Bu çalışma, 6 GHz altı beşinci nesil (5G) kablosuz iletişim sistemleri için kompakt, entegre çok girişli çoklu çıkışlı (MIMO) metasurface (MS) geniş bant anteni önermektedir. Önerilen MIMO sisteminin bariz yeniliği, geniş çalışma bant genişliği, yüksek kazanç, bileşenler arası küçük açıklıklar ve MIMO bileşenleri içindeki mükemmel izolasyondur. Antenin yayılan noktası çapraz olarak kesilir, kısmen topraklanır ve antenin performansını artırmak için meta yüzeyler kullanılır. Önerilen prototip entegre tek MS anteni 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ minyatür boyutlara sahiptir. Simülasyon ve ölçüm sonuçları, elde edilen en yüksek kazanç olan 8 dBi dahil olmak üzere 3,11 GHz'den 7,67 GHz'e kadar geniş bant performansını göstermektedir. Dört öğeli MIMO sistemi, kompakt boyutu ve 3,2 ila 7,6 GHz arasında geniş bant performansını korurken her anten birbirine dik olacak şekilde tasarlanmıştır. Önerilen MIMO prototipi, Rogers RT5880 alt katmanı üzerinde düşük kayıplı ve 1,05⁰ minyatür boyutlara sahip olarak tasarlanmış ve üretilmiştir. 1.05 mi? 0,02a ve performansı, 10 x 10 bölünmüş halkaya sahip önerilen kare kapalı halka rezonatör dizisi kullanılarak değerlendirilir. Temel malzeme aynı. Önerilen arka panel meta yüzeyi, antenin arka radyasyonunu önemli ölçüde azaltır ve elektromanyetik alanları yönetir, böylece MIMO bileşenlerinin bant genişliğini, kazancını ve izolasyonunu geliştirir. Mevcut MIMO antenleriyle karşılaştırıldığında, önerilen 4 bağlantı noktalı MIMO anteni, 5G alt 6 GHz bandında ortalama %82'ye varan ortalama genel verimlilikle 8,3 dBi'lik yüksek bir kazanç elde ediyor ve ölçülen sonuçlarla iyi bir uyum içinde. Ayrıca geliştirilen MIMO anteni, 0,004'ten düşük zarf korelasyon katsayısı (ECC), yaklaşık 10 dB (>9,98 dB) çeşitlilik kazancı (DG) ve MIMO bileşenleri arasında yüksek izolasyon (>15,5 dB) açısından mükemmel performans sergilemektedir. özellikleri. Böylece önerilen MS tabanlı MIMO anteni, 6 GHz altı 5G iletişim ağları için uygulanabilirliğini doğruluyor.
5G teknolojisi, milyarlarca bağlı cihaz için daha hızlı ve daha güvenli ağlar sağlayacak, "sıfır" gecikmeyle (1 milisaniyeden daha az gecikme) kullanıcı deneyimleri sağlayacak ve elektronik dahil yeni teknolojileri tanıtacak, kablosuz iletişimde inanılmaz bir ilerlemedir. Tıbbi bakım, entelektüel eğitim. , akıllı şehirler, akıllı evler, sanal gerçeklik (VR), akıllı fabrikalar ve Araçların İnterneti (IoV) hayatlarımızı, toplumumuzu ve sektörlerimizi değiştiriyor1,2,3. ABD Federal İletişim Komisyonu (FCC), 5G spektrumunu dört frekans bandına böler4. 6 GHz'in altındaki frekans bandı, yüksek veri hızlarıyla uzun mesafeli iletişime izin verdiği için araştırmacıların ilgisini çekmektedir5,6. Küresel 5G iletişimleri için 6 GHz altı 5G spektrum tahsisi Şekil 1'de gösterilmektedir; bu, tüm ülkelerin 5G iletişimleri için 6 GHz altı spektrumu değerlendirdiğini göstermektedir7,8. Antenler 5G ağlarının önemli bir parçasıdır ve daha fazla baz istasyonu ve kullanıcı terminali anteni gerektirecektir.
Mikroşerit yama antenler incelik ve düz yapı gibi avantajlara sahiptir ancak bant genişliği ve kazanç açısından sınırlıdır9,10, antenin kazancını ve bant genişliğini artırmak için çok fazla araştırma yapılmıştır; Son yıllarda metasurfaces (MS) anten teknolojilerinde özellikle kazanç ve verimi artırmak amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır11,12 ancak bu antenler tek bir bağlantı noktasıyla sınırlıdır; MIMO teknolojisi kablosuz iletişimin önemli bir yönüdür çünkü verileri iletmek için aynı anda birden fazla anteni kullanabilir, böylece veri hızlarını, spektral verimliliği, kanal kapasitesini ve güvenilirliği artırır13,14,15. MIMO antenleri, ek güç gerektirmeden birden fazla kanal üzerinden veri gönderip alabildikleri için 5G uygulamaları için potansiyel adaylardır16,17. MIMO bileşenleri arasındaki karşılıklı bağlantı etkisi, MIMO elemanlarının konumuna ve MIMO anteninin kazancına bağlıdır ve bu, araştırmacılar için büyük bir zorluktur. Şekil 18, 19 ve 20'de 5G 6 GHz altı bantta çalışan ve tümü iyi MIMO izolasyonu ve performansı gösteren çeşitli MIMO antenleri gösterilmektedir. Ancak önerilen bu sistemlerin kazancı ve çalışma bant genişliği düşüktür.
Metamalzemeler (MM'ler) doğada bulunmayan ve elektromanyetik dalgaları manipüle edebilen, böylece antenlerin21,22,23,24performansını artıran yeni malzemelerdir. MM, 25, 26, 27, 28'de tartışıldığı gibi, anten elemanları ile kablosuz iletişim sistemleri arasındaki radyasyon modelini, bant genişliğini, kazancı ve izolasyonu geliştirmek için artık anten teknolojisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. 2029'da, dört elemanlı bir MIMO sistemi, Anten bölümünün meta yüzey ile zemin arasında hava boşluğu olmadan sıkıştırıldığı meta yüzey, MIMO performansını artırır. Ancak bu tasarım daha büyük boyuta, daha düşük çalışma frekansına ve karmaşık bir yapıya sahiptir. MIMO30 bileşenlerinin izolasyonunu geliştirmek için önerilen 2 bağlantı noktalı geniş bant MIMO antenine bir elektromanyetik bant aralığı (EBG) ve toprak döngüsü dahil edilmiştir. Tasarlanan anten, iyi bir MIMO çeşitlilik performansına ve iki MIMO anteni arasında mükemmel izolasyona sahiptir, ancak yalnızca iki MIMO bileşeni kullanıldığında kazanç düşük olacaktır. Ayrıca in31, ultra geniş bantlı (UWB) çift bağlantı noktalı bir MIMO anteni de önerdi ve meta materyaller kullanarak MIMO performansını araştırdı. Bu anten UWB işlemi yapabilme yeteneğine sahip olmasına rağmen kazancı düşüktür ve iki anten arasındaki izolasyon zayıftır. 32'deki çalışma, kazancı artırmak için elektromanyetik bant aralığı (EBG) reflektörleri kullanan 2 bağlantı noktalı bir MIMO sistemi önermektedir. Geliştirilen anten dizisi yüksek kazanç ve iyi MIMO çeşitlilik performansına sahip olmasına rağmen büyük boyutu, yeni nesil iletişim cihazlarında uygulanmasını zorlaştırmaktadır. Başka bir reflektör tabanlı geniş bant anteni 33'te geliştirildi; burada reflektör, 22 mm'lik daha büyük bir aralıkla antenin altına entegre edildi ve 4,87 dB'lik daha düşük bir tepe kazancı sergiledi. Makale 34, MIMO sisteminin izolasyonunu ve kazancını geliştirmek için MS katmanıyla entegre edilen, mmWave uygulamaları için dört bağlantı noktalı bir MIMO anteni tasarlar. Bununla birlikte, bu anten iyi bir kazanç ve izolasyon sağlar, ancak geniş hava boşluğu nedeniyle sınırlı bant genişliğine ve zayıf mekanik özelliklere sahiptir. Benzer şekilde, 2015 yılında, maksimum 7,4 dBi kazançla mmWave iletişimi için üç çift, 4 bağlantı noktalı papyon şeklinde metasurface entegre MIMO anteni geliştirildi. B36 MS, meta yüzeyin bir reflektör görevi gördüğü anten kazancını artırmak için 5G anteninin arka tarafında kullanılır. Ancak MS yapısı asimetrik olup birim hücre yapısına daha az önem verilmiştir.
Yukarıdaki analiz sonuçlarına göre, yukarıdaki antenlerin hiçbiri yüksek kazanç, mükemmel izolasyon, MIMO performansı ve geniş bant kapsama alanına sahip değildir. Bu nedenle, 6 GHz'in altındaki 5G spektrum frekanslarını yüksek kazanç ve izolasyonla kapsayabilen bir metasurface MIMO antenine hâlâ ihtiyaç duyulmaktadır. Yukarıda belirtilen literatürün sınırlamaları göz önüne alındığında, 6 GHz altı kablosuz iletişim sistemleri için yüksek kazançlı ve mükemmel çeşitlilik performansına sahip geniş bantlı dört elemanlı bir MIMO anten sistemi önerilmektedir. Ayrıca önerilen MIMO anteni, MIMO bileşenleri arasında mükemmel izolasyon, küçük eleman boşlukları ve yüksek radyasyon verimliliği sergiler. Anten yaması çapraz olarak kesilir ve meta yüzeyin üstüne, antenden gelen radyasyonu geri yansıtan ve anten kazancını ve yönelimini artıran 12 mm'lik bir hava boşluğu ile yerleştirilir. Ayrıca önerilen tek anten, her bir anteni birbirine dik olarak konumlandırarak üstün MIMO performansına sahip dört elemanlı bir MIMO anteni oluşturmak için kullanılmıştır. Geliştirilen MIMO anteni daha sonra emisyon performansını artırmak için bakır arka panelli 10x10 MS dizisinin üstüne entegre edildi. Tasarım, geniş bir çalışma aralığına (3,08-7,75 GHz), 8,3 dBi yüksek kazanıma ve %82'lik yüksek ortalama genel verimliliğe ve ayrıca MIMO anten bileşenleri arasında -15,5 dB'den daha yüksek mükemmel izolasyona sahiptir. Geliştirilen MS tabanlı MIMO anteni, 3 boyutlu elektromanyetik yazılım paketi CST Studio 2019 kullanılarak simüle edilmiş ve deneysel çalışmalarla doğrulanmıştır.
Bu bölüm, önerilen mimariye ve tek anten tasarım metodolojisine ayrıntılı bir giriş sağlar. Ek olarak, simüle edilen ve gözlemlenen sonuçlar, saçılma parametreleri, kazanç ve meta yüzeyler ile ve meta yüzeyler olmadan genel verimlilik dahil olmak üzere ayrıntılı olarak tartışılmaktadır. Prototip anten, 1,575 mm kalınlığında ve dielektrik sabiti 2,2 olan Rogers 5880 düşük kayıplı dielektrik alt tabaka üzerinde geliştirildi. Tasarımı geliştirmek ve simüle etmek için elektromanyetik simülatör paketi CST studio 2019 kullanıldı.
Şekil 2, tek elemanlı bir antenin önerilen mimarisini ve tasarım modelini göstermektedir. Yerleşik matematiksel denklemlere37 göre anten, doğrusal olarak beslenen bir kare yayılan nokta ve bir bakır toprak düzleminden (1. adımda açıklandığı gibi) oluşur ve Şekil 3b'de gösterildiği gibi 10,8 GHz'de çok dar bir bant genişliği ile rezonansa girer. Anten radyatörünün başlangıç boyutu aşağıdaki matematiksel ilişkiyle belirlenir37:
Burada \(P_{L}\) ve \(P_{w}\) yamanın uzunluğu ve genişliğidir, c ışık hızını temsil eder, \(\gamma_{r}\) alt tabakanın dielektrik sabitidir . , \(\gamma_{reff }\) radyasyon noktasının etkin dielektrik değerini, \(\Delta L\) nokta uzunluğundaki değişimi temsil eder. Anten arka paneli, 10 dB'lik çok düşük empedans bant genişliğine rağmen empedans bant genişliğini artırarak ikinci aşamada optimize edildi. Üçüncü aşamada, besleyici konumu sağa kaydırılır, bu da önerilen antenin38 empedans bant genişliğini ve empedans uyumunu geliştirir. Bu aşamada anten, 4 GHz'lik mükemmel bir çalışma bant genişliği sergiliyor ve 5G'de 6 GHz'in altındaki spektrumu da kapsıyor. Dördüncü ve son aşama, radyasyon noktasının karşıt köşelerinde kare olukların aşındırılmasını içerir. Bu yuva, Şekil 3b'de gösterildiği gibi 4,56 GHz bant genişliğini 6 GHz altı 5G spektrumunu 3,11 GHz'den 7,67 GHz'e kapsayacak şekilde önemli ölçüde genişletir. Önerilen tasarımın ön ve alt perspektif görünümleri Şekil 3a'da gösterilmiş olup, optimize edilmiş son tasarım parametreleri şu şekildedir: 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) Tasarlanan tek antenin (CST STUDIO SUITE 2019) üstten ve arkadan görünümleri. (b) S-parametre eğrisi.
Metasurface, birbirinden belirli bir mesafede bulunan birim hücrelerin periyodik dizisini ifade eden bir terimdir. Meta yüzeyler, MIMO bileşenleri arasındaki bant genişliği, kazanç ve izolasyon dahil olmak üzere anten radyasyon performansını iyileştirmenin etkili bir yoludur. Yüzey dalgası yayılımının etkisi nedeniyle, meta yüzeyler anten performansının artmasına katkıda bulunan ek rezonanslar üretir39. Bu çalışma, 6 GHz'in altındaki 5G bandında çalışan epsilon negatif bir meta malzeme (MM) birimi önermektedir. 8mm×8mm yüzey alanına sahip MM, dielektrik sabiti 2,2 ve kalınlığı 1,575 mm olan düşük kayıplı Rogers 5880 alt tabaka üzerinde geliştirildi. Optimize edilmiş MM rezonatör yaması, Şekil 4a'da gösterildiği gibi iki değiştirilmiş dış bölme halkasına bağlanan bir iç dairesel bölme halkasından oluşur. Şekil 4a, önerilen MM kurulumunun optimize edilmiş son parametrelerini özetlemektedir. Daha sonra sırasıyla 5x5 ve 10x106 hücre dizileri kullanılarak bakır arka panelsiz ve bakır arka panelli 40 x 40 mm ve 80 x 80 mm metayüzey katmanları geliştirildi. Önerilen MM yapısı, 3 boyutlu elektromanyetik modelleme yazılımı “CST studio suite 2019” kullanılarak modellenmiştir. Önerilen MM dizi yapısı ve ölçüm kurulumunun (çift bağlantı noktalı ağ analizörü PNA ve dalga kılavuzu bağlantı noktası) üretilmiş bir prototipi, gerçek yanıtı analiz ederek CST simülasyon sonuçlarını doğrulamak için Şekil 4b'de gösterilmektedir. Ölçüm kurulumunda, sinyalleri göndermek ve almak için iki dalga kılavuzu koaksiyel adaptörüyle (A-INFOMW, parça numarası: 187WCAS) birlikte bir Agilent PNA serisi ağ analizörü kullanıldı. Koaksiyel kabloyla iki bağlantı noktalı bir ağ analizörüne (Agilent PNA N5227A) bağlanan iki dalga kılavuzu koaksiyel adaptör arasına 5x5 prototip bir dizi yerleştirildi. Agilent N4694-60001 kalibrasyon kiti, bir pilot tesisteki ağ analizörünü kalibre etmek için kullanılır. Önerilen prototip MM dizisinin simüle edilmiş ve CST gözlemli saçılma parametreleri Şekil 5a'da gösterilmektedir. Önerilen MM yapısının 6 GHz'in altındaki 5G frekans aralığında rezonansa girdiği görülebiliyor. Bant genişliğindeki 10 dB'lik küçük farka rağmen simüle edilmiş ve deneysel sonuçlar oldukça benzerdir. Gözlenen rezonansın rezonans frekansı, bant genişliği ve genliği, Şekil 5a'da gösterildiği gibi simüle edilenlerden biraz farklıdır. Gözlemlenen ve simüle edilen sonuçlar arasındaki bu farklar üretim kusurlarından, prototip ile dalga kılavuzu bağlantı noktaları arasındaki küçük açıklıklardan, dalga kılavuzu bağlantı noktaları ile dizi bileşenleri arasındaki bağlantı etkilerinden ve ölçüm toleranslarından kaynaklanmaktadır. Ayrıca geliştirilen prototipin deney düzeneğindeki dalga kılavuzu portları arasına uygun şekilde yerleştirilmesi rezonans kaymasına neden olabilir. Ayrıca kalibrasyon aşamasında istenmeyen gürültü gözlemlendi ve bu durum sayısal ve ölçülen sonuçlar arasında farklılıklara yol açtı. Bununla birlikte, bu zorlukların yanı sıra, önerilen MM dizisi prototipi, simülasyon ve deney arasındaki güçlü korelasyon nedeniyle iyi performans göstererek, onu 6 GHz altı 5G kablosuz iletişim uygulamaları için oldukça uygun hale getiriyor.
(a) Birim hücre geometrisi (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) MM ölçüm kurulumunun fotoğrafı.
(a) Metamalzeme prototipinin saçılma parametre eğrilerinin simülasyonu ve doğrulanması. (b) Bir MM birim hücresinin dielektrik sabiti eğrisi.
Etkili dielektrik sabiti, manyetik geçirgenlik ve kırılma indeksi gibi ilgili etkili parametreler, MM birim hücresinin davranışını daha fazla analiz etmek için CST elektromanyetik simülatörünün yerleşik işlem sonrası teknikleri kullanılarak incelenmiştir. Etkili MM parametreleri, sağlam bir yeniden yapılandırma yöntemi kullanılarak saçılma parametrelerinden elde edilir. Aşağıdaki geçirgenlik ve yansıma katsayısı denklemleri: (3) ve (4), kırılma indisini ve empedansı belirlemek için kullanılabilir (bkz. 40).
Operatörün gerçek ve sanal kısımları sırasıyla (.)' ve (.)” ile temsil edilir ve m tamsayı değeri gerçek kırılma indisine karşılık gelir. Dielektrik sabiti ve geçirgenlik, sırasıyla empedans ve kırılma indisine dayanan \(\varepsilon { } = { }n/z,\) ve \(\mu = nz\) formülleriyle belirlenir. MM yapısının etkin dielektrik sabiti eğrisi Şekil 5b'de gösterilmektedir. Rezonans frekansında etkin dielektrik sabiti negatiftir. Şekil 6a,b, önerilen birim hücrenin etkin geçirgenlik (μ) ve etkin kırılma indisinin (n) çıkarılmış değerlerini göstermektedir. Özellikle, çıkarılan geçirgenlikler sıfıra yakın pozitif gerçek değerler sergiliyor, bu da önerilen MM yapısının epsilon-negatif (ENG) özelliklerini doğruluyor. Ayrıca, Şekil 6a'da gösterildiği gibi, sıfıra yakın geçirgenlikteki rezonans, rezonans frekansıyla güçlü bir şekilde ilişkilidir. Geliştirilen birim hücrenin negatif kırılma indeksi vardır (Şekil 6b), bu da önerilen MM'nin anten performansını21,41 iyileştirmek için kullanılabileceği anlamına gelir.
Önerilen tasarımı deneysel olarak test etmek için geliştirilen tek geniş bantlı anten prototipi üretildi. Şekil 7a,b, önerilen prototip tek antenin, yapısal parçalarının ve yakın alan ölçüm düzeneğinin (SATIMO) görüntülerini göstermektedir. Anten performansını iyileştirmek için geliştirilen metayüzey, Şekil 8a'da gösterildiği gibi antenin altına h yüksekliğinde katmanlar halinde yerleştirilir. Tek antenin arkasına 12 mm aralıklarla tek bir 40 mm x 40 mm çift katmanlı meta yüzey uygulandı. Ayrıca tek antenin arka kısmına 12 mm mesafede arka panelli bir metasurface yerleştirilmiştir. Meta yüzey uygulandıktan sonra, tek anten, Şekil 1 ve 2'de gösterildiği gibi performansta önemli bir gelişme göstermektedir. Şekil 8 ve 9. Şekil 8b, meta yüzeyler olmadan ve meta yüzeyler ile tek anten için simüle edilmiş ve ölçülen yansıma grafiklerini göstermektedir. Meta yüzeyli bir antenin kapsama bandının, meta yüzeysiz bir antenin kapsama bandına çok benzer olduğunu belirtmekte fayda var. Şekil 9a,b, çalışma spektrumunda simüle edilmiş ve gözlemlenen tek anten kazancının ve MS olmadan ve MS ile genel verimliliğin bir karşılaştırmasını göstermektedir. Metayüzey olmayan antenle karşılaştırıldığında, metayüzey anteninin kazancının 5,15 dBi'den 8 dBi'ye yükselerek önemli ölçüde iyileştirildiği görülebilir. Tek katmanlı meta yüzeyin, çift katmanlı meta yüzeyin ve arka panel meta yüzeyli tek antenin kazancı sırasıyla 6 dBi, 6,9 dBi ve 8 dBi arttı. Diğer meta yüzeylerle (tek katmanlı ve çift katmanlı MC'ler) karşılaştırıldığında, bakır arka panelli tek bir meta yüzey anteninin kazancı 8 dBi'ye kadardır. Bu durumda, metayüzey bir reflektör görevi görerek antenin arka radyasyonunu azaltır ve elektromanyetik dalgaları aynı fazda manipüle eder, böylece antenin radyasyon verimliliğini ve dolayısıyla kazancı arttırır. Meta yüzeyler olmadan ve meta yüzeyler ile tek bir antenin genel verimliliğine ilişkin bir çalışma Şekil 9b'de gösterilmektedir. Meta yüzeyli ve meta yüzeysiz bir antenin verimliliğinin neredeyse aynı olduğunu belirtmekte fayda var. Düşük frekans aralığında anten verimliliği biraz azalır. Deneysel ve simüle edilmiş kazanç ve verimlilik eğrileri iyi bir uyum içindedir. Ancak üretim hataları, ölçüm toleransları, SMA bağlantı noktası bağlantı kaybı ve kablo kaybı nedeniyle simüle edilen ve test edilen sonuçlar arasında küçük farklılıklar vardır. Ayrıca anten ve MS reflektörünün naylon aralayıcılar arasında yer alması simülasyon sonuçlarına göre gözlemlenen sonuçları etkileyen bir diğer husustur.
Şekil (a) tamamlanmış tek anteni ve ilgili bileşenlerini göstermektedir. (b) Yakın alan ölçüm kurulumu (SATIMO).
(a) Metayüzey reflektörleri kullanılarak anten uyarımı (CST STUDIO SUITE 2019). (b) MS'siz ve MS'li tek bir antenin simüle edilmiş ve deneysel yansımaları.
(a) Elde edilen kazancın ve (b) önerilen metayüzey etkili antenin genel verimliliğinin simülasyonu ve ölçüm sonuçları.
MS kullanarak ışın deseni analizi. Tek antenli yakın alan ölçümleri, UKM SATIMO Yakın Alan Sistemleri Laboratuvarı'nın SATIMO Yakın Alan Deneysel Ortamında gerçekleştirildi. Şekil 10a, b, önerilen MS'li ve MS'siz tek anten için 5,5 GHz'de simüle edilmiş ve gözlemlenen E-düzlemi ve H-düzlemi radyasyon modellerini göstermektedir. Geliştirilen tek anten (MS'siz), yan lob değerleriyle tutarlı bir çift yönlü radyasyon modeli sağlar. Önerilen MS reflektörünün uygulanmasından sonra anten, Şekil 10a, b'de gösterildiği gibi tek yönlü bir radyasyon modeli sağlar ve arka lobların seviyesini azaltır. Önerilen tek anten radyasyon modelinin, bakır arka düzlemli bir meta yüzey kullanıldığında çok düşük arka ve yan loblarla daha kararlı ve tek yönlü olduğunu belirtmekte fayda var. Önerilen MM dizi reflektörü, akımı tek yönlü yönlere yönlendirerek (Şekil 10a, b) radyasyon performansını iyileştirirken antenin arka ve yan loblarını azaltır, böylece kazancı ve yönelimi arttırır. Deneysel radyasyon modelinin neredeyse CST simülasyonlarıyla karşılaştırılabilir olduğu, ancak bir araya getirilen çeşitli bileşenlerin yanlış hizalanması, ölçüm toleransları ve kablolama kayıpları nedeniyle biraz farklılık gösterdiği gözlemlendi. Ayrıca anten ile MS reflektör arasına naylon aralayıcı yerleştirilmiştir ki bu da sayısal sonuçlara göre gözlemlenen sonuçları etkileyen bir diğer husustur.
Geliştirilen tek antenin (MS'siz ve MS'li) 5,5 GHz frekansındaki radyasyon modeli simüle edildi ve test edildi.
Önerilen MIMO anten geometrisi Şekil 11'de gösterilmektedir ve dört adet tek anten içermektedir. MIMO anteninin dört bileşeni, Şekil 11'de gösterildiği gibi 80 × 80 × 1,575 mm boyutlarında bir alt tabaka üzerinde birbirine dik olarak düzenlenmiştir. Tasarlanan MIMO anteninin, elemanlar arası mesafesi 22 mm'dir; Antenin karşılık gelen en yakın elemanlar arası mesafesi. MIMO anteni geliştirildi. Ayrıca yer düzleminin bir kısmı tek antenle aynı şekilde konumlandırılmıştır. Şekil 12a'da gösterilen MIMO antenlerinin (S11, S22, S33 ve S44) yansıma değerleri, 3,2–7,6 GHz bandında rezonansa giren tek elemanlı bir antenle aynı davranışı göstermektedir. Bu nedenle, bir MIMO anteninin empedans bant genişliği tek bir anteninkiyle tamamen aynıdır. MIMO bileşenleri arasındaki birleştirme etkisi, MIMO antenlerindeki küçük bant genişliği kaybının ana nedenidir. Şekil 12b, MIMO bileşenleri arasındaki optimum izolasyonun belirlendiği MIMO bileşenleri üzerindeki ara bağlantının etkisini göstermektedir. Anten 1 ve 2 arasındaki izolasyon yaklaşık -13,6 dB ile en düşük seviyededir ve anten 1 ve 4 arasındaki izolasyon yaklaşık -30,4 dB ile en yüksek seviyededir. Küçük boyutu ve daha geniş bant genişliği nedeniyle bu MIMO anteni daha düşük kazanç ve daha düşük verime sahiptir. Yalıtım düşüktür, dolayısıyla daha fazla takviye ve yalıtım gerekir;
Önerilen MIMO anteninin tasarım mekanizması (a) üstten görünüm ve (b) yer düzlemi. (CST Stüdyo Paketi 2019).
Önerilen metayüzey MIMO anteninin geometrik düzeni ve uyarma yöntemi Şekil 13a'da gösterilmektedir. Şekil 13a'da gösterildiği gibi, 12 mm yüksekliğindeki bir MIMO anteninin arka tarafı için 80x80x1.575 mm boyutlarında 10x10 mm'lik bir matris tasarlanmıştır. Ek olarak, bakır arka panellere sahip meta yüzeylerin MIMO antenlerinde performanslarını artırmak için kullanılması amaçlanmaktadır. Meta yüzey ile MIMO anteni arasındaki mesafe, anten tarafından üretilen dalgalar ile meta yüzeyden yansıyan dalgalar arasında yapıcı girişime izin verirken yüksek kazanç elde etmek için kritik öneme sahiptir. MIMO elemanları arasında maksimum kazanç ve izolasyon için çeyrek dalga standartlarını korurken, anten ile meta yüzey arasındaki yüksekliği optimize etmek için kapsamlı modelleme gerçekleştirildi. Arka düzlemleri olmayan metayüzeylerle karşılaştırıldığında, arka düzlemli metayüzeylerin kullanılmasıyla MIMO anten performansında elde edilen önemli gelişmeler sonraki bölümlerde gösterilecektir.
(a) MS kullanılarak önerilen MIMO anteninin CST simülasyon kurulumu (CST STUDIO SUITE 2019), (b) MS olmadan ve MS ile geliştirilen MIMO sisteminin yansıma eğrileri.
Meta yüzeyli ve meta yüzeysiz MIMO antenlerinin yansımaları, MIMO sistemindeki tüm antenlerin neredeyse aynı davranışı nedeniyle S11 ve S44'ün sunulduğu Şekil 13b'de gösterilmektedir. Tek bir meta yüzey içeren ve içermeyen bir MIMO anteninin -10 dB empedans bant genişliğinin neredeyse aynı olduğunu belirtmekte fayda var. Buna karşılık, önerilen MIMO anteninin empedans bant genişliği, çift katmanlı MS ve arka panel MS tarafından geliştirildi. MS olmadan MIMO anteninin merkez frekansa göre %81,5'lik (3,2-7,6 GHz) kesirli bir bant genişliği sağladığını belirtmekte fayda var. MS'nin arka panelle entegre edilmesi, önerilen MIMO anteninin empedans bant genişliğini %86,3'e (3,08–7,75 GHz) artırır. Her ne kadar çift katmanlı MS verimi arttırsa da, bu gelişme bakır arka panelli MS'den daha azdır. Üstelik çift katmanlı bir MC, antenin boyutunu artırır, maliyetini artırır ve menzilini sınırlandırır. Tasarlanan MIMO anteni ve metasurface reflektörü, simülasyon sonuçlarını doğrulamak ve gerçek performansı değerlendirmek için üretilmiş ve doğrulanmıştır. Şekil 14a, çeşitli bileşenlerin bir araya getirildiği fabrikasyon MS katmanını ve MIMO antenini gösterirken, Şekil 14b, geliştirilen MIMO sisteminin bir fotoğrafını göstermektedir. MIMO anteni, Şekil 14b'de gösterildiği gibi dört naylon aralayıcı kullanılarak metasurface'in üstüne monte edilir. Şekil 15a, geliştirilen MIMO anten sisteminin yakın alan deney kurulumunun anlık görüntüsünü göstermektedir. UKM SATIMO Yakın Alan Sistemleri Laboratuvarında saçılma parametrelerini tahmin etmek ve yakın alan emisyon özelliklerini değerlendirmek ve karakterize etmek için bir PNA ağ analizörü (Agilent Technologies PNA N5227A) kullanıldı.
(a) SATIMO yakın alan ölçümlerinin fotoğrafları (b) MS'li ve MS'siz S11 MIMO anteninin simüle edilmiş ve deneysel eğrileri.
Bu bölümde önerilen 5G MIMO anteninin simüle edilmiş ve gözlemlenen S parametrelerinin karşılaştırmalı bir çalışması sunulmaktadır. Şekil 15b, entegre 4 elemanlı MIMO MS anteninin deneysel yansıma grafiğini gösterir ve bunu CST simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırır. Deneysel yansımaların CST hesaplamalarıyla aynı olduğu ancak üretim hataları ve deneysel toleranslar nedeniyle biraz farklı olduğu bulundu. Ayrıca önerilen MS tabanlı MIMO prototipinin gözlemlenen yansıması, 4,8 GHz empedans bant genişliği ile 6 GHz'in altındaki 5G spektrumunu kapsıyor, bu da 5G uygulamalarının mümkün olduğu anlamına geliyor. Ancak ölçülen rezonans frekansı, bant genişliği ve genlik, CST simülasyon sonuçlarından biraz farklıdır. Üretim hataları, koaksiyel-SMA bağlantı kayıpları ve dış mekan ölçüm ayarları, ölçülen ve simüle edilen sonuçlar arasında farklılıklara neden olabilir. Bununla birlikte, bu eksikliklere rağmen, önerilen MIMO iyi performans göstererek simülasyonlar ve ölçümler arasında güçlü bir uyum sağlayarak onu 6 GHz altı 5G kablosuz uygulamalar için oldukça uygun hale getiriyor.
Simüle edilen ve gözlemlenen MIMO anten kazanç eğrileri Şekil 2 ve 2'de gösterilmektedir. Sırasıyla Şekil 16a,b ve 17a,b'de gösterildiği gibi, MIMO bileşenlerinin karşılıklı etkileşimi gösterilmektedir. MIMO antenlerine meta yüzeyler uygulandığında, MIMO antenleri arasındaki izolasyon önemli ölçüde iyileştirilir. Bitişik anten elemanları S12, S14, S23 ve S34 arasındaki izolasyon grafikleri benzer eğriler gösterirken çapraz MIMO antenleri S13 ve S42, aralarındaki mesafenin daha büyük olması nedeniyle benzer şekilde yüksek izolasyon gösterir. Bitişik antenlerin simüle edilmiş iletim özellikleri Şekil 16a'da gösterilmektedir. 6 GHz'in altındaki 5G çalışma spektrumunda, meta yüzeysiz bir MIMO anteninin minimum izolasyonunun -13,6 dB ve arka panelli bir meta yüzey için - 15,5 dB olduğunu belirtmekte fayda var. Kazanç grafiği (Şekil 16a), arka panel meta yüzeyinin, tek ve çift katmanlı meta yüzeylere kıyasla MIMO anten elemanları arasındaki izolasyonu önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermektedir. Bitişik anten elemanları üzerinde, tek ve çift katmanlı meta yüzeyler yaklaşık -13,68 dB ve -14,78 dB minimum izolasyon sağlar ve bakır arka panel meta yüzeyi yaklaşık -15,5 dB sağlar.
MS katmanı olmayan ve MS katmanlı MIMO elemanlarının simüle edilmiş izolasyon eğrileri: (a) S12, S14, S34 ve S32 ve (b) S13 ve S24.
Önerilen MS tabanlı MIMO antenlerinin aşağıdakiler olmadan ve aşağıdakilerle deneysel kazanç eğrileri: (a) S12, S14, S34 ve S32 ve (b) S13 ve S24.
MS katmanının eklenmesinden önceki ve sonraki MIMO çapraz anten kazanç grafikleri Şekil 16b'de gösterilmektedir. Meta yüzeyi olmayan diyagonal antenler (anten 1 ve 3) arasındaki minimum izolasyonun çalışma spektrumu boyunca – 15,6 dB ve arka düzlemli bir meta yüzey arasındaki minimum izolasyonun – 18 dB olduğunu belirtmekte fayda var. Metasurface yaklaşımı, diyagonal MIMO antenleri arasındaki bağlantı etkilerini önemli ölçüde azaltır. Tek katmanlı bir meta yüzey için maksimum yalıtım -37 dB iken, çift katmanlı bir meta yüzey için bu değer -47 dB'ye düşer. Bakır arka panelli meta yüzeyin maksimum izolasyonu -36,2 dB'dir ve frekans aralığı arttıkça azalır. Arka düzlemi olmayan tek ve çift katmanlı meta yüzeylerle karşılaştırıldığında, arka düzlemli meta yüzeyler, Şekil 16a, b'de gösterildiği gibi, özellikle 6 GHz'in altındaki 5G aralığında gerekli tüm çalışma frekansı aralığında üstün izolasyon sağlar. 6 GHz'in (3,5 GHz) altındaki en popüler ve yaygın olarak kullanılan 5G bandında, tek ve çift katmanlı meta yüzeyler, MIMO bileşenleri arasında bakır arka panelli (neredeyse hiç MS olmayan) meta yüzeylere göre daha düşük izolasyona sahiptir (bkz. Şekil 16a), b). Kazanç ölçümleri, sırasıyla bitişik antenlerin (S12, S14, S34 ve S32) ve diyagonal antenlerin (S24 ve S13) izolasyonunu gösteren Şekil 17a, b'de gösterilmektedir. Bu şekillerden de görülebileceği gibi (Şekil 17a, b), MIMO bileşenleri arasındaki deneysel izolasyon simüle edilmiş izolasyonla iyi uyum göstermektedir. Her ne kadar üretim hataları, SMA port bağlantıları ve kablo kayıpları nedeniyle simüle edilen ve ölçülen CST değerleri arasında küçük farklılıklar olsa da. Ayrıca anten ve MS reflektörünün naylon aralayıcılar arasında yer alması simülasyon sonuçlarına göre gözlemlenen sonuçları etkileyen bir diğer husustur.
metasurfaces'in yüzey dalgasını bastırma yoluyla karşılıklı eşleşmeyi azaltmadaki rolünü rasyonelleştirmek için 5,5 GHz'de yüzey akım dağılımını inceledi42. Önerilen MIMO anteninin yüzey akım dağılımı Şekil 18'de gösterilmektedir; burada anten 1 çalıştırılır ve antenin geri kalanı 50 ohm'luk bir yük ile sonlandırılır. Anten 1'e enerji verildiğinde, Şekil 18a'da gösterildiği gibi, bir metayüzeyin yokluğunda 5,5 GHz'de bitişik antenlerde önemli karşılıklı kuplaj akımları görünecektir. Aksine, Şekil 18b-d'de gösterildiği gibi meta yüzeylerin kullanılmasıyla bitişik antenler arasındaki izolasyon iyileştirilir. Bitişik alanların karşılıklı bağlanma etkisinin, birleştirme akımının MS katmanı boyunca antiparalel yönlerde birim hücrelerin bitişik halkalarına ve bitişik MS birim hücrelerine yayılmasıyla en aza indirilebileceğine dikkat edilmelidir. Dağıtılmış antenlerden MS birimlerine akım enjekte etmek, MIMO bileşenleri arasındaki izolasyonu iyileştirmenin önemli bir yöntemidir. Sonuç olarak, MIMO bileşenleri arasındaki bağlantı akımı büyük ölçüde azalır ve izolasyon da büyük ölçüde iyileştirilir. Bağlantı alanı eleman içinde geniş bir alana dağıldığından, bakır arka panel meta yüzeyi MIMO anten düzeneğini tek ve çift katmanlı meta yüzeylerden önemli ölçüde daha fazla izole eder (Şekil 18d). Ayrıca, geliştirilen MIMO anteni çok düşük geri yayılım ve yan yayılmaya sahip olup, tek yönlü bir radyasyon modeli üreterek önerilen MIMO anteninin kazancını arttırmaktadır.
Önerilen MIMO anteninin 5,5 GHz'deki (a) MC'siz, (b) tek katmanlı MC, (c) çift katmanlı MC ve (d) bakır arka panelli tek katmanlı MC'deki yüzey akım desenleri. (CST Stüdyo Paketi 2019).
Çalışma frekansı dahilinde, Şekil 19a, meta yüzeyler olmadan ve meta yüzeyler ile tasarlanan MIMO anteninin simüle edilmiş ve gözlemlenen kazançlarını göstermektedir. Meta yüzeysiz MIMO anteninin simüle edilmiş elde edilen kazancı, Şekil 19a'da gösterildiği gibi 5,4 dBi'dir. MIMO bileşenleri arasındaki karşılıklı bağlantı etkisinden dolayı, önerilen MIMO anteni aslında tek bir antene göre 0,25 dBi daha yüksek kazanç elde etmektedir. Meta yüzeylerin eklenmesi, MIMO bileşenleri arasında önemli kazanımlar ve izolasyon sağlayabilir. Böylece, önerilen metasurface MIMO anteni 8,3 dBi'ye kadar yüksek gerçekleşmiş kazanç elde edebilir. Şekil 19a'da gösterildiği gibi MIMO anteninin arkasında tek bir metayüzey kullanıldığında kazanç 1,4 dBi artar. Meta yüzey iki katına çıktığında kazanç, Şekil 19a'da gösterildiği gibi 2,1 dBi artar. Bununla birlikte, beklenen maksimum 8,3 dBi kazanç, metayüzeyin bakır arka panelle kullanılmasıyla elde edilir. Özellikle, tek katmanlı ve çift katmanlı meta yüzeyler için elde edilen maksimum kazanç sırasıyla 6,8 dBi ve 7,5 dBi iken alt katman meta yüzey için elde edilen maksimum kazanç 8,3 dBi'dir. Antenin arka tarafındaki metasurface katmanı bir reflektör görevi görerek antenin arka tarafından gelen radyasyonu yansıtır ve tasarlanan MIMO anteninin ön-arka (F/B) oranını iyileştirir. Ek olarak, yüksek empedanslı MS reflektör, elektromanyetik dalgaları aynı fazda manipüle eder, böylece ek rezonans yaratır ve önerilen MIMO anteninin radyasyon performansını artırır. MIMO anteninin arkasına takılan MS reflektörü, elde edilen kazancı önemli ölçüde artırabilir ve bu, deneysel sonuçlarla da doğrulanmaktadır. Geliştirilen prototip MIMO anteninin gözlemlenen ve simüle edilen kazançları neredeyse aynıdır, ancak bazı frekanslarda ölçülen kazanç, özellikle MS'siz MIMO için simüle edilen kazançtan daha yüksektir; Deneysel kazançtaki bu farklılıklar, naylon pedlerin ölçüm toleranslarından, kablo kayıplarından ve anten sistemindeki bağlantıdan kaynaklanmaktadır. MIMO anteninin meta yüzey olmadan ölçülen tepe kazancı 5,8 dBi iken bakır arka panelli meta yüzey 8,5 dBi'dir. Önerilen MS reflektörlü tam 4 portlu MIMO anten sisteminin deneysel ve sayısal koşullar altında yüksek kazanç sergilediğini belirtmekte fayda var.
(a) elde edilen kazancın ve (b) meta yüzey etkisi ile önerilen MIMO anteninin genel performansının simülasyonu ve deneysel sonuçları.
Şekil 19b, önerilen MIMO sisteminin metasurface reflektörleri olmadan ve metasurface reflektörleri ile genel performansını göstermektedir. Şekil 19b'de, arka panelli MS kullanıldığında en düşük verimlilik %73'ün üzerindeydi (%84'e kadar). Geliştirilen MC'siz ve MC'li MIMO antenlerinin genel verimliliği, simüle edilen değerlerle karşılaştırıldığında küçük farklılıklar dışında hemen hemen aynıdır. Bunun nedenleri ölçüm toleransları ve anten ile MS reflektörü arasında aralayıcıların kullanılmasıdır. Ölçülen elde edilen kazanç ve tüm frekans boyunca genel verimlilik, simülasyon sonuçlarına neredeyse benzer; bu da önerilen MIMO prototipinin performansının beklendiği gibi olduğunu ve önerilen MS tabanlı MIMO anteninin 5G iletişimleri için uygun olduğunu gösteriyor. Deneysel çalışmalardaki hatalardan dolayı laboratuvar deneylerinin genel sonuçları ile simülasyon sonuçları arasında farklılıklar bulunmaktadır. Önerilen prototipin performansı, anten ile SMA konektörü arasındaki empedans uyumsuzluğundan, koaksiyel kablo bağlantı kayıplarından, lehimleme etkilerinden ve çeşitli elektronik cihazların deney düzeneğine yakınlığından etkilenir.
Şekil 20'de söz konusu antenin tasarım ve optimizasyon ilerlemesi blok diyagram şeklinde açıklanmaktadır. Bu blok diyagram, önerilen MIMO anten tasarım ilkelerinin adım adım açıklamasını ve ayrıca geniş bir çalışma frekansı üzerinde gerekli yüksek kazancı ve yüksek izolasyonu elde etmek için antenin optimize edilmesinde anahtar rol oynayan parametreleri sağlar.
Yakın alan MIMO anten ölçümleri, UKM SATIMO Yakın Alan Sistemleri Laboratuvarı'ndaki SATIMO Yakın Alan Deneysel Ortamında ölçülmüştür. Şekil 21a,b, 5,5 GHz çalışma frekansında MS'li ve MS'siz iddia edilen MIMO anteninin simüle edilmiş ve gözlemlenen E-düzlemi ve H-düzlemi radyasyon modellerini göstermektedir. 5,5 GHz çalışma frekansı aralığında, geliştirilen MS olmayan MIMO anteni, yan lob değerleriyle tutarlı bir çift yönlü radyasyon modeli sağlar. MS reflektör uygulandıktan sonra anten, tek yönlü bir radyasyon modeli sağlar ve Şekil 21a, b'de gösterildiği gibi arka lobların seviyesini azaltır. Bakır arka düzlemli bir meta yüzey kullanıldığında, önerilen MIMO anten modelinin, çok düşük arka ve yan loblara sahip, MS'sizden daha kararlı ve tek yönlü olduğunu belirtmekte fayda var. Önerilen MM dizi reflektörü, antenin arka ve yan loblarını azaltır ve aynı zamanda akımı tek yönlü bir yönde yönlendirerek (Şekil 21a, b) radyasyon özelliklerini iyileştirir, böylece kazancı ve yönelimi arttırır. Ölçülen radyasyon modeli, geri kalan bağlantı noktalarına bağlı 50 ohm'luk bir yük ile bağlantı noktası 1 için elde edildi. Bileşenlerin yanlış hizalanması, terminal bağlantı noktalarından yansımalar ve kablo bağlantılarındaki kayıplar nedeniyle bazı sapmalar olmasına rağmen deneysel radyasyon modelinin CST tarafından simüle edilenle neredeyse aynı olduğu gözlemlendi. Ek olarak, anten ile MS reflektörü arasına naylon aralayıcı yerleştirilmiştir, bu da gözlemlenen sonuçları tahmin edilen sonuçlara göre etkileyen bir diğer husustur.
Geliştirilen MIMO anteninin (MS'siz ve MS'li) 5,5 GHz frekansındaki radyasyon modeli simüle edildi ve test edildi.
MIMO sistemlerinin performansını değerlendirirken bağlantı noktası izolasyonunun ve bununla ilgili özelliklerinin önemli olduğunu unutmamak önemlidir. Önerilen MIMO sisteminin çeşitlilik performansı, zarf korelasyon katsayısı (ECC) ve çeşitlilik kazanımı (DG) dahil olmak üzere, tasarlanan MIMO anten sisteminin sağlamlığını göstermek için incelenmiştir. Bir MIMO anteninin ECC ve DG'si, bir MIMO sisteminin performansının önemli yönleri olduğundan performansını değerlendirmek için kullanılabilir. Aşağıdaki bölümlerde önerilen MIMO anteninin bu özellikleri ayrıntılı olarak açıklanacaktır.
Zarf Korelasyon Katsayısı (ECC). Herhangi bir MIMO sistemi göz önüne alındığında ECC, kurucu unsurların belirli özelliklerine göre birbirleriyle ne derece ilişkili olduğunu belirler. Böylece ECC, kablosuz bir iletişim ağında kanal izolasyonunun derecesini gösterir. Geliştirilen MIMO sisteminin ECC'si (zarf korelasyon katsayısı), S parametrelerine ve uzak alan emisyonuna dayanarak belirlenebilmektedir. Denklemden. (7) ve (8) önerilen MIMO anteninin (31) ECC'si belirlenebilir.
Yansıma katsayısı Sii ile temsil edilir ve Sij iletim katsayısını temsil eder. J-th ve i-th antenlerinin üç boyutlu radyasyon desenleri \(\vec{R_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) ve \( ifadeleriyle verilmektedir. \vec {{R_{ i } }} Katı açı \left( {\theta ,\varphi } \right)\) ve \({\Omega }\) ile temsil edilir. Önerilen antenin ECC eğrisi Şekil 22a'da gösterilmektedir ve değeri 0,004'ten küçüktür, bu da kablosuz bir sistem için kabul edilebilir değer olan 0,5'in oldukça altındadır. Bu nedenle, azaltılmış ECC değeri, önerilen 4 bağlantı noktalı MIMO sisteminin üstün çeşitlilik43 sağladığı anlamına gelir.
Çeşitlilik Kazanımı (DG) DG, çeşitlilik şemasının yayılan gücü nasıl etkilediğini açıklayan başka bir MIMO sistem performans ölçümüdür. İlişki (9), 31'de açıklandığı gibi geliştirilmekte olan MIMO anten sisteminin DG'sini belirler.
Şekil 22b, önerilen MIMO sisteminin DG diyagramını göstermektedir; burada DG değeri 10 dB'e çok yakındır. Tasarlanan MIMO sisteminin tüm antenlerinin DG değerleri 9,98 dB'i aşmaktadır.
Tablo 1, önerilen metasurface MIMO antenini yakın zamanda geliştirilen benzer MIMO sistemleriyle karşılaştırmaktadır. Karşılaştırmada bant genişliği, kazanç, maksimum izolasyon, genel verimlilik ve çeşitlilik performansı gibi çeşitli performans parametreleri dikkate alınır. Araştırmacılar kazanç ve izolasyon geliştirme tekniklerine sahip çeşitli MIMO anten prototiplerini 5, 44, 45, 46, 47'de sunmuşlardır. Daha önce yayınlanmış çalışmalarla karşılaştırıldığında, meta yüzey reflektörlü önerilen MIMO sistemi bant genişliği, kazanç ve izolasyon açısından bunlardan daha iyi performans göstermektedir. Ek olarak, bildirilen benzer antenlerle karşılaştırıldığında, geliştirilen MIMO sistemi daha küçük boyutta üstün çeşitlilik performansı ve genel verimlilik sergiliyor. Bölüm 5.46'da açıklanan antenler bizim önerdiğimiz antenlerden daha yüksek izolasyona sahip olmasına rağmen, bu antenler büyük boyut, düşük kazanç, dar bant genişliği ve zayıf MIMO performansı gibi sorunlarla karşı karşıyadır. 45'te önerilen 4 portlu MIMO anteni yüksek kazanç ve verimlilik sergilemektedir ancak tasarımı düşük izolasyona, büyük boyuta ve zayıf çeşitlilik performansına sahiptir. Öte yandan, 47'de önerilen küçük boyutlu anten sistemi çok düşük kazanç ve çalışma bant genişliğine sahipken, önerdiğimiz MS tabanlı 4 portlu MIMO sistemimiz küçük boyutlu, yüksek kazançlı, yüksek izolasyonlu ve daha iyi performanslı MIMO sergiliyor. Bu nedenle, önerilen metasurface MIMO anteni, 6 GHz altı 5G iletişim sistemleri için önemli bir rakip haline gelebilir.
6 GHz'in altındaki 5G uygulamalarını desteklemek için yüksek kazanç ve izolasyona sahip dört bağlantı noktalı metasurface reflektör tabanlı geniş bant MIMO anteni önerilmiştir. Mikroşerit hattı, diyagonal köşelerde bir kare ile kesilen bir kare yayılan bölümü besler. Önerilen MS ve anten yayıcı, yüksek hızlı 5G iletişim sistemlerinde mükemmel performans elde etmek için Rogers RT5880'e benzer alt tabaka malzemeleri üzerine uygulandı. MIMO anteni geniş menzil ve yüksek kazanç özelliğine sahiptir ve MIMO bileşenleri arasında ses yalıtımı ve mükemmel verimlilik sağlar. Geliştirilen tek antenin minyatür boyutları 0.58?0.58?0.02? 5×5 metasurface dizisiyle, 4,56 GHz'lik geniş bir çalışma bant genişliği, 8 dBi tepe kazancı ve üstün ölçülen verimlilik sağlar. Önerilen dört bağlantı noktalı MIMO anteni (2 × 2 dizi), önerilen her tek antenin 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ boyutlarındaki başka bir antenle dik olarak hizalanmasıyla tasarlanmıştır. Geri radyasyonu azaltabilen ve MIMO bileşenleri arasındaki karşılıklı eşleşmeyi azaltabilen, böylece kazanç ve izolasyonu iyileştirebilen 12 mm yüksekliğinde bir MIMO anteninin altına 10x10 MM'lik bir dizinin monte edilmesi önerilir. Deneysel ve simülasyon sonuçları, geliştirilen MIMO prototipinin 6 GHz'in altındaki 5G spektrumunu kapsayan 3,08–7,75 GHz gibi geniş bir frekans aralığında çalışabildiğini göstermektedir. Buna ek olarak, önerilen MS tabanlı MIMO anteni, kazancını 2,9 dBi artırarak maksimum 8,3 dBi kazanıma ulaşır ve MIMO bileşenleri arasında mükemmel izolasyon (>15,5 dB) sağlayarak MS'in katkısını doğrular. Ayrıca, önerilen MIMO anteni %82'lik yüksek bir ortalama genel verime ve 22 mm'lik düşük bir elemanlar arası mesafeye sahiptir. Anten, çok yüksek DG (9,98 dB'nin üzerinde), çok düşük ECC (0,004'ten az) ve tek yönlü radyasyon modeli dahil olmak üzere mükemmel MIMO çeşitlilik performansı sergiliyor. Ölçüm sonuçları simülasyon sonuçlarına çok benzer. Bu özellikler, geliştirilen dört bağlantı noktalı MIMO anten sisteminin, 6 GHz altı frekans aralığındaki 5G iletişim sistemleri için uygun bir seçim olabileceğini doğruluyor.
Cowin, 400-6000MHz geniş bant PCB anteni sağlayabilir ve ihtiyacınıza göre yeni anten tasarlama desteği sağlayabilir, herhangi bir talebiniz varsa lütfen tereddüt etmeden bizimle iletişime geçin.
Gönderim zamanı: 10 Ekim 2024