Ushbu ish 6 gigagertsli beshinchi avlod (5G) simsiz aloqa tizimlari uchun ixcham o'rnatilgan ko'p kirishli ko'p chiqishli (MIMO) metasurface (MS) keng polosali antennani taklif qiladi. Taklif etilayotgan MIMO tizimining yaqqol yangiligi uning keng ish o'tkazish qobiliyati, yuqori daromadliligi, kichik komponentlararo klirensi va MIMO komponentlari ichida mukammal izolyatsiyasi hisoblanadi. Antennaning nurlanish nuqtasi diagonal ravishda kesilgan, qisman erga ulangan va antennaning ishlashini yaxshilash uchun metasurfaslardan foydalaniladi. Taklif etilayotgan prototip integratsiyalangan yagona MS antennasining miniatyura o'lchamlari 0,58l × 0,58l × 0,02l. Simulyatsiya va o'lchash natijalari 3,11 gigagertsdan 7,67 gigagertsgacha bo'lgan keng polosali ishlashni, shu jumladan 8 dBi erishilgan eng yuqori daromadni ko'rsatadi. To'rt elementli MIMO tizimi shunday yaratilganki, har bir antenna bir-biriga ortogonal bo'lib, ixcham o'lcham va 3,2 dan 7,6 gigagertsgacha keng polosali ishlashni saqlab qoladi. Taklif etilayotgan MIMO prototipi Rogers RT5880 substratida ishlab chiqilgan va ishlab chiqarilgan bo'lib, past yo'qotish va miniatyuralashtirilgan o'lchamlari 1,05? 1,05? 0,02?, va uning ishlashi 10 x 10 bo'lingan halqa bilan taklif qilingan kvadrat yopiq halqali rezonator massivi yordamida baholanadi. Asosiy material bir xil. Taklif etilgan orqa panelning metasurfasi antennaning orqa nurlanishini sezilarli darajada kamaytiradi va elektromagnit maydonlarni boshqaradi, shu bilan MIMO komponentlarining tarmoqli kengligi, daromadi va izolyatsiyasini yaxshilaydi. Mavjud MIMO antennalari bilan solishtirganda, tavsiya etilgan 4 portli MIMO antennasi 5G sub-6 gigagertsli diapazonda o'rtacha umumiy samaradorlik 82% gacha bo'lgan 8,3 dBi yuqori daromadga erishadi va o'lchangan natijalarga yaxshi mos keladi. Bundan tashqari, ishlab chiqilgan MIMO antennasi konvert korrelyatsiya koeffitsienti (ECC) 0,004 dan kam, xilma-xillik ortishi (DG) taxminan 10 dB (>9,98 dB) va MIMO komponentlari orasidagi yuqori izolyatsiya (>15,5 dB) bo'yicha mukammal ishlashni namoyish etadi. xususiyatlari. Shunday qilib, taklif qilingan MS asosidagi MIMO antennasi uning 6 gigagertsli 5G aloqa tarmoqlari uchun qo'llanilishini tasdiqlaydi.
5G texnologiyasi simsiz aloqa sohasidagi aql bovar qilmaydigan yutuq boʻlib, u milliardlab ulangan qurilmalar uchun tezroq va xavfsizroq tarmoqlarni yaratish imkonini beradi, foydalanuvchi tajribasini “nol” kechikish (1 millisekunddan kam kechikish) bilan taʼminlaydi va yangi texnologiyalarni, jumladan, elektronikani joriy qiladi. Tibbiy yordam, intellektual ta'lim. , aqlli shaharlar, aqlli uylar, virtual haqiqat (VR), aqlli zavodlar va transport vositalari interneti (IoV) hayotimizni, jamiyatimizni va sanoatimizni o‘zgartirmoqda1,2,3. AQSh Federal Aloqa Komissiyasi (FCC) 5G spektrini to'rt chastota diapazoniga ajratadi4. 6 gigagertsdan past chastota diapazoni tadqiqotchilarni qiziqtiradi, chunki u yuqori ma'lumot uzatish tezligi bilan uzoq masofali aloqalarni amalga oshirish imkonini beradi5,6. Global 5G aloqasi uchun 6 gigagertsdan past 5G spektrini taqsimlash 1-rasmda ko'rsatilgan, bu barcha mamlakatlar 5G aloqasi uchun 6 gigagertsdan kichik spektrni ko'rib chiqayotganini ko'rsatadi7,8. Antennalar 5G tarmoqlarining muhim qismi bo‘lib, ko‘proq tayanch stansiya va foydalanuvchi terminali antennalarini talab qiladi.
Microstrip patch antennalari nozik va tekis strukturaning afzalliklariga ega, lekin tarmoqli kengligi va daromadi9,10 bilan cheklangan, shuning uchun antennaning daromad va tarmoqli kengligini oshirish uchun juda ko'p tadqiqotlar olib borildi; So'nggi yillarda metasurfaces (MS) antenna texnologiyalarida, ayniqsa daromad va o'tkazuvchanlikni yaxshilash uchun keng qo'llanilmoqda11,12, ammo bu antennalar bitta port bilan cheklangan; MIMO texnologiyasi simsiz aloqaning muhim jihati hisoblanadi, chunki u ma'lumotlarni uzatish uchun bir vaqtning o'zida bir nechta antennalardan foydalanishi mumkin va shu bilan ma'lumotlar tezligi, spektral samaradorlik, kanal sig'imi va ishonchliligini oshiradi13,14,15. MIMO antennalari 5G ilovalari uchun potentsial nomzodlardir, chunki ular qo'shimcha quvvat talab qilmasdan ma'lumotlarni bir nechta kanallar orqali uzatishi va qabul qilishi mumkin16,17. MIMO komponentlari o'rtasidagi o'zaro bog'lanish effekti MIMO elementlarining joylashishiga va MIMO antennasining daromadiga bog'liq bo'lib, tadqiqotchilar uchun katta muammo hisoblanadi. 18, 19 va 20-rasmlarda 5G sub-6 gigagertsli diapazonda ishlaydigan turli MIMO antennalari ko'rsatilgan, ularning barchasi yaxshi MIMO izolyatsiyasi va ishlashini namoyish etadi. Biroq, ushbu tavsiya etilgan tizimlarning daromadi va ish o'tkazish qobiliyati past.
Metamateriallar (MM) tabiatda mavjud bo'lmagan va elektromagnit to'lqinlarni boshqarishi mumkin bo'lgan yangi materiallar bo'lib, antennalarning ish faoliyatini yaxshilaydi21,22,23,24. MM hozirda 25, 26, 27, 28 da muhokama qilinganidek, antenna elementlari va simsiz aloqa tizimlari o'rtasidagi radiatsiya naqshini, tarmoqli kengligini, daromadini va izolyatsiyasini yaxshilash uchun antenna texnologiyasida keng qo'llaniladi. 2029 yilda to'rt elementli MIMO tizimi metasurface, bunda antenna bo'limi havo bo'shlig'isiz metasurface va yer o'rtasida joylashgan bo'lib, bu MIMO ish faoliyatini yaxshilaydi. Biroq, bu dizayn kattaroq hajmga, past ish chastotasiga va murakkab tuzilishga ega. MIMO30 komponentlarining izolyatsiyasini yaxshilash uchun taklif qilingan 2 portli keng polosali MIMO antennasiga elektromagnit tarmoqli oralig'i (EBG) va tuproqli halqa kiritilgan. Dizaynlangan antenna MIMO xilma-xilligining yaxshi ishlashi va ikkita MIMO antennasi o'rtasida mukammal izolyatsiyaga ega, ammo faqat ikkita MIMO komponentidan foydalangan holda daromad past bo'ladi. Bundan tashqari, in31, shuningdek, ultra keng polosali (UWB) ikki portli MIMO antennasini taklif qildi va metamateriallar yordamida uning MIMO ishlashini tekshirdi. Ushbu antenna UWB ishlashiga qodir bo'lsa-da, uning daromadi past va ikkita antenna orasidagi izolyatsiya yomon. Ish in32 daromadni oshirish uchun elektromagnit tarmoqli oralig'i (EBG) reflektorlaridan foydalanadigan 2 portli MIMO tizimini taklif qiladi. Ishlab chiqilgan antenna majmuasi yuqori daromad va yaxshi MIMO xilma-xillik ko'rsatkichlariga ega bo'lsa-da, uning katta o'lchamlari keyingi avlod aloqa qurilmalarida qo'llashni qiyinlashtiradi. Yana bir reflektorga asoslangan keng polosali antenna 33-yilda ishlab chiqilgan bo'lib, bu erda reflektor 22 mm kattaroq bo'shliqqa ega bo'lgan antenna ostiga o'rnatilgan bo'lib, 4,87 dB pastroq cho'qqisini ko'rsatdi. 34-qog'oz mmWave ilovalari uchun to'rt portli MIMO antennasini ishlab chiqadi, u MIMO tizimining izolyatsiyasi va daromadini yaxshilash uchun MS qatlami bilan birlashtirilgan. Biroq, bu antenna yaxshi daromad va izolyatsiyani ta'minlaydi, lekin katta havo bo'shlig'i tufayli cheklangan tarmoqli kengligi va yomon mexanik xususiyatlarga ega. Xuddi shunday, 2015-yilda mmWave aloqasi uchun maksimal 7,4 dBi daromadli uch juft, 4 portli kamon shaklidagi metasurface-integratsiyalangan MIMO antennasi ishlab chiqilgan. B36 MS antenna daromadini oshirish uchun 5G antennasining orqa tomonida ishlatiladi, bu erda metasurface reflektor vazifasini bajaradi. Biroq, MS tuzilishi assimetrik bo'lib, birlik hujayra tuzilishiga kamroq e'tibor berilgan.
Yuqoridagi tahlil natijalariga ko'ra, yuqoridagi antennalarning hech biri yuqori daromadga, mukammal izolyatsiyaga, MIMO ishlashiga va keng polosali qamrovga ega emas. Shu sababli, yuqori daromad va izolyatsiya bilan 6 gigagertsdan past bo'lgan 5G spektr chastotalarining keng doirasini qamrab oladigan metasurface MIMO antennasiga ehtiyoj hali ham mavjud. Yuqorida aytib o'tilgan adabiyotlarning cheklovlarini hisobga olgan holda, sub-6 GHz simsiz aloqa tizimlari uchun yuqori daromadli va mukammal xilma-xillik ko'rsatkichlariga ega bo'lgan keng polosali to'rt elementli MIMO antenna tizimi taklif etiladi. Bundan tashqari, tavsiya etilgan MIMO antennasi MIMO komponentlari, kichik elementlar bo'shliqlari va yuqori radiatsiya samaradorligi o'rtasida ajoyib izolyatsiyani namoyish etadi. Antenna yamog'i diagonal ravishda kesiladi va 12 mm havo bo'shlig'i bilan metasurface tepasiga joylashtiriladi, bu antennadan orqa nurlanishni aks ettiradi va antennaning daromadi va yo'nalishini yaxshilaydi. Bundan tashqari, taklif qilingan yagona antenna har bir antennani bir-biriga ortogonal joylashtirish orqali yuqori MIMO ishlashiga ega to'rt elementli MIMO antennasini yaratish uchun ishlatiladi. Keyinchalik ishlab chiqilgan MIMO antennasi emissiya ishlashini yaxshilash uchun 10 × 10 MS massivining ustiga mis orqa panel bilan birlashtirildi. Dizayn keng ish diapazoni (3,08-7,75 gigagertsli), 8,3 dBi yuqori daromad va 82% yuqori o'rtacha umumiy samaradorlik, shuningdek, MIMO antenna komponentlari o'rtasida -15,5 dB dan ortiq ajoyib izolyatsiyani o'z ichiga oladi. MS asosida ishlab chiqilgan MIMO antennasi CST Studio 2019 3D elektromagnit dasturiy paketi yordamida simulyatsiya qilingan va eksperimental tadqiqotlar orqali tasdiqlangan.
Ushbu bo'lim taklif qilingan arxitektura va yagona antennani loyihalash metodologiyasi haqida batafsil ma'lumot beradi. Bundan tashqari, simulyatsiya qilingan va kuzatilgan natijalar, jumladan, tarqalish parametrlari, daromad va umumiy samaradorlik bilan va metasurfassiz batafsil muhokama qilinadi. Antennaning prototipi Rogers 5880 past yo'qotish dielektrik substratida 1,575 mm qalinlikdagi dielektrik o'tkazuvchanligi 2,2 bo'lgan holda ishlab chiqilgan. Dizaynni ishlab chiqish va simulyatsiya qilish uchun CST studio 2019 elektromagnit simulyator to'plami ishlatilgan.
2-rasmda bitta elementli antennaning taklif qilingan arxitekturasi va dizayn modeli ko'rsatilgan. Yaxshi tashkil etilgan matematik tenglamalarga37 ko'ra, antenna chiziqli oziqlangan kvadrat nurlanish nuqtasi va mis tuproq tekisligidan iborat (1-bosqichda tasvirlanganidek) va 3b-rasmda ko'rsatilganidek, 10,8 GGts chastotada juda tor tarmoqli kengligi bilan rezonanslashadi. Antenna radiatorining boshlang'ich o'lchami quyidagi matematik munosabat bilan aniqlanadi37:
Bu erda \(P_{L}\) va \(P_{w}\) yamoqning uzunligi va kengligi, c yorug'lik tezligini, \(\gamma_{r}\) substratning dielektrik o'tkazuvchanligini bildiradi. . , \(\gamma_{reff }\) nurlanish nuqtasining samarali dielektrik qiymatini, \(\Delta L\) nuqta uzunligining oʻzgarishini ifodalaydi. Antennaning orqa paneli ikkinchi bosqichda optimallashtirildi, 10 dB bo'lgan juda past empedans tarmoqli kengligiga qaramay, empedans tarmoqli kengligi oshirildi. Uchinchi bosqichda oziqlantiruvchi pozitsiyasi o'ngga siljiydi, bu esa taklif qilingan antennaning impedans tarmoqli kengligi va empedans mosligini yaxshilaydi38. Ushbu bosqichda antenna 4 gigagertsli ajoyib ish o'tkazish qobiliyatini namoyish etadi va 5Gda 6 gigagertsdan past bo'lgan spektrni ham qamrab oladi. To'rtinchi va oxirgi bosqich radiatsiya joyining qarama-qarshi burchaklarida kvadrat oluklarni o'rnatishni o'z ichiga oladi. Ushbu slot 3b-rasmda ko'rsatilganidek, 4,56 gigagertsli tarmoqli kengligini sezilarli darajada kengaytiradi va 6 gigagertsli 5G spektrini 3,11 gigagertsdan 7,67 gigagertsgacha qamrab oladi. Taklif etilayotgan dizaynning old va pastki istiqbolli ko'rinishlari 3a-rasmda ko'rsatilgan va yakuniy optimallashtirilgan zarur dizayn parametrlari quyidagicha: 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) Yagona ishlab chiqilgan antennaning yuqori va orqa ko‘rinishi (CST STUDIO SUITE 2019). (b) S-parametr egri chizig'i.
Metasurface - bu bir-biridan ma'lum masofada joylashgan birlik hujayralarning davriy qatoriga ishora qiluvchi atama. Metasurfaces antenna radiatsiya ish faoliyatini yaxshilashning samarali usuli hisoblanadi, jumladan, tarmoqli kengligi, daromad va MIMO komponentlari orasidagi izolyatsiya. Yuzaki to'lqin tarqalishining ta'siri tufayli metasurfaslar antennaning ishlashini yaxshilashga hissa qo'shadigan qo'shimcha rezonanslarni hosil qiladi39. Ushbu ish 6 gigagertsdan past 5G diapazonida ishlaydigan epsilon-salbiy metamaterial (MM) birligini taklif qiladi. Sirt maydoni 8 mm × 8 mm bo'lgan MM dielektrik o'tkazuvchanligi 2,2 va qalinligi 1,575 mm bo'lgan kam yo'qotilgan Rogers 5880 substratida ishlab chiqilgan. Optimallashtirilgan MM rezonator patchi 4a-rasmda ko'rsatilganidek, ikkita o'zgartirilgan tashqi bo'linish halqalariga ulangan ichki dumaloq bo'linish halqasidan iborat. 4a-rasmda tavsiya etilgan MM o'rnatishning yakuniy optimallashtirilgan parametrlari jamlangan. Keyinchalik, 40 × 40 mm va 80 × 80 mm o'lchamdagi metasurface qatlamlari mos ravishda 5 × 5 va 10 × 10 hujayra massivlaridan foydalangan holda mis orqa panelsiz va mis orqa panel bilan ishlab chiqilgan. Taklif etilayotgan MM strukturasi “CST studio suite 2019” 3D elektromagnit modellashtirish dasturi yordamida modellashtirilgan. Haqiqiy javobni tahlil qilish orqali CST simulyatsiyasi natijalarini tasdiqlash uchun tavsiya etilgan MM massiv strukturasi va o'lchov sozlamalari (ikki portli tarmoq analizatori PNA va to'lqin o'tkazgich porti)ning ishlab chiqarilgan prototipi 4b-rasmda ko'rsatilgan. O'lchovni sozlashda signallarni yuborish va qabul qilish uchun ikkita to'lqin qo'llanmasi koaksial adapterlari (A-INFOMW, qism raqami: 187WCAS) bilan birgalikda Agilent PNA seriyali tarmoq analizatoridan foydalanildi. 5×5 prototipli massiv ikki portli tarmoq analizatoriga (Agilent PNA N5227A) koaksial kabel orqali ulangan ikkita to'lqinli koaksiyal adapter orasiga joylashtirildi. Agilent N4694-60001 kalibrlash to'plami tajriba zavodida tarmoq analizatorini kalibrlash uchun ishlatiladi. Taklif etilgan prototip MM massivining simulyatsiya qilingan va CST kuzatilgan tarqalish parametrlari 5a-rasmda ko'rsatilgan. Ko'rinib turibdiki, tavsiya etilgan MM strukturasi 6 gigagertsdan past bo'lgan 5G chastota diapazonida aks sado beradi. 10 dB tarmoqli kengligidagi kichik farqga qaramay, simulyatsiya qilingan va eksperimental natijalar juda o'xshash. Kuzatilgan rezonansning rezonans chastotasi, tarmoqli kengligi va amplitudasi 5a-rasmda ko'rsatilganidek, simulyatsiya qilinganlardan bir oz farq qiladi. Kuzatilgan va simulyatsiya qilingan natijalar o'rtasidagi bu farqlar ishlab chiqarishdagi kamchiliklar, prototip va to'lqin o'tkazgich portlari orasidagi kichik bo'shliqlar, to'lqin o'tkazgich portlari va massiv komponentlari o'rtasidagi bog'lanish effektlari va o'lchov bardoshliklari bilan bog'liq. Bundan tashqari, ishlab chiqilgan prototipni eksperimental o'rnatishda to'lqin uzatuvchi portlar orasiga to'g'ri joylashtirish rezonans siljishiga olib kelishi mumkin. Bundan tashqari, kalibrlash bosqichida kiruvchi shovqin kuzatildi, bu esa raqamli va o'lchangan natijalar o'rtasidagi nomuvofiqliklarga olib keldi. Biroq, ushbu qiyinchiliklardan tashqari, tavsiya etilgan MM massiv prototipi simulyatsiya va eksperiment o'rtasidagi kuchli bog'liqlik tufayli yaxshi ishlaydi va uni 6 gigagertsli 5G simsiz aloqa ilovalari uchun juda mos keladi.
(a) Birlik katak geometriyasi (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 o‘lchash moslamasining surati.
(a) metamaterial prototipining tarqalish parametrlarining egri chiziqlarini simulyatsiya qilish va tekshirish. (b) MM birlik hujayraning dielektrik doimiy egri chizig'i.
Samarali dielektrik o'tkazuvchanlik, magnit o'tkazuvchanlik va sinishi indeksi kabi tegishli samarali parametrlar MM birlik hujayrasining xatti-harakatlarini yanada tahlil qilish uchun CST elektromagnit simulyatorining o'rnatilgan keyingi ishlov berish usullaridan foydalangan holda o'rganildi. Samarali MM parametrlari mustahkam rekonstruksiya usuli yordamida tarqalish parametrlaridan olinadi. Quyidagi o'tkazuvchanlik va aks ettirish koeffitsienti tenglamalari: (3) va (4) sinishi ko'rsatkichi va impedansni aniqlash uchun ishlatilishi mumkin (40 ga qarang).
Operatorning haqiqiy va xayoliy qismlari mos ravishda (.)' va (.)” bilan ifodalanadi va m butun qiymati haqiqiy sindirish ko'rsatkichiga mos keladi. Dielektrik o'tkazuvchanlik va o'tkazuvchanlik mos ravishda impedans va sinishi indeksiga asoslangan \(\varepsilon { } = { }n/z,\) va \(\mu = nz\) formulalari bilan aniqlanadi. MM strukturasining samarali dielektrik doimiy egri chizig'i 5b-rasmda ko'rsatilgan. Rezonans chastotasida samarali dielektrik o'tkazuvchanlik manfiydir. 6a, b-rasmlarda taklif qilingan hujayraning samarali o'tkazuvchanligi (m) va samarali sinishi indeksining (n) olingan qiymatlari ko'rsatilgan. Shunisi e'tiborga loyiqki, olingan o'tkazuvchanlik nolga yaqin ijobiy haqiqiy qiymatlarni namoyish etadi, bu taklif qilingan MM tuzilishining epsilon-salbiy (ENG) xususiyatlarini tasdiqlaydi. Bundan tashqari, 6a-rasmda ko'rsatilganidek, nolga yaqin o'tkazuvchanlikdagi rezonans rezonans chastotasi bilan kuchli bog'liqdir. Ishlab chiqilgan birlik xujayrasi salbiy sinishi indeksiga ega (6b-rasm), ya'ni taklif qilingan MM antennaning ishlashini yaxshilash uchun ishlatilishi mumkin21,41.
Yagona keng polosali antennaning ishlab chiqilgan prototipi taklif qilingan dizaynni eksperimental ravishda sinab ko'rish uchun ishlab chiqilgan. 7a, b-rasmlarda taklif etilayotgan yagona antenna prototipi, uning strukturaviy qismlari va yaqin maydonda o'lchash sozlamalari (SATIMO) tasvirlari ko'rsatilgan. Antennaning ishlashini yaxshilash uchun ishlab chiqilgan metasurface 8a-rasmda ko'rsatilganidek, h balandligi bilan antenna ostidagi qatlamlarga joylashtiriladi. Yagona antennaning orqa tomoniga 12 mm oraliqda bitta 40 mm x 40 mm ikki qavatli metasurat qo'llanilgan. Bundan tashqari, bitta antennaning orqa tomoniga 12 mm masofada orqa panelli metasurface joylashtirilgan. Metasurface qo'llanilgandan so'ng, bitta antenna 1 va 2-rasmlarda ko'rsatilganidek, ishlashning sezilarli yaxshilanishini ko'rsatadi. 8 va 9-rasmlar. 8b-rasmda metasurfacesiz va bitta antenna uchun simulyatsiya qilingan va o'lchangan aks ettirish sxemalari ko'rsatilgan. Shuni ta'kidlash kerakki, antennaning metasurfasi bo'lgan qamrov zonasi metasurfasi bo'lmagan antennaning qamrov zonasiga juda o'xshaydi. Shakllar 9a, b taqlid qilingan va kuzatilgan yagona antenna daromadi va operatsion spektrdagi MSsiz va umumiy samaradorlikni taqqoslashni ko'rsatadi. Ko'rinib turibdiki, metasurface bo'lmagan antenna bilan solishtirganda, metasurface antennasining daromadi sezilarli darajada yaxshilangan va 5,15 dBi dan 8 dBi gacha ko'tarilgan. Bir qavatli metasurface, ikki qavatli metasurface va orqa panelli metasurfali bitta antennaning daromadi mos ravishda 6 dBi, 6,9 dBi va 8 dBi ga oshdi. Boshqa metasurfaslar (bir qatlamli va ikki qavatli MC) bilan solishtirganda, mis orqa panelli bitta metasurface antennasining daromadi 8 dBi gacha. Bunday holda, metasurface reflektor rolini o'ynaydi, antennaning orqa nurlanishini kamaytiradi va elektromagnit to'lqinlarni fazada boshqaradi, shu bilan antennaning radiatsiya samaradorligini va shuning uchun daromadni oshiradi. Metasuratlarsiz va metasuratlarsiz bitta antennaning umumiy samaradorligini o'rganish 9b-rasmda ko'rsatilgan. Shunisi e'tiborga loyiqki, antennaning metasurfasi bo'lgan va bo'lmagan samaradorligi deyarli bir xil. Pastki chastota diapazonida antennaning samaradorligi biroz pasayadi. Eksperimental va simulyatsiya qilingan daromad va samaradorlik egri chiziqlari yaxshi mos keladi. Biroq, ishlab chiqarishdagi nuqsonlar, o'lchov bardoshliklari, SMA port ulanishining yo'qolishi va sim yo'qolishi tufayli simulyatsiya qilingan va sinovdan o'tgan natijalar o'rtasida ozgina farqlar mavjud. Bundan tashqari, antenna va MS reflektori neylon ajratgichlar orasida joylashgan bo'lib, bu simulyatsiya natijalari bilan solishtirganda kuzatilgan natijalarga ta'sir qiladigan yana bir muammodir.
(a) rasmda tugallangan bitta antenna va unga bog'liq komponentlar ko'rsatilgan. (b) Yaqin maydonda o'lchashni sozlash (SATIMO).
(a) metasurface reflektorlar yordamida antenna qo'zg'alishi (CST STUDIO SUITE 2019). (b) MSsiz va bitta antennaning simulyatsiya qilingan va eksperimental aks ettirishlari.
Simulyatsiya va o'lchash natijalari (a) erishilgan daromad va (b) tavsiya etilgan metasurface effekti antennasining umumiy samaradorligi.
MS yordamida nur naqshini tahlil qilish. Yagona antennali yaqin maydon o'lchovlari UKM SATIMO yaqin maydon tizimlari laboratoriyasining SATIMO yaqin eksperimental muhitida amalga oshirildi. Shakllar 10a, b MS bilan va bo'lmagan taklif qilingan yagona antenna uchun 5,5 gigagertsli chastotada simulyatsiya qilingan va kuzatilgan E-tekislik va H-tekislik radiatsiya naqshlarini ko'rsatadi. Ishlab chiqilgan yagona antenna (MSsiz) yon lob qiymatlari bilan izchil ikki tomonlama radiatsiya naqshini ta'minlaydi. Taklif etilgan MS reflektorini qo'llaganingizdan so'ng, antenna bir tomonlama radiatsiya naqshini ta'minlaydi va 10a, b-rasmlarda ko'rsatilganidek, orqa loblar darajasini pasaytiradi. Shuni ta'kidlash kerakki, taklif qilingan yagona antenna radiatsiya sxemasi mis orqa panelli metasurfacedan foydalanganda juda past orqa va yon bo'laklari bilan yanada barqaror va bir tomonlama. Taklif etilgan MM massiv reflektori antennaning orqa va yon qismlarini qisqartiradi, shu bilan birga oqimni bir tomonlama yo'nalishlarga yo'naltirish orqali radiatsiya ish faoliyatini yaxshilaydi (10a-rasm, b), shu bilan daromad va yo'nalishni oshiradi. Tajribaviy nurlanish sxemasi CST simulyatsiyasi bilan deyarli taqqoslanganligi, lekin turli yig'ilgan komponentlarning noto'g'ri joylashishi, o'lchov bardoshliklari va kabel yo'qotishlari tufayli biroz o'zgarganligi kuzatildi. Bundan tashqari, antenna va MS reflektor o'rtasida neylon spacer o'rnatildi, bu raqamli natijalar bilan solishtirganda kuzatilgan natijalarga ta'sir qiluvchi yana bir muammodir.
5,5 gigagertsli chastotada ishlab chiqilgan yagona antennaning (MSsiz va MS bilan) radiatsiya sxemasi simulyatsiya qilindi va sinovdan o'tkazildi.
Tavsiya etilgan MIMO antenna geometriyasi 11-rasmda ko'rsatilgan va to'rtta bitta antennani o'z ichiga oladi. MIMO antennasining to'rtta komponenti 11-rasmda ko'rsatilganidek, o'lchamlari 80 × 80 × 1,575 mm bo'lgan substratda bir-biriga ortogonal tarzda joylashtirilgan. Dizaynlangan MIMO antennasi elementlar orasidagi masofa 22 mm bo'lib, bu antennadan kichikroqdir. antennaning eng yaqin mos keladigan elementlararo masofasi. MIMO antennasi ishlab chiqildi. Bundan tashqari, er tekisligining bir qismi bitta antenna bilan bir xil tarzda joylashgan. 12a-rasmda ko'rsatilgan MIMO antennalarining (S11, S22, S33 va S44) aks ettirish qiymatlari 3,2-7,6 gigagertsli diapazonda aks sado beruvchi bitta elementli antenna bilan bir xil harakatni namoyish etadi. Shuning uchun, MIMO antennasining impedans tarmoqli kengligi bitta antenna bilan bir xil. MIMO komponentlari orasidagi bog'lanish effekti MIMO antennalarining kichik tarmoqli kengligi yo'qolishining asosiy sababidir. 12b-rasmda MIMO komponentlariga o'zaro ulanishning ta'siri ko'rsatilgan, bu erda MIMO komponentlari orasidagi optimal izolyatsiya aniqlangan. 1 va 2-antennalar orasidagi izolyatsiya eng past -13,6 dB atrofida, 1 va 4-antennalar orasidagi izolyatsiya esa eng yuqori -30,4 dB atrofida. Kichik o'lchamlari va kengroq tarmoqli kengligi tufayli ushbu MIMO antennasi kamroq daromad va past o'tkazuvchanlikka ega. Izolyatsiya past, shuning uchun kuchaytirish va izolyatsiyani kuchaytirish kerak;
Taklif etilayotgan MIMO antennasining dizayn mexanizmi (a) yuqori ko'rinish va (b) yer tekisligi. (CST Studio Suite 2019).
Tavsiya etilgan metasurface MIMO antennasining geometrik joylashuvi va qo'zg'alish usuli 13a-rasmda ko'rsatilgan. 13a-rasmda ko'rsatilganidek, 80x80x1,575 mm o'lchamdagi 10x10 mm matritsa 12 mm balandlikdagi MIMO antennasining orqa tomoni uchun mo'ljallangan. Bundan tashqari, mis orqa panelli metasurfaslar MIMO antennalarida ishlashni yaxshilash uchun foydalanish uchun mo'ljallangan. Metasurface va MIMO antennasi o'rtasidagi masofa antenna tomonidan yaratilgan to'lqinlar va metasurfacedan aks ettirilgan to'lqinlar o'rtasida konstruktiv aralashuvga yo'l qo'yib, yuqori daromadga erishish uchun juda muhimdir. MIMO elementlari orasidagi maksimal daromad va izolyatsiya uchun chorak to'lqin standartlarini saqlab, antenna va metasurface orasidagi balandlikni optimallashtirish uchun keng qamrovli modellashtirish amalga oshirildi. MIMO antennasining ishlashidagi sezilarli yaxshilanishlar orqa panelsiz metasurfaces bilan solishtirganda orqa panelli metasurfaces yordamida erishilgan keyingi boblarda namoyish etiladi.
(a) MS (CST STUDIO SUITE 2019) yordamida tavsiya etilgan MIMO antennasining CST simulyatsiyasini sozlash, (b) MS va MS bilan ishlab chiqilgan MIMO tizimining aks ettirish egri chiziqlari.
MIMO antennalarining metasuratlari bo'lgan va bo'lmagan aks ettirishlari 13b-rasmda ko'rsatilgan, bu erda S11 va S44 MIMO tizimidagi barcha antennalarning deyarli bir xil harakati tufayli taqdim etilgan. Shunisi e'tiborga loyiqki, MIMO antennasining -10 dB impedansli tarmoqli kengligi bitta metasurfasiz va deyarli bir xil. Bundan farqli o'laroq, taklif qilingan MIMO antennasining impedans tarmoqli kengligi ikki qatlamli MS va orqa panelli MS tomonidan yaxshilanadi. Shunisi e'tiborga loyiqki, MSsiz MIMO antennasi markaziy chastotaga nisbatan 81,5% (3,2-7,6 gigagertsli) fraksiyonel tarmoqli kengligini ta'minlaydi. MSni orqa panel bilan integratsiyalash tavsiya etilgan MIMO antennasining impedans tarmoqli kengligini 86,3% ga (3,08-7,75 GGts) oshiradi. Ikki qatlamli MS o'tkazish qobiliyatini oshirsa-da, yaxshilanish mis orqa panelli MSga qaraganda kamroq. Bundan tashqari, ikki qatlamli MC antennaning hajmini oshiradi, uning narxini oshiradi va diapazonini cheklaydi. Loyihalashtirilgan MIMO antennasi va metasurface reflektori simulyatsiya natijalarini tasdiqlash va haqiqiy ishlashni baholash uchun ishlab chiqilgan va tasdiqlangan. 14a-rasmda ishlab chiqarilgan MS qatlami va turli komponentlar yig'ilgan MIMO antennasi ko'rsatilgan, 14b-rasmda ishlab chiqilgan MIMO tizimining fotosurati ko'rsatilgan. MIMO antennasi 14b-rasmda ko'rsatilganidek, to'rtta neylon bo'shliq yordamida metasurface ustiga o'rnatiladi. 15a-rasmda ishlab chiqilgan MIMO antenna tizimining yaqin daladagi eksperimental o'rnatilishining surati ko'rsatilgan. PNA tarmoq analizatori (Agilent Technologies PNA N5227A) UKM SATIMO yaqin maydon tizimlari laboratoriyasida tarqalish parametrlarini baholash va yaqin maydon emissiya xususiyatlarini baholash va tavsiflash uchun ishlatilgan.
(a) SATIMO yaqin maydon oʻlchovlari fotosuratlari (b) S11 MIMO antennasining MSli va MSsiz simulyatsiya qilingan va eksperimental egri chiziqlari.
Ushbu bo'lim tavsiya etilgan 5G MIMO antennasining simulyatsiya qilingan va kuzatilgan S-parametrlarini qiyosiy o'rganishni taqdim etadi. 15b-rasmda o'rnatilgan 4 elementli MIMO MS antennasining eksperimental aks ettirish sxemasi ko'rsatilgan va uni CST simulyatsiyasi natijalari bilan taqqoslagan. Eksperimental aks ettirishlar CST hisob-kitoblari bilan bir xil ekanligi aniqlandi, ammo ishlab chiqarish nuqsonlari va eksperimental bardoshlik tufayli bir oz farq qildi. Bundan tashqari, tavsiya etilgan MS-asosidagi MIMO prototipining kuzatilgan aks etishi 6 gigagertsdan past bo'lgan 5G spektrini 4,8 gigagertsli impedans tarmoqli kengligi bilan qamrab oladi, ya'ni 5G ilovalari mumkin. Biroq, o'lchangan rezonans chastotasi, tarmoqli kengligi va amplitudasi CST simulyatsiyasi natijalaridan biroz farq qiladi. Ishlab chiqarishdagi nuqsonlar, koaks-SMA ulanishining yo'qolishi va tashqi o'lchov sozlamalari o'lchangan va simulyatsiya qilingan natijalar o'rtasidagi farqlarga olib kelishi mumkin. Biroq, ushbu kamchiliklarga qaramay, tavsiya etilgan MIMO yaxshi ishlaydi, simulyatsiyalar va o'lchovlar o'rtasida mustahkam kelishuvni ta'minlaydi va uni 6 gigagertsli 5G simsiz ilovalari uchun juda mos keladi.
Simulyatsiya qilingan va kuzatilgan MIMO antennasining kuchayishi egri chiziqlari 2 va 2-rasmlarda ko'rsatilgan. 16a,b va 17a,b-rasmlarda ko'rsatilganidek, mos ravishda MIMO komponentlarining o'zaro o'zaro ta'siri ko'rsatilgan. MIMO antennalariga metasurfaslar qo'llanilganda, MIMO antennalari orasidagi izolyatsiya sezilarli darajada yaxshilanadi. S12, S14, S23 va S34 qo'shni antenna elementlari orasidagi izolyatsiya chizmalarida o'xshash egri chiziqlar ko'rsatilgan, diagonal MIMO antennalari S13 va S42 esa ular orasidagi masofa kattaroq bo'lgani uchun xuddi shunday yuqori izolyatsiyani ko'rsatadi. Qo'shni antennalarning simulyatsiya qilingan uzatish xususiyatlari 16a-rasmda ko'rsatilgan. Shuni ta'kidlash kerakki, 6 gigagertsli chastotadan past bo'lgan 5G ish spektrida MIMO antennasining minimal izolyatsiyasi metasuratsiz -13,6 dB, orqa panelli metasurfa uchun esa 15,5 dB ni tashkil qiladi. Daromad grafigi (16a-rasm) shuni ko'rsatadiki, orqa panel metasurfasi bir va ikki qavatli metasurfaslarga nisbatan MIMO antenna elementlari orasidagi izolyatsiyani sezilarli darajada yaxshilaydi. Qo'shni antenna elementlarida bir va ikki qavatli metasuratlar taxminan -13,68 dB va -14,78 dB minimal izolyatsiyani ta'minlaydi va mis orqa panelli metasurfa taxminan -15,5 dB ni ta'minlaydi.
MS qatlamisiz va MS qatlami bilan MIMO elementlarining simulyatsiya qilingan izolyatsiyalash egri chiziqlari: (a) S12, S14, S34 va S32 va (b) S13 va S24.
Taklif etilayotgan MS-asosidagi MIMO antennalarining eksperimental daromad egri chiziqlari: (a) S12, S14, S34 va S32 va (b) S13 va S24.
MIMO diagonali antennasining MS qatlamini qo'shishdan oldin va keyin daromad olish sxemalari 16b-rasmda ko'rsatilgan. Shunisi e'tiborga loyiqki, metasuratsiz diagonal antennalar (1 va 3-antennalar) o'rtasidagi minimal izolyatsiya ish spektri bo'ylab - 15,6 dB va orqa panelli metasurfa - 18 dB. Metasurface yondashuvi diagonal MIMO antennalari orasidagi ulanish effektlarini sezilarli darajada kamaytiradi. Bir qavatli metasurfa uchun maksimal izolyatsiya -37 dB ni tashkil qiladi, ikki qavatli metasurfa uchun esa bu qiymat -47 dB ga tushadi. Meta sirtining mis orqa paneli bilan maksimal izolyatsiyasi -36,2 dB ni tashkil qiladi, bu chastota diapazoni ortishi bilan kamayadi. Orqa paneli bo'lmagan bir va ikki qavatli metasurfaslar bilan solishtirganda, orqa panelli metasurfacelar barcha kerakli ish chastotalari diapazonida, ayniqsa 6 GGts dan past bo'lgan 5G diapazonida, 16a, b-rasmlarda ko'rsatilganidek, yuqori izolyatsiyani ta'minlaydi. 6 gigagertsli (3,5 gigagertsli) dan past bo'lgan eng mashhur va keng qo'llaniladigan 5G diapazonida bitta va ikki qavatli metasuratlar MIMO komponentlari o'rtasida mis orqa panelli (deyarli MS mavjud) metasirtlarga qaraganda kamroq izolyatsiyaga ega (16a-rasmga qarang), b). Daromad o'lchovlari mos ravishda qo'shni antennalar (S12, S14, S34 va S32) va diagonal antennalar (S24 va S13) izolyatsiyasini ko'rsatadigan 17a, b-rasmlarda ko'rsatilgan. Ushbu raqamlardan ko'rinib turibdiki (17a, b-rasm), MIMO komponentlari orasidagi eksperimental izolyatsiya simulyatsiya qilingan izolyatsiyaga yaxshi mos keladi. Ishlab chiqarishdagi nuqsonlar, SMA port ulanishlari va sim yo'qotishlari tufayli simulyatsiya qilingan va o'lchangan CST qiymatlari o'rtasida kichik farqlar mavjud bo'lsa-da. Bundan tashqari, antenna va MS reflektori neylon ajratgichlar orasida joylashgan bo'lib, bu simulyatsiya natijalari bilan solishtirganda kuzatilgan natijalarga ta'sir qiladigan yana bir muammodir.
sirt toʻlqinini bostirish orqali oʻzaro bogʻlanishni kamaytirishda metasirtlarning rolini ratsionalizatsiya qilish uchun 5,5 gigagertsli sirt oqimining taqsimlanishini oʻrgandi42. Taklif etilgan MIMO antennasining sirt oqimining taqsimlanishi 18-rasmda ko'rsatilgan, bu erda 1-antenna boshqariladi va antennaning qolgan qismi 50 ohm yuk bilan tugatiladi. 1-antennaga quvvat berilganda, 18a-rasmda ko'rsatilganidek, metasurat bo'lmaganda 5,5 gigagertsli chastotada qo'shni antennalarda sezilarli o'zaro bog'lanish oqimlari paydo bo'ladi. Aksincha, 18b-d-rasmda ko'rsatilganidek, metasurfacesdan foydalanish orqali qo'shni antennalar orasidagi izolyatsiya yaxshilanadi. Shuni ta'kidlash kerakki, qo'shni maydonlarning o'zaro bog'lanishining ta'sirini antiparallel yo'nalishlarda MS qatlami bo'ylab birlik hujayralarining qo'shni halqalariga va qo'shni MS birlik hujayralariga ulash oqimini yoyish orqali minimallashtirish mumkin. Tarqalgan antennalardan MS birliklariga oqim kiritish MIMO komponentlari orasidagi izolyatsiyani yaxshilashning asosiy usuli hisoblanadi. Natijada, MIMO komponentlari orasidagi ulanish oqimi sezilarli darajada kamayadi va izolyatsiya ham sezilarli darajada yaxshilanadi. Birlashma maydoni elementda keng tarqalganligi sababli, mis orqa panelning metasurati MIMO antenna majmuasini bir va ikki qavatli metasirtlarga qaraganda sezilarli darajada ko'proq izolyatsiya qiladi (18d-rasm). Bundan tashqari, ishlab chiqilgan MIMO antennasi juda past orqaga tarqalish va yon tarqalish xususiyatiga ega bo'lib, bir yo'nalishli radiatsiya naqshini ishlab chiqaradi va shu bilan taklif qilingan MIMO antennasining daromadini oshiradi.
Taklif etilayotgan MIMO antennasining 5,5 gigagertsli chastotada (a) MCsiz, (b) bir qatlamli MC, (c) ikki qavatli MC va (d) mis orqa panelli bir qatlamli MCning sirt oqimi naqshlari. (CST Studio Suite 2019).
Ish chastotasi doirasida 19a-rasmda MIMO antennasining taqlid qilingan va kuzatilgan yutuqlari metasuratlarsiz va metasuratlarsiz ko'rsatilgan. 19a-rasmda ko'rsatilganidek, metasuratsiz MIMO antennasining simulyatsiya qilingan erishilgan daromadi 5,4 dBi ni tashkil qiladi. MIMO komponentlari o'rtasidagi o'zaro bog'lanish effekti tufayli taklif qilingan MIMO antennasi bitta antennaga qaraganda 0,25 dBi yuqori daromadga erishadi. Metasurfacelarning qo'shilishi MIMO komponentlari o'rtasida sezilarli daromad va izolyatsiyani ta'minlashi mumkin. Shunday qilib, tavsiya etilgan metasurface MIMO antennasi 8,3 dBi gacha bo'lgan yuqori daromadga erishishi mumkin. 19a-rasmda ko'rsatilganidek, MIMO antennasining orqa qismida bitta metasurface ishlatilsa, daromad 1,4 dBi ga oshadi. Metasurface ikki barobar oshirilganda, 19a-rasmda ko'rsatilganidek, daromad 2,1 dBi ga oshadi. Shu bilan birga, 8,3 dBi kutilgan maksimal o'sish metasurfacedan mis orqa panel bilan foydalanilganda erishiladi. Shunisi e'tiborga loyiqki, bitta qatlamli va ikki qavatli metasirtlarning maksimal erishilgan daromadi mos ravishda 6,8 dBi va 7,5 dBi ni tashkil qiladi, pastki qatlamli metasurfa uchun erishilgan maksimal daromad esa 8,3 dBi ni tashkil qiladi. Antennaning orqa tomonidagi metasurface qatlami antennaning orqa tomonidagi nurlanishni aks ettiruvchi va ishlab chiqilgan MIMO antennasining old-orqa (F/B) nisbatini yaxshilaydigan reflektor vazifasini bajaradi. Bundan tashqari, yuqori empedansli MS reflektor elektromagnit to'lqinlarni fazada boshqaradi va shu bilan qo'shimcha rezonans yaratadi va tavsiya etilgan MIMO antennasining radiatsiya ko'rsatkichlarini yaxshilaydi. MIMO antennasi orqasida o'rnatilgan MS reflektori erishilgan daromadni sezilarli darajada oshirishi mumkin, bu eksperimental natijalar bilan tasdiqlangan. Ishlab chiqilgan prototip MIMO antennasining kuzatilgan va simulyatsiya qilingan yutuqlari deyarli bir xil, ammo ba'zi chastotalarda o'lchangan daromad simulyatsiya qilingan daromaddan yuqori, ayniqsa MSsiz MIMO uchun; Eksperimental daromadning bu o'zgarishlari neylon prokladkalarning o'lchov bardoshliklari, kabel yo'qotishlari va antenna tizimidagi ulanish bilan bog'liq. Metasuratsiz MIMO antennasining eng yuqori o'lchangan daromadi 5,8 dBi, mis orqa paneli bilan esa 8,5 dBi. Ta'kidlash joizki, taklif etilayotgan to'liq 4 portli MIMO antenna tizimi MS reflektorli eksperimental va raqamli sharoitlarda yuqori daromadni namoyish etadi.
Simulyatsiya va eksperimental natijalar (a) erishilgan daromad va (b) metasurface effekti bilan tavsiya etilgan MIMO antennasining umumiy ishlashi.
19b-rasmda metasurface reflektorlarsiz va tavsiya etilgan MIMO tizimining umumiy ishlashi ko'rsatilgan. 19b-rasmda orqa panelli MSdan foydalanganda eng past samaradorlik 73% dan ortiq (84% gacha) edi. MCsiz va MC bilan ishlab chiqilgan MIMO antennalarining umumiy samaradorligi simulyatsiya qilingan qiymatlarga nisbatan kichik farqlar bilan deyarli bir xil. Buning sabablari o'lchov bardoshliklari va antenna va MS reflektor o'rtasidagi ajratgichlardan foydalanishdir. Butun chastota bo'ylab o'lchangan erishilgan daromad va umumiy samaradorlik simulyatsiya natijalariga deyarli o'xshash bo'lib, taklif qilingan MIMO prototipining ishlashi kutilganidek ekanligini va tavsiya etilgan MS asosidagi MIMO antennasi 5G aloqasi uchun mos ekanligini ko'rsatadi. Eksperimental tadqiqotlardagi xatolar tufayli laboratoriya tajribalarining umumiy natijalari va simulyatsiya natijalari o'rtasida farqlar mavjud. Taklif etilayotgan prototipning ishlashiga antenna va SMA ulagichi o'rtasidagi impedansning mos kelmasligi, koaksiyal kabelni ulash yo'qotishlari, lehim effektlari va turli elektron qurilmalarning eksperimental o'rnatishga yaqinligi ta'sir qiladi.
20-rasmda ushbu antennani loyihalash va optimallashtirish jarayoni blok diagrammasi ko'rinishida tasvirlangan. Ushbu blok-sxema taklif qilingan MIMO antennasini loyihalash tamoyillarining bosqichma-bosqich tavsifini, shuningdek, keng ish chastotasida talab qilinadigan yuqori daromad va yuqori izolyatsiyaga erishish uchun antennani optimallashtirishda asosiy rol o'ynaydigan parametrlarni taqdim etadi.
Yaqin maydondagi MIMO antennasi o'lchovlari UKM SATIMO yaqin maydon tizimlari laboratoriyasidagi SATIMO yaqin dala eksperimental muhitida o'lchandi. 21a,b-rasmlarda 5,5 gigagertsli ish chastotasida da'vo qilingan MIMO antennasining MS bilan va bo'lmagan holda simulyatsiya qilingan va kuzatilgan E-tekislik va H-tekis nurlanish naqshlari tasvirlangan. 5,5 gigagertsli chastota diapazonida ishlab chiqilgan MS bo'lmagan MIMO antennasi yon lob qiymatlari bilan izchil ikki tomonlama radiatsiya naqshini ta'minlaydi. MS reflektorini qo'llaganidan so'ng, antenna bir tomonlama radiatsiya naqshini ta'minlaydi va 21a, b-rasmlarda ko'rsatilganidek, orqa loblar darajasini pasaytiradi. Shuni ta'kidlash kerakki, mis orqa panelli metasurfacedan foydalangan holda, tavsiya etilgan MIMO antenna namunasi MS ga qaraganda ancha barqaror va bir tomonlama bo'lib, juda past orqa va yon bo'laklarga ega. Taklif etilgan MM massiv reflektori antennaning orqa va yon qismlarini kamaytiradi, shuningdek, oqimni bir tomonlama yo'nalishga yo'naltirish orqali radiatsiya xususiyatlarini yaxshilaydi (21a-rasm, b), shu bilan daromad va yo'nalishni oshiradi. Qolgan portlarga ulangan 50 ohm yuk bilan 1-port uchun o'lchangan radiatsiya namunasi olingan. Komponentlarning noto'g'ri joylashishi, terminal portlaridan ko'zgular va kabel ulanishlaridagi yo'qotishlar tufayli ba'zi og'ishlar bo'lsa-da, eksperimental nurlanish sxemasi CST tomonidan simulyatsiya qilingani bilan deyarli bir xil ekanligi kuzatildi. Bundan tashqari, antenna va MS reflektor orasiga neylon bo'shliq o'rnatildi, bu bashorat qilingan natijalarga nisbatan kuzatilgan natijalarga ta'sir qiluvchi yana bir muammo.
5,5 gigagertsli chastotada ishlab chiqilgan MIMO antennasining (MSsiz va MS bilan) radiatsiya sxemasi simulyatsiya qilindi va sinovdan o'tkazildi.
Shuni ta'kidlash kerakki, port izolyatsiyasi va unga bog'liq xususiyatlar MIMO tizimlarining ishlashini baholashda muhim ahamiyatga ega. Taklif etilayotgan MIMO tizimining xilma-xilligi, jumladan konvert korrelyatsiya koeffitsienti (ECC) va xilma-xillik ortishi (DG) ishlab chiqilgan MIMO antenna tizimining mustahkamligini ko'rsatish uchun tekshiriladi. MIMO antennasining ECC va DG ko'rsatkichlari uning ish faoliyatini baholash uchun ishlatilishi mumkin, chunki ular MIMO tizimi ishlashining muhim jihatlari hisoblanadi. Quyidagi bo'limlarda tavsiya etilgan MIMO antennasining ushbu xususiyatlari batafsil ko'rib chiqiladi.
Konvert korrelyatsiya koeffitsienti (ECC). Har qanday MIMO tizimini ko'rib chiqayotganda, ECC tarkibiy elementlarning o'ziga xos xususiyatlari bo'yicha bir-biri bilan korrelyatsiya darajasini belgilaydi. Shunday qilib, ECC simsiz aloqa tarmog'ida kanal izolyatsiyasi darajasini ko'rsatadi. Ishlab chiqilgan MIMO tizimining ECC (konvert korrelyatsiya koeffitsienti) S-parametrlari va uzoq maydon emissiyasi asosida aniqlanishi mumkin. Tenglamadan. (7) va (8) taklif qilingan MIMO antennasi 31 ning ECC ni aniqlash mumkin.
Ko'zgu koeffitsienti Sii bilan ifodalanadi va Sij uzatish koeffitsientini ifodalaydi. j-chi va i-chi antennalarning uch o'lchamli nurlanish naqshlari \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) va \() ifodalari bilan berilgan. \vec {{R_{ i } }} Qattiq burchak \left( {\theta ,\varphi } \right)\) va \({\Omega }\) bilan ifodalanadi. Taklif etilayotgan antennaning ECC egri chizig'i 22a-rasmda ko'rsatilgan va uning qiymati 0,004 dan kam, bu simsiz tizim uchun qabul qilinadigan 0,5 qiymatidan ancha past. Shu sababli, ECC qiymatining kamayishi tavsiya etilgan 4 portli MIMO tizimi yuqori xilma-xillikni ta'minlaydi43.
Diversity Gain (DG) DG - bu xilma-xillik sxemasi nurlanish quvvatiga qanday ta'sir qilishini tavsiflovchi yana bir MIMO tizimining ishlash ko'rsatkichidir. Munosabatlar (9) 31-bandda tavsiflanganidek, ishlab chiqilayotgan MIMO antenna tizimining DG ni aniqlaydi.
22b-rasmda tavsiya etilgan MIMO tizimining DG diagrammasi ko'rsatilgan, bu erda DG qiymati 10 dB ga juda yaqin. Loyihalashtirilgan MIMO tizimining barcha antennalarining DG qiymatlari 9,98 dB dan oshadi.
1-jadval tavsiya etilgan metasurface MIMO antennasini yaqinda ishlab chiqilgan shunga o'xshash MIMO tizimlari bilan taqqoslaydi. Taqqoslash turli xil ishlash parametrlarini, jumladan, tarmoqli kengligi, daromad, maksimal izolyatsiya, umumiy samaradorlik va xilma-xillik ko'rsatkichlarini hisobga oladi. Tadqiqotchilar 5, 44, 45, 46, 47-da daromad va izolyatsiyani yaxshilash texnikasi bilan turli MIMO antenna prototiplarini taqdim etdilar. Oldin chop etilgan ishlar bilan solishtirganda, metasurface reflektorlari bilan tavsiya etilgan MIMO tizimi tarmoqli kengligi, daromad va izolyatsiyalash jihatidan ulardan ustundir. Bundan tashqari, ma'lum qilingan shunga o'xshash antennalar bilan taqqoslaganda, ishlab chiqilgan MIMO tizimi kichikroq o'lchamlarda yuqori xilma-xillik va umumiy samaradorlikni namoyish etadi. 5.46-bo'limda tasvirlangan antennalar biz taklif qilgan antennalarga qaraganda yuqori izolyatsiyaga ega bo'lsa-da, bu antennalar katta o'lcham, past daromad, tor tarmoqli kengligi va yomon MIMO ishlashiga ega. 45-da taklif qilingan 4-portli MIMO antennasi yuqori daromad va samaradorlikni namoyish etadi, ammo uning dizayni past izolyatsiya, katta o'lcham va xilma-xillikning yomon ishlashiga ega. Boshqa tomondan, 47-da taklif qilingan kichik o'lchamli antenna tizimi juda past daromad va ish o'tkazish qobiliyatiga ega, biz taklif qilayotgan MS-ga asoslangan 4 portli MIMO tizimi kichik o'lchamli, yuqori daromadli, yuqori izolyatsiya va yaxshi ishlashi MIMO-ni namoyish etadi. Shunday qilib, tavsiya etilgan metasurface MIMO antennasi sub-6 gigagertsli 5G aloqa tizimlari uchun asosiy da'vogarga aylanishi mumkin.
6 gigagertsdan past bo'lgan 5G ilovalarini qo'llab-quvvatlash uchun yuqori daromadli va izolyatsiyaga ega to'rt portli metasurface reflektorga asoslangan keng polosali MIMO antennasi taklif etiladi. Mikrotasma chizig'i diagonal burchaklardagi kvadrat bilan kesilgan kvadrat nurlanish qismini oziqlantiradi. Taklif etilgan MS va antenna emitentlari yuqori tezlikdagi 5G aloqa tizimlarida mukammal ishlashga erishish uchun Rogers RT5880 ga o'xshash substrat materiallarida amalga oshiriladi. MIMO antennasi keng diapazon va yuqori daromadga ega va MIMO komponentlari o'rtasida ovoz izolyatsiyasini va mukammal samaradorlikni ta'minlaydi. Ishlab chiqilgan yagona antennaning miniatyura o'lchamlari 0,58?0,58?0,02? 5×5 metasurface massivi bilan keng 4,56 gigagertsli operatsion tarmoqli kengligi, 8 dBi eng yuqori daromad va yuqori o'lchangan samaradorlikni ta'minlaydi. Tavsiya etilgan to'rt portli MIMO antennasi (2 × 2 massiv) har bir taklif qilingan bitta antennani o'lchamlari 1,05 l × 1,05 l × 0,02 l bo'lgan boshqa antenna bilan ortogonal ravishda tekislash orqali ishlab chiqilgan. 12 mm balandlikdagi MIMO antennasi ostida 10 × 10 mm massivni yig'ish tavsiya etiladi, bu orqa nurlanishni kamaytiradi va MIMO komponentlari orasidagi o'zaro bog'lanishni kamaytiradi, shu bilan daromad va izolyatsiyani yaxshilaydi. Eksperimental va simulyatsiya natijalari shuni ko'rsatadiki, ishlab chiqilgan MIMO prototipi 6 gigagertsdan past bo'lgan 5G spektrini qamrab oluvchi 3,08–7,75 gigagertsli keng chastota diapazonida ishlashi mumkin. Bundan tashqari, taklif etilayotgan MS-asosidagi MIMO antennasi oʻz kuchayishini 2,9 dBi ga yaxshilaydi, maksimal daromad 8,3 dBi ga etadi va MIMO komponentlari oʻrtasida mukammal izolyatsiyani (>15.5 dB) taʼminlaydi, bu esa MS hissasini tasdiqlaydi. Bundan tashqari, tavsiya etilgan MIMO antennasining yuqori o'rtacha umumiy samaradorligi 82% va elementlar orasidagi past masofa 22 mm. Antenna juda yuqori DG (9,98 dB dan ortiq), juda past ECC (0,004 dan kam) va bir yo'nalishli radiatsiya naqshini o'z ichiga olgan ajoyib MIMO xilma-xilligini namoyish etadi. O'lchov natijalari simulyatsiya natijalariga juda o'xshash. Bu xususiyatlar ishlab chiqilgan to'rt portli MIMO antenna tizimi sub-6 gigagertsli chastota diapazonidagi 5G aloqa tizimlari uchun munosib tanlov bo'lishi mumkinligini tasdiqlaydi.
Cowin 400-6000MHz keng polosali PCB antennasini taqdim etishi va sizning talabingizga binoan yangi antennani loyihalashni qo'llab-quvvatlashi mumkin, agar sizda biron bir so'rov bo'lsa, ikkilanmasdan biz bilan bog'laning.
Yuborilgan vaqt: 2024 yil 10 oktyabr