Бул иш суб-6 ГГц бешинчи муундагы (5G) зымсыз байланыш системалары үчүн компакттуу интеграцияланган көп киргизүү көп чыгаруу (MIMO) metasurface (MS) кең тилкелүү антеннаны сунуштайт. Сунуш кылынган MIMO тутумунун ачык жаңылыгы анын кең иштөө жөндөмдүүлүгү, жогорку пайда, кичинекей компоненттер аралык клиренси жана MIMO компоненттеринин ичиндеги эң сонун изоляция болуп саналат. Антеннанын нурлануучу жери диагональ боюнча кесилип, жарым-жартылай негизделет жана антеннанын иштешин жакшыртуу үчүн метабеттер колдонулат. Сунушталган прототиби бирдиктүү MS антеннасынын 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ миниатюралык өлчөмдөрү бар. Модельдештирүү жана өлчөө натыйжалары 3,11 ГГцден 7,67 ГГцге чейинки кең тилкелүү аткарууну көрсөтөт, анын ичинде 8 дБи жеткен эң жогорку өсүш. Төрт элементтен турган MIMO системасы ар бир антенна бири-бирине ортогоналдуу болуп, 3,2ден 7,6 ГГцге чейин компакт өлчөмүн жана кең тилкелүү иштешин сактап тургандай кылып иштелип чыккан. Сунушталган MIMO прототиби аз жоготуу менен Rogers RT5880 субстратында иштелип чыккан жана даярдалган жана 1.05 миниатюралык өлчөмдөрү? 1.05? 0,02?, жана анын иштеши 10 x 10 бөлүү шакеги менен сунушталган чарчы жабык шакек резонатордук массивди колдонуу менен бааланат. Негизги материал бирдей. Сунушталган арткы беттин метабети антеннанын арткы нурлануусун олуттуу азайтат жана электромагниттик талааларды манипуляциялайт, ошону менен MIMO компоненттеринин өткөрүү жөндөмдүүлүгүн, кирешесин жана изоляциясын жакшыртат. Учурдагы MIMO антенналары менен салыштырганда, сунушталган 4 порттуу MIMO антеннасы 5G суб-6 ГГц диапазонунда 82% га чейин орточо жалпы эффективдүүлүк менен 8,3 dBi жогорку кирешеге жетет жана өлчөнгөн натыйжаларга жакшы дал келет. Мындан тышкары, иштелип чыккан MIMO антеннасы 0,004 кем конверттин корреляция коэффициенти (ECC), 10 дБ (>9,98 дБ) ар түрдүүлүктү жогорулатуу (DG) жана MIMO компоненттеринин ортосундагы жогорку изоляция (>15,5 дБ) жагынан эң сонун көрсөткүчтөрдү көрсөтөт. өзгөчөлүктөрү. Ошентип, сунушталган MS негизиндеги MIMO антеннасы анын 6 ГГц 5G байланыш тармактары үчүн колдонулушун тастыктайт.
5G технологиясы зымсыз байланыштагы укмуштуудай прогресс болуп саналат, ал миллиарддаган туташкан түзмөктөр үчүн тезирээк жана коопсуз тармактарды түзүүгө мүмкүндүк берет, колдонуучуга "нөл" кечигүү (1 миллисекунддан аз кечигүү) менен камсыз кылат жана жаңы технологияларды, анын ичинде электрониканы киргизет. Медициналык жардам, интеллектуалдык тарбия. , акылдуу шаарлар, акылдуу үйлөр, виртуалдык реалдуулук (VR), акылдуу заводдор жана унаалардын интернети (IoV) жашообузду, коомубузду жана өнөр жайыбызды өзгөртүп жатат1,2,3. АКШнын Федералдык байланыш комиссиясы (FCC) 5G спектрин төрт жыштык тилкесине бөлөт4. 6 ГГц төмөн жыштык тилкеси изилдөөчүлөрдү кызыктырат, анткени ал жогорку маалымат ылдамдыгы менен шаар аралык байланышка мүмкүндүк берет5,6. Глобалдык 5G байланышы үчүн 6 ГГц 5G спектрин бөлүштүрүү 1-сүрөттө көрсөтүлгөн, бул бардык өлкөлөр 5G байланышы үчүн 6 ГГц суб-6 ГГц спектрин карап жатканын көрсөтүп турат7,8. Антенналар 5G тармактарынын маанилүү бөлүгү болуп саналат жана көбүрөөк базалык станцияны жана колдонуучу терминалдык антенналарды талап кылат.
Microstrip жамаачы антенналар ичке жана жалпак түзүлүшүнүн артыкчылыктарына ээ, бирок өткөрүү жөндөмдүүлүгү жана gain9,10 менен чектелген, антеннанын пайда жана өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жогорулатуу үчүн ушунчалык көп изилдөөлөр жасалган; Акыркы жылдары, metasurfaces (MS) кенен антенна технологияларды, айрыкча, киреше жана өткөрүү11,12 жакшыртуу үчүн колдонулган, бирок, бул антенналар бир порт менен чектелген; MIMO технологиясы зымсыз байланыштын маанилүү аспектиси болуп саналат, анткени ал маалыматтарды берүү үчүн бир эле учурда бир нече антенналарды колдоно алат, ошону менен маалымат ылдамдыгын, спектралдык эффективдүүлүгүн, каналдын сыйымдуулугун жана ишенимдүүлүгүн жакшыртат13,14,15. MIMO антенналары 5G тиркемелери үчүн потенциалдуу талапкерлер болуп саналат, анткени алар кошумча кубаттуулукту талап кылбастан бир нече каналдар аркылуу маалыматтарды өткөрүп жана кабыл ала алышат16,17. MIMO компоненттеринин ортосундагы өз ара байланыш эффектиси MIMO элементтеринин жайгашкан жерине жана MIMO антеннасынын пайдасына көз каранды, бул изилдөөчүлөр үчүн чоң көйгөй. 18, 19 жана 20-сүрөттөр 5G суб-6 ГГц диапазонунда иштеген ар кандай MIMO антенналарын көрсөтөт, алардын баары жакшы MIMO изоляциясын жана натыйжалуулугун көрсөтөт. Бирок, бул сунушталган системалардын кирешеси жана иштөө жөндөмдүүлүгү төмөн.
Метаматериалдар (ММ) жаратылышта жок жана электромагниттик толкундарды башкара алган жаңы материалдар, антенналардын иштешин жакшыртат21,22,23,24. MM азыр 25, 26, 27, 28-де талкуулангандай, антенна элементтери менен зымсыз байланыш системаларынын ортосундагы радиациянын үлгүсүн, өткөрүү жөндөмдүүлүгүн, кирешесин жана изоляциясын жакшыртуу үчүн антенна технологиясында кеңири колдонулат. 2029-жылы төрт элементтен турган MIMO системасы негизделген. metasurface, мында антенна бөлүгү метасүрфэйс менен жердин ортосунда аба боштугу жок кысып, MIMO көрсөткүчүн жакшыртат. Бирок, бул дизайн чоңураак өлчөмдө, төмөнкү операция жыштыгы жана татаал түзүлүшкө ээ. MIMO30 компоненттеринин изоляциясын жакшыртуу үчүн сунушталган 2 порттуу кең тилкелүү MIMO антеннасына электромагниттик тилке (EBG) жана жер цикли киргизилген. Конструкцияланган антенна MIMO ар түрдүүлүгүнүн жакшы көрсөткүчүнө жана эки MIMO антеннасынын ортосундагы мыкты изоляцияга ээ, бирок эки гана MIMO компонентин колдонуу менен киреше аз болот. Мындан тышкары, in31 дагы ультра кең тилкелүү (UWB) кош порттуу MIMO антеннасын сунуштады жана метаматериалдарды колдонуу менен анын MIMO иштешин изилдеди. Бул антенна UWB иштетүүгө жөндөмдүү болсо да, анын кирешеси төмөн жана эки антеннанын ортосундагы изоляция начар. Иш in32 пайданы жогорулатуу үчүн электромагниттик диапазондук (EBG) чагылдыргычтарды колдонгон 2 порттуу MIMO тутумун сунуштайт. Иштелип чыккан антенна массиви жогорку кирешеге жана MIMO ар түрдүүлүктүн жакшы көрсөткүчүнө ээ болсо да, анын чоң өлчөмү кийинки муундагы байланыш түзүлүштөрүндө колдонууну кыйындатат. Дагы бир рефлекторго негизделген кең тилкелүү антенна 33-жылы иштелип чыккан, мында рефлектор антеннанын астына 22 мм чоңураак ажырым менен бириктирилип, 4,87 дБ төмөн чокусу пайда болгон. Paper 34 mmWave тиркемелери үчүн төрт порттуу MIMO антеннасын иштеп чыгат, ал MIMO тутумунун изоляциясын жана кирешесин жакшыртуу үчүн MS катмары менен интеграцияланган. Бирок, бул антенна жакшы пайда жана изоляцияны камсыз кылат, бирок чоң аба боштугунан улам чектелген өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө жана начар механикалык касиеттерге ээ. Ошо сыяктуу эле, 2015-жылы үч жуптуу, 4 порттуу бантик сымал метасүрфэйс-интегралдык MIMO антеннасы максималдуу 7,4 дБи пайда менен mmWave байланышы үчүн иштелип чыккан. B36 MS 5G антеннасынын арткы жагында антеннанын кирешесин жогорулатуу үчүн колдонулат, мында метасүрф рефлектор катары иштейт. Бирок, MS структурасы ассиметриялуу жана азыраак көңүл бирдик клетка түзүлүшүнө бурулган.
Жогорудагы талдоолордун натыйжаларына ылайык, жогоруда көрсөтүлгөн антенналардын бири да жогорку кирешеге, мыкты изоляцияга, MIMO аткаруусуна жана кеңири тилкелүү камтууга ээ эмес. Ошондуктан, 6 ГГцтен төмөн 5G спектринин жыштыктарынын кеңири диапазонуна жогорку пайда жана изоляция менен камтый ала турган MIMO антеннасына дагы эле муктаждык бар. Жогоруда айтылган адабияттардын чектөөлөрүн эске алуу менен, 6 ГГцтен төмөн зымсыз байланыш тутумдары үчүн жогорку кирешелүү жана ар түрдүүлүктүн мыкты көрсөткүчтөрү менен кең тилкелүү төрт элементтүү MIMO антенна системасы сунушталат. Мындан тышкары, сунушталган MIMO антеннасы MIMO компоненттеринин ортосунда эң сонун изоляцияны, кичинекей элементтердин боштуктарын жана радиациянын жогорку эффективдүүлүгүн көрсөтөт. Антенна патч диагоналдык түрдө кесилип, 12 мм аба ажырымы менен метабеттин үстүнө жайгаштырылат, ал антеннадан кайра нурланууну чагылдырат жана антеннанын кирешесин жана багытын жакшыртат. Кошумчалай кетсек, сунушталган бирдиктүү антенна ар бир антеннаны бири-бирине ортогоналдуу жайгаштыруу аркылуу жогорку MIMO көрсөткүчтөрү менен төрт элементтен турган MIMO антеннасын түзүү үчүн колдонулат. Андан кийин иштелип чыккан MIMO антеннасы эмиссиянын иштешин жакшыртуу үчүн 10 × 10 MS массивинин үстүнө жез арткы панели менен бириктирилген. Дизайн кеңири иштөө диапазонуна (3,08-7,75 ГГц), 8,3 дБи жогорку жогорулашына жана 82% жогорку орточо жалпы эффективдүүлүгүнө, ошондой эле MIMO антеннасынын компоненттеринин ортосунда -15,5 дБден жогору мыкты изоляцияга ээ. Иштелип чыккан MS негизиндеги MIMO антеннасы CST Studio 2019 3D электромагниттик программалык пакетинин жардамы менен симуляцияланган жана эксперименталдык изилдөөлөр аркылуу тастыкталган.
Бул бөлүм сунуш кылынган архитектура жана бирдиктүү антеннаны долбоорлоо методологиясына кеңири киришүүнү камсыз кылат. Мындан тышкары, симуляцияланган жана байкалган натыйжалар майда-чүйдөсүнө чейин талкууланат, анын ичинде чачырандылык параметрлери, пайда жана жалпы эффективдүүлүктөр менен жана метабеттерсиз. Прототиби антенна Роджерс 5880 аз жоготуу диэлектрдик субстратында 1,575 мм калыңдыгы менен 2,2 диэлектрдик өткөрүмдүүлүк менен иштелип чыккан. Дизайнды иштеп чыгуу жана симуляциялоо үчүн CST studio 2019 электромагниттик симулятор пакети колдонулган.
2-сүрөттө бир элементтен турган антеннанын сунушталган архитектурасы жана дизайн модели көрсөтүлгөн. Белгиленген математикалык теңдемелерге37 ылайык, антенна сызыктуу түрдө азыктанган чарчы нурлануучу чекиттен жана жез жер тегиздигинен (1-кадамда сүрөттөлгөндөй) турат жана 3b-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, 10,8 ГГц өтө тар өткөрүү жөндөмдүүлүгү менен резонанс кылат. Антенна радиаторунун баштапкы өлчөмү төмөнкү математикалык байланыш менен аныкталат37:
Бул жерде \(P_{L}\) жана \(P_{w}\) патчтын узундугу жана туурасы, c жарыктын ылдамдыгын билдирет, \(\гамма_{r}\) субстраттын диэлектрдик туруктуулугу. . , \(\gamma_{reff }\) радиациялык чектин эффективдүү диэлектрдик маанисин, \(\Delta L\) так узундугунун өзгөрүшүн билдирет. Антеннанын арткы панели экинчи этапта оптималдаштырылды, 10 дБ өтө төмөн импеданс өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө карабастан, импеданс өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жогорулатты. Үчүнчү этапта фидердин абалы оңго жылдырылат, бул сунуш кылынган антеннанын импеданс өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жана импеданстын дал келүүсүн жакшыртат38. Бул этапта антенна 4 ГГц мыкты иштөө жөндөмдүүлүгүн көрсөтөт жана 5Gде 6 ГГцтен төмөн спектрди камтыйт. Төртүнчү жана акыркы этап радиациялык тактын карама-каршы бурчтарында чарчы оюктарды оюп түшүрүүнү камтыйт. Бул слот 3b-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, 3,11 ГГцден 7,67 ГГцге чейинки 6 ГГц 5G спектрин камтуу үчүн 4,56 ГГц өткөрүү жөндөмдүүлүгүн кыйла кеңейтет. Сунушталган долбоордун алдыңкы жана ылдыйкы перспективалык көрүнүштөрү 3а-сүрөттө көрсөтүлгөн жана акыркы оптималдаштырылган долбоорлоонун керектүү параметрлери төмөнкүдөй: SL = 40 мм, Pw = 18 мм, PL = 18 мм, gL = 12 мм, fL = 11. мм, fW = 4 ,7 мм, c1 = 2 мм, c2 = 9,65 мм, c3 = 1,65 мм.
(a) Жалгыз антеннанын иштелип чыккан үстүнкү жана арткы көрүнүштөрү (CST STUDIO SUITE 2019). (б) S-параметр ийри сызыгы.
Metasurface - бул бири-биринен белгилүү бир аралыкта жайгашкан бирдик клеткалардын мезгилдүү массивине тиешелүү термин. Metasurfaces MIMO компоненттеринин ортосундагы өткөрүү жөндөмдүүлүгүн, пайданы жана изоляцияны камтыган антенналардын нурлануу иштешин жакшыртуунун эффективдүү жолу. Толкундардын беттик таралышынын таасиринен улам, метабеттер антеннанын иштешин жакшыртууга көмөктөшүүчү кошумча резонанстарды жаратат39. Бул иш 6 ГГцтен төмөн 5G тилкесинде иштеген эпсилон-терс метаматериалдык (MM) бирдигин сунуштайт. 8мм × 8мм бетинин аянты менен MM аз жоготуу Rogers 5880 субстратында 2,2 диэлектрдик өткөрүмдүүлүк жана 1,575 мм калыңдыгы менен иштелип чыккан. Оптимизацияланган MM резонатордук патч 4а-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, эки модификацияланган сырткы бөлүү шакектерине туташтырылган ички тегерек шакекчеден турат. Сүрөт 4а сунушталган MM орнотуунун акыркы оптималдаштырылган параметрлерин жалпылайт. Кийинчерээк, 40 × 40 мм жана 80 × 80 мм метабеттик катмарлар тиешелүүлүгүнө жараша 5 × 5 жана 10 × 10 клетка массивдерин колдонуу менен жез арткы панели жок жана жез арткы панели менен иштелип чыккан. Сунушталган ММ түзүмү “CST studio Suite 2019” 3D электромагниттик моделдөө программасын колдонуу менен моделдешти. Сунушталган MM массивинин структурасынын жана өлчөө орнотуусунун (кош порттук тармак анализаторунун PNA жана толкун өткөргүч порт) ойлоп чыгарылган прототиби 4b-сүрөттө CST симуляциясынын натыйжаларын иш жүзүндөгү жоопту талдоо аркылуу тастыктоо үчүн көрсөтүлгөн. Өлчөө орнотуулары сигналдарды жөнөтүү жана кабыл алуу үчүн эки толкун жетектөөчү коаксиалдык адаптер (A-INFOMW, бөлүктүн номери: 187WCAS) менен бирге Agilent PNA сериясынын тармак анализаторун колдонду. 5×5 массивинин прототиби эки порттуу тармак анализаторуна (Agilent PNA N5227A) коаксиалдык кабель аркылуу туташтырылган эки толкун өткөргүч коаксиалдык адаптердин ортосунда жайгаштырылды. Agilent N4694-60001 калибрлөө комплекти пилоттук заводдо тармак анализаторун калибрлөө үчүн колдонулат. Сунушталган прототиби MM массивинин симуляцияланган жана CST байкалган чачыратуу параметрлери 5а-сүрөттө көрсөтүлгөн. Сунушталган MM түзүмү 6 ГГцтен төмөн 5G жыштык диапазонунда резонанстуу экенин көрүүгө болот. 10 дБ өткөрүү жөндөмдүүлүгүнүн кичинекей айырмасына карабастан, симуляцияланган жана эксперименталдык натыйжалар абдан окшош. 5а-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, резонанстык жыштык, өткөрүү жөндөмдүүлүгү жана байкалган резонанстын амплитудасы симуляциялангандардан бир аз айырмаланат. Бул байкалган жана окшоштурулган натыйжалардын ортосундагы айырмачылыктар өндүрүштүн кемчиликтерине, прототип менен толкун өткөргүч портторунун ортосундагы кичинекей боштуктарга, толкун өткөргүч порттору менен массивдин компоненттеринин ортосундагы бириктирүү эффекттерине жана өлчөө толеранттуулугуна байланыштуу. Мындан тышкары, эксперименталдык орнотуудагы толкун өткөргүч портторунун ортосунда иштелип чыккан прототибин туура жайгаштыруу резонанстык жылышка алып келиши мүмкүн. Мындан тышкары, калибрлөө этабында керексиз ызы-чуу байкалган, бул сандык жана өлчөнгөн натыйжалардын ортосундагы айырмачылыктарга алып келген. Бирок, бул кыйынчылыктардан тышкары, сунушталган MM массивинин прототиби симуляция жана эксперименттин ортосундагы күчтүү корреляциянын аркасында жакшы иштейт, бул аны 6 ГГц 5G зымсыз байланыш тиркемелерине ылайыктуу кылат.
(a) Бирдик клетканын геометриясы (S1 = 8 мм, S2 = 7 мм, S3 = 5 мм, f1, f2, f4 = 0,5 мм, f3 = 0,75 мм, h1 = 0,5 мм, h2 = 1 ,75 мм) (CST STUDIO SUITE) ) 2019) (б) MM өлчөө орнотуусунун сүрөтү.
(a) Метаматериалдык прототиптин чачыратуу параметринин ийри сызыгын симуляциялоо жана текшерүү. (б) MM бирдик клеткасынын диэлектрдик туруктуу ийри сызыгы.
Эффективдүү диэлектрдик өтүмдүүлүк, магниттик өткөрүмдүүлүк жана сынуу көрсөткүчү сыяктуу тиешелүү эффективдүү параметрлер MM бирдик клеткасынын жүрүм-турумун андан ары талдоо үчүн CST электромагниттик симуляторунун орнотулган кийинки иштетүү ыкмаларын колдонуу менен изилденген. Натыйжалуу MM параметрлери бышык реконструкциялоо ыкмасын колдонуу менен чачыратуу параметрлеринен алынат. Төмөнкү өткөргүчтүк жана чагылуу коэффициенттеринин теңдемелери: (3) жана (4) сынуу көрсөткүчүн жана импедансты аныктоо үчүн колдонулушу мүмкүн (40-караңыз).
Оператордун реалдуу жана элестүү бөлүктөрү тиешелүүлүгүнө жараша (.)' жана (.)” менен көрсөтүлөт жана m бүтүн сандын мааниси реалдуу сынуу көрсөткүчүнө туура келет. Диэлектрик өтүмдүүлүк жана өткөрүмдүүлүк тиешелүүлүгүнө жараша импеданс жана сынуу көрсөткүчүнө негизделген \(\varepsilon { } = { }n/z,\) жана \(\mu = nz\) формулалары менен аныкталат. ММ структурасынын эффективдүү диэлектрик туруктуу ийри сызыгы 5б-сүрөттө көрсөтүлгөн. Резонанстык жыштыкта эффективдүү диэлектрдик өтүмдүүлүк терс болот. 6a,b сүрөттөрү сунушталган бирдик клетканын эффективдүү өткөргүчтүгүнүн (μ) жана эффективдүү сынуу көрсөткүчүнүн (n) алынган маанилерин көрсөтөт. Белгилей кетсек, алынган өткөрүмдүүлүк нөлгө жакын оң реалдуу маанилерди көрсөтөт, бул сунушталган ММ структурасынын эпсилон-терс (ENG) касиеттерин тастыктайт. Мындан тышкары, 6а-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, нөлгө жакын өткөрүмдүүлүктөгү резонанс резонанстык жыштыкка катуу байланыштуу. Иштелип чыккан бирдик клетканын терс сынуу көрсөткүчү бар (сүрөт 6б), бул сунушталган MM антеннанын иштешин жакшыртуу үчүн колдонулушу мүмкүн дегенди билдирет21,41.
Бир кең тилкелүү антеннанын иштелип чыккан прототиби сунуш кылынган дизайнды эксперименталдык текшерүү үчүн даярдалган. 7a,b-сүрөттөр сунуш кылынган прототиби бирдиктүү антеннанын сүрөттөрүн, анын структуралык бөлүктөрүн жана жакын өлчөө орнотууларын (SATIMO) көрсөтөт. Антеннанын иштешин жакшыртуу үчүн, иштелип чыккан метабети 8а-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, антеннанын астындагы катмарларга h бийиктиги менен жайгаштырылат. Жалгыз антеннанын артына 12 мм аралыкта 40 мм х 40 мм кош катмарлуу бир метасфера колдонулган. Мындан тышкары, 12 мм аралыкта жалгыз антеннанын арткы тарабында арткы бети бар метасүрфас жайгаштырылат. Metasurface колдонгондон кийин, бирдиктүү антенна 1 жана 2-сүрөттөрдө көрсөтүлгөндөй, аткаруунун олуттуу жакшыргандыгын көрсөтөт. 8 жана 9-сүрөттөр. 8b-сүрөтүндө метасүрфеттерсиз жана бир антенна үчүн симуляцияланган жана өлчөнгөн чагылтуу диаграммалары көрсөтүлгөн. Айта кетчү нерсе, метабети бар антеннанын камтуу тилкеси метабети жок антеннанын камтуу тилкесине абдан окшош. 9a,b сүрөттөрү симуляцияланган жана байкалган бир антеннанын пайдасын жана операциялык спектрде MSсиз жана жалпы эффективдүүлүгүн салыштырууну көрсөтөт. Көрүнүп тургандай, метабеттик эмес антенна менен салыштырганда, метасурфэйс антеннасынын жогорулашы 5,15 дБден 8 дБиге чейин жогорулаган. Бир катмарлуу метабеттин, эки катмарлуу метабеттин жана арткы бети бар бир антеннанын жогорулашы тиешелүүлүгүнө жараша 6 дБ, 6,9 дБ жана 8 дБге көбөйдү. Башка мета беттер менен салыштырганда (бир катмарлуу жана эки катмарлуу MCs), жез арткы бети бар бир метасурфас антеннасынын кирешеси 8 дБиге чейин. Бул учурда, мета бети рефлектордун ролун аткарып, антеннанын арткы нурлануусун азайтат жана фазада электромагниттик толкундарды башкарат, ошону менен антеннанын нурлануу эффективдүүлүгүн жогорулатат, демек, пайда болот. Бир антеннанын жалпы эффективдүүлүгүн изилдөө 9б-сүрөттө көрсөтүлгөн. Белгилей кетчү нерсе, антеннанын эффективдүүлүгү менен жана метабетсиз дээрлик бирдей. Төмөнкү жыштык диапазонунда антеннанын эффективдүүлүгү бир аз төмөндөйт. Эксперименттик жана симуляцияланган пайда жана эффективдүүлүк ийри сызыктары жакшы шайкеш келет. Бирок, имитацияланган жана сыналган натыйжалардын ортосунда өндүрүштүн кемчиликтери, өлчөө толеранттуулуктары, SMA портунун туташуу жоготуулары жана зымдардын жоголушуна байланыштуу бир аз айырмачылыктар бар. Кошумчалай кетсек, антенна жана MS рефлектору нейлон бөлгүчтөрдүн ортосунда жайгашкан, бул симуляциянын натыйжаларына салыштырмалуу байкалган натыйжаларга таасирин тийгизген дагы бир маселе.
Сүрөт (а) бүткөрүлгөн жалгыз антеннаны жана ага байланыштуу компоненттерди көрсөтөт. (б) Жакынкы талаада өлчөө орнотуу (SATIMO).
(a) Метабеттик чагылдыргычтарды колдонуу менен антеннаны дүүлүктүрүү (CST STUDIO SUITE 2019). (б) MS жок жана бир антеннанын окшоштурулган жана эксперименталдык чагылуулары.
(a) жетишилген пайданы жана (б) сунушталган метасфера эффект антеннасынын жалпы эффективдүүлүгүн моделдөө жана өлчөө натыйжалары.
MS аркылуу нур үлгүсүн талдоо. Бир антеннага жакын өлчөөлөр UKM SATIMO жакынкы талаа системалары лабораториясынын SATIMO жакынкы талаа эксперименталдык чөйрөсүндө жүргүзүлдү. 10a, b сүрөттөрү MS менен жана антеннасыз сунушталган жалгыз антенна үчүн 5,5 ГГц жыштыктагы симуляцияланган жана байкалган E-тегиздик жана H-тегиздик нурлануу схемаларын көрсөтөт. Иштелип чыккан бирдиктүү антенна (MS жок) каптал лоб баалуулуктары менен ырааттуу эки багыттуу нурланууну камсыз кылат. Сунушталган MS рефлекторун колдонгондон кийин, антенна бир багыттуу нурланууну камсыз кылат жана 10а, б-сүрөттөрүндө көрсөтүлгөндөй, арткы бөлүкчөлөрдүн деңгээлин төмөндөтөт. Белгилей кетчү нерсе, сунушталган бир антенналык нурлануунун үлгүсү жез арткы бети бар метабетти колдонууда өтө төмөн арка жана каптал бөлүктөрү менен туруктуу жана бир багыттуу. Сунушталган MM массивинин рефлектору антеннанын арткы жана каптал бөлүктөрүн азайтат, ошол эле учурда токту бир багыттуу багыттар боюнча (сүрөт 10а, б) багыттап, радиациялык көрсөткүчтөрдү жакшыртат, ошону менен пайданы жана багытты жогорулатат. Тажрыйбалык нурлануунун үлгүсү дээрлик CST симуляциялары менен салыштырууга болот, бирок ар кандай чогулган компоненттердин туура эмес түзүлүшүнөн, өлчөө толеранттуулугунан жана кабелдик жоготуулардан улам бир аз өзгөрүп турганы байкалды. Кошумчалай кетсек, антенна менен MS рефлекторунун ортосуна нейлон бөлгүч киргизилген, бул сандык натыйжаларга салыштырмалуу байкалган натыйжаларга таасир эткен дагы бир маселе.
5,5 ГГц жыштыгында иштелип чыккан бирдиктүү антеннанын (MS жок жана MS менен) радиациялык схемасы симуляцияланган жана текшерилген.
Сунушталган MIMO антеннасынын геометриясы 11-сүрөттө көрсөтүлгөн жана төрт жалгыз антеннаны камтыйт. MIMO антеннасынын төрт компоненти 11-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, 80 × 80 × 1,575 мм өлчөмдүү субстратта бири-бирине ортогоналдуу жайгаштырылат. Долбоорланган MIMO антеннасынын элементтер аралык аралыгы 22 мм, бул антеннадан кичине. антеннанын эң жакын тиешелүү элементтер аралык аралыгы. MIMO антеннасы иштелип чыккан. Мындан тышкары, жер тегиздигинин бир бөлүгү бир антенна сыяктуу эле жайгашкан. 12а-сүрөттө көрсөтүлгөн MIMO антенналарынын (S11, S22, S33 жана S44) чагылдыруу маанилери 3,2–7,6 ГГц диапазонунда резонанстуу бир элементтүү антенна сыяктуу эле жүрүм-турумду көрсөтөт. Демек, MIMO антеннасынын импеданс өткөрүү жөндөмдүүлүгү бир антеннаныкына дал келет. MIMO компоненттеринин ортосундагы бириктирүү эффекти MIMO антенналарынын өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жоготуунун негизги себеби болуп саналат. 12б-сүрөттө MIMO компоненттеринин ортосундагы оптималдуу изоляция аныкталган MIMO компоненттерине өз ара байланыштын таасири көрсөтүлгөн. 1 жана 2 антенналардын ортосундагы изоляция эң төмөнкү -13,6 дБ, ал эми 1 жана 4 антенналардын ортосундагы изоляция эң жогорку - болжол менен -30,4 дБ. Бул MIMO антеннасынын кичинекей өлчөмү жана өткөрүү жөндөмдүүлүгү төмөн болгондуктан, азыраак киреше жана өткөрүү жөндөмдүүлүгү төмөн. Жылуулоо төмөн, ошондуктан күчөтүлгөн арматура жана жылуулоо талап кылынат;
Сунушталган MIMO антеннасынын долбоорлоо механизми (а) үстүнкү көрүнүшү жана (б) жер тегиздиги. (CST Studio Suite 2019).
Сунушталган MIMO антеннасынын геометриялык жайгашуусу жана дүүлүктүрүү ыкмасы 13а-сүрөттө көрсөтүлгөн. Өлчөмдөрү 80x80x1,575 мм болгон 10x10 мм матрица 13a-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, 12 мм бийик MIMO антеннасынын арткы тарабы үчүн иштелип чыккан. Кошумчалай кетсек, жез арткы беттери бар метабеттер алардын иштешин жакшыртуу үчүн MIMO антенналарында колдонууга арналган. Metasurface менен MIMO антеннасынын ортосундагы аралык антеннадан пайда болгон толкундар менен метасферадан чагылдырылган толкундардын ортосунда конструктивдүү кийлигишүүгө жол берип, жогорку пайдага жетүү үчүн абдан маанилүү. MIMO элементтеринин ортосундагы максималдуу пайда жана обочолонуу үчүн чейрек толкун стандарттарын сактоо менен антенна менен метабеттин ортосундагы бийиктикти оптималдаштыруу үчүн кеңири моделдөө жүргүзүлдү. MIMO антеннасынын иштөөсүнүн арткы беттери жок метабеттерге салыштырганда арткы беттери бар метабеттерди колдонуу менен жетишилген олуттуу жакшыруусу кийинки бөлүмдөрдө көрсөтүлөт.
(а) MS (CST STUDIO SUITE 2019) аркылуу сунушталган MIMO антеннасынын CST симуляциясын орнотуу, (б) MS жана MS менен иштелип чыккан MIMO тутумунун чагылдыруу ийри сызыгы.
MIMO антенналарынын метабеттери бар жана жок чагылдырылышы 13b-сүрөттө көрсөтүлгөн, мында S11 жана S44 MIMO системасындагы бардык антенналардын дээрлик бирдей жүрүм-турумунан улам берилген. Белгилей кетчү нерсе, MIMO антеннасынын -10 дБ импеданс өткөрүү жөндөмдүүлүгү бир эле метабети жок жана дээрлик бирдей. Ал эми, сунуш кылынган MIMO антеннасынын импеданс өткөрүү жөндөмдүүлүгү эки катмарлуу MS жана арткы MS тарабынан жакшыртылды. Белгилей кетчү нерсе, MS жок MIMO антеннасы борбордун жыштыгына салыштырмалуу 81,5% (3,2-7,6 ГГц) бөлүкчө өткөрүү жөндөмдүүлүгүн камсыз кылат. MSти арткы панел менен интеграциялоо сунушталган MIMO антеннасынын импеданс өткөрүү жөндөмдүүлүгүн 86,3% (3,08–7,75 ГГц) чейин жогорулатат. Кош катмарлуу MS өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жогорулатса да, жакшыртуу жез арткы панели бар MSге караганда азыраак. Мындан тышкары, эки катмарлуу МК антеннанын көлөмүн көбөйтөт, анын баасын жогорулатат жана диапазонун чектейт. Дизайнланган MIMO антеннасы жана метасүрф рефлектору симуляциянын натыйжаларын ырастоо жана иш жүзүндөгү аткарууну баалоо үчүн даярдалган жана текшерилген. 14а-сүрөттө MS катмары жана MIMO антеннасы ар кандай компоненттери менен чогултулган, ал эми 14б-сүрөттө иштелип чыккан MIMO тутумунун сүрөтү көрсөтүлгөн. MIMO антеннасы 14б-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, төрт нейлон бөлгүчтүн жардамы менен метабеттин үстүнө орнотулган. 15а-сүрөттө иштелип чыккан MIMO антенна системасынын жакынкы талаа эксперименталдык орнотуусунун сүрөтү көрсөтүлгөн. PNA тармак анализатору (Agilent Technologies PNA N5227A) чачырандылык параметрлерин баалоо жана UKM SATIMO жакынкы талаа системаларынын лабораториясында жакынкы талаа эмиссиясынын мүнөздөмөлөрүн баалоо жана мүнөздөө үчүн колдонулган.
(a) SATIMO жакын талаа өлчөөлөрүнүн сүрөттөрү (b) S11 MIMO антеннасынын MS менен жана антеннасы жок окшоштурулган жана эксперименталдык ийри сызыктары.
Бул бөлүмдө сунушталган 5G MIMO антеннасынын симуляцияланган жана байкалган S-параметрлеринин салыштырма изилдөөсү берилген. 15b-сүрөттө интеграцияланган 4-элементтүү MIMO MS антеннасынын эксперименталдык чагылдыруу графиги көрсөтүлгөн жана аны CST симуляциясынын натыйжалары менен салыштырган. Эксперименттик чагылуулар CST эсептөөлөрү менен бирдей экени аныкталды, бирок өндүрүш кемчиликтеринен жана эксперименталдык толеранттуулуктардан улам бир аз башкача болгон. Кошумчалай кетсек, сунушталган MS негизиндеги MIMO прототипинин байкалган чагылдырылышы 6 ГГцтен төмөн 5G спектрин 4,8 ГГц импеданс өткөрүү жөндөмдүүлүгү менен камтыйт, бул 5G тиркемелерин мүмкүн дегенди билдирет. Бирок өлчөнгөн резонанстык жыштык, өткөрүү жөндөмдүүлүгү жана амплитудасы CST симуляциясынын натыйжаларынан бир аз айырмаланат. Өндүрүштүк мүчүлүштүктөр, коаксистен SMAга кошулуудагы жоготуулар жана сырттагы өлчөө орнотуулары өлчөнгөн жана симуляцияланган натыйжалардын ортосундагы айырмачылыктарды жаратышы мүмкүн. Бирок, бул кемчиликтерге карабастан, сунушталган MIMO жакшы иштейт, симуляциялар жана өлчөөлөр ортосунда бекем макулдашууну камсыз кылат, бул аны 6 ГГц 5G зымсыз тиркемелерине ылайыктуу кылат.
Симуляцияланган жана байкалган MIMO антеннасынын өсүү ийри сызыктары 2 жана 2-сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн. 16a,b жана 17a,b сүрөттөрүндө көрсөтүлгөндөй, MIMO компоненттеринин өз ара аракеттешүүсү көрсөтүлгөн. MIMO антенналарына метасурфастар колдонулганда, MIMO антенналарынын ортосундагы изоляция бир топ жакшырат. S12, S14, S23 жана S34 чектеш антенна элементтеринин ортосундагы изоляция схемалары окшош ийри сызыктарды көрсөтөт, ал эми диагоналдык MIMO антенналары S13 жана S42 алардын ортосундагы аралыктын чоңдугуна байланыштуу ушундай эле жогорку изоляцияны көрсөтөт. Кошуна антенналардын симуляцияланган берүү мүнөздөмөлөрү 16а-сүрөттө көрсөтүлгөн. Белгилей кетсек, 6 ГГцтен төмөн 5G иштөө спектринде MIMO антеннасынын метабети жок минималдуу изоляциясы -13,6 дБ, ал эми арткы бети бар метабеткей үчүн - 15,5 дБ. Пайда графиги (16а-сүрөт) бир жана эки катмарлуу метабеттерге салыштырмалуу MIMO антеннасынын элементтеринин ортосундагы изоляцияны бир топ жакшыртаарын көрсөтөт. Кошуна антеннанын элементтеринде бир жана эки катмарлуу метабеттер болжол менен -13,68 дБ жана -14,78 дБ минималдуу изоляцияны камсыз кылат, ал эми жез арткы бети -15,5 дБ болжол менен камсыз кылат.
MS катмары жок жана MS катмары бар MIMO элементтеринин окшоштурулган изоляция ийри сызыктары: (a) S12, S14, S34 жана S32 жана (б) S13 жана S24.
Сунушталган MS негизиндеги MIMO антенналарынын эксперименталдык пайда ийри сызыктары: (a) S12, S14, S34 жана S32 жана (b) S13 жана S24.
MIMO диагоналдык антеннасынын MS катмарын кошконго чейинки жана андан кийинки пайда графиги 16б-сүрөттө көрсөтүлгөн. Белгилей кетчү нерсе, метабети жок диагоналдык антенналардын ортосундагы минималдуу изоляция (антенна 1 жана 3) иштөө спектри боюнча – 15,6 дБ, ал эми арткы бети бар метабеттик – 18 дБ. Metasurface ыкмасы диагоналдык MIMO антенналарынын ортосундагы бириктирүү эффекттерин кыйла азайтат. Бир катмарлуу метабеттин максималдуу изоляциясы -37 дБ, ал эми эки катмарлуу метабети үчүн бул көрсөткүч -47 дБ чейин төмөндөйт. Метабетинин жез арткы катмары менен максималдуу изоляциясы -36,2 дБ болуп саналат, ал жыштык диапазонуна жараша азаят. Арткы панели жок бир жана эки катмарлуу метабеттер менен салыштырганда, арткы бети бар метабеттер бардык талап кылынган операциялык жыштык диапазонунда, өзгөчө 5G диапазонунда 6 ГГцтен төмөн, 16а, б-сүрөттөрүндө көрсөтүлгөндөй, мыкты изоляцияны камсыз кылат. 6 ГГц (3,5 ГГц) төмөн эң популярдуу жана кеңири колдонулган 5G тилкесинде бир жана эки катмарлуу метабеттер MIMO компоненттеринин ортосундагы изоляциясы жез арткы беттери бар (MS дээрлик жок) (16а-сүрөттү караңыз), б) . Пайданы өлчөө 17a, b-сүрөттөрүндө, тиешелүүлүгүнө жараша чектеш антенналардын (S12, S14, S34 жана S32) жана диагоналдык антенналардын (S24 жана S13) изоляциясын көрсөткөн. Бул сандардан көрүнүп тургандай (сүрөт 17а, б), MIMO компоненттеринин ортосундагы эксперименталдык изоляция симуляцияланган изоляцияга жакшы дал келет. Өндүрүштүк мүчүлүштүктөрдөн, SMA порт туташууларынан жана зым жоготууларынан улам симуляцияланган жана өлчөнгөн CST баалуулуктарынын ортосунда кичине айырмачылыктар бар болсо да. Кошумчалай кетсек, антенна жана MS рефлектору нейлон бөлгүчтөрдүн ортосунда жайгашкан, бул симуляциянын натыйжаларына салыштырмалуу байкалган натыйжаларга таасирин тийгизген дагы бир маселе.
5,5 ГГц жыштыктагы беттик токтун бөлүштүрүлүшүн изилдеп, беттик толкунду басуу аркылуу өз ара байланышты азайтуудагы метабеттердин ролун рационализациялашты42. Сунушталган MIMO антеннасынын жер үстүндөгү токтун бөлүштүрүлүшү 18-сүрөттө көрсөтүлгөн, антенна 1 башкарылат жана антеннанын калган бөлүгү 50 Ом жүк менен токтотулат. 1-антеннага кубат берилгенде, 18а-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, метабеттин жоктугунда чектеш антенналарда 5,5 ГГцде олуттуу өз ара бириктирүү агымдары пайда болот. Тескерисинче, 18b–d-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, метабеттерди колдонуу аркылуу чектеш антенналардын ортосундагы изоляция жакшыртылды. Белгилеп кетүүчү нерсе, чектеш талаалардын өз ара кошулушунун эффекти бириктирүүчү токту бирдик клеткаларынын чектеш шакекчелерине жана МС катмарынын боюндагы жанаша МС бирдик клеткаларына антипараллель багыттарда жайылтуу жолу менен азайтууга болот. Бөлүштүрүлгөн антенналардан MS блокторуна ток киргизүү MIMO компоненттеринин ортосундагы изоляцияны жакшыртуунун негизги ыкмасы болуп саналат. Натыйжада, MIMO компоненттеринин ортосундагы бириктирүү агымы абдан азайып, обочолонуу да абдан жакшырды. Кошуу талаасы элементте кеңири таралгандыктан, жез арткы бетинин метабети MIMO антеннасынын жыйындысын бир жана эки катмарлуу метабеттерге караганда кыйла көбүрөөк бөлүп турат (18d-сүрөт). Андан тышкары, иштелип чыккан MIMO антеннасы өтө төмөн артка жана каптал таралууга ээ, бул бир багыттуу нурлануунун үлгүсүн жаратат, ошону менен сунушталган MIMO антеннасынын кирешесин жогорулатат.
Сунушталган MIMO антеннасынын 5,5 ГГц (a) MC жок, (б) бир катмарлуу MC, (c) эки катмарлуу MC жана (г) жез арткы бети бар бир катмарлуу МКнын беттик ток үлгүлөрү. (CST Studio Suite 2019).
Иштөө жыштыгында, 19а-сүрөттө MIMO антеннасынын иштелип чыккан жана метабеттери жок жана байкалган пайдалары көрсөтүлгөн. 19а-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, метабетсиз MIMO антеннасынын симуляцияланган жетишилген өсүшү 5,4 дБи түзөт. MIMO компоненттеринин ортосундагы өз ара бириктирүү эффектинен улам, сунушталган MIMO антеннасы бир антеннага караганда 0,25 дБи көбүрөөк пайда алып келет. Metasurfaces кошуу MIMO компоненттеринин ортосунда олуттуу пайда жана изоляцияны камсыз кыла алат. Ошентип, сунушталган metasurface MIMO антеннасы 8,3 дБиге чейин жогору ишке ашкан кирешеге жете алат. 19a-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, MIMO антеннасынын арткы бөлүгүндө бир эле метабеттик колдонулганда, пайда 1,4 дБи көбөйөт. Metasurface эки эселенгенде, 19а-сүрөттө көрсөтүлгөндөй пайда 2,1 дБи көбөйөт. Бирок, 8,3 dBi күтүлгөн максималдуу пайдага жез арткы бети менен метасурфасты колдонууда жетишилет. Белгилей кетчү нерсе, бир катмарлуу жана эки катмарлуу метабеттер үчүн жетишилген максималдуу пайда тиешелүүлүгүнө жараша 6,8 дБ жана 7,5 дБ, ал эми төмөнкү катмар үчүн жеткен максималдуу пайда 8,3 дБ. Антеннанын арткы тарабындагы метасайс катмары рефлектордун ролун аткарып, антеннанын арткы тарабындагы радиацияны чагылдырат жана иштелип чыккан MIMO антеннасынын алдыңкы-арты (F/B) катышын жакшыртат. Мындан тышкары, жогорку импеданстагы MS рефлектору фазада электромагниттик толкундарды башкарып, ошону менен кошумча резонанс жаратып, сунушталган MIMO антеннасынын радиациялык көрсөткүчтөрүн жакшыртат. MIMO антеннасынын артына орнотулган MS рефлектору жетишилген кирешени бир топ жогорулата алат, муну эксперименталдык натыйжалар тастыктайт. Иштелип чыккан прототиби MIMO антеннасынын байкалган жана симуляцияланган пайдалары дээрлик бирдей, бирок кээ бир жыштыктарда өлчөнгөн пайда симуляцияланган пайдадан жогору, өзгөчө MS жок MIMO үчүн; Эксперименттик пайданын бул вариациялары нейлон жаздыкчаларынын өлчөө толеранттуулугуна, кабелдик жоготууларга жана антенна тутумундагы кошулууга байланыштуу. MIMO антеннасынын эң жогорку өлчөнгөн кирешеси метабетсиз 5,8 дБ, ал эми жез арткы бети бар метабети 8,5 дБ. Белгилей кетсек, MS рефлектору менен сунушталган толук 4-порттук MIMO антенна системасы эксперименталдык жана сандык шарттарда жогорку кирешени көрсөтөт.
(a) жетишилген кирешенин жана (б) сунушталган MIMO антеннасынын жалпы өндүрүмдүүлүгүнүн симуляциясы жана эксперименталдык натыйжалары.
19б-сүрөттө сунушталган MIMO тутумунун метабеттик чагылткычтары жок жана жалпы өндүрүмдүүлүгү көрсөтүлгөн. 19b-сүрөттө, арткы панели бар MSти колдонуунун эң төмөнкү эффективдүүлүгү 73%дан ашкан (84%га чейин). MC жана MC менен иштелип чыккан MIMO антенналарынын жалпы эффективдүүлүгү симуляцияланган маанилерге салыштырмалуу анча чоң эмес айырмачылыктар менен дээрлик бирдей. Мунун себептери өлчөө толеранттуулугу жана антенна менен MS рефлекторунун ортосундагы аралыктарды колдонуу. Бардык жыштык боюнча өлчөнгөн жетишкендик жана жалпы эффективдүүлүк симуляциянын натыйжаларына дээрлик окшош, бул сунушталган MIMO прототипинин иштеши күтүлгөндөй экенин жана сунушталган MS негизиндеги MIMO антеннасы 5G байланышы үчүн ылайыктуу экенин көрсөтүп турат. Эксперименталдык изилдөөлөрдөгү каталардан улам лабораториялык эксперименттердин жалпы натыйжалары менен симуляциялардын натыйжаларынын ортосунда айырмачылыктар бар. Сунушталган прототиптин иштешине антенна менен SMA туташтыргычынын ортосундагы импеданстын дал келбестиги, коаксиалдык кабелдик кошулмалардын жоготуулары, ширетүү эффекттери жана ар кандай электрондук түзүлүштөрдүн эксперименталдык орнотууга жакындыгы таасир этет.
20-сүрөт блок-схема түрүндө аталган антеннанын долбоорлоо жана оптималдаштыруу жүрүшүн сүрөттөйт. Бул блок-схема сунуш кылынган MIMO антеннасынын долбоорлоо принциптеринин этап-этабы менен сүрөттөлүшүн, ошондой эле антеннаны оптималдаштырууда негизги ролду ойногон параметрлерди, талап кылынган жогорку пайдага жана кеңири иштөө жыштыгында жогорку изоляцияга жетүү үчүн камсыз кылат.
Жакынкы талаадагы MIMO антеннасынын өлчөөлөрү UKM SATIMO жакынкы талаа системаларынын лабораториясында SATIMO жакынкы талаа эксперименталдык чөйрөсүндө өлчөнгөн. 21a,b сүрөттөрү 5,5 ГГц иштөө жыштыгында MS менен жана антеннасыз билдирилген MIMO антеннасынын симуляцияланган жана байкалган E-тегиздик жана H-тегиздик нурлануу схемаларын сүрөттөйт. 5,5 ГГц жыштык диапазонунда иштелип чыккан MS MIMO антеннасы каптал лоб баалуулуктары менен ырааттуу эки багыттуу нурлануунун үлгүсүн камсыз кылат. MS рефлекторун колдонгондон кийин, антенна бир багыттуу нурланууну камсыз кылат жана 21а, б-сүрөттөрүндө көрсөтүлгөндөй, арткы бөлүкчөлөрдүн деңгээлин төмөндөтөт. Белгилей кетчү нерсе, жез арткы бети бар метабетти колдонуу менен сунушталган MIMO антеннасынын үлгүсү MSсиз караганда туруктуу жана бир багыттуу, арткы жана каптал бөлүктөрү өтө төмөн. Сунушталган MM массивинин рефлектору антеннанын арткы жана каптал бөлүгүн азайтат, ошондой эле токту бир багыттуу багытта багыттоо аркылуу радиациялык мүнөздөмөлөрдү жакшыртат (сүр. 21а, б), ошону менен пайданы жана багытты жогорулатат. Ченилген нурлануунун үлгүсү калган портторго туташтырылган 50 Ом жүк менен 1-порт үчүн алынган. Компоненттин туура эмес түзүлүшүнөн, терминалдык порттордон чагылуулардан жана кабелдик туташуулардагы жоготуулардан улам бир аз четтөөлөр болгонуна карабастан, эксперименталдык нурлануунун үлгүсү CST менен окшоштурулганы менен дээрлик бирдей экени байкалды. Кошумчалай кетсек, антенна менен MS рефлекторунун ортосуна нейлон аралыгы киргизилген, бул болжолдонгон натыйжаларга салыштырмалуу байкалган натыйжаларга таасир эткен дагы бир маселе.
5,5 ГГц жыштыгында иштелип чыккан MIMO антеннасынын (MS жок жана MS менен) радиациялык үлгүсү симуляцияланган жана сыналган.
MIMO системаларынын иштешин баалоодо порттун изоляциясы жана аны менен байланышкан мүнөздөмөлөр маанилүү экенин белгилей кетүү маанилүү. Сунушталган MIMO тутумунун ар түрдүүлүк көрсөткүчтөрү, анын ичинде конверттин корреляция коэффициенти (ECC) жана көп түрдүүлүктүн жогорулашы (DG), иштелип чыккан MIMO антенна системасынын бекемдигин көрсөтүү үчүн каралат. MIMO антеннасынын ECC жана DG анын иштешин баалоо үчүн колдонулушу мүмкүн, анткени алар MIMO тутумунун иштешинин маанилүү аспектилери болуп саналат. Төмөнкү бөлүмдөр сунушталган MIMO антеннасынын бул өзгөчөлүктөрүн деталдаштырат.
Конверттин корреляция коэффициенти (ECC). Кандайдыр бир MIMO тутумун карап жатканда, ECC түзүүчү элементтердин өзгөчө касиеттери боюнча бири-бири менен байланышынын даражасын аныктайт. Ошентип, ECC зымсыз байланыш тармагындагы каналдын изоляциясынын даражасын көрсөтөт. Иштелип чыккан MIMO системасынын ECC (конверттин корреляция коэффициенти) S-параметрлеринин жана алыскы талаа эмиссиясынын негизинде аныкталышы мүмкүн. Eq. (7) жана (8) сунушталган MIMO антеннасынын ЭКК 31 аныкталышы мүмкүн.
Чагылуунун коэффициенти Sii менен, ал эми Сиж өткөргүч коэффициенти менен көрсөтүлөт. j-чи жана i-чи антенналардын үч өлчөмдүү нурлануу схемалары \(\vec{R}_{j} \left( {\theta,\varphi } \right)\) жана \( \vec {{R_{ i } }} Катуу бурч \left( {\theta ,\varphi } \right)\) жана \({\Омега }\) менен көрсөтүлгөн. Сунушталган антеннанын ECC ийри сызыгы 22а-сүрөттө көрсөтүлгөн жана анын мааниси 0,004төн аз, бул зымсыз система үчүн алгылыктуу 0,5 маанисинен кыйла төмөн. Ошондуктан, кыскартылган ECC мааниси сунушталган 4-порттук MIMO системасы жогорку ар түрдүүлүктү камсыз кылат дегенди билдирет43.
Diversity Gain (DG) DG - бул ар түрдүүлүк схемасы нурлануучу кубаттуулукка кандай таасир тийгизерин сүрөттөгөн дагы бир MIMO тутумунун аткаруу көрсөткүчү. Байланыш (9) 31-де сүрөттөлгөндөй, иштелип жаткан MIMO антенна системасынын DGсин аныктайт.
22б-сүрөттө сунушталган MIMO тутумунун DG диаграммасы көрсөтүлгөн, мында DG мааниси 10 дБге абдан жакын. Дизайнланган MIMO системасынын бардык антенналарынын DG маанилери 9,98 дБ ашат.
1-таблица сунушталган MIMO антеннасын жакында иштелип чыккан окшош MIMO системалары менен салыштырат. Салыштыруу өткөрүү жөндөмдүүлүгүн, пайданы, максималдуу изоляцияны, жалпы эффективдүүлүктү жана ар түрдүүлүктүн иштешин камтыган ар кандай аткаруу параметрлерин эске алат. Изилдөөчүлөр 5, 44, 45, 46, 47-де пайда жана изоляцияны жакшыртуу ыкмалары менен ар кандай MIMO антеннасынын прототиптерин көрсөтүштү. Мурда жарыяланган иштерге салыштырмалуу, метасүрс чагылдыргычтары менен сунушталган MIMO системасы өткөрүү жөндөмдүүлүгү, пайда жана изоляция жагынан алардан ашып түштү. Кошумча, билдирилген окшош антенналарга салыштырмалуу, иштелип чыккан MIMO тутуму азыраак өлчөмдө жогорку ар түрдүүлүктү жана жалпы натыйжалуулукту көрсөтөт. 5.46-бөлүмдө сүрөттөлгөн антенналар биз сунуштаган антенналарга караганда көбүрөөк изоляцияга ээ болсо да, бул антенналар чоң өлчөмдөн, аз кирешелүүлүктөн, өткөрүү жөндөмдүүлүгүнүн тардыгынан жана MIMO көрсөткүчүнүн начардыгынан жапа чегишет. 45-жылы сунушталган 4 порттуу MIMO антеннасы жогорку кирешени жана эффективдүүлүгүн көрсөтөт, бирок анын дизайны аз изоляцияга, чоң өлчөмдө жана ар түрдүүлүктүн начар иштешине ээ. Башка жагынан алганда, 47-жылы сунушталган кичинекей өлчөмдөгү антенна системасы өтө төмөн кирешеге жана иштөө жөндөмдүүлүгүнө ээ, ал эми биздин сунушталган MS негизиндеги 4-порттук MIMO тутуму кичинекей өлчөмдү, жогорку кирешени, жогорку изоляцияны жана жакшыраак иштөөчү MIMOну көрсөтөт. Ошентип, сунушталган metasurface MIMO антенна суб-6 ГГц 5G байланыш системалары үчүн негизги атаандаш болуп калышы мүмкүн.
6 ГГцтен төмөн 5G тиркемелерин колдоо үчүн төрт порттуу метасүрф рефлекторуна негизделген кең тилкелүү MIMO антеннасы сунушталат. Микрострип сызыгы диагоналдык бурчтарындагы квадрат менен кыскартылган чарчы нурлануучу секцияны азыктандырат. Сунушталган MS жана антенна эмитенти жогорку ылдамдыктагы 5G байланыш системаларында мыкты көрсөткүчтөргө жетишүү үчүн Rogers RT5880ге окшош субстрат материалдарында ишке ашырылат. MIMO антеннасы кеңири диапазонду жана жогорку кирешени камтыйт жана MIMO компоненттеринин ортосунда үн изоляциясын жана эң сонун эффективдүүлүктү камсыз кылат. Иштелип чыккан жалгыз антеннанын миниатюралык өлчөмдөрү 0,58?0,58?0,02? 5×5 metasurface массиви менен, 4,56 ГГц кең иштөө өткөрүү жөндөмдүүлүгүн, 8 дБи чокусу пайда жана жогорку өлчөнгөн натыйжалуулукту камсыз кылат. Сунушталган төрт порттуу MIMO антеннасы (2 × 2 массив) ар бир сунушталган жалгыз антеннаны 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ өлчөмдөрү менен башка антенна менен ортогоналдуу тегиздөө жолу менен иштелип чыккан. 10×10 мм массивди бийиктиги 12 мм болгон MIMO антеннасынын астына чогултуу сунушталат, ал арткы нурланууну азайтып, MIMO компоненттеринин ортосундагы өз ара байланышты азайтып, ошону менен пайданы жана изоляцияны жакшыртат. Эксперименттик жана симуляциялык натыйжалар иштелип чыккан MIMO прототиби 6 ГГцтен төмөн 5G спектрин камтыган 3,08–7,75 ГГц кеңири жыштык диапазонунда иштей аларын көрсөтүп турат. Кошумчалай кетсек, сунушталган MS негизиндеги MIMO антеннасы 8,3 дБи максималдуу пайдага жетишип, 2,9 дБи жогорулатат жана MIMO компоненттеринин ортосунда эң сонун изоляцияны (>15,5 дБ) камсыз кылып, MSтин салымын тастыктайт. Мындан тышкары, сунушталган MIMO антеннасынын жогорку орточо жалпы эффективдүүлүгү 82% жана элементтер аралык 22 мм төмөн аралыкка ээ. Антенна MIMO ар түрдүүлүктү мыкты көрсөтөт, анын ичинде өтө жогорку DG (9,98 дБ), өтө төмөн ECC (0,004төн аз) жана бир багыттуу нурлануу үлгүсү. Өлчөө натыйжалары симуляциянын натыйжаларына абдан окшош. Бул мүнөздөмөлөр иштелип чыккан төрт порттуу MIMO антенна системасы суб-6 ГГц жыштык диапазонундагы 5G байланыш системалары үчүн ылайыктуу тандоо боло аларын тастыктайт.
Cowin 400-6000MHz кең тилкелүү PCB антеннасын камсыздай алат жана сиздин талапка ылайык жаңы антеннаны иштеп чыгууга колдоо көрсөтө алат, эгер кандайдыр бир сурооңуз болсо, тартынбастан биз менен байланышыңыз.
Посттун убактысы: 2024-жылдын 10-октябрына чейин