Ang gawaing ito ay nagmumungkahi ng isang compact integrated multi-input multiple-output (MIMO) metasurface (MS) wideband antenna para sa sub-6 GHz fifth generation (5G) wireless communication system. Ang halatang bagong bagay ng iminungkahing MIMO system ay ang malawak nitong operating bandwidth, mataas na kita, maliit na intercomponent clearance, at mahusay na paghihiwalay sa loob ng mga bahagi ng MIMO. Pinutol nang pahilis, bahagyang pinagbabatayan, at ginagamit ang mga metasurface upang pahusayin ang pagganap ng antenna. Ang iminungkahing prototype na pinagsama-samang solong MS antenna ay may maliit na sukat na 0.58λ × 0.58λ × 0.02λ. Ang mga resulta ng simulation at pagsukat ay nagpapakita ng pagganap ng wideband mula 3.11 GHz hanggang 7.67 GHz, kabilang ang pinakamataas na nakuha na 8 dBi. Ang apat na elementong MIMO system ay idinisenyo upang ang bawat antenna ay orthogonal sa isa't isa habang pinapanatili ang isang compact na laki at wideband na pagganap mula 3.2 hanggang 7.6 GHz. Ang iminungkahing MIMO prototype ay idinisenyo at ginawa sa Rogers RT5880 substrate na may mababang pagkawala at pinaliit na sukat na 1.05? 1.05? 0.02?, at sinusuri ang pagganap nito gamit ang iminungkahing square closed ring resonator array na may 10 x 10 split ring. Ang pangunahing materyal ay pareho. Ang iminungkahing backplane metasurface ay makabuluhang binabawasan ang antenna back radiation at minamanipula ang mga electromagnetic field, at sa gayon ay pinapabuti ang bandwidth, gain, at isolation ng mga bahagi ng MIMO. Kung ikukumpara sa mga kasalukuyang MIMO antenna, ang iminungkahing 4-port na MIMO antenna ay nakakakuha ng mataas na pakinabang na 8.3 dBi na may average na pangkalahatang kahusayan na hanggang 82% sa 5G sub-6 GHz band at ito ay sumasang-ayon sa mga nasusukat na resulta. Bukod dito, ang binuo na MIMO antenna ay nagpapakita ng mahusay na pagganap sa mga tuntunin ng envelope correlation coefficient (ECC) na mas mababa sa 0.004, diversity gain (DG) na humigit-kumulang 10 dB (>9.98 dB) at mataas na paghihiwalay sa pagitan ng mga bahagi ng MIMO (>15.5 dB ). katangian. Kaya, kinukumpirma ng iminungkahing MS-based na MIMO antenna ang pagiging angkop nito para sa sub-6 GHz 5G na mga network ng komunikasyon.
Ang teknolohiya ng 5G ay isang hindi kapani-paniwalang pag-unlad sa mga wireless na komunikasyon na magbibigay-daan sa mas mabilis at mas secure na mga network para sa bilyun-bilyong nakakonektang device, magbibigay sa mga karanasan ng user ng "zero" latency (latency na mas mababa sa 1 millisecond), at magpakilala ng mga bagong teknolohiya, kabilang ang electronics. Pangangalagang medikal, edukasyong intelektwal. , mga matalinong lungsod, matalinong tahanan, virtual reality (VR), matalinong pabrika at Internet of Vehicles (IoV) ay nagbabago sa ating buhay, lipunan at industriya1,2,3. Hinahati ng US Federal Communications Commission (FCC) ang 5G spectrum sa apat na frequency band4. Ang frequency band sa ibaba 6 GHz ay kawili-wili sa mga mananaliksik dahil pinapayagan nito ang malayuang komunikasyon na may mataas na rate ng data5,6. Ang sub-6 GHz 5G spectrum allocation para sa pandaigdigang 5G na komunikasyon ay ipinapakita sa Figure 1, na nagsasaad na lahat ng bansa ay isinasaalang-alang ang sub-6 GHz spectrum para sa 5G na komunikasyon7,8. Ang mga antenna ay isang mahalagang bahagi ng mga 5G network at mangangailangan ng higit pang base station at mga terminal antenna ng user.
Ang mga microstrip patch antenna ay may mga pakinabang ng manipis at patag na istraktura, ngunit limitado sa bandwidth at gain9,10, napakaraming pananaliksik ang ginawa upang madagdagan ang pakinabang at bandwidth ng antena; Sa mga nakalipas na taon, ang metasurfaces (MS) ay malawakang ginagamit sa mga teknolohiya ng antenna, lalo na upang mapabuti ang pakinabang at throughput11,12, gayunpaman, ang mga antenna na ito ay limitado sa isang port; Ang teknolohiya ng MIMO ay isang mahalagang aspeto ng mga wireless na komunikasyon dahil maaari itong gumamit ng maraming antenna nang sabay-sabay upang magpadala ng data, sa gayon ay pagpapabuti ng mga rate ng data, spectral na kahusayan, kapasidad ng channel, at pagiging maaasahan13,14,15. Ang mga MIMO antenna ay mga potensyal na kandidato para sa 5G application dahil maaari silang magpadala at tumanggap ng data sa maraming channel nang hindi nangangailangan ng karagdagang power16,17. Ang mutual coupling effect sa pagitan ng mga bahagi ng MIMO ay nakasalalay sa lokasyon ng mga elemento ng MIMO at ang nakuha ng MIMO antenna, na isang malaking hamon para sa mga mananaliksik. Ang mga figure 18, 19, at 20 ay nagpapakita ng iba't ibang MIMO antenna na gumagana sa 5G sub-6 GHz band, lahat ay nagpapakita ng magandang MIMO isolation at performance. Gayunpaman, mababa ang nakuha at operating bandwidth ng mga iminungkahing sistemang ito.
Ang mga metamaterial (MMs) ay mga bagong materyales na hindi umiiral sa kalikasan at maaaring manipulahin ang mga electromagnetic wave, sa gayon ay nagpapabuti sa pagganap ng mga antenna21,22,23,24. Malawak na ngayong ginagamit ang MM sa teknolohiya ng antenna para pahusayin ang radiation pattern, bandwidth, gain, at isolation sa pagitan ng mga elemento ng antenna at wireless na sistema ng komunikasyon, gaya ng tinalakay sa 25, 26, 27, 28. Noong 2029, isang apat na elementong MIMO system batay sa metasurface, kung saan ang seksyon ng antenna ay naka-sandwich sa pagitan ng metasurface at ng lupa nang walang air gap, na nagpapahusay sa pagganap ng MIMO. Gayunpaman, ang disenyo na ito ay may mas malaking sukat, mas mababang dalas ng pagpapatakbo at kumplikadong istraktura. Ang isang electromagnetic bandgap (EBG) at ground loop ay kasama sa iminungkahing 2-port wideband MIMO antenna upang pahusayin ang paghihiwalay ng mga bahagi ng MIMO30. Ang dinisenyo na antenna ay may mahusay na pagganap ng pagkakaiba-iba ng MIMO at mahusay na paghihiwalay sa pagitan ng dalawang MIMO antenna, ngunit gamit lamang ang dalawang bahagi ng MIMO, magiging mababa ang pakinabang. Bilang karagdagan, iminungkahi din ng in31 ang isang ultra-wideband (UWB) dual-port MIMO antenna at inimbestigahan ang pagganap nito sa MIMO gamit ang mga metamaterial. Bagama't ang antenna na ito ay may kakayahan sa pagpapatakbo ng UWB, mababa ang nakuha nito at mahina ang paghihiwalay sa pagitan ng dalawang antenna. Ang gawaing in32 ay nagmumungkahi ng 2-port na MIMO system na gumagamit ng electromagnetic bandgap (EBG) reflectors upang mapataas ang pakinabang. Bagama't ang binuong hanay ng antenna ay may mataas na pakinabang at mahusay na pagganap ng pagkakaiba-iba ng MIMO, ang malaking sukat nito ay nagpapahirap na mag-aplay sa mga susunod na henerasyong aparato ng komunikasyon. Ang isa pang reflector-based broadband antenna ay binuo sa 33, kung saan ang reflector ay isinama sa ilalim ng antenna na may mas malaking 22 mm gap, na nagpapakita ng mas mababang peak gain na 4.87 dB. Ang Paper 34 ay nagdidisenyo ng isang apat na port na MIMO antenna para sa mga aplikasyon ng mmWave, na isinama sa layer ng MS upang mapabuti ang paghihiwalay at pagkamit ng MIMO system. Gayunpaman, ang antenna na ito ay nagbibigay ng magandang pakinabang at paghihiwalay, ngunit may limitadong bandwidth at mahinang mekanikal na katangian dahil sa malaking air gap. Katulad nito, noong 2015, binuo ang isang three-pair, 4-port bowtie-shaped metasurface-integrated MIMO antenna para sa mga komunikasyon sa mmWave na may maximum na nakuha na 7.4 dBi. Ang B36 MS ay ginagamit sa likod ng isang 5G antenna upang mapataas ang antenna gain, kung saan ang metasurface ay gumaganap bilang isang reflector. Gayunpaman, ang istraktura ng MS ay walang simetrya at hindi gaanong pansin ang binayaran sa istraktura ng yunit ng cell.
Ayon sa mga resulta ng pagsusuri sa itaas, wala sa mga antenna sa itaas ang may mataas na pakinabang, mahusay na paghihiwalay, pagganap ng MIMO at saklaw ng wideband. Samakatuwid, kailangan pa rin ng metasurface MIMO antenna na maaaring sumaklaw sa malawak na hanay ng 5G spectrum frequency na mas mababa sa 6 GHz na may mataas na pakinabang at paghihiwalay. Isinasaalang-alang ang mga limitasyon ng nabanggit na literatura, ang isang wideband na apat na elemento na MIMO antenna system na may mataas na pakinabang at mahusay na pagganap ng pagkakaiba-iba ay iminungkahi para sa mga sub-6 GHz na wireless na sistema ng komunikasyon. Bilang karagdagan, ang iminungkahing MIMO antenna ay nagpapakita ng mahusay na paghihiwalay sa pagitan ng mga bahagi ng MIMO, maliliit na puwang ng elemento, at mataas na kahusayan sa radiation. Ang antenna patch ay pinutol nang pahilis at inilagay sa ibabaw ng metasurface na may 12mm air gap, na sumasalamin sa likod ng radiation mula sa antenna at nagpapabuti ng antenna gain at directivity. Bilang karagdagan, ang iminungkahing solong antenna ay ginagamit upang lumikha ng isang apat na elementong MIMO antenna na may higit na mahusay na pagganap ng MIMO sa pamamagitan ng pagpoposisyon sa bawat antenna nang orthogonal sa isa't isa. Ang binuong MIMO antenna ay isinama sa tuktok ng isang 10 × 10 MS array na may isang tansong backplane upang mapabuti ang pagganap ng emisyon. Nagtatampok ang disenyo ng malawak na hanay ng pagpapatakbo (3.08-7.75 GHz), mataas na nakuha na 8.3 dBi at mataas na average na pangkalahatang kahusayan na 82%, pati na rin ang mahusay na paghihiwalay na mas malaki sa −15.5 dB sa pagitan ng mga bahagi ng MIMO antenna. Ang binuo na MS-based na MIMO antenna ay na-simulate gamit ang 3D electromagnetic software package na CST Studio 2019 at na-validate sa pamamagitan ng mga eksperimentong pag-aaral.
Nagbibigay ang seksyong ito ng detalyadong panimula sa iminungkahing arkitektura at pamamaraan ng disenyo ng solong antenna. Bilang karagdagan, ang kunwa at naobserbahang mga resulta ay tinalakay nang detalyado, kabilang ang mga parameter ng scattering, nakuha, at pangkalahatang kahusayan na mayroon at walang mga metasurface. Ang prototype antenna ay binuo sa isang Rogers 5880 low loss dielectric substrate na may kapal na 1.575mm na may dielectric constant na 2.2. Upang bumuo at gayahin ang disenyo, ginamit ang electromagnetic simulator package CST studio 2019.
Ipinapakita ng Figure 2 ang iminungkahing arkitektura at modelo ng disenyo ng isang single-element na antenna. Ayon sa well-established mathematical equation37, ang antenna ay binubuo ng isang linearly fed square radiating spot at isang copper ground plane (tulad ng inilarawan sa hakbang 1) at sumasalamin sa napakakitid na bandwidth sa 10.8 GHz, tulad ng ipinapakita sa Figure 3b. Ang paunang sukat ng antenna radiator ay tinutukoy ng sumusunod na mathematical na relasyon37:
Kung saan ang \(P_{L}\) at \(P_{w}\) ay ang haba at lapad ng patch, ang c ay kumakatawan sa bilis ng liwanag, ang \(\gamma_{r}\) ay ang dielectric constant ng substrate . , \(\gamma_{reff }\) ay kumakatawan sa epektibong dielectric na halaga ng radiation spot, \(\Delta L\) ay kumakatawan sa pagbabago sa haba ng spot. Ang antenna backplane ay na-optimize sa ikalawang yugto, pinapataas ang impedance bandwidth sa kabila ng napakababang impedance bandwidth na 10 dB. Sa ikatlong yugto, ang posisyon ng feeder ay inilipat sa kanan, na nagpapabuti sa bandwidth ng impedance at pagtutugma ng impedance ng iminungkahing antenna38. Sa yugtong ito, ang antenna ay nagpapakita ng mahusay na operating bandwidth na 4 GHz at sumasaklaw din sa spectrum na mas mababa sa 6 GHz sa 5G. Ang ikaapat at huling yugto ay nagsasangkot ng pag-ukit ng mga parisukat na uka sa magkabilang sulok ng lugar ng radiation. Ang slot na ito ay makabuluhang pinalawak ang 4.56 GHz bandwidth upang masakop ang sub-6 GHz 5G spectrum mula 3.11 GHz hanggang 7.67 GHz, tulad ng ipinapakita sa Figure 3b. Ang mga view sa harap at ibabang pananaw ng iminungkahing disenyo ay ipinapakita sa Figure 3a, at ang panghuling na-optimize na kinakailangang mga parameter ng disenyo ay ang mga sumusunod: 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) Mga view sa itaas at likuran ng idinisenyong solong antenna (CST STUDIO SUITE 2019). (b) S-parameter curve.
Ang metasurface ay isang terminong tumutukoy sa isang pana-panahong hanay ng mga unit cell na matatagpuan sa isang tiyak na distansya mula sa isa't isa. Ang mga metasurface ay isang epektibong paraan upang mapabuti ang pagganap ng radiation ng antenna, kabilang ang bandwidth, gain, at paghihiwalay sa pagitan ng mga bahagi ng MIMO. Dahil sa impluwensya ng surface wave propagation, ang mga metasurface ay bumubuo ng mga karagdagang resonance na nag-aambag sa pinahusay na pagganap ng antenna39. Ang gawaing ito ay nagmumungkahi ng isang epsilon-negative metamaterial (MM) unit na gumagana sa 5G band na mas mababa sa 6 GHz. Ang MM na may surface area na 8mm×8mm ay binuo sa isang mababang loss na Rogers 5880 substrate na may dielectric constant na 2.2 at isang kapal na 1.575mm. Ang na-optimize na MM resonator patch ay binubuo ng isang panloob na pabilog na split ring na konektado sa dalawang binagong panlabas na split ring, tulad ng ipinapakita sa Figure 4a. Ang Figure 4a ay nagbubuod ng mga huling na-optimize na parameter ng iminungkahing MM setup. Kasunod nito, ang 40 × 40 mm at 80 × 80 mm na metasurface na mga layer ay binuo nang walang tansong backplane at may isang tansong backplane gamit ang 5 × 5 at 10 × 10 cell arrays, ayon sa pagkakabanggit. Ang iminungkahing istraktura ng MM ay namodelo gamit ang 3D electromagnetic modeling software na "CST studio suite 2019". Ang isang gawa-gawang prototype ng iminungkahing MM array structure at pag-setup ng pagsukat (dual-port network analyzer PNA at waveguide port) ay ipinapakita sa Figure 4b upang patunayan ang mga resulta ng simulation ng CST sa pamamagitan ng pagsusuri sa aktwal na tugon. Gumamit ang setup ng pagsukat ng Agilent PNA series network analyzer kasama ng dalawang waveguide coaxial adapters (A-INFOMW, part number: 187WCAS) para magpadala at tumanggap ng mga signal. Isang prototype 5×5 array ang inilagay sa pagitan ng dalawang waveguide coaxial adapter na konektado ng coaxial cable sa isang two-port network analyzer (Agilent PNA N5227A). Ang Agilent N4694-60001 calibration kit ay ginagamit upang i-calibrate ang network analyzer sa isang pilot plant. Ang kunwa at CST na naobserbahang mga scattering parameter ng iminungkahing prototype MM array ay ipinapakita sa Figure 5a. Makikita na ang iminungkahing istraktura ng MM ay tumutunog sa saklaw ng dalas ng 5G sa ibaba 6 GHz. Sa kabila ng maliit na pagkakaiba sa bandwidth na 10 dB, ang simulate at eksperimentong mga resulta ay halos magkapareho. Ang resonant frequency, bandwidth, at amplitude ng naobserbahang resonance ay bahagyang naiiba sa mga simulate, tulad ng ipinapakita sa Figure 5a. Ang mga pagkakaibang ito sa pagitan ng naobserbahan at simulate na mga resulta ay dahil sa mga di-kasakdalan sa pagmamanupaktura, maliliit na clearance sa pagitan ng prototype at ng mga waveguide port, mga epekto ng pagsasama sa pagitan ng mga waveguide port at mga bahagi ng array, at mga tolerance sa pagsukat. Bilang karagdagan, ang tamang paglalagay ng binuong prototype sa pagitan ng mga waveguide port sa pang-eksperimentong setup ay maaaring magresulta sa pagbabago ng resonance. Bilang karagdagan, ang hindi ginustong ingay ay naobserbahan sa panahon ng yugto ng pagkakalibrate, na humantong sa mga pagkakaiba sa pagitan ng numerical at nasusukat na mga resulta. Gayunpaman, bukod sa mga paghihirap na ito, mahusay na gumaganap ang iminungkahing MM array prototype dahil sa malakas na ugnayan sa pagitan ng simulation at eksperimento, na ginagawang angkop ito para sa mga sub-6 GHz 5G na wireless na aplikasyon ng komunikasyon.
(a) Unit cell geometry (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) Larawan ng setup ng pagsukat ng MM.
(a) Simulation at verification ng scattering parameter curves ng metamaterial prototype. (b) Dielectric constant curve ng isang MM unit cell.
Ang mga nauugnay na epektibong parameter tulad ng epektibong dielectric constant, magnetic permeability, at refractive index ay pinag-aralan gamit ang built-in na mga post-processing technique ng CST electromagnetic simulator upang higit pang pag-aralan ang pag-uugali ng MM unit cell. Ang epektibong mga parameter ng MM ay nakuha mula sa mga parameter ng scattering gamit ang isang mahusay na paraan ng muling pagtatayo. Ang mga sumusunod na transmittance at reflection coefficient equation: (3) at (4) ay maaaring gamitin upang matukoy ang refractive index at impedance (tingnan ang 40).
Ang tunay at haka-haka na mga bahagi ng operator ay kinakatawan ng (.)' at (.)” ayon sa pagkakabanggit, at ang integer na halaga m ay tumutugma sa tunay na refractive index. Ang dielectric constant at permeability ay tinutukoy ng mga formula na \(\varepsilon { } = { }n/z,\) at \(\mu = nz\), na batay sa impedance at refractive index, ayon sa pagkakabanggit. Ang epektibong dielectric constant curve ng MM structure ay ipinapakita sa Figure 5b. Sa resonant frequency, ang epektibong dielectric constant ay negatibo. Ipinapakita ng mga figure 6a,b ang mga nakuhang halaga ng epektibong permeability (μ) at epektibong refractive index (n) ng iminungkahing unit cell. Kapansin-pansin, ang mga na-extract na permeabilities ay nagpapakita ng mga positibong tunay na halaga na malapit sa zero, na nagpapatunay sa mga katangian ng epsilon-negative (ENG) ng iminungkahing istraktura ng MM. Bukod dito, tulad ng ipinapakita sa Figure 6a, ang resonance sa permeability malapit sa zero ay malakas na nauugnay sa resonant frequency. Ang nabuong unit cell ay may negatibong refractive index (Larawan 6b), na nangangahulugan na ang iminungkahing MM ay maaaring gamitin upang mapabuti ang pagganap ng antenna21,41.
Ang nabuong prototype ng isang broadband antenna ay ginawa upang eksperimento na subukan ang iminungkahing disenyo. Ang mga figure 7a,b ay nagpapakita ng mga larawan ng iminungkahing prototype na solong antenna, ang mga bahaging istruktura nito at ang near-field measurement setup (SATIMO). Upang mapabuti ang pagganap ng antenna, ang nabuong metasurface ay inilalagay sa mga layer sa ilalim ng antena, tulad ng ipinapakita sa Figure 8a, na may taas na h. Ang isang solong 40mm x 40mm na double-layer na metasurface ay inilapat sa likuran ng solong antena sa 12mm na pagitan. Bilang karagdagan, ang isang metasurface na may backplane ay inilalagay sa likurang bahagi ng solong antena sa layo na 12 mm. Pagkatapos ilapat ang metasurface, ang nag-iisang antena ay nagpapakita ng makabuluhang pagpapabuti sa pagganap, tulad ng ipinapakita sa Mga Figure 1 at 2. Mga Figure 8 at 9. Ipinapakita ng Figure 8b ang simulate at sinusukat na mga plot ng reflectance para sa nag-iisang antenna na wala at may mga metasurface. Kapansin-pansin na ang coverage band ng isang antenna na may metasurface ay halos kapareho sa coverage band ng isang antenna na walang metasurface. Ang mga figure 9a,b ay nagpapakita ng paghahambing ng kunwa at naobserbahang solong nakuha ng antenna at pangkalahatang kahusayan nang wala at kasama ang MS sa operating spectrum. Makikita na, kumpara sa non-metasurface antenna, ang nakuha ng metasurface antenna ay makabuluhang napabuti, na tumataas mula 5.15 dBi hanggang 8 dBi. Ang nakuha ng single-layer metasurface, dual-layer metasurface, at single antenna na may backplane metasurface ay tumaas ng 6 dBi, 6.9 dBi, at 8 dBi, ayon sa pagkakabanggit. Kung ikukumpara sa iba pang metasurfaces (single-layer at double-layer MCs), ang nakuha ng isang metasurface antenna na may tansong backplane ay hanggang 8 dBi. Sa kasong ito, ang metasurface ay gumaganap bilang isang reflector, binabawasan ang radiation ng likod ng antena at manipulahin ang mga electromagnetic wave sa yugto, at sa gayon ay nadaragdagan ang kahusayan ng radiation ng antena at samakatuwid ang nakuha. Ang isang pag-aaral ng pangkalahatang kahusayan ng isang antenna na wala at may mga metasurface ay ipinapakita sa Figure 9b. Ito ay nagkakahalaga ng noting na ang kahusayan ng isang antena na may at walang isang metasurface ay halos pareho. Sa mas mababang hanay ng dalas, bahagyang bumababa ang kahusayan ng antenna. Ang pang-eksperimentong at simulate na pakinabang at mga kurba ng kahusayan ay nasa mabuting pagkakasundo. Gayunpaman, may kaunting pagkakaiba sa pagitan ng kunwa at nasubok na mga resulta dahil sa mga depekto sa pagmamanupaktura, mga tolerance sa pagsukat, pagkawala ng koneksyon sa SMA port, at pagkawala ng wire. Bilang karagdagan, ang antenna at MS reflector ay matatagpuan sa pagitan ng mga spacer ng nylon, na isa pang isyu na nakakaapekto sa mga naobserbahang resulta kumpara sa mga resulta ng simulation.
Ipinapakita ng Figure (a) ang nakumpletong solong antenna at ang mga nauugnay na bahagi nito. (b) Near-field measurement setup (SATIMO).
(a) Antenna excitation gamit ang metasurface reflectors (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Simulated at experimental reflectances ng isang antenna na wala at may MS.
Mga resulta ng simulation at pagsukat ng (a) ang nakamit na pakinabang at (b) ang pangkalahatang kahusayan ng iminungkahing metasurface effect antenna.
Pagsusuri ng pattern ng beam gamit ang MS. Isinagawa ang single-antenna near-field measurements sa SATIMO Near-Field Experimental Environment ng UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Ang mga figure 10a, b ay nagpapakita ng kunwa at naobserbahang E-plane at H-plane na mga pattern ng radiation sa 5.5 GHz para sa iminungkahing solong antenna na mayroon at walang MS. Ang binuong solong antenna (walang MS) ay nagbibigay ng pare-parehong bidirectional radiation pattern na may mga halaga ng side lobe. Pagkatapos ilapat ang iminungkahing MS reflector, ang antenna ay nagbibigay ng unidirectional radiation pattern at binabawasan ang antas ng back lobes, tulad ng ipinapakita sa Figures 10a, b. Kapansin-pansin na ang iminungkahing single antenna radiation pattern ay mas matatag at unidirectional na may napakababang likod at gilid na lobe kapag gumagamit ng metasurface na may tansong backplane. Ang iminungkahing MM array reflector ay binabawasan ang likod at gilid na mga lobe ng antenna habang pinapabuti ang pagganap ng radiation sa pamamagitan ng pagdidirekta ng kasalukuyang sa unidirectional na direksyon (Larawan 10a, b), at sa gayon ay nadaragdagan ang nakuha at direktiba. Napagmasdan na ang pang-eksperimentong pattern ng radiation ay halos maihahambing sa mga simulation ng CST, ngunit bahagyang nag-iba dahil sa hindi pagkakapantay-pantay ng iba't ibang mga naka-assemble na bahagi, pagpapahintulot sa pagsukat, at pagkalugi ng paglalagay ng kable. Bilang karagdagan, ang isang nylon spacer ay ipinasok sa pagitan ng antenna at ng MS reflector, na isa pang isyu na nakakaapekto sa mga naobserbahang resulta kumpara sa mga numerical na resulta.
Ang radiation pattern ng binuo na solong antenna (walang MS at may MS) sa dalas na 5.5 GHz ay ginaya at nasubok.
Ang iminungkahing MIMO antenna geometry ay ipinapakita sa Figure 11 at may kasamang apat na solong antenna. Ang apat na bahagi ng MIMO antenna ay nakaayos nang orthogonal sa isa't isa sa isang substrate na may sukat na 80 × 80 × 1.575 mm, tulad ng ipinapakita sa Figure 11. Ang dinisenyong MIMO antenna ay may inter-element na distansya na 22 mm, na mas maliit kaysa sa pinakamalapit na katumbas na inter-element na distansya ng antenna. Nabuo ang MIMO antenna. Bilang karagdagan, ang bahagi ng ground plane ay matatagpuan sa parehong paraan tulad ng isang solong antenna. Ang mga halaga ng reflectance ng mga MIMO antenna (S11, S22, S33, at S44) na ipinapakita sa Figure 12a ay nagpapakita ng parehong pag-uugali bilang isang solong-element na antenna na tumutunog sa 3.2–7.6 GHz band. Samakatuwid, ang impedance bandwidth ng isang MIMO antenna ay eksaktong kapareho ng sa isang solong antenna. Ang epekto ng pagkabit sa pagitan ng mga bahagi ng MIMO ay ang pangunahing dahilan para sa maliit na pagkawala ng bandwidth ng mga antenna ng MIMO. Ipinapakita ng Figure 12b ang epekto ng interconnection sa mga bahagi ng MIMO, kung saan natukoy ang pinakamainam na paghihiwalay sa pagitan ng mga bahagi ng MIMO. Ang paghihiwalay sa pagitan ng mga antenna 1 at 2 ay ang pinakamababa sa humigit-kumulang -13.6 dB, at ang paghihiwalay sa pagitan ng mga antenna 1 at 4 ay ang pinakamataas sa humigit-kumulang -30.4 dB. Dahil sa maliit na sukat nito at mas malawak na bandwidth, ang MIMO antenna na ito ay may mas mababang gain at mas mababang throughput. Ang pagkakabukod ay mababa, kaya ang pagtaas ng reinforcement at pagkakabukod ay kinakailangan;
Mekanismo ng disenyo ng iminungkahing MIMO antenna (a) top view at (b) ground plane. (CST Studio Suite 2019).
Ang geometric na pag-aayos at paraan ng paggulo ng iminungkahing metasurface MIMO antenna ay ipinapakita sa Figure 13a. Ang isang 10x10mm matrix na may mga sukat na 80x80x1.575mm ay idinisenyo para sa likod na bahagi ng isang 12mm na mataas na MIMO antenna, tulad ng ipinapakita sa Figure 13a. Bukod pa rito, ang mga metasurface na may mga tansong backplane ay inilaan para gamitin sa mga MIMO antenna upang mapabuti ang kanilang pagganap. Ang distansya sa pagitan ng metasurface at ng MIMO antenna ay kritikal upang makamit ang mataas na pakinabang habang pinapayagan ang nakabubuo na interference sa pagitan ng mga alon na nabuo ng antena at ng mga nakikita mula sa metasurface. Ang malawak na pagmomodelo ay isinagawa upang ma-optimize ang taas sa pagitan ng antenna at ng metasurface habang pinapanatili ang mga pamantayan ng quarter-wave para sa maximum na pakinabang at paghihiwalay sa pagitan ng mga elemento ng MIMO. Ang mga makabuluhang pagpapahusay sa pagganap ng MIMO antenna na nakamit sa pamamagitan ng paggamit ng mga metasurface na may mga backplane kumpara sa mga metasurface na walang backplane ay ipapakita sa mga susunod na kabanata.
(a) CST simulation setup ng iminungkahing MIMO antenna gamit ang MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Reflectance curves ng binuo MIMO system na walang MS at may MS.
Ang mga reflectance ng MIMO antenna na may at walang metasurfaces ay ipinapakita sa Figure 13b, kung saan ipinakita ang S11 at S44 dahil sa halos magkaparehong pag-uugali ng lahat ng antenna sa MIMO system. Kapansin-pansin na ang -10 dB impedance bandwidth ng isang MIMO antenna na wala at may isang solong metasurface ay halos pareho. Sa kaibahan, ang impedance bandwidth ng iminungkahing MIMO antenna ay pinahusay ng dual-layer MS at backplane MS. Kapansin-pansin na walang MS, ang MIMO antenna ay nagbibigay ng fractional bandwidth na 81.5% (3.2-7.6 GHz) na may kaugnayan sa dalas ng gitna. Ang pagsasama ng MS sa backplane ay nagpapataas ng impedance bandwidth ng iminungkahing MIMO antenna sa 86.3% (3.08–7.75 GHz). Bagama't ang dual-layer na MS ay nagdaragdag ng throughput, ang pagpapabuti ay mas mababa kaysa sa MS na may isang tansong backplane. Bukod dito, pinapataas ng dual-layer MC ang laki ng antenna, pinatataas ang gastos nito, at nililimitahan ang saklaw nito. Ang dinisenyong MIMO antenna at metasurface reflector ay gawa-gawa at na-verify upang mapatunayan ang mga resulta ng simulation at suriin ang aktwal na pagganap. Ipinapakita ng Figure 14a ang gawa-gawang MS layer at MIMO antenna na may iba't ibang bahagi na naka-assemble, habang ang Figure 14b ay nagpapakita ng litrato ng binuong MIMO system. Ang MIMO antenna ay naka-mount sa ibabaw ng metasurface gamit ang apat na nylon spacer, tulad ng ipinapakita sa Figure 14b. Ipinapakita ng Figure 15a ang isang snapshot ng near-field experimental setup ng binuo na MIMO antenna system. Ang isang PNA network analyzer (Agilent Technologies PNA N5227A) ay ginamit upang matantya ang mga parameter ng scattering at upang suriin at tukuyin ang mga katangian ng near-field emission sa UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory.
(a) Mga larawan ng SATIMO near-field measurements (b) Simulated at experimental curves ng S11 MIMO antenna na may at walang MS.
Ang seksyong ito ay nagpapakita ng isang paghahambing na pag-aaral ng kunwa at naobserbahang S-parameter ng iminungkahing 5G MIMO antenna. Ipinapakita ng Figure 15b ang experimental reflectance plot ng integrated 4-element MIMO MS antenna at inihahambing ito sa mga resulta ng simulation ng CST. Napag-alaman na ang mga pang-eksperimentong reflectance ay pareho sa mga kalkulasyon ng CST, ngunit bahagyang naiiba dahil sa mga depekto sa pagmamanupaktura at mga eksperimentong pagpapaubaya. Bilang karagdagan, ang naobserbahang reflectance ng iminungkahing MS-based na MIMO prototype ay sumasaklaw sa 5G spectrum na mas mababa sa 6 GHz na may impedance bandwidth na 4.8 GHz, na nangangahulugang posible ang mga 5G application. Gayunpaman, ang sinusukat na resonant frequency, bandwidth, at amplitude ay bahagyang naiiba sa mga resulta ng simulation ng CST. Ang mga depekto sa paggawa, coax-to-SMA coupling losses, at outdoor measurement setup ay maaaring magdulot ng mga pagkakaiba sa pagitan ng sinusukat at simulate na mga resulta. Gayunpaman, sa kabila ng mga pagkukulang na ito, mahusay na gumaganap ang iminungkahing MIMO, na nagbibigay ng matibay na kasunduan sa pagitan ng mga simulation at mga sukat, na ginagawa itong angkop para sa mga sub-6 GHz 5G na wireless na application.
Ang kunwa at naobserbahang MIMO antenna gain curves ay ipinapakita sa Figures 2 at 2. Tulad ng ipinapakita sa Figures 16a,b at 17a,b, ayon sa pagkakabanggit, ang mutual interaction ng mga bahagi ng MIMO ay ipinapakita. Kapag ang mga metasurface ay inilapat sa mga MIMO antenna, ang paghihiwalay sa pagitan ng mga MIMO antenna ay makabuluhang napabuti. Ang mga isolation plot sa pagitan ng mga katabing elemento ng antenna na S12, S14, S23 at S34 ay nagpapakita ng magkatulad na mga kurba, habang ang diagonal na MIMO antenna na S13 at S42 ay nagpapakita ng parehong mataas na paghihiwalay dahil sa mas malaking distansya sa pagitan ng mga ito. Ang simulate transmission na katangian ng mga katabing antenna ay ipinapakita sa Figure 16a. Kapansin-pansin na sa 5G operating spectrum sa ibaba 6 GHz, ang minimum na isolation ng MIMO antenna na walang metasurface ay -13.6 dB, at para sa metasurface na may backplane - 15.5 dB. Ang gain plot (Figure 16a) ay nagpapakita na ang backplane metasurface ay makabuluhang nagpapabuti sa paghihiwalay sa pagitan ng mga elemento ng MIMO antenna kumpara sa mga single- at double-layer na metasurfaces. Sa mga katabing elemento ng antenna, ang single- at double-layer na metasurface ay nagbibigay ng pinakamababang isolation na humigit-kumulang -13.68 dB at -14.78 dB, at ang copper backplane metasurface ay nagbibigay ng humigit-kumulang -15.5 dB.
Simulated isolation curve ng MIMO elements na walang MS layer at may MS layer: (a) S12, S14, S34 at S32 at (b) S13 at S24.
Mga pang-eksperimentong kurba ng pakinabang ng mga iminungkahing MS-based na MIMO antenna na wala at may: (a) S12, S14, S34 at S32 at (b) S13 at S24.
Ang MIMO diagonal antenna gain plots bago at pagkatapos idagdag ang MS layer ay ipinapakita sa Figure 16b. Kapansin-pansin na ang pinakamababang isolation sa pagitan ng diagonal antenna na walang metasurface (antenna 1 at 3) ay – 15.6 dB sa buong operating spectrum, at ang metasurface na may backplane ay – 18 dB. Ang metasurface approach ay makabuluhang binabawasan ang coupling effects sa pagitan ng diagonal na MIMO antenna. Ang maximum na pagkakabukod para sa isang solong-layer na metasurface ay -37 dB, habang para sa isang double-layer na metasurface ang halagang ito ay bumababa sa -47 dB. Ang maximum na paghihiwalay ng metasurface na may isang tansong backplane ay −36.2 dB, na bumababa sa pagtaas ng saklaw ng dalas. Kung ikukumpara sa mga single- at double-layer na metasurface na walang backplane, ang mga metasurface na may backplane ay nagbibigay ng mahusay na paghihiwalay sa buong kinakailangang hanay ng dalas ng pagpapatakbo, lalo na sa hanay ng 5G na mas mababa sa 6 GHz, tulad ng ipinapakita sa Mga Figure 16a, b. Sa pinakasikat at malawakang ginagamit na 5G band na mas mababa sa 6 GHz (3.5 GHz), ang single- at dual-layer metasurfaces ay may mas mababang isolation sa pagitan ng mga bahagi ng MIMO kaysa sa mga metasurface na may mga tansong backplane (halos walang MS) (tingnan ang Figure 16a), b) . Ang mga sukat ng nakuha ay ipinapakita sa Mga Figure 17a, b, na nagpapakita ng paghihiwalay ng mga katabing antenna (S12, S14, S34 at S32) at diagonal antenna (S24 at S13), ayon sa pagkakabanggit. Tulad ng makikita mula sa mga figure na ito (Larawan 17a, b), ang pang-eksperimentong paghihiwalay sa pagitan ng mga bahagi ng MIMO ay sumasang-ayon nang maayos sa simulate na paghihiwalay. Bagama't may maliit na pagkakaiba sa pagitan ng kunwa at sinusukat na mga halaga ng CST dahil sa mga depekto sa pagmamanupaktura, mga koneksyon sa SMA port at pagkawala ng wire. Bilang karagdagan, ang antenna at MS reflector ay matatagpuan sa pagitan ng mga spacer ng nylon, na isa pang isyu na nakakaapekto sa mga naobserbahang resulta kumpara sa mga resulta ng simulation.
pinag-aralan ang surface current distribution sa 5.5 GHz para i-rationalize ang papel ng metasurfaces sa pagbabawas ng mutual coupling sa pamamagitan ng surface wave suppression42. Ang kasalukuyang pamamahagi ng ibabaw ng iminungkahing MIMO antenna ay ipinapakita sa Figure 18, kung saan ang antenna 1 ay hinihimok at ang natitirang bahagi ng antenna ay tinapos na may 50 ohm load. Kapag na-energize ang antenna 1, lilitaw ang makabuluhang magkadugtong na mga alon sa mga katabing antenna sa 5.5 GHz kung walang metasurface, tulad ng ipinapakita sa Figure 18a. Sa kabaligtaran, sa pamamagitan ng paggamit ng mga metasurface, tulad ng ipinapakita sa Fig. 18b–d, ang paghihiwalay sa pagitan ng mga katabing antenna ay napabuti. Dapat pansinin na ang epekto ng mutual coupling ng mga katabing field ay maaaring mabawasan sa pamamagitan ng pagpapalaganap ng coupling current sa mga katabing ring ng unit cells at katabing MS unit cells kasama ang MS layer sa mga antiparallel na direksyon. Ang pag-iniksyon ng kasalukuyang mula sa mga ipinamahagi na antenna sa mga yunit ng MS ay isang pangunahing paraan para sa pagpapabuti ng paghihiwalay sa pagitan ng mga bahagi ng MIMO. Bilang isang resulta, ang kasalukuyang pagkabit sa pagitan ng mga bahagi ng MIMO ay lubos na nabawasan, at ang paghihiwalay ay lubos ding napabuti. Dahil ang coupling field ay malawak na ipinamamahagi sa elemento, ang copper backplane metasurface ay naghihiwalay sa MIMO antenna assembly nang higit pa kaysa sa single- at double-layer metasurfaces (Figure 18d). Bukod dito, ang binuo na MIMO antenna ay may napakababang backpropagation at side propagation, na gumagawa ng unidirectional radiation pattern, at sa gayon ay nadaragdagan ang pakinabang ng iminungkahing MIMO antenna.
Surface current pattern ng iminungkahing MIMO antenna sa 5.5 GHz (a) nang walang MC, (b) single-layer MC, (c) double-layer MC, at (d) single-layer MC na may tansong backplane. (CST Studio Suite 2019).
Sa loob ng dalas ng pagpapatakbo, ipinapakita ng Figure 19a ang kunwa at naobserbahang mga nakuha ng dinisenyong MIMO antenna nang wala at may mga metasurface. Ang simulate na nakamit na pakinabang ng MIMO antenna na walang metasurface ay 5.4 dBi, tulad ng ipinapakita sa Figure 19a. Dahil sa mutual coupling effect sa pagitan ng mga bahagi ng MIMO, ang iminungkahing MIMO antenna ay aktwal na nakakamit ng 0.25 dBi na mas mataas na nakuha kaysa sa isang solong antenna. Ang pagdaragdag ng mga metasurface ay maaaring magbigay ng makabuluhang mga pakinabang at paghihiwalay sa pagitan ng mga bahagi ng MIMO. Kaya, ang iminungkahing metasurface MIMO antenna ay maaaring makamit ang mataas na natanto na pakinabang na hanggang 8.3 dBi. Tulad ng ipinapakita sa Figure 19a, kapag ang isang solong metasurface ay ginamit sa likod ng MIMO antenna, tumataas ang nakuha ng 1.4 dBi. Kapag ang metasurface ay nadoble, ang nakuha ay tataas ng 2.1 dBi, tulad ng ipinapakita sa Figure 19a. Gayunpaman, ang inaasahang maximum na pakinabang na 8.3 dBi ay nakakamit kapag ginagamit ang metasurface na may isang tansong backplane. Kapansin-pansin, ang pinakamataas na nakamit na pakinabang para sa single-layer at double-layer na metasurfaces ay 6.8 dBi at 7.5 dBi, ayon sa pagkakabanggit, habang ang maximum na nakamit na pakinabang para sa bottom-layer metasurface ay 8.3 dBi. Ang metasurface layer sa likod na bahagi ng antenna ay nagsisilbing reflector, na sumasalamin sa radiation mula sa likod na bahagi ng antenna at pinapahusay ang front-to-back (F/B) ratio ng dinisenyong MIMO antenna. Bilang karagdagan, ang high-impedance na MS reflector ay nagmamanipula ng mga electromagnetic wave sa yugto, sa gayon ay lumilikha ng karagdagang resonance at pagpapabuti ng pagganap ng radiation ng iminungkahing MIMO antenna. Ang MS reflector na naka-install sa likod ng MIMO antenna ay maaaring makabuluhang taasan ang nakamit na pakinabang, na kinumpirma ng mga eksperimentong resulta. Ang naobserbahan at simulate na mga nadagdag ng binuo prototype MIMO antenna ay halos pareho, gayunpaman, sa ilang mga frequency ang sinusukat na nakuha ay mas mataas kaysa sa simulate na nakuha, lalo na para sa MIMO na walang MS; Ang mga pagkakaiba-iba na ito sa pang-eksperimentong pakinabang ay dahil sa mga pagpapahintulot sa pagsukat ng mga nylon pad, pagkalugi ng cable, at pagkabit sa sistema ng antenna. Ang peak na nasusukat na nakuha ng MIMO antenna na walang metasurface ay 5.8 dBi, habang ang metasurface na may tansong backplane ay 8.5 dBi. Kapansin-pansin na ang iminungkahing kumpletong 4-port MIMO antenna system na may MS reflector ay nagpapakita ng mataas na pakinabang sa ilalim ng eksperimental at numerical na mga kondisyon.
Simulation at mga eksperimentong resulta ng (a) ang nakamit na pakinabang at (b) ang pangkalahatang pagganap ng iminungkahing MIMO antenna na may metasurface effect.
Ipinapakita ng Figure 19b ang pangkalahatang pagganap ng iminungkahing MIMO system nang wala at may mga metasurface reflector. Sa Figure 19b, ang pinakamababang kahusayan gamit ang MS na may backplane ay higit sa 73% (pababa sa 84%). Ang pangkalahatang kahusayan ng binuo na mga antenna ng MIMO na walang MC at may MC ay halos pareho sa mga maliliit na pagkakaiba kumpara sa mga kunwa na halaga. Ang mga dahilan para dito ay ang mga pagpapaubaya sa pagsukat at ang paggamit ng mga spacer sa pagitan ng antenna at ng MS reflector. Ang nasusukat na nakuha at pangkalahatang kahusayan sa buong dalas ay halos kapareho sa mga resulta ng simulation, na nagpapahiwatig na ang pagganap ng iminungkahing MIMO prototype ay tulad ng inaasahan at ang inirerekomendang MS-based na MIMO antenna ay angkop para sa 5G na komunikasyon. Dahil sa mga pagkakamali sa mga eksperimentong pag-aaral, may mga pagkakaiba sa pagitan ng pangkalahatang mga resulta ng mga eksperimento sa laboratoryo at mga resulta ng mga simulation. Ang pagganap ng iminungkahing prototype ay apektado ng impedance mismatch sa pagitan ng antenna at ng SMA connector, mga pagkawala ng coaxial cable splice, mga epekto sa paghihinang, at ang lapit ng iba't ibang mga elektronikong device sa eksperimentong setup.
Inilalarawan ng Figure 20 ang pag-unlad ng disenyo at pag-optimize ng nasabing antenna sa anyo ng isang block diagram. Ang block diagram na ito ay nagbibigay ng sunud-sunod na paglalarawan ng iminungkahing MIMO antenna design principles, pati na rin ang mga parameter na gumaganap ng mahalagang papel sa pag-optimize ng antenna upang makamit ang kinakailangang mataas na pakinabang at mataas na paghihiwalay sa isang malawak na dalas ng pagpapatakbo.
Ang near-field MIMO antenna measurements ay sinusukat sa SATIMO Near-Field Experimental Environment sa UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Ang mga figure 21a,b ay naglalarawan ng kunwa at naobserbahang E-plane at H-plane na mga pattern ng radiation ng inaangkin na MIMO antenna na may at walang MS sa operating frequency na 5.5 GHz. Sa hanay ng dalas ng pagpapatakbo na 5.5 GHz, ang binuo na non-MS MIMO antenna ay nagbibigay ng pare-parehong bidirectional radiation pattern na may mga halaga ng side lobe. Pagkatapos ilapat ang MS reflector, ang antenna ay nagbibigay ng unidirectional radiation pattern at binabawasan ang antas ng back lobes, tulad ng ipinapakita sa Figures 21a, b. Ito ay nagkakahalaga ng pagpuna na sa pamamagitan ng paggamit ng isang metasurface na may isang tansong backplane, ang iminungkahing MIMO antenna pattern ay mas matatag at unidirectional kaysa sa walang MS, na may napakababang likod at gilid na lobe. Ang iminungkahing MM array reflector ay binabawasan ang likod at gilid na mga lobe ng antenna at pinapabuti din ang mga katangian ng radiation sa pamamagitan ng pagdidirekta ng kasalukuyang sa isang unidirectional na direksyon (Larawan 21a, b), at sa gayon ay nadaragdagan ang nakuha at direktiba. Ang sinusukat na pattern ng radiation ay nakuha para sa port 1 na may 50 ohm load na konektado sa mga natitirang port. Napagmasdan na ang pang-eksperimentong pattern ng radiation ay halos magkapareho sa na-simulate ng CST, bagama't mayroong ilang mga paglihis dahil sa hindi pagkakapantay-pantay ng bahagi, mga pagmuni-muni mula sa mga terminal port, at pagkalugi sa mga koneksyon sa cable. Bilang karagdagan, ang isang nylon spacer ay ipinasok sa pagitan ng antenna at ng MS reflector, na isa pang isyu na nakakaapekto sa mga naobserbahang resulta kumpara sa mga hinulaang resulta.
Ang radiation pattern ng binuo na MIMO antenna (walang MS at may MS) sa dalas na 5.5 GHz ay ginaya at nasubok.
Mahalagang tandaan na ang paghihiwalay ng port at ang mga nauugnay na katangian nito ay mahalaga kapag sinusuri ang pagganap ng mga sistema ng MIMO. Ang diversity performance ng iminungkahing MIMO system, kabilang ang envelope correlation coefficient (ECC) at diversity gain (DG), ay sinusuri upang ilarawan ang tibay ng dinisenyong MIMO antenna system. Ang ECC at DG ng isang MIMO antenna ay maaaring gamitin upang suriin ang pagganap nito dahil ang mga ito ay mahalagang aspeto ng pagganap ng isang MIMO system. Idetalye ng mga sumusunod na seksyon ang mga tampok na ito ng iminungkahing MIMO antenna.
Envelope Correlation Coefficient (ECC). Kapag isinasaalang-alang ang anumang sistema ng MIMO, tinutukoy ng ECC ang antas kung saan ang mga elemento ng bumubuo ay nauugnay sa isa't isa tungkol sa kanilang mga partikular na katangian. Kaya, ipinapakita ng ECC ang antas ng paghihiwalay ng channel sa isang wireless na network ng komunikasyon. Ang ECC (envelope correlation coefficient) ng binuong MIMO system ay maaaring matukoy batay sa S-parameter at malayong field emission. Mula sa Eq. (7) at (8) ang ECC ng iminungkahing MIMO antenna 31 ay maaaring matukoy.
Ang reflection coefficient ay kinakatawan ng Sii at Sij ay kumakatawan sa transmission coefficient. Ang three-dimensional na mga pattern ng radiation ng j-th at i-th antenna ay ibinibigay ng mga expression na \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) at \( \vec {{R_{ i } }} Solid anggulo na kinakatawan ng \left( {\theta ,\varphi } \right)\) at \({\Omega }\). Ang ECC curve ng iminungkahing antenna ay ipinapakita sa Figure 22a at ang halaga nito ay mas mababa sa 0.004, na mas mababa sa tinatanggap na halaga na 0.5 para sa isang wireless system. Samakatuwid, ang pinababang halaga ng ECC ay nangangahulugan na ang iminungkahing 4-port MIMO system ay nagbibigay ng higit na pagkakaiba-iba43.
Ang Diversity Gain (DG) DG ay isa pang sukatan ng performance ng MIMO system na naglalarawan kung paano nakakaapekto ang diversity scheme sa radiated power. Tinutukoy ng Relation (9) ang DG ng MIMO antenna system na binuo, gaya ng inilarawan sa 31.
Ipinapakita ng Figure 22b ang DG diagram ng iminungkahing MIMO system, kung saan ang halaga ng DG ay napakalapit sa 10 dB. Ang mga halaga ng DG ng lahat ng antenna ng dinisenyo na sistema ng MIMO ay lumampas sa 9.98 dB.
Inihahambing ng Talahanayan 1 ang iminungkahing metasurface MIMO antenna sa kamakailang binuo na mga katulad na MIMO system. Isinasaalang-alang ng paghahambing ang iba't ibang mga parameter ng pagganap, kabilang ang bandwidth, nakuha, maximum na paghihiwalay, pangkalahatang kahusayan, at pagganap ng pagkakaiba-iba. Nagpakita ang mga mananaliksik ng iba't ibang mga prototype ng MIMO antenna na may mga diskarte sa pagpapahusay ng pakinabang at paghihiwalay sa 5, 44, 45, 46, 47. Kung ikukumpara sa mga naunang nai-publish na mga gawa, ang iminungkahing MIMO system na may mga metasurface reflector ay higit na gumaganap sa kanila sa mga tuntunin ng bandwidth, gain, at paghihiwalay. Bukod pa rito, kumpara sa mga katulad na antenna na iniulat, ang binuong MIMO system ay nagpapakita ng higit na mahusay na pagganap ng pagkakaiba-iba at pangkalahatang kahusayan sa mas maliit na sukat. Bagama't ang mga antenna na inilarawan sa Seksyon 5.46 ay may mas mataas na paghihiwalay kaysa sa aming mga iminungkahing antenna, ang mga antenna na ito ay dumaranas ng malaking sukat, mababang pakinabang, makitid na bandwidth, at mahinang pagganap ng MIMO. Ang 4-port na MIMO antenna na iminungkahi sa 45 ay nagpapakita ng mataas na pakinabang at kahusayan, ngunit ang disenyo nito ay may mababang paghihiwalay, malaking sukat, at mahinang pagganap ng pagkakaiba-iba. Sa kabilang banda, ang maliit na laki ng antenna system na iminungkahi sa 47 ay may napakababang gain at operating bandwidth, habang ang aming iminungkahing MS based na 4-port MIMO system ay nagpapakita ng maliit na sukat, mataas na nakuha, mataas na paghihiwalay at mas mahusay na pagganap ng MIMO. Kaya, ang iminungkahing metasurface MIMO antenna ay maaaring maging pangunahing contender para sa sub-6 GHz 5G na mga sistema ng komunikasyon.
Ang isang four-port metasurface reflector-based wideband MIMO antenna na may mataas na gain at isolation ay iminungkahi para suportahan ang mga 5G application na mas mababa sa 6 GHz. Ang linya ng microstrip ay nagpapakain ng isang parisukat na seksyon na nagliliwanag, na pinutol ng isang parisukat sa mga dayagonal na sulok. Ang iminungkahing MS at antenna emitter ay ipinatupad sa mga substrate na materyales na katulad ng Rogers RT5880 upang makamit ang mahusay na pagganap sa mga high-speed 5G na sistema ng komunikasyon. Nagtatampok ang MIMO antenna ng malawak na hanay at mataas na pakinabang, at nagbibigay ng tunog na paghihiwalay sa pagitan ng mga bahagi ng MIMO at mahusay na kahusayan. Ang binuo na solong antenna ay may maliit na sukat na 0.58?0.58?0.02? na may 5×5 metasurface array, nagbibigay ng malawak na 4.56 GHz operating bandwidth, 8 dBi peak gain at superior measured efficiency. Ang iminungkahing four-port MIMO antenna (2 × 2 array) ay idinisenyo sa pamamagitan ng orthogonal na pag-align sa bawat iminungkahing solong antenna sa isa pang antenna na may mga sukat na 1.05λ × 1.05λ × 0.02λ. Inirerekomenda na mag-assemble ng 10×10 MM array sa ilalim ng 12mm high MIMO antenna, na maaaring bawasan ang back-radiation at bawasan ang mutual coupling sa pagitan ng mga bahagi ng MIMO, at sa gayon ay mapahusay ang gain at isolation. Ipinapakita ng mga resulta ng eksperimento at simulation na ang binuong MIMO prototype ay maaaring gumana sa malawak na hanay ng frequency na 3.08–7.75 GHz, na sumasaklaw sa 5G spectrum sa ibaba 6 GHz. Bilang karagdagan, ang iminungkahing MS-based na MIMO antenna ay nagpapabuti sa nakuha nito sa pamamagitan ng 2.9 dBi, na nakakamit ng maximum na pakinabang na 8.3 dBi, at nagbibigay ng mahusay na paghihiwalay (>15.5 dB) sa pagitan ng mga bahagi ng MIMO, na nagpapatunay sa kontribusyon ng MS. Bilang karagdagan, ang iminungkahing MIMO antenna ay may mataas na average na pangkalahatang kahusayan na 82% at isang mababang inter-element na distansya na 22 mm. Ang antenna ay nagpapakita ng mahusay na pagganap ng pagkakaiba-iba ng MIMO kabilang ang napakataas na DG (mahigit sa 9.98 dB), napakababang ECC (mas mababa sa 0.004) at unidirectional radiation pattern. Ang mga resulta ng pagsukat ay halos kapareho sa mga resulta ng simulation. Kinukumpirma ng mga katangiang ito na ang binuong four-port na MIMO antenna system ay maaaring maging isang praktikal na pagpipilian para sa 5G na mga sistema ng komunikasyon sa sub-6 GHz frequency range.
Ang Cowin ay maaaring magbigay ng 400-6000MHz wideband PCB antenna, at sumusuporta sa disenyo ng bagong antenna ayon sa iyong pangangailangan, mangyaring makipag-ugnayan sa amin nang walang pag-aalinlangan kung mayroon kang anumang kahilingan.
Oras ng post: Okt-10-2024