Karya iki ngusulake kompak multi-input multi-output (MIMO) metasurface (MS) antena wideband kanggo sub-6 GHz generasi kalima (5G) sistem komunikasi nirkabel. Kebaruan sing jelas saka sistem MIMO sing diusulake yaiku bandwidth operasi sing amba, gain dhuwur, jarak antarkomponen cilik, lan isolasi sing apik ing komponen MIMO. Titik pancaran antena dipotong diagonal, lemah sebagian, lan metasurfaces digunakake kanggo nambah kinerja antena. Prototipe sing diusulake antena MS tunggal terpadu nduweni dimensi miniatur 0.58λ × 0.58λ × 0.02λ. Asil simulasi lan pangukuran nduduhake kinerja wideband saka 3,11 GHz nganti 7,67 GHz, kalebu gain paling dhuwur sing digayuh 8 dBi. Sistem MIMO papat unsur dirancang supaya saben antena orthogonal kanggo saben liyane nalika njaga ukuran kompak lan kinerja wideband saka 3,2 kanggo 7,6 GHz. Prototipe MIMO ngajokaken dirancang lan digawe ing Rogers RT5880 landasan karo mundhut kurang lan dimensi miniaturized 1,05? 1.05? 0,02 ?, lan kinerja dievaluasi nggunakake kothak resonator ring tertutup Uploaded ngajokaken karo 10 x 10 ring pamisah. Materi dhasar padha. Metasurface backplane sing diusulake nyuda radiasi bali antena lan manipulasi medan elektromagnetik, saéngga nambah bandwidth, gain, lan isolasi komponen MIMO. Dibandhingake karo antena MIMO sing ana, antena MIMO 4-port sing diusulake entuk gain dhuwur 8,3 dBi kanthi efisiensi sakabèhé rata-rata nganti 82% ing pita 5G sub-6 GHz lan cocog karo asil sing diukur. Kajaba iku, antena MIMO sing dikembangake nuduhake kinerja sing apik babagan koefisien korélasi envelope (ECC) kurang saka 0,004, gain keragaman (DG) kira-kira 10 dB (> 9,98 dB) lan isolasi dhuwur ing antarane komponen MIMO (> 15,5 dB). ciri. Mangkono, antena MIMO basis MS sing diusulake negesake ditrapake kanggo jaringan komunikasi 5G sub-6 GHz.
Teknologi 5G minangka kemajuan luar biasa ing komunikasi nirkabel sing bakal ngaktifake jaringan sing luwih cepet lan luwih aman kanggo milyaran piranti sing disambungake, nyedhiyakake pengalaman pangguna kanthi latensi "nol" (latency kurang saka 1 milidetik), lan ngenalake teknologi anyar, kalebu elektronik. Perawatan medis, pendidikan intelektual. , kutha cerdas, omah cerdas, kasunyatan virtual (VR), pabrik cerdas lan Internet Kendaraan (IoV) ngganti urip, masyarakat lan industri1,2,3. Komisi Komunikasi Federal AS (FCC) mbagi spektrum 5G dadi papat pita frekuensi4. Pita frekuensi ing ngisor 6 GHz narik kawigaten para peneliti amarga ngidini komunikasi jarak adoh kanthi tingkat data sing dhuwur5,6. Alokasi spektrum 5G sub-6 GHz kanggo komunikasi 5G global ditampilake ing Gambar 1, nuduhake yen kabeh negara nganggep spektrum sub-6 GHz kanggo komunikasi 5G7,8. Antena minangka bagéyan penting saka jaringan 5G lan mbutuhake luwih akeh stasiun pangkalan lan antena terminal pangguna.
Microstrip patch antena duwe kaluwihan saka thinness lan struktur warata, nanging winates ing bandwidth lan gain9,10, supaya akeh riset wis rampung kanggo nambah gain lan bandwidth saka antena; Ing taun anyar, metasurfaces (MS) wis digunakake digunakake ing teknologi antena, utamané kanggo nambah gain lan throughput11,12, Nanging, antena iki diwatesi kanggo port siji; Teknologi MIMO minangka aspek penting ing komunikasi nirkabel amarga bisa nggunakake macem-macem antena bebarengan kanggo ngirim data, saéngga ningkatake tingkat data, efisiensi spektral, kapasitas saluran, lan linuwih13,14,15. Antena MIMO minangka calon potensial kanggo aplikasi 5G amarga bisa ngirim lan nampa data liwat sawetara saluran tanpa mbutuhake daya tambahan16,17. Efek kopling bebarengan antarane komponen MIMO gumantung ing lokasi unsur MIMO lan gain saka antena MIMO, kang tantangan utama kanggo peneliti. Gambar 18, 19, lan 20 nuduhake macem-macem antena MIMO sing beroperasi ing pita 5G sub-6 GHz, kabeh nuduhake isolasi lan kinerja MIMO sing apik. Nanging, gain lan bandwidth operasi saka sistem ngajokaken iki kurang.
Metamaterials (MMs) minangka bahan anyar sing ora ana ing alam lan bisa ngolah gelombang elektromagnetik, saéngga ningkatake kinerja antena21,22,23,24. MM saiki akeh digunakake ing teknologi antena kanggo ningkatake pola radiasi, bandwidth, gain, lan isolasi antarane unsur antena lan sistem komunikasi nirkabel, kaya sing dibahas ing 25, 26, 27, 28. Ing taun 2029, sistem MIMO papat unsur adhedhasar metasurface, kang bagean antena sandwiched antarane metasurface lan lemah tanpa longkangan online, kang mbenakake kinerja MIMO. Nanging, desain iki nduweni ukuran sing luwih gedhe, frekuensi operasi sing luwih murah lan struktur sing kompleks. Bandgap elektromagnetik (EBG) lan daur ulang lemah kalebu ing antena MIMO wideband 2-port sing diusulake kanggo nambah isolasi komponen MIMO30. Antena dirancang nduweni kinerja bhinéka MIMO apik lan isolasi banget antarane loro antena MIMO, nanging nggunakake mung loro komponen MIMO, gain bakal kurang. Kajaba iku, in31 uga ngusulake antena MIMO dual-port ultra-wideband (UWB) lan nyelidiki kinerja MIMO kanthi nggunakake bahan metamaterial. Senajan antena iki saged operasi UWB, gain kurang lan isolasi antarane loro antena miskin. Karya in32 ngusulake sistem MIMO 2-port sing nggunakake reflektor bandgap elektromagnetik (EBG) kanggo nambah gain. Senajan Uploaded antena dikembangaké gain dhuwur lan kinerja bhinéka MIMO apik, ukuran gedhe ndadekake angel kanggo aplikasi ing piranti komunikasi generasi sabanjuré. Antena broadband basis reflektor liyane dikembangake ing 33, ing ngendi reflektor kasebut digabungake ing antena kanthi longkangan 22 mm sing luwih gedhe, nuduhake gain puncak ngisor 4,87 dB. Paper 34 ngrancang antena MIMO papat-port kanggo aplikasi mmWave, kang Integrasi karo lapisan MS kanggo nambah isolasi lan gain saka sistem MIMO. Nanging, antena iki nyedhiyakake gain lan isolasi sing apik, nanging nduweni bandwidth winates lan sifat mekanik sing kurang amarga jurang udara sing gedhe. Kajaba iku, ing 2015, telung pasangan, 4-port bowtie-shaped metasurface-integrated antena MIMO dikembangaké kanggo komunikasi mmWave karo gain maksimum 7,4 dBi. B36 MS digunakake ing mburi antena 5G kanggo nambah gain antena, ngendi metasurface tumindak minangka reflektor. Nanging, struktur MS asimetris lan kurang diwenehi perhatian marang struktur sel unit.
Miturut asil analisis ndhuwur, ora ana antena ndhuwur gain dhuwur, isolasi banget, kinerja MIMO lan jangkoan wideband. Mulane, isih perlu antena MIMO metasurface sing bisa nutupi sawetara frekuensi spektrum 5G ing ngisor 6 GHz kanthi gain dhuwur lan isolasi. Ngelingi watesan saka literatur sing kasebut ing ndhuwur, sistem antena MIMO papat-elemen wideband kanthi gain dhuwur lan kinerja keragaman sing apik diusulake kanggo sistem komunikasi nirkabel sub-6 GHz. Kajaba iku, antena MIMO sing diusulake nuduhake isolasi sing apik ing antarane komponen MIMO, kesenjangan unsur cilik, lan efisiensi radiasi sing dhuwur. Tembelan antena dipotong diagonal lan diselehake ing ndhuwur metasurface kanthi longkangan udara 12mm, sing nggambarake radiasi bali saka antena lan nambah gain antena lan directivity. Kajaba iku, antena tunggal sing diusulake digunakake kanggo nggawe antena MIMO papat unsur kanthi kinerja MIMO sing unggul kanthi posisi saben antena kanthi ortogonal. Antena MIMO sing dikembangake banjur digabungake ing ndhuwur array 10 × 10 MS kanthi backplane tembaga kanggo nambah kinerja emisi. Desain kasebut nduweni jangkauan operasi sing wiyar (3.08-7.75 GHz), gain dhuwur 8.3 dBi lan efisiensi sakabèhé rata-rata dhuwur 82%, uga isolasi sing apik banget luwih saka −15.5 dB antarane komponen antena MIMO. Antena MIMO berbasis MS sing dikembangake disimulasi nggunakake paket piranti lunak elektromagnetik 3D CST Studio 2019 lan divalidasi liwat studi eksperimen.
Bagean iki nyedhiyakake introduksi rinci babagan arsitektur sing diusulake lan metodologi desain antena tunggal. Kajaba iku, asil simulasi lan diamati rembugan ing rinci, kalebu paramèter buyar, gain, lan efficiency sakabèhé karo lan tanpa metasurfaces. Antena prototipe iki dikembangaké ing Rogers 5880 kurang substrat dielektrik mundhut karo kekandelan 1,575mm karo pancet dielektrik 2,2. Kanggo ngembangake lan simulasi desain, paket simulator elektromagnetik CST studio 2019 digunakake.
Figure 2 nuduhake arsitektur ngajokaken lan model desain antena siji-unsur. Miturut pepadhan matématika mapan37, antena kasusun saka titik radiating kothak linearly dipakani lan bidang lemah tembaga (minangka diterangake ing langkah 1) lan resonates karo bandwidth banget panah ing 10,8 GHz, minangka ditampilake ing Figure 3b. Ukuran wiwitan radiator antena ditemtokake dening hubungan matematika ing ngisor iki37:
Ing endi \(P_{L}\) lan \(P_{w}\) minangka dawa lan jembaré tambalan, c nuduhake kacepetan cahya, \(\gamma_{r}\) yaiku konstanta dielektrik saka substrat. . , \(\gamma_{reff}\) nggantosi nilai dielektrik efektif saka titik radiation, \ (\ Delta L \) nggantosi owah-owahan ing dawa titik. Backplane antena dioptimalake ing tahap kapindho, nambah bandwidth impedansi sanajan bandwidth impedansi kurang saka 10 dB. Ing tataran katelu, posisi feeder dipindhah menyang tengen, kang mbenakake bandwidth impedansi lan cocog impedansi saka antena ngajokaken38. Ing tahap iki, antena nuduhake bandwidth operasi sing apik banget yaiku 4 GHz lan uga kalebu spektrum ing ngisor 6 GHz ing 5G. Tahap kaping papat lan pungkasan kalebu alur persegi etsa ing pojok-pojok titik radiasi. Slot iki kanthi signifikan ngembangake bandwidth 4,56 GHz kanggo nutupi spektrum 5G sub-6 GHz saka 3,11 GHz dadi 7,67 GHz, kaya sing ditampilake ing Gambar 3b. Tampilan perspektif ngarep lan ngisor saka desain sing diusulake ditampilake ing Gambar 3a, lan paramèter desain sing dioptimalake pungkasan yaiku: 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) Tampilan ndhuwur lan mburi antena tunggal sing dirancang (CST STUDIO SUITE 2019). (b) kurva S-parameter.
Metasurface minangka istilah sing nuduhake susunan periodik sel unit sing dumunung ing jarak tartamtu saka siji liyane. Metasurfaces minangka cara sing efektif kanggo ningkatake kinerja radiasi antena, kalebu bandwidth, gain, lan isolasi ing antarane komponen MIMO. Amarga pengaruh panyebaran gelombang permukaan, metasurfaces ngasilake resonansi tambahan sing nyumbang kanggo kinerja antena sing luwih apik39. Karya iki ngusulake unit metamaterial (MM) epsilon-negatif sing beroperasi ing pita 5G ing ngisor 6 GHz. MM kanthi area lumahing 8mm × 8mm dikembangake ing substrat Rogers 5880 sing kurang dielektrik kanthi konstanta dielektrik 2,2 lan kekandelan 1,575mm. Tembelan resonator MM optimized kasusun saka ring pamisah bunder utama disambungake menyang rong ring pamisah njaba dipunéwahi, minangka ditampilake ing Figure 4a. Figure 4a ngringkes paramèter optimized final saka persiyapan MM ngajokaken. Sabanjure, lapisan metasurface 40 × 40 mm lan 80 × 80 mm dikembangake tanpa backplane tembaga lan karo backplane tembaga nggunakake susunan sel 5 × 5 lan 10 × 10. Struktur MM sing diusulake dimodelake nggunakake piranti lunak pemodelan elektromagnetik 3D "CST studio suite 2019". Prototipe fabrikasi saka struktur array MM sing diusulake lan persiyapan pangukuran (penganalisa jaringan dual-port PNA lan port waveguide) ditampilake ing Figure 4b kanggo validasi asil simulasi CST kanthi nganalisa respon nyata. Persiyapan pangukuran nggunakake analisa jaringan seri Agilent PNA kanthi kombinasi karo rong adaptor coaxial waveguide (A-INFOMW, nomer bagean: 187WCAS) kanggo ngirim lan nampa sinyal. Prototipe 5 × 5 array diselehake ing antarane loro adaptor coaxial waveguide disambungake dening kabel coaxial menyang analyzer jaringan loro-port (Agilent PNA N5227A). Kit kalibrasi Agilent N4694-60001 digunakake kanggo kalibrasi analisa jaringan ing pabrik pilot. Parameter panyebaran simulasi lan CST sing diamati saka prototipe MM array sing diusulake ditampilake ing Figure 5a. Bisa dideleng manawa struktur MM sing diusulake resonates ing kisaran frekuensi 5G ing ngisor 6 GHz. Senadyan prabédan cilik ing bandwidth 10 dB, asil simulasi lan eksperimen meh padha. Frekuensi resonansi, bandwidth, lan amplitudo saka resonansi sing diamati rada beda karo simulasi, kaya sing ditampilake ing Gambar 5a. Iki beda antarane asil diamati lan simulasi amarga imperfections Manufaktur, reresik cilik antarane prototipe lan bandar waveguide, efek kopling antarane bandar waveguide lan komponen Uploaded, lan toleransi pangukuran. Kajaba iku, panggonan sing tepat saka prototipe sing dikembangake ing antarane port waveguide ing persiyapan eksperimen bisa nyebabake owah-owahan resonansi. Kajaba iku, gangguan sing ora dikarepake diamati sajrone fase kalibrasi, sing nyebabake beda antarane asil numerik lan diukur. Nanging, saliyane kesulitan kasebut, prototipe array MM sing diusulake nindakake kanthi apik amarga korélasi sing kuat antara simulasi lan eksperimen, saéngga cocog kanggo aplikasi komunikasi nirkabel sub-6 GHz 5G.
(a) Geometri sel unit (S1 = 8 mm, S2 = 7 mm, S3 = 5 mm, f1, f2, f4 = 0,5 mm, f3 = 0,75 mm, h1 = 0,5 mm, h2 = 1,75 mm) (CST STUDIO SUITE) ) 2019) (b) Foto persiyapan pengukuran MM.
(a) Simulasi lan verifikasi kurva parameter scattering prototipe metamaterial. (b) Kurva konstanta dielektrik saka sel unit MM.
Parameter efektif sing relevan kayata konstanta dielektrik efektif, permeabilitas magnetik, lan indeks bias ditliti kanthi nggunakake teknik pasca-processing dibangun ing simulator elektromagnetik CST kanggo luwih nganalisis prilaku sel unit MM. Parameter MM efektif dipikolehi saka paramèter scattering nggunakake metode rekonstruksi sing kuat. Persamaan koefisien transmisi lan refleksi ing ngisor iki: (3) lan (4) bisa digunakake kanggo nemtokake indeks bias lan impedansi (pirsani 40).
Bagian nyata lan khayalan operator diwakili dening (.) 'lan (.) ", lan nilai integer m cocog karo indeks bias nyata. Konstanta dielektrik lan permeabilitas ditemtokake dening rumus \(\varepsilon {} = {}n/z,\) lan \(\mu = nz\), sing adhedhasar impedansi lan indeks bias. Kurva konstanta dielektrik efektif saka struktur MM ditampilake ing Gambar 5b. Ing frekuensi resonansi, konstanta dielektrik efektif negatif. Gambar 6a,b nuduhake nilai ekstraksi permeabilitas efektif (μ) lan indeks bias efektif (n) saka sel unit sing diusulake. Utamane, permeabilitas sing diekstrak nuduhake nilai nyata positif sing cedhak karo nol, sing negesake sifat epsilon-negatif (ENG) saka struktur MM sing diusulake. Kajaba iku, kaya sing ditampilake ing Figure 6a, resonansi ing permeabilitas cedhak karo nol banget ana hubungane karo frekuensi resonansi. Sel unit sing dikembangake nduweni indeks bias negatif (Gambar 6b), tegese MM sing diusulake bisa digunakake kanggo nambah kinerja antena21,41.
Prototipe sing dikembangake saka antena broadband tunggal digawe kanggo nyoba eksperimen desain sing diusulake. Gambar 7a,b nuduhake gambar saka prototipe antena tunggal sing diusulake, bagean struktural lan persiyapan pangukuran cedhak lapangan (SATIMO). Kanggo nambah kinerja antena, metasurface dikembangaké diselehake ing lapisan ing antena, minangka ditampilake ing Figure 8a, karo dhuwur h. Metasurface lapisan kaping pindho 40mm x 40mm ditrapake ing mburi antena tunggal kanthi interval 12mm. Kajaba iku, metasurface karo backplane diselehake ing sisih mburi antena siji ing kadohan saka 12 mm. Sawise aplikasi metasurface, antena siji nuduhake asil dandan pinunjul ing kinerja, minangka ditampilake ing tokoh 1 lan 2. Figure 8 lan 9. Figure 8b nuduhake plot reflectance simulasi lan diukur kanggo antena siji tanpa lan karo metasurfaces. Wigati dicathet menawa pita jangkoan antena kanthi metasurface meh padha karo pita jangkoan antena tanpa metasurface. Tokoh 9a, b nuduhake comparison saka gain antena siji simulasi lan diamati lan efficiency sakabèhé tanpa MS ing spektrum operasi. Sampeyan bisa ndeleng sing, dibandhingake karo antena non-metasurface, gain saka antena metasurface wis Ngartekno apik, nambah saka 5,15 dBi kanggo 8 dBi. Keuntungan saka metasurface lapisan siji, metasurface dual-lapisan, lan antena tunggal kanthi metasurface backplane tambah 6 dBi, 6,9 dBi, lan 8 dBi. Dibandhingake karo metasurfaces liyane (siji-lapisan lan pindho lapisan MC), gain saka antena metasurface siji karo backplane tembaga nganti 8 dBi. Ing kasus iki, metasurface tumindak minangka reflektor, ngurangi radiasi mburi antena lan manipulasi gelombang elektromagnetik ing-phase, mangkono nambah efficiency radiation antena lan Empu gain. A sinau saka efficiency sakabèhé saka antena siji tanpa lan karo metasurfaces ditampilake ing Figure 9b. Wigati dicathet menawa efisiensi antena kanthi lan tanpa metasurface meh padha. Ing sawetara frekuensi ngisor, efficiency antena rada suda. Kurva gain lan efisiensi eksperimen lan simulasi ana ing persetujuan apik. Nanging, ana bedane tipis antarane asil simulasi lan dites amarga cacat manufaktur, toleransi pangukuran, mundhut sambungan port SMA, lan mundhut kabel. Kajaba iku, antena lan reflektor MS dumunung antarane spacer nilon, kang masalah liyane sing mengaruhi asil diamati dibandhingake asil simulasi.
Figure (a) nuduhake antena siji rampung lan komponen gadhah. (b) Near-field measurement setup (SATIMO).
(a) Eksitasi antena nggunakake reflektor metasurface (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Reflektansi simulasi lan eksperimen saka antena siji tanpa MS.
Simulasi lan pangukuran asil (a) gain ngrambah lan (b) efficiency sakabèhé saka antena efek metasurface ngajokaken.
Analisis pola balok nggunakake MS. Pengukuran jarak cedhak antena tunggal ditindakake ing Lingkungan Eksperimen Near-Field SATIMO ing Laboratorium Sistem Near-Field UKM SATIMO. Figures 10a, b nuduhake simulasi lan diamati E-bidang lan H-bidang radiation pola pa 5,5 GHz kanggo antena single ngajokaken karo lan tanpa MS. Antena tunggal sing dikembangake (tanpa MS) nyedhiyakake pola radiasi bidirectional sing konsisten kanthi nilai lobus sisih. Sawise aplikasi reflektor MS ngajokaken, antena menehi pola radiation unidirectional lan nyuda tingkat lobus mburi, minangka ditampilake ing Figures 10a, b. Wigati dicathet menawa pola radiasi antena tunggal sing diusulake luwih stabil lan unidirectional karo lobus mburi lan sisih sing kurang banget nalika nggunakake permukaan meta karo backplane tembaga. Reflektor array MM ngajokaken nyuda lobus mburi lan sisih antena nalika nambah kinerja radiation dening ngarahake saiki ing arah unidirectional (Fig. 10a, b), mangkono nambah gain lan directivity. Ditemokake manawa pola radiasi eksperimen meh padha karo simulasi CST, nanging rada beda-beda amarga misalignment saka macem-macem komponen sing dipasang, toleransi pangukuran, lan kerugian kabel. Kajaba iku, spacer nilon dipasang ing antarane antena lan reflektor MS, yaiku masalah liyane sing mengaruhi asil sing diamati dibandhingake karo asil numerik.
Pola radiasi antena tunggal sing dikembangake (tanpa MS lan MS) kanthi frekuensi 5,5 GHz disimulasikan lan diuji.
Geometri antena MIMO ngajokaken ditampilake ing Figure 11 lan kalebu papat antena siji. Papat komponen antena MIMO disusun orthogonally kanggo saben liyane ing substrat ukuran 80 × 80 × 1,575 mm, minangka ditampilake ing Figure 11. Antena MIMO dirancang nduweni jarak antar unsur 22 mm, sing luwih cilik tinimbang antena MIMO. jarak antar-unsur sing paling cedhak saka antena. antena MIMO dikembangaké. Kajaba iku, bagean saka bidang lemah dumunung ing cara sing padha karo antena siji. Nilai reflektansi antena MIMO (S11, S22, S33, lan S44) sing ditampilake ing Gambar 12a nuduhake prilaku sing padha karo antena unsur tunggal sing resonasi ing pita 3.2-7.6 GHz. Mulane, bandwidth impedansi saka antena MIMO persis padha karo antena siji. Efek kopling antarane komponen MIMO minangka alesan utama kanggo mundhut bandwidth cilik antena MIMO. Gambar 12b nuduhake efek interkoneksi ing komponen MIMO, ing ngendi isolasi optimal antarane komponen MIMO ditemtokake. Isolasi antarane antena 1 lan 2 paling murah sekitar -13,6 dB, lan isolasi antarane antena 1 lan 4 paling dhuwur sekitar -30,4 dB. Amarga ukuran cilik lan bandwidth luwih akeh, antena MIMO iki nduweni gain sing luwih murah lan throughput sing luwih murah. Insulasi kurang, dadi tambah tulangan lan insulasi dibutuhake;
Mekanisme desain saka antena MIMO ngajokaken (a) tampilan ndhuwur lan (b) bidang lemah. (CST Studio Suite 2019).
Tata geometris lan cara eksitasi saka metasurface MIMO antena ngajokaken ditampilake ing Figure 13a. Matriks 10x10mm kanthi ukuran 80x80x1.575mm dirancang kanggo sisih mburi antena MIMO dhuwur 12mm, kaya sing ditampilake ing Gambar 13a. Kajaba iku, metasurfaces karo backplanes tembaga dimaksudaké kanggo nggunakake ing antena MIMO kanggo nambah kinerja. Jarak antarane metasurface lan antena MIMO kritis kanggo entuk gain dhuwur nalika ngidini interferensi mbangun antarane gelombang sing diasilake dening antena lan sing dibayangke saka metasurface. Modeling ekstensif dileksanakake kanggo ngoptimalake dhuwur antarane antena lan metasurface nalika njaga standar gelombang seprapat kanggo gain maksimum lan isolasi antarane unsur MIMO. Peningkatan signifikan ing kinerja antena MIMO sing digayuh kanthi nggunakake metasurfaces karo backplanes dibandhingake metasurfaces tanpa backplanes bakal dituduhake ing bab sakteruse.
(a) Persiyapan simulasi CST saka antena MIMO sing diusulake nggunakake MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Kurva refleksi saka sistem MIMO sing dikembangake tanpa MS lan MS.
Reflectances saka antena MIMO karo lan tanpa metasurfaces ditampilake ing Figure 13b, ngendi S11 lan S44 diwenehi amarga prilaku meh podho rupo kabeh antena ing sistem MIMO. Wigati dicathet menawa bandwidth impedansi -10 dB saka antena MIMO tanpa lan karo metasurface siji meh padha. Ing kontras, bandwidth impedansi saka antena MIMO ngajokaken apik dening dual-lapisan MS lan backplane MS. Wigati dicathet yen tanpa MS, antena MIMO nyedhiyakake bandwidth pecahan 81,5% (3,2-7,6 GHz) relatif marang frekuensi tengah. Integrasi MS karo backplane nambah bandwidth impedansi saka antena MIMO ngajokaken kanggo 86,3% (3,08-7,75 GHz). Senajan MS dual-lapisan mundhak throughput, dandan kurang saka MS karo backplane tembaga. Kajaba iku, MC dual-layer nambah ukuran antena, nambah biaya, lan mbatesi jangkauane. Antena MIMO sing dirancang lan reflektor metasurface digawe lan diverifikasi kanggo validasi asil simulasi lan ngevaluasi kinerja nyata. Figure 14a nuduhake lapisan MS fabricated lan antena MIMO karo macem-macem komponen nglumpuk, nalika Figure 14b nuduhake foto saka sistem MIMO dikembangaké. Antena MIMO dipasang ing ndhuwur metasurface nggunakake papat spacer nilon, minangka ditampilake ing Figure 14b. Figure 15a nuduhake gambar asli saka persiyapan eksperimen cedhak lapangan saka sistem antena MIMO dikembangaké. Penganalisa jaringan PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) digunakake kanggo ngira paramèter panyebaran lan kanggo ngevaluasi lan ciri karakteristik emisi cedhak lapangan ing Laboratorium Sistem Near-Field UKM SATIMO.
(a) Foto SATIMO pangukuran cedhak-lapangan (b) Simulasi lan kurva eksperimen antena S11 MIMO karo lan tanpa MS.
Bagean iki nyedhiyakake studi komparatif saka parameter S simulasi lan diamati saka antena 5G MIMO sing diusulake. Figure 15b nuduhake plot reflektansi eksperimen saka terpadu 4-elemen MIMO MS antena lan mbandhingaké karo asil simulasi CST. Reflektansi eksperimen ditemokake padha karo petungan CST, nanging rada beda amarga cacat manufaktur lan toleransi eksperimen. Kajaba iku, reflektansi sing diamati saka prototipe MIMO berbasis MS sing diusulake kalebu spektrum 5G ing ngisor 6 GHz kanthi bandwidth impedansi 4.8 GHz, tegese aplikasi 5G bisa ditindakake. Nanging, frekuensi resonansi, bandwidth, lan amplitudo sing diukur rada beda karo asil simulasi CST. Cacat pabrikan, kerugian kopling coax-to-SMA, lan persiyapan ukuran ruangan bisa nyebabake beda antarane asil sing diukur lan simulasi. Nanging, sanajan kekurangan kasebut, MIMO sing diusulake nindakake kanthi apik, nyedhiyakake persetujuan sing kuat ing antarane simulasi lan pangukuran, saengga cocog kanggo aplikasi nirkabel sub-6 GHz 5G.
kurva gain antena MIMO simulasi lan diamati ditampilake ing Figures 2 lan 2. Minangka ditampilake ing Figures 16a, b lan 17a, b, mungguh, interaksi bebarengan komponen MIMO ditampilake. Nalika metasurfaces ditrapake ing antena MIMO, isolasi antarane antena MIMO saya tambah apik. Plot isolasi antarane unsur antena jejer S12, S14, S23 lan S34 nuduhake kurva padha, nalika diagonal MIMO antena S13 lan S42 nuduhake isolasi padha dhuwur amarga jarak luwih antarane. Karakteristik transmisi simulasi antena jejer ditampilake ing Figure 16a. Wigati dicathet yen ing spektrum operasi 5G ing ngisor 6 GHz, isolasi minimal antena MIMO tanpa metasurface yaiku -13,6 dB, lan kanggo metasurface kanthi backplane - 15,5 dB. Plot gain (Figure 16a) nuduhake yen backplane metasurface Ngartekno mbenakake isolasi antarane unsur antena MIMO dibandhingake siji- lan metasurfaces pindho lapisan. Ing unsur antena jejer, metasurfaces lapisan siji lan kaping pindho nyedhiyakake isolasi minimal kira-kira -13,68 dB lan -14,78 dB, lan metasurface backplane tembaga nyedhiyakake kira-kira -15,5 dB.
Kurva isolasi simulasi unsur MIMO tanpa lapisan MS lan lapisan MS: (a) S12, S14, S34 lan S32 lan (b) S13 lan S24.
kurva gain eksperimen saka antena MIMO basis MS ngajokaken tanpa lan karo: (a) S12, S14, S34 lan S32 lan (b) S13 lan S24.
Plot gain antena diagonal MIMO sadurunge lan sawise nambah lapisan MS ditampilake ing Figure 16b. Wigati dicathet menawa isolasi minimal antarane antena diagonal tanpa metasurface (antena 1 lan 3) yaiku - 15,6 dB ing spektrum operasi, lan metasurface kanthi backplane yaiku - 18 dB. Pendekatan metasurface nyuda efek kopling antarane antena MIMO diagonal. Isolasi maksimal kanggo metasurface siji-lapisan yaiku -37 dB, dene kanggo metasurface lapisan ganda iki mudhun dadi -47 dB. Isolasi maksimum metasurface kanthi backplane tembaga yaiku −36.2 dB, sing suda kanthi nambah rentang frekuensi. Dibandhingake karo metasurfaces siji lan lapisan kaping pindho tanpa backplane, metasurfaces karo backplane nyedhiyakake isolasi sing unggul ing kabeh rentang frekuensi operasi sing dibutuhake, utamane ing kisaran 5G ing ngisor 6 GHz, kaya sing ditampilake ing Gambar 16a, b. Ing pita 5G sing paling populer lan akeh digunakake ing ngisor 6 GHz (3,5 GHz), metasurfaces siji lan dual-layer nduweni isolasi sing luwih murah ing antarane komponen MIMO tinimbang metasurfaces karo backplanes tembaga (meh ora ana MS) (pirsani Gambar 16a), b). Pangukuran gain ditampilake ing Figures 17a, b, nuduhake isolasi saka antena jejer (S12, S14, S34 lan S32) lan antena diagonal (S24 lan S13), mungguh. Minangka bisa dideleng saka tokoh kasebut (Fig. 17a, b), isolasi eksperimen antarane komponen MIMO sarujuk karo isolasi simulasi. Sanajan ana beda cilik antarane nilai CST sing disimulasi lan diukur amarga cacat manufaktur, sambungan port SMA lan kerugian kabel. Kajaba iku, antena lan reflektor MS dumunung antarane spacer nilon, kang masalah liyane sing mengaruhi asil diamati dibandhingake asil simulasi.
nyinaoni distribusi arus permukaan ing 5.5 GHz kanggo nyasarake peran metasurfaces ing ngurangi kopling bebarengan liwat suppression gelombang permukaan42. Distribusi saiki lumahing saka antena MIMO ngajokaken ditampilake ing Figure 18, ngendi antena 1 mimpin lan liyane saka antena wis mungkasi karo 50 ohm mbukak. Nalika antena 1 diuripake, bakal katon arus kopling penting ing antena jejer ing 5,5 GHz tanpa metasurface, minangka ditampilake ing Figure 18a. Kosok baline, liwat nggunakake metasurfaces, minangka ditampilake ing Fig. 18b-d, isolasi antarane antena jejer apik. Perlu dicathet yen efek kopling bebarengan saka lapangan jejer bisa diminimalisir kanthi nyebarake arus kopling menyang cincin jejer sel unit lan sel unit MS jejer ing lapisan MS ing arah antiparalel. Nyuntikake saiki saka antena sing disebarake menyang unit MS minangka cara kunci kanggo ningkatake isolasi ing antarane komponen MIMO. Akibaté, saiki kopling antarane komponen MIMO wis suda banget, lan isolasi uga nemen apik. Amarga lapangan kopling wis akeh mbagekke ing unsur, ing metasurface backplane tembaga ngisolasi Déwan antena MIMO Ngartekno luwih saka siji- lan metasurfaces pindho lapisan (Figure 18d). Kajaba iku, antena MIMO sing dikembangake nduweni backpropagation lan panyebaran sisih sing kurang banget, ngasilake pola radiasi unidirectional, saéngga nambah gain antena MIMO sing diusulake.
Pola lumahing saiki saka antena MIMO ngajokaken ing 5,5 GHz (a) tanpa MC, (b) MC lapisan siji, (c) MC pindho lapisan, lan (d) MC siji-lapisan karo backplane tembaga. (CST Studio Suite 2019).
Ing frekuensi operasi, Figure 19a nuduhake hasil simulasi lan diamati saka antena MIMO dirancang tanpa lan karo metasurfaces. Simulasi entuk gain antena MIMO tanpa metasurface punika 5,4 dBi, minangka ditampilake ing Figure 19a. Amarga efek kopling bebarengan antarane komponen MIMO, ngajokaken antena MIMO bener entuk 0,25 dBi gain luwih saka antena siji. Penambahan metasurfaces bisa nyedhiyakake keuntungan lan isolasi sing signifikan ing antarane komponen MIMO. Mangkono, antena MIMO metasurface ngajokaken bisa entuk gain temen maujud dhuwur nganti 8,3 dBi. Minangka ditampilake ing Figure 19a, nalika metasurface siji digunakake ing mburi antena MIMO, gain mundhak 1,4 dBi. Nalika metasurface tikel, gain mundhak 2,1 dBi, minangka ditampilake ing Figure 19a. Nanging, gain maksimum samesthine 8,3 dBi wis ngrambah nalika nggunakake metasurface karo backplane tembaga. Utamane, gain maksimum sing diraih kanggo metasurface lapisan siji lan lapisan ganda yaiku 6,8 dBi lan 7,5 dBi, dene gain maksimal kanggo metasurface lapisan ngisor yaiku 8,3 dBi. Lapisan metasurface ing sisih mburi antena minangka reflektor, nggambarake radiasi saka sisih mburi antena lan nambah rasio ngarep-kanggo-mburi (F / B) saka antena MIMO sing dirancang. Kajaba iku, reflektor MS impedansi dhuwur ngolah gelombang elektromagnetik ing fase, saengga nggawe resonansi tambahan lan ningkatake kinerja radiasi antena MIMO sing diusulake. Reflektor MS sing dipasang ing mburi antena MIMO bisa nambah gain sing diraih, sing dikonfirmasi kanthi asil eksperimen. Hasil sing diamati lan simulasi saka antena MIMO prototipe sing dikembangake meh padha, nanging ing sawetara frekuensi gain sing diukur luwih dhuwur tinimbang gain simulasi, utamane kanggo MIMO tanpa MS; Variasi ing gain eksperimen iki amarga toleransi pangukuran bantalan nilon, mundhut kabel, lan kopling ing sistem antena. Puncak gain diukur saka antena MIMO tanpa metasurface punika 5,8 dBi, nalika metasurface karo backplane tembaga 8,5 dBi. Wigati dicathet menawa sistem antena MIMO 4-port lengkap sing diusulake kanthi reflektor MS nuduhake gain dhuwur ing kahanan eksperimen lan angka.
Simulasi lan asil eksperimen saka (a) gain ngrambah lan (b) kinerja sakabèhé saka antena MIMO ngajokaken karo efek metasurface.
Figure 19b nuduhake kinerja sakabèhé saka sistem MIMO ngajokaken tanpa lan karo reflektor metasurface. Ing Gambar 19b, efisiensi paling murah nggunakake MS karo backplane luwih saka 73% (nganti 84%). Efisiensi sakabèhé saka antena MIMO dikembangaké tanpa MC lan karo MC meh padha karo beda suntingan dibandhingake karo nilai simulasi. Alesan kanggo iki yaiku toleransi pangukuran lan panggunaan spacer ing antarane antena lan reflektor MS. Keuntungan sing diraih lan efisiensi sakabehe ing kabeh frekuensi meh padha karo asil simulasi, nuduhake yen kinerja prototipe MIMO sing diusulake kaya sing dikarepake lan antena MIMO adhedhasar MS sing disaranake cocog kanggo komunikasi 5G. Amarga kesalahan ing studi eksperimen, ana beda antarane asil sakabèhé eksperimen laboratorium lan asil simulasi. Kinerja prototipe sing diusulake dipengaruhi dening ketidakcocokan impedansi antarane antena lan konektor SMA, kerugian sambungan kabel koaksial, efek solder, lan jarak macem-macem piranti elektronik menyang setelan eksperimen.
Figure 20 njlèntrèhaké desain lan Optimization kemajuan saka antena ngandika ing wangun diagram pemblokiran. Diagram pemblokiran iki menehi katrangan langkah-langkah saka prinsip desain antena MIMO sing diusulake, uga paramèter sing nduweni peran penting kanggo ngoptimalake antena kanggo entuk gain dhuwur sing dibutuhake lan isolasi dhuwur ing frekuensi operasi sing amba.
Pengukuran antena MIMO near-field diukur ing SATIMO Near-Field Experimental Environment ing UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Tokoh 21a, b nggambarake simulasi lan diamati E-bidang lan H-pesawat pola radiation saka antena MIMO diklaim karo lan tanpa MS ing frekuensi operasi 5,5 GHz. Ing sawetara frekuensi operasi 5,5 GHz, dikembangaké non-MS MIMO antena menehi pola radiation bidirectional konsisten karo nilai lobus sisih. Sawise aplikasi reflektor MS, antena menehi pola radiation unidirectional lan nyuda tingkat lobus mburi, minangka ditampilake ing Gambar 21a, b. Wigati dicathet yen kanthi nggunakake metasurface kanthi backplane tembaga, pola antena MIMO sing diusulake luwih stabil lan searah tinimbang tanpa MS, kanthi lobus mburi lan sisih sing kurang banget. Reflektor array MM sing diusulake nyuda lobus mburi lan sisih antena lan uga nambah karakteristik radiasi kanthi ngarahake arus ing arah unidirectional (Fig. 21a, b), saéngga nambah gain lan directivity. Pola radiasi sing diukur dipikolehi kanggo port 1 kanthi beban 50 ohm sing disambungake menyang port sing isih ana. Katon yen pola radiasi eksperimen meh padha karo simulasi CST, sanajan ana sawetara panyimpangan amarga misalignment komponen, bayangan saka port terminal, lan kerugian ing sambungan kabel. Kajaba iku, spacer nilon dipasang ing antarane antena lan reflektor MS, yaiku masalah liyane sing mengaruhi asil sing diamati dibandhingake karo asil sing diramal.
Pola radiasi antena MIMO sing dikembangake (tanpa MS lan MS) kanthi frekuensi 5,5 GHz disimulasikan lan diuji.
Wigati dimangerteni manawa isolasi port lan karakteristik sing ana gandhengane penting nalika ngevaluasi kinerja sistem MIMO. Kinerja bhinéka saka sistem MIMO ngajokaken, kalebu koefisien korélasi envelope (ECC) lan gain bhinéka (DG), diteliti kanggo ilustrasi kekiatan sistem antena MIMO dirancang. ECC lan DG saka antena MIMO bisa digunakake kanggo ngevaluasi kinerja minangka aspèk penting saka kinerja sistem MIMO. Bagean ing ngisor iki bakal rinci babagan fitur antena MIMO sing diusulake.
Koefisien Korelasi Envelope (ECC). Nalika nimbang sistem MIMO apa wae, ECC nemtokake derajat sing ana hubungane karo unsur-unsur konstituen babagan sifat tartamtu. Mangkono, ECC nuduhake tingkat isolasi saluran ing jaringan komunikasi nirkabel. ECC (koefisien korelasi envelope) saka sistem MIMO sing dikembangake bisa ditemtokake adhedhasar parameter S lan emisi medan adoh. Saka Eq. (7) lan (8) ECC saka ngajokaken MIMO antena 31 bisa ditemtokake.
Koefisien refleksi diwakili dening Sii lan Sij minangka koefisien transmisi. Pola radiasi telung dimensi antena j-th lan i-th diwenehake kanthi ekspresi \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) lan \( \vec {{R_{ i } }} Sudut padhet diwakili dening \ kiwa ( {\theta ,\varphi } \tengen)\) lan \({\Omega }\). kurva ECC saka antena ngajokaken ditampilake ing Figure 22a lan regane kurang saka 0,004, kang uga ngisor Nilai ditrima 0,5 kanggo sistem nirkabel. Mulane, nilai ECC suda tegese sistem MIMO 4-port sing diusulake nyedhiyakake keragaman sing unggul43.
Diversity Gain (DG) DG minangka metrik kinerja sistem MIMO liyane sing nggambarake carane skema keragaman mengaruhi daya sing dipancarake. Relasi (9) nemtokake DG sistem antena MIMO sing dikembangake, kaya sing diterangake ing 31.
Gambar 22b nuduhake diagram DG saka sistem MIMO sing diusulake, ing ngendi nilai DG cedhak banget karo 10 dB. Nilai DG kabeh antena sistem MIMO sing dirancang ngluwihi 9,98 dB.
Tabel 1 mbandhingaké antena MIMO metasurface ngajokaken karo sistem MIMO padha bubar dikembangaké. Perbandingan kasebut njupuk macem-macem parameter kinerja, kalebu bandwidth, gain, isolasi maksimal, efisiensi sakabèhé, lan kinerja keragaman. Peneliti wis presented macem-macem prototipe antena MIMO karo gain lan technique penambahan isolasi ing 5, 44, 45, 46, 47. Dibandhingake karo karya sadurunge diterbitake, sistem MIMO ngajokaken karo reflektor metasurface outperforms saka bandwidth, gain, lan isolasi. Kajaba iku, dibandhingake karo antena sing padha sing dilaporake, sistem MIMO sing dikembangake nuduhake kinerja keragaman sing unggul lan efisiensi sakabèhé kanthi ukuran sing luwih cilik. Sanajan antena sing diterangake ing Bagean 5.46 duwe isolasi sing luwih dhuwur tinimbang antena sing diusulake, antena kasebut nandhang ukuran gedhe, gain sithik, bandwidth sempit, lan kinerja MIMO sing ora apik. Antena MIMO 4-port sing diusulake ing 45 nuduhake gain lan efisiensi sing dhuwur, nanging desaine nduweni isolasi sing kurang, ukuran gedhe, lan kinerja keragaman sing kurang. Ing tangan liyane, sistem antena ukuran cilik ngajokaken ing 47 gain banget kurang lan bandwidth operasi, nalika ngajokaken MS basis 4-port sistem MIMO nuduhake ukuran cilik, gain dhuwur, isolasi dhuwur lan kinerja luwih MIMO. Mangkono, antena MIMO metasurface sing diusulake bisa dadi pesaing utama kanggo sistem komunikasi 5G sub-6 GHz.
Antena MIMO wideband basis reflektor metasurface papat port kanthi gain dhuwur lan isolasi diusulake kanggo ndhukung aplikasi 5G ing ngisor 6 GHz. Garis microstrip feed bagean radiating kothak, kang truncated dening kothak ing sudhut diagonal. MS lan pemancar antena sing diusulake ditindakake ing bahan substrat sing padha karo Rogers RT5880 kanggo entuk kinerja sing apik ing sistem komunikasi 5G kanthi kacepetan dhuwur. Antena MIMO fitur sawetara saka sudhut lan gain dhuwur, lan menehi isolasi swara antarane komponen MIMO lan efficiency banget. Antena tunggal sing dikembangake nduweni ukuran miniatur 0,58?0.58?0.02? karo 5 × 5 metasurface Uploaded, menehi jembaré 4,56 GHz operasi bandwidth, 8 dBi puncak gain lan efficiency diukur unggul. Antena MIMO papat-port sing diusulake (2 × 2 array) dirancang kanthi nyelarasake saben antena siji sing diusulake kanthi antena liyane kanthi dimensi 1.05λ × 1.05λ × 0.02λ. Disaranake kanggo ngumpulake 10 × 10 MM array ing antena MIMO dhuwur 12mm, kang bisa nyuda bali-radiasi lan nyuda bebarengan kopling antarane komponen MIMO, mangkono nambah gain lan isolasi. Asil eksperimen lan simulasi nuduhake yen prototipe MIMO sing dikembangake bisa digunakake ing sawetara frekuensi 3.08–7.75 GHz, sing nutupi spektrum 5G ing ngisor 6 GHz. Kajaba iku, ngajokaken MS basis antena MIMO mbenakake gain karo 2,9 dBi, entuk gain maksimum 8,3 dBi, lan menehi isolasi banget (> 15,5 dB) antarane komponen MIMO, validating kontribusi MS. Kajaba iku, antena MIMO sing diusulake nduweni efisiensi sakabèhé rata-rata dhuwur 82% lan jarak antar unsur sing kurang 22 mm. Antena nuduhake kinerja bhinéka MIMO banget kalebu DG dhuwur banget (liwat 9,98 dB), ECC banget kurang (kurang saka 0,004) lan pola radiation unidirectional. Asil pangukuran meh padha karo asil simulasi. Karakteristik kasebut negesake manawa sistem antena MIMO papat port sing dikembangake bisa dadi pilihan sing cocog kanggo sistem komunikasi 5G ing kisaran frekuensi sub-6 GHz.
Cowin bisa nyedhiyakake antena PCB wideband 400-6000MHz, lan ndhukung kanggo ngrancang antena anyar miturut syarat sampeyan, hubungi kita tanpa ragu-ragu yen sampeyan duwe panjaluk.
Wektu kirim: Oct-10-2024