precedenza, il sistema MIMO proposto con riflettori sulla metasuperficie li supera in termini di larghezza di banda, guadagno e isolamento. Inoltre, rispetto ad antenne simili segnalate, il sistema MIMO sviluppato mostra prestazioni di diversità ed efficienza complessiva superiori con dimensioni inferiori. Sebbene le antenne descritte nella Sezione 5.46 abbiano un isolamento maggiore rispetto alle antenne da noi proposte, queste antenne soffrono di grandi dimensioni, basso guadagno, larghezza di banda stretta e scarse prestazioni MIMO. L'antenna MIMO a 4 porte proposta in 45 presenta guadagno ed efficienza elevati, ma il suo design presenta un basso isolamento, grandi dimensioni e scarse prestazioni di diversità. D'altra parte, il sistema di antenna di piccole dimensioni proposto in 47 ha un guadagno e una larghezza di banda operativa molto bassi, mentre il nostro sistema MIMO a 4 porte basato su MS proposto presenta dimensioni ridotte, guadagno elevato, isolamento elevato e prestazioni MIMO migliori. Pertanto, l’antenna MIMO sulla metasuperficie proposta può diventare uno dei principali contendenti per i sistemi di comunicazione 5G inferiori a 6 GHz.
Viene proposta un’antenna MIMO a banda larga basata su riflettore metasuperficiale a quattro porte con guadagno e isolamento elevati per supportare applicazioni 5G inferiori a 6 GHz. La linea a microstriscia alimenta una sezione radiante quadrata, che viene troncata da un quadrato in corrispondenza degli angoli diagonali. Il sistema MS e l'emettitore di antenna proposti sono implementati su materiali di substrato simili a Rogers RT5880 per ottenere prestazioni eccellenti nei sistemi di comunicazione 5G ad alta velocità. L'antenna MIMO presenta un'ampia portata e un guadagno elevato e fornisce isolamento acustico tra i componenti MIMO e un'eccellente efficienza. La singola antenna sviluppata ha dimensioni in miniatura di 0,58?0,58?0,02? con un array di metasuperficie 5×5, fornisce un'ampia larghezza di banda operativa di 4,56 GHz, guadagno di picco di 8 dBi ed efficienza misurata superiore. L'antenna MIMO a quattro porte proposta (array 2 × 2) è progettata allineando ortogonalmente ciascuna singola antenna proposta con un'altra antenna con dimensioni di 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Si consiglia di assemblare un array 10×10 MM sotto un'antenna MIMO alta 12 mm, che può ridurre la radiazione posteriore e ridurre l'accoppiamento reciproco tra i componenti MIMO, migliorando così guadagno e isolamento. I risultati sperimentali e di simulazione mostrano che il prototipo MIMO sviluppato può funzionare in un’ampia gamma di frequenze compresa tra 3,08 e 7,75 GHz, coprendo lo spettro 5G inferiore a 6 GHz. Inoltre, l'antenna MIMO proposta basata su MS migliora il suo guadagno di 2,9 dBi, raggiungendo un guadagno massimo di 8,3 dBi, e fornisce un eccellente isolamento (>15,5 dB) tra i componenti MIMO, convalidando il contributo di MS. Inoltre, l'antenna MIMO proposta ha un'elevata efficienza complessiva media dell'82% e una bassa distanza tra gli elementi di 22 mm. L'antenna presenta eccellenti prestazioni di diversità MIMO, tra cui DG molto elevato (oltre 9,98 dB), ECC molto basso (meno di 0,004) e diagramma di radiazione unidirezionale. I risultati della misurazione sono molto simili ai risultati della simulazione. Queste caratteristiche confermano che il sistema di antenna MIMO a quattro porte sviluppato può essere una scelta praticabile per i sistemi di comunicazione 5G nella gamma di frequenza inferiore a 6 GHz.
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Orario di pubblicazione: 10 ottobre 2024