Αυτή η εργασία προτείνει μια συμπαγή ενσωματωμένη κεραία ευρείας ζώνης μεταεπιφανείας (MS) πολλαπλών εισόδων πολλαπλών εισόδων (MIMO) για συστήματα ασύρματης επικοινωνίας πέμπτης γενιάς (5G) κάτω των 6 GHz. Η προφανής καινοτομία του προτεινόμενου συστήματος MIMO είναι το μεγάλο εύρος ζώνης λειτουργίας, το υψηλό κέρδος, τα μικρά διάκενα μεταξύ των συστατικών και η εξαιρετική απομόνωση εντός των στοιχείων MIMO. Το σημείο ακτινοβολίας της κεραίας είναι κολοβωμένο διαγώνια, μερικώς γειωμένο και χρησιμοποιούνται μεταεπιφάνειες για τη βελτίωση της απόδοσης της κεραίας. Το προτεινόμενο πρωτότυπο ενσωματωμένη μονή κεραία MS έχει μικροσκοπικές διαστάσεις 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης και της μέτρησης δείχνουν απόδοση ευρείας ζώνης από 3,11 GHz έως 7,67 GHz, συμπεριλαμβανομένου του υψηλότερου κέρδους που επιτεύχθηκε στα 8 dBi. Το σύστημα MIMO τεσσάρων στοιχείων έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε κάθε κεραία να είναι ορθογώνια μεταξύ τους, διατηρώντας παράλληλα ένα συμπαγές μέγεθος και απόδοση ευρείας ζώνης από 3,2 έως 7,6 GHz. Το προτεινόμενο πρωτότυπο MIMO έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί σε υπόστρωμα Rogers RT5880 με χαμηλή απώλεια και μικροσκοπικές διαστάσεις 1,05? 1,05; 0,02?, και η απόδοσή του αξιολογείται χρησιμοποιώντας την προτεινόμενη διάταξη αντηχείου τετράγωνου κλειστού δακτυλίου με διαχωρισμένο δακτύλιο 10 x 10. Το βασικό υλικό είναι το ίδιο. Η προτεινόμενη μεταεπιφάνεια οπίσθιου επιπέδου μειώνει σημαντικά την πίσω ακτινοβολία της κεραίας και χειρίζεται τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία, βελτιώνοντας έτσι το εύρος ζώνης, το κέρδος και την απομόνωση των στοιχείων MIMO. Σε σύγκριση με τις υπάρχουσες κεραίες MIMO, η προτεινόμενη κεραία MIMO 4 θυρών επιτυγχάνει υψηλό κέρδος 8,3 dBi με μέση συνολική απόδοση έως και 82% στη ζώνη 5G υπο-6 GHz και συμφωνεί καλά με τα μετρούμενα αποτελέσματα. Επιπλέον, η ανεπτυγμένη κεραία MIMO παρουσιάζει εξαιρετική απόδοση όσον αφορά τον συντελεστή συσχέτισης φακέλου (ECC) μικρότερο από 0,004, κέρδος διαφοροποίησης (DG) περίπου 10 dB (>9,98 dB) και υψηλή απομόνωση μεταξύ των στοιχείων MIMO (>15,5 dB ). χαρακτηριστικά. Έτσι, η προτεινόμενη κεραία MIMO που βασίζεται σε MS επιβεβαιώνει την εφαρμογή της για δίκτυα επικοινωνίας 5G κάτω των 6 GHz.
Η τεχνολογία 5G είναι μια απίστευτη πρόοδος στις ασύρματες επικοινωνίες που θα επιτρέψει ταχύτερα και ασφαλέστερα δίκτυα για δισεκατομμύρια συνδεδεμένες συσκευές, θα προσφέρει εμπειρίες χρήστη με «μηδενική» καθυστέρηση (λανθάνουσα καθυστέρηση μικρότερη από 1 χιλιοστό του δευτερολέπτου) και θα εισάγει νέες τεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρονικών. Ιατρική περίθαλψη, πνευματική εκπαίδευση. , οι έξυπνες πόλεις, τα έξυπνα σπίτια, η εικονική πραγματικότητα (VR), τα έξυπνα εργοστάσια και το Διαδίκτυο Οχημάτων (IoV) αλλάζουν τη ζωή, την κοινωνία και τις βιομηχανίες μας1,2,3. Η Ομοσπονδιακή Επιτροπή Επικοινωνιών των ΗΠΑ (FCC) διαιρεί το φάσμα 5G σε τέσσερις ζώνες συχνοτήτων4. Η ζώνη συχνοτήτων κάτω των 6 GHz ενδιαφέρει τους ερευνητές επειδή επιτρέπει επικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων με υψηλούς ρυθμούς δεδομένων5,6. Η κατανομή φάσματος 5G κάτω των 6 GHz για παγκόσμιες επικοινωνίες 5G φαίνεται στο Σχήμα 1, υποδεικνύοντας ότι όλες οι χώρες εξετάζουν το ενδεχόμενο φάσματος κάτω των 6 GHz για επικοινωνίες 5G7,8. Οι κεραίες αποτελούν σημαντικό μέρος των δικτύων 5G και θα απαιτούν περισσότερες κεραίες σταθμών βάσης και τερματικών χρηστών.
Οι κεραίες ενημερωμένης έκδοσης Microstrip έχουν τα πλεονεκτήματα της λεπτότητας και της επίπεδης δομής, αλλά είναι περιορισμένες σε εύρος ζώνης και κέρδος 9,10, τόση έρευνα έχει γίνει για να αυξηθεί το κέρδος και το εύρος ζώνης της κεραίας. Τα τελευταία χρόνια, οι metasurfaces (MS) έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε τεχνολογίες κεραιών, ειδικά για τη βελτίωση του κέρδους και της απόδοσης11,12, ωστόσο, αυτές οι κεραίες περιορίζονται σε μία μόνο θύρα. Η τεχνολογία MIMO είναι μια σημαντική πτυχή των ασύρματων επικοινωνιών επειδή μπορεί να χρησιμοποιήσει πολλές κεραίες ταυτόχρονα για τη μετάδοση δεδομένων, βελτιώνοντας έτσι τους ρυθμούς δεδομένων, τη φασματική απόδοση, τη χωρητικότητα καναλιού και την αξιοπιστία13,14,15. Οι κεραίες MIMO είναι πιθανές υποψήφιες για εφαρμογές 5G επειδή μπορούν να μεταδίδουν και να λαμβάνουν δεδομένα σε πολλαπλά κανάλια χωρίς να απαιτούν πρόσθετη ισχύ16,17. Το φαινόμενο αμοιβαίας σύζευξης μεταξύ των στοιχείων MIMO εξαρτάται από τη θέση των στοιχείων MIMO και το κέρδος της κεραίας MIMO, κάτι που αποτελεί σημαντική πρόκληση για τους ερευνητές. Τα σχήματα 18, 19 και 20 δείχνουν διάφορες κεραίες MIMO που λειτουργούν στη ζώνη 5G υπο-6 GHz, όλες επιδεικνύοντας καλή απομόνωση και απόδοση MIMO. Ωστόσο, το κέρδος και το λειτουργικό εύρος ζώνης αυτών των προτεινόμενων συστημάτων είναι χαμηλό.
Τα μεταϋλικά (ΜΜ) είναι νέα υλικά που δεν υπάρχουν στη φύση και μπορούν να χειριστούν ηλεκτρομαγνητικά κύματα, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση των κεραιών21,22,23,24. Το MM χρησιμοποιείται πλέον ευρέως στην τεχνολογία κεραιών για τη βελτίωση του σχεδίου ακτινοβολίας, του εύρους ζώνης, του κέρδους και της απομόνωσης μεταξύ των στοιχείων κεραίας και των συστημάτων ασύρματης επικοινωνίας, όπως συζητήθηκε στα 25, 26, 27, 28. Το 2029, ένα σύστημα MIMO τεσσάρων στοιχείων που βασίζεται σε metasurface, στην οποία το τμήμα της κεραίας τοποθετείται μεταξύ της μεταεπιφάνειας και του εδάφους χωρίς διάκενο αέρα, γεγονός που βελτιώνει την απόδοση του MIMO. Ωστόσο, αυτός ο σχεδιασμός έχει μεγαλύτερο μέγεθος, χαμηλότερη συχνότητα λειτουργίας και πολύπλοκη δομή. Ένα ηλεκτρομαγνητικό διάκενο ζώνης (EBG) και βρόχος γείωσης περιλαμβάνονται στην προτεινόμενη κεραία MIMO ευρείας ζώνης 2 θυρών για τη βελτίωση της απομόνωσης των στοιχείων MIMO30. Η σχεδιασμένη κεραία έχει καλή απόδοση διαφοροποίησης MIMO και εξαιρετική απομόνωση μεταξύ δύο κεραιών MIMO, αλλά χρησιμοποιώντας μόνο δύο εξαρτήματα MIMO, το κέρδος θα είναι χαμηλό. Επιπλέον, το in31 πρότεινε επίσης μια κεραία MIMO διπλής θύρας υπερευρείας ζώνης (UWB) και ερεύνησε την απόδοσή της στο MIMO χρησιμοποιώντας μεταϋλικά. Αν και αυτή η κεραία είναι ικανή για λειτουργία UWB, το κέρδος της είναι χαμηλό και η απομόνωση μεταξύ των δύο κεραιών είναι κακή. Η εργασία στο 32 προτείνει ένα σύστημα MIMO 2 θυρών που χρησιμοποιεί ανακλαστήρες ηλεκτρομαγνητικού διάκενου ζώνης (EBG) για να αυξήσει το κέρδος. Αν και η ανεπτυγμένη συστοιχία κεραιών έχει υψηλό κέρδος και καλή απόδοση διαφοροποίησης MIMO, το μεγάλο της μέγεθος καθιστά δύσκολη την εφαρμογή σε συσκευές επικοινωνίας επόμενης γενιάς. Μια άλλη ευρυζωνική κεραία που βασίζεται σε ανακλαστήρες αναπτύχθηκε το 33, όπου ο ανακλαστήρας ενσωματώθηκε κάτω από την κεραία με μεγαλύτερο κενό 22 mm, παρουσιάζοντας χαμηλότερο κέρδος αιχμής 4,87 dB. Το Paper 34 σχεδιάζει μια κεραία MIMO τεσσάρων θυρών για εφαρμογές mmWave, η οποία είναι ενσωματωμένη στο στρώμα MS για τη βελτίωση της απομόνωσης και του κέρδους του συστήματος MIMO. Ωστόσο, αυτή η κεραία παρέχει καλό κέρδος και απομόνωση, αλλά έχει περιορισμένο εύρος ζώνης και κακές μηχανικές ιδιότητες λόγω του μεγάλου διακένου αέρα. Ομοίως, το 2015, αναπτύχθηκε μια κεραία MIMO τριών ζευγών, 4 θυρών σε σχήμα παπιγιόν, ενσωματωμένη σε μετα-επιφάνεια, για επικοινωνίες mmWave με μέγιστο κέρδος 7,4 dBi. Το B36 MS χρησιμοποιείται στο πίσω μέρος μιας κεραίας 5G για να αυξήσει το κέρδος της κεραίας, όπου η μετα-επιφάνεια λειτουργεί ως ανακλαστήρας. Ωστόσο, η δομή του MS είναι ασύμμετρη και έχει δοθεί λιγότερη προσοχή στη δομή των μονάδων κυττάρων.
Σύμφωνα με τα παραπάνω αποτελέσματα ανάλυσης, καμία από τις παραπάνω κεραίες δεν έχει υψηλή απολαβή, εξαιρετική απομόνωση, απόδοση MIMO και κάλυψη ευρείας ζώνης. Ως εκ τούτου, εξακολουθεί να υπάρχει ανάγκη για μια μεταεπιφανειακή κεραία MIMO που μπορεί να καλύψει ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων φάσματος 5G κάτω των 6 GHz με υψηλό κέρδος και απομόνωση. Λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς της προαναφερθείσας βιβλιογραφίας, ένα σύστημα κεραίας MIMO τεσσάρων στοιχείων ευρείας ζώνης με υψηλό κέρδος και εξαιρετική απόδοση διαφοροποίησης προτείνεται για συστήματα ασύρματης επικοινωνίας κάτω των 6 GHz. Επιπλέον, η προτεινόμενη κεραία MIMO παρουσιάζει εξαιρετική απομόνωση μεταξύ των στοιχείων MIMO, μικρά κενά στοιχείων και υψηλή απόδοση ακτινοβολίας. Το έμπλαστρο της κεραίας είναι κολοβωμένο διαγώνια και τοποθετείται στην κορυφή της μετα-επιφάνειας με ένα διάκενο αέρα 12 mm, το οποίο αντανακλά την αντίστροφη ακτινοβολία από την κεραία και βελτιώνει το κέρδος και την κατευθυντικότητα της κεραίας. Επιπλέον, η προτεινόμενη μονή κεραία χρησιμοποιείται για τη δημιουργία μιας κεραίας MIMO τεσσάρων στοιχείων με ανώτερη απόδοση MIMO τοποθετώντας κάθε κεραία ορθογώνια μεταξύ τους. Στη συνέχεια, η ανεπτυγμένη κεραία MIMO ενσωματώθηκε πάνω σε μια συστοιχία 10 × 10 MS με ένα χάλκινο πίσω επίπεδο για τη βελτίωση της απόδοσης εκπομπών. Ο σχεδιασμός διαθέτει μεγάλο εύρος λειτουργίας (3,08-7,75 GHz), υψηλό κέρδος 8,3 dBi και υψηλή μέση συνολική απόδοση 82%, καθώς και εξαιρετική απομόνωση μεγαλύτερη από −15,5 dB μεταξύ των στοιχείων κεραίας MIMO. Η ανεπτυγμένη κεραία MIMO που βασίζεται σε MS προσομοιώθηκε χρησιμοποιώντας τρισδιάστατο ηλεκτρομαγνητικό πακέτο λογισμικού CST Studio 2019 και επικυρώθηκε μέσω πειραματικών μελετών.
Αυτή η ενότητα παρέχει μια λεπτομερή εισαγωγή στην προτεινόμενη αρχιτεκτονική και τη μεθοδολογία σχεδιασμού μιας κεραίας. Επιπλέον, τα προσομοιωμένα και τα παρατηρούμενα αποτελέσματα συζητούνται λεπτομερώς, συμπεριλαμβανομένων των παραμέτρων σκέδασης, του κέρδους και της συνολικής απόδοσης με και χωρίς μεταεπιφάνειες. Η πρωτότυπη κεραία αναπτύχθηκε σε διηλεκτρικό υπόστρωμα χαμηλών απωλειών Rogers 5880 με πάχος 1,575 mm με διηλεκτρική σταθερά 2,2. Για την ανάπτυξη και την προσομοίωση του σχεδιασμού, χρησιμοποιήθηκε το πακέτο ηλεκτρομαγνητικού προσομοιωτή CST studio 2019.
Το σχήμα 2 δείχνει το προτεινόμενο μοντέλο αρχιτεκτονικής και σχεδίασης μιας κεραίας ενός στοιχείου. Σύμφωνα με καθιερωμένες μαθηματικές εξισώσεις37, η κεραία αποτελείται από ένα γραμμικά τροφοδοτούμενο τετράγωνο σημείο ακτινοβολίας και ένα χάλκινο επίπεδο γείωσης (όπως περιγράφεται στο βήμα 1) και αντηχεί με πολύ στενό εύρος ζώνης στα 10,8 GHz, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3β. Το αρχικό μέγεθος του καλοριφέρ κεραίας καθορίζεται από την ακόλουθη μαθηματική σχέση37:
Όπου \(P_{L}\) και \(P_{w}\) είναι το μήκος και το πλάτος του εμπλάστρου, το c αντιπροσωπεύει την ταχύτητα του φωτός, το \(\γάμα_{r}\) είναι η διηλεκτρική σταθερά του υποστρώματος . , \(\gamma_{reff }\) αντιπροσωπεύει την αποτελεσματική διηλεκτρική τιμή του σημείου ακτινοβολίας, \(\Delta L\) αντιπροσωπεύει τη μεταβολή στο μήκος της κηλίδας. Το backplane της κεραίας βελτιστοποιήθηκε στο δεύτερο στάδιο, αυξάνοντας το εύρος ζώνης της σύνθετης αντίστασης παρά το πολύ χαμηλό εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης των 10 dB. Στο τρίτο στάδιο, η θέση του τροφοδότη μετακινείται προς τα δεξιά, γεγονός που βελτιώνει το εύρος ζώνης της σύνθετης αντίστασης και την αντιστοίχιση της σύνθετης αντίστασης της προτεινόμενης κεραίας38. Σε αυτό το στάδιο, η κεραία επιδεικνύει εξαιρετικό εύρος ζώνης λειτουργίας 4 GHz και καλύπτει επίσης το φάσμα κάτω των 6 GHz στο 5G. Το τέταρτο και τελευταίο στάδιο περιλαμβάνει τη χάραξη τετράγωνων αυλακώσεων σε αντίθετες γωνίες του σημείου ακτινοβολίας. Αυτή η υποδοχή επεκτείνει σημαντικά το εύρος ζώνης των 4,56 GHz για να καλύψει το φάσμα 5G κάτω των 6 GHz από 3,11 GHz σε 7,67 GHz, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3β. Η μπροστινή και η κάτω προοπτική όψη του προτεινόμενου σχεδίου φαίνονται στο Σχήμα 3α και οι τελικές βελτιστοποιημένες απαιτούμενες παράμετροι σχεδίασης είναι οι εξής: 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.
(α) Κάτω και πίσω όψη της σχεδιασμένης μονής κεραίας (CST STUDIO SUITE 2019). (β) Καμπύλη παραμέτρου S.
Το Metasurface είναι ένας όρος που αναφέρεται σε μια περιοδική συστοιχία μονάδων κελιών που βρίσκονται σε μια ορισμένη απόσταση μεταξύ τους. Οι Metasurfaces είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για τη βελτίωση της απόδοσης ακτινοβολίας κεραίας, συμπεριλαμβανομένου του εύρους ζώνης, του κέρδους και της απομόνωσης μεταξύ των στοιχείων MIMO. Λόγω της επίδρασης της διάδοσης των επιφανειακών κυμάτων, οι μεταεπιφάνειες δημιουργούν πρόσθετους συντονισμούς που συμβάλλουν στη βελτιωμένη απόδοση της κεραίας39. Αυτή η εργασία προτείνει μια μονάδα αρνητικού έψιλον μεταϋλικού (MM) που λειτουργεί στη ζώνη 5G κάτω από τα 6 GHz. Το MM με επιφάνεια 8mm×8mm αναπτύχθηκε σε υπόστρωμα χαμηλής απώλειας Rogers 5880 με διηλεκτρική σταθερά 2,2 και πάχος 1,575mm. Το βελτιστοποιημένο έμπλαστρο συντονιστή ΜΜ αποτελείται από έναν εσωτερικό κυκλικό διαχωρισμένο δακτύλιο συνδεδεμένο με δύο τροποποιημένους εξωτερικούς διαχωριστικούς δακτυλίους, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4α. Το σχήμα 4α συνοψίζει τις τελικές βελτιστοποιημένες παραμέτρους της προτεινόμενης ρύθμισης MM. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν επιφανειακά στρώματα 40 × 40 mm και 80 × 80 mm χωρίς χάλκινο οπίσθιο επίπεδο και με χάλκινο οπίσθιο επίπεδο χρησιμοποιώντας συστοιχίες κυψελών 5 × 5 και 10 × 10, αντίστοιχα. Η προτεινόμενη δομή ΜΜ μοντελοποιήθηκε με χρήση λογισμικού τρισδιάστατης ηλεκτρομαγνητικής μοντελοποίησης «CST studio suite 2019». Ένα κατασκευασμένο πρωτότυπο της προτεινόμενης δομής συστοιχίας MM και ρύθμισης μέτρησης (αναλυτής δικτύου διπλής θύρας PNA και θύρα κυματοδηγού) παρουσιάζεται στο Σχήμα 4β για την επικύρωση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης CST αναλύοντας την πραγματική απόκριση. Η ρύθμιση μέτρησης χρησιμοποίησε έναν αναλυτή δικτύου της σειράς Agilent PNA σε συνδυασμό με δύο ομοαξονικούς προσαρμογείς κυματοδηγού (A-INFOMW, αριθμός εξαρτήματος: 187WCAS) για την αποστολή και λήψη σημάτων. Μια πρωτότυπη συστοιχία 5×5 τοποθετήθηκε ανάμεσα σε δύο ομοαξονικούς προσαρμογείς κυματοδηγού που συνδέονται με ομοαξονικό καλώδιο σε έναν αναλυτή δικτύου δύο θυρών (Agilent PNA N5227A). Το κιτ βαθμονόμησης Agilent N4694-60001 χρησιμοποιείται για τη βαθμονόμηση του αναλυτή δικτύου σε μια πιλοτική εγκατάσταση. Οι προσομοιωμένες και παρατηρούμενες με CST παράμετροι σκέδασης της προτεινόμενης πρωτότυπης διάταξης MM φαίνονται στο Σχήμα 5α. Μπορεί να φανεί ότι η προτεινόμενη δομή MM αντηχεί στο εύρος συχνοτήτων 5G κάτω από τα 6 GHz. Παρά τη μικρή διαφορά στο εύρος ζώνης των 10 dB, τα προσομοιωμένα και τα πειραματικά αποτελέσματα είναι πολύ παρόμοια. Η συχνότητα συντονισμού, το εύρος ζώνης και το πλάτος του παρατηρούμενου συντονισμού είναι ελαφρώς διαφορετικά από τα προσομοιωμένα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5α. Αυτές οι διαφορές μεταξύ των παρατηρούμενων και των προσομοιωμένων αποτελεσμάτων οφείλονται σε κατασκευαστικές ατέλειες, μικρές αποστάσεις μεταξύ του πρωτότυπου και των θυρών του κυματοδηγού, στα εφέ σύζευξης μεταξύ των θυρών κυματοδηγού και των στοιχείων της συστοιχίας και στις ανοχές μέτρησης. Επιπλέον, η σωστή τοποθέτηση του ανεπτυγμένου πρωτοτύπου μεταξύ των θυρών κυματοδηγού στην πειραματική εγκατάσταση μπορεί να οδηγήσει σε μετατόπιση συντονισμού. Επιπλέον, κατά τη φάση της βαθμονόμησης παρατηρήθηκε ανεπιθύμητος θόρυβος, ο οποίος οδήγησε σε αποκλίσεις μεταξύ των αριθμητικών και των μετρούμενων αποτελεσμάτων. Ωστόσο, εκτός από αυτές τις δυσκολίες, το προτεινόμενο πρωτότυπο της συστοιχίας MM αποδίδει καλά λόγω της ισχυρής συσχέτισης μεταξύ προσομοίωσης και πειράματος, καθιστώντας το κατάλληλο για εφαρμογές ασύρματης επικοινωνίας 5G κάτω των 6 GHz.
(α) Γεωμετρία κυψέλης μονάδας (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) (β) Φωτογραφία της διάταξης μέτρησης MM.
(α) Προσομοίωση και επαλήθευση των καμπυλών παραμέτρων σκέδασης του πρωτοτύπου μεταϋλικού. (β) Διηλεκτρική καμπύλη σταθερής κυψέλης μονάδας ΜΜ.
Σχετικές αποτελεσματικές παράμετροι όπως η ενεργή διηλεκτρική σταθερά, η μαγνητική διαπερατότητα και ο δείκτης διάθλασης μελετήθηκαν χρησιμοποιώντας ενσωματωμένες τεχνικές μετα-επεξεργασίας του ηλεκτρομαγνητικού προσομοιωτή CST για περαιτέρω ανάλυση της συμπεριφοράς της κυψέλης μονάδας MM. Οι ενεργές παράμετροι MM λαμβάνονται από τις παραμέτρους σκέδασης χρησιμοποιώντας μια ισχυρή μέθοδο ανακατασκευής. Οι ακόλουθες εξισώσεις διαπερατότητας και συντελεστών ανάκλασης: (3) και (4) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό του δείκτη διάθλασης και της σύνθετης αντίστασης (βλ. 40).
Το πραγματικό και το φανταστικό μέρος του τελεστή αντιπροσωπεύονται με (.)' και (.)" αντίστοιχα, και η ακέραια τιμή m αντιστοιχεί στον πραγματικό δείκτη διάθλασης. Η διηλεκτρική σταθερά και η διαπερατότητα καθορίζονται από τους τύπους \(\varepsilon { } = { }n/z,\) και \(\mu = nz\), οι οποίοι βασίζονται στην σύνθετη αντίσταση και στον δείκτη διάθλασης, αντίστοιχα. Η αποτελεσματική καμπύλη διηλεκτρικής σταθεράς της δομής ΜΜ φαίνεται στο Σχήμα 5β. Στη συχνότητα συντονισμού, η ενεργός διηλεκτρική σταθερά είναι αρνητική. Τα σχήματα 6a,b δείχνουν τις εξαγόμενες τιμές της αποτελεσματικής διαπερατότητας (μ) και του ενεργού δείκτη διάθλασης (n) της προτεινόμενης μονάδας κυψέλης. Συγκεκριμένα, οι εξαγόμενες διαπερατότητες εμφανίζουν θετικές πραγματικές τιμές κοντά στο μηδέν, γεγονός που επιβεβαιώνει τις ιδιότητες αρνητικού έψιλον (ENG) της προτεινόμενης δομής ΜΜ. Επιπλέον, όπως φαίνεται στο Σχήμα 6α, ο συντονισμός σε διαπερατότητα κοντά στο μηδέν σχετίζεται έντονα με τη συχνότητα συντονισμού. Το ανεπτυγμένο κελί μονάδας έχει αρνητικό δείκτη διάθλασης (Εικ. 6β), που σημαίνει ότι το προτεινόμενο MM μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της απόδοσης της κεραίας21,41.
Το αναπτυγμένο πρωτότυπο μιας ενιαίας ευρυζωνικής κεραίας κατασκευάστηκε για να δοκιμάσει πειραματικά τον προτεινόμενο σχεδιασμό. Τα σχήματα 7α, β δείχνουν εικόνες του προτεινόμενου πρωτότυπου μονής κεραίας, των δομικών μερών της και της διάταξης μέτρησης κοντινού πεδίου (SATIMO). Για να βελτιωθεί η απόδοση της κεραίας, η ανεπτυγμένη μετα-επιφάνεια τοποθετείται σε στρώσεις κάτω από την κεραία, όπως φαίνεται στο σχήμα 8α, με ύψος h. Μια μονή μετα-επιφάνεια διπλής στρώσης 40 mm x 40 mm εφαρμόστηκε στο πίσω μέρος της μονής κεραίας σε διαστήματα 12 mm. Επιπλέον, μια μετα-επιφάνεια με οπίσθιο επίπεδο τοποθετείται στην πίσω πλευρά της μονής κεραίας σε απόσταση 12 mm. Μετά την εφαρμογή της μεταεπιφάνειας, η μονή κεραία παρουσιάζει σημαντική βελτίωση στην απόδοση, όπως φαίνεται στα Σχήματα 1 και 2. Σχήματα 8 και 9. Το Σχήμα 8β δείχνει τα προσομοιωμένα και μετρούμενα διαγράμματα ανάκλασης για τη μοναδική κεραία χωρίς και με μεταεπιφάνειες. Αξίζει να σημειωθεί ότι η ζώνη κάλυψης μιας κεραίας με μεταεπιφάνεια μοιάζει πολύ με τη ζώνη κάλυψης μιας κεραίας χωρίς μεταεπιφάνεια. Τα Σχήματα 9a,b δείχνουν μια σύγκριση του προσομοιωμένου και παρατηρούμενου κέρδους μονής κεραίας και της συνολικής απόδοσης χωρίς και με MS στο φάσμα λειτουργίας. Μπορεί να φανεί ότι, σε σύγκριση με τη μη-μεταεπιφανειακή κεραία, το κέρδος της κεραίας μετα-επιφανείας βελτιώνεται σημαντικά, αυξάνοντας από 5,15 dBi σε 8 dBi. Το κέρδος της μεταεπιφάνειας μονής στρώσης, της μεταεπιφάνειας διπλού στρώματος και της μονής κεραίας με μεταεπιφάνεια οπίσθιου επιπέδου αυξήθηκε κατά 6 dBi, 6,9 dBi και 8 dBi, αντίστοιχα. Σε σύγκριση με άλλες μεταεπιφάνειες (μονόστρωμα και διπλά στρώματα MC), το κέρδος μιας κεραίας μονής μεταεπιφάνειας με χάλκινο οπίσθιο επίπεδο είναι έως και 8 dBi. Σε αυτή την περίπτωση, η μετα-επιφάνεια λειτουργεί ως ανακλαστήρας, μειώνοντας την πίσω ακτινοβολία της κεραίας και χειραγωγώντας τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στη φάση, αυξάνοντας έτσι την απόδοση ακτινοβολίας της κεραίας και ως εκ τούτου το κέρδος. Μια μελέτη της συνολικής απόδοσης μιας μόνο κεραίας χωρίς και με μεταεπιφάνειες φαίνεται στο Σχήμα 9β. Αξίζει να σημειωθεί ότι η απόδοση μιας κεραίας με και χωρίς metasurface είναι σχεδόν η ίδια. Στο χαμηλότερο εύρος συχνοτήτων, η απόδοση της κεραίας μειώνεται ελαφρώς. Οι πειραματικές και προσομοιωμένες καμπύλες κέρδους και απόδοσης συμφωνούν καλά. Ωστόσο, υπάρχουν μικρές διαφορές μεταξύ των προσομοιωμένων και των δοκιμασμένων αποτελεσμάτων λόγω κατασκευαστικών ελαττωμάτων, ανοχών μέτρησης, απώλειας σύνδεσης θύρας SMA και απώλειας καλωδίου. Επιπλέον, η κεραία και ο ανακλαστήρας MS βρίσκονται μεταξύ των νάιλον αποστατών, κάτι που είναι άλλο ένα θέμα που επηρεάζει τα παρατηρούμενα αποτελέσματα σε σύγκριση με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης.
Το σχήμα (α) δείχνει την ολοκληρωμένη ενιαία κεραία και τα σχετικά εξαρτήματά της. (β) Ρύθμιση μέτρησης κοντινού πεδίου (SATIMO).
(α) Διέγερση κεραίας με χρήση ανακλαστήρων μετα-επιφανείας (CST STUDIO SUITE 2019). (β) Προσομοιωμένες και πειραματικές ανακλάσεις μιας μόνο κεραίας χωρίς και με MS.
Αποτελέσματα προσομοίωσης και μέτρησης (α) του επιτυγχανόμενου κέρδους και (β) της συνολικής απόδοσης της προτεινόμενης κεραίας μετα-επιφανειακής επίδρασης.
Ανάλυση σχεδίου δέσμης με χρήση MS. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις κοντινού πεδίου μιας κεραίας στο Πειραματικό Περιβάλλον Εγγύς Πεδίου SATIMO του Εργαστηρίου Συστημάτων κοντινού πεδίου UKM SATIMO. Τα σχήματα 10a, b δείχνουν τα προσομοιωμένα και παρατηρούμενα μοτίβα ακτινοβολίας επιπέδου E και H στα 5,5 GHz για την προτεινόμενη μονή κεραία με και χωρίς MS. Η ανεπτυγμένη μονή κεραία (χωρίς MS) παρέχει ένα σταθερό μοτίβο αμφίδρομης ακτινοβολίας με τιμές πλευρικού λοβού. Μετά την εφαρμογή του προτεινόμενου ανακλαστήρα MS, η κεραία παρέχει ένα μοτίβο ακτινοβολίας μονής κατεύθυνσης και μειώνει το επίπεδο των πίσω λοβών, όπως φαίνεται στα Σχήματα 10α, β. Αξίζει να σημειωθεί ότι το προτεινόμενο μοτίβο ακτινοβολίας μονής κεραίας είναι πιο σταθερό και μονόδρομο με πολύ χαμηλούς και πλευρικούς λοβούς όταν χρησιμοποιείται μετα-επιφάνεια με χάλκινο πίσω επίπεδο. Ο προτεινόμενος ανακλαστήρας διάταξης ΜΜ μειώνει τους πίσω και πλευρικούς λοβούς της κεραίας ενώ βελτιώνει την απόδοση ακτινοβολίας κατευθύνοντας το ρεύμα σε μονοκατευθυντικές κατευθύνσεις (Εικ. 10a, b), αυξάνοντας έτσι το κέρδος και την κατευθυντικότητα. Παρατηρήθηκε ότι το πειραματικό σχέδιο ακτινοβολίας ήταν σχεδόν συγκρίσιμο με αυτό των προσομοιώσεων CST, αλλά διέφερε ελαφρώς λόγω της κακής ευθυγράμμισης των διαφόρων συναρμολογημένων εξαρτημάτων, των ανοχών μέτρησης και των απωλειών καλωδίωσης. Επιπλέον, ένας νάιλον διαχωριστής εισήχθη μεταξύ της κεραίας και του ανακλαστήρα MS, το οποίο είναι ένα άλλο ζήτημα που επηρεάζει τα παρατηρούμενα αποτελέσματα σε σύγκριση με τα αριθμητικά αποτελέσματα.
Το μοτίβο ακτινοβολίας της αναπτυγμένης μονής κεραίας (χωρίς MS και με MS) σε συχνότητα 5,5 GHz προσομοιώθηκε και δοκιμάστηκε.
Η προτεινόμενη γεωμετρία της κεραίας MIMO φαίνεται στο Σχήμα 11 και περιλαμβάνει τέσσερις μονές κεραίες. Τα τέσσερα εξαρτήματα της κεραίας MIMO είναι τοποθετημένα ορθογώνια μεταξύ τους σε ένα υπόστρωμα διαστάσεων 80 × 80 × 1,575 mm, όπως φαίνεται στο σχήμα 11. Η σχεδιασμένη κεραία MIMO έχει απόσταση μεταξύ των στοιχείων 22 mm, η οποία είναι μικρότερη από την πλησιέστερη αντίστοιχη απόσταση μεταξύ των στοιχείων της κεραίας. Αναπτύχθηκε κεραία MIMO. Επιπλέον, μέρος του επιπέδου γείωσης βρίσκεται με τον ίδιο τρόπο όπως μια ενιαία κεραία. Οι τιμές ανάκλασης των κεραιών MIMO (S11, S22, S33 και S44) που φαίνονται στο Σχήμα 12a παρουσιάζουν την ίδια συμπεριφορά με μια κεραία ενός στοιχείου που αντηχεί στη ζώνη 3,2–7,6 GHz. Επομένως, το εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης μιας κεραίας MIMO είναι ακριβώς το ίδιο με αυτό μιας μεμονωμένης κεραίας. Το φαινόμενο σύζευξης μεταξύ των στοιχείων MIMO είναι ο κύριος λόγος για τη μικρή απώλεια εύρους ζώνης των κεραιών MIMO. Το σχήμα 12β δείχνει την επίδραση της διασύνδεσης στα εξαρτήματα MIMO, όπου προσδιορίστηκε η βέλτιστη απομόνωση μεταξύ των στοιχείων MIMO. Η απομόνωση μεταξύ των κεραιών 1 και 2 είναι η χαμηλότερη στα -13,6 dB περίπου και η απομόνωση μεταξύ των κεραιών 1 και 4 είναι η υψηλότερη στα -30,4 dB περίπου. Λόγω του μικρού μεγέθους και του ευρύτερου εύρους ζώνης, αυτή η κεραία MIMO έχει χαμηλότερο κέρδος και χαμηλότερη απόδοση. Η μόνωση είναι χαμηλή, επομένως απαιτείται αυξημένη ενίσχυση και μόνωση.
Μηχανισμός σχεδιασμού της προτεινόμενης κεραίας MIMO (α) κάτοψη και (β) επίπεδο γείωσης. (CST Στούντιο Σουίτα 2019).
Η γεωμετρική διάταξη και η μέθοδος διέγερσης της προτεινόμενης μετα-επιφανειακής κεραίας MIMO φαίνονται στο Σχήμα 13α. Μια μήτρα 10x10mm με διαστάσεις 80x80x1,575mm έχει σχεδιαστεί για την πίσω πλευρά μιας κεραίας MIMO ύψους 12mm, όπως φαίνεται στο Σχήμα 13α. Επιπλέον, οι μεταεπιφάνειες με χάλκινα backplanes προορίζονται για χρήση σε κεραίες MIMO για τη βελτίωση της απόδοσής τους. Η απόσταση μεταξύ της μεταεπιφάνειας και της κεραίας MIMO είναι κρίσιμη για την επίτευξη υψηλού κέρδους, επιτρέποντας ταυτόχρονα εποικοδομητικές παρεμβολές μεταξύ των κυμάτων που παράγονται από την κεραία και εκείνων που ανακλώνται από την μεταεπιφάνεια. Πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη μοντελοποίηση για τη βελτιστοποίηση του ύψους μεταξύ της κεραίας και της μεταεπιφάνειας, διατηρώντας παράλληλα πρότυπα τετάρτου κύματος για μέγιστο κέρδος και απομόνωση μεταξύ των στοιχείων MIMO. Οι σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση της κεραίας MIMO που επιτυγχάνονται με τη χρήση μεταεπιφανειών με backplane σε σύγκριση με μεταεπιφάνειες χωρίς backplane θα παρουσιαστούν σε επόμενα κεφάλαια.
(α) Ρύθμιση προσομοίωσης CST της προτεινόμενης κεραίας MIMO με χρήση MS (CST STUDIO SUITE 2019), (β) Καμπύλες ανάκλασης του ανεπτυγμένου συστήματος MIMO χωρίς MS και με MS.
Οι ανακλάσεις των κεραιών MIMO με και χωρίς μεταεπιφάνειες φαίνονται στο Σχήμα 13β, όπου τα S11 και S44 παρουσιάζονται λόγω της σχεδόν ίδιας συμπεριφοράς όλων των κεραιών στο σύστημα MIMO. Αξίζει να σημειωθεί ότι το εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης -10 dB μιας κεραίας MIMO χωρίς και με μία μόνο μεταεπιφάνεια είναι σχεδόν το ίδιο. Αντίθετα, το εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης της προτεινόμενης κεραίας MIMO βελτιώνεται από MS διπλής στρώσης και MS backplane. Αξίζει να σημειωθεί ότι χωρίς MS, η κεραία MIMO παρέχει κλασματικό εύρος ζώνης 81,5% (3,2-7,6 GHz) σε σχέση με την κεντρική συχνότητα. Η ενσωμάτωση του MS με το backplane αυξάνει το εύρος ζώνης της σύνθετης αντίστασης της προτεινόμενης κεραίας MIMO στο 86,3% (3,08–7,75 GHz). Αν και το MS διπλής στρώσης αυξάνει την απόδοση, η βελτίωση είναι μικρότερη από εκείνη του MS με χάλκινο οπίσθιο επίπεδο. Επιπλέον, ένα MC διπλής στρώσης αυξάνει το μέγεθος της κεραίας, αυξάνει το κόστος της και περιορίζει την εμβέλειά της. Η σχεδιασμένη κεραία MIMO και ο ανακλαστήρας μετα-επιφανείας κατασκευάζονται και επαληθεύονται για την επικύρωση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης και την αξιολόγηση της πραγματικής απόδοσης. Το Σχήμα 14α δείχνει το κατασκευασμένο στρώμα MS και την κεραία MIMO με διάφορα εξαρτήματα συναρμολογημένα, ενώ το Σχήμα 14β δείχνει μια φωτογραφία του ανεπτυγμένου συστήματος MIMO. Η κεραία MIMO είναι τοποθετημένη στην κορυφή της μετα-επιφάνειας χρησιμοποιώντας τέσσερις νάιλον αποστάτες, όπως φαίνεται στο Σχήμα 14β. Το Σχήμα 15α δείχνει ένα στιγμιότυπο της πειραματικής εγκατάστασης κοντινού πεδίου του ανεπτυγμένου συστήματος κεραίας MIMO. Ένας αναλυτής δικτύου PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση των παραμέτρων σκέδασης και για την αξιολόγηση και τον χαρακτηρισμό των χαρακτηριστικών εκπομπών κοντινού πεδίου στο εργαστήριο συστημάτων εγγύς πεδίου UKM SATIMO.
(α) Φωτογραφίες μετρήσεων κοντινού πεδίου SATIMO (β) Προσομοιωμένες και πειραματικές καμπύλες κεραίας S11 MIMO με και χωρίς MS.
Αυτή η ενότητα παρουσιάζει μια συγκριτική μελέτη των προσομοιωμένων και παρατηρούμενων παραμέτρων S της προτεινόμενης κεραίας MIMO 5G. Το σχήμα 15β δείχνει το πειραματικό διάγραμμα ανάκλασης της ενσωματωμένης κεραίας MIMO MS 4 στοιχείων και το συγκρίνει με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης CST. Οι πειραματικές ανακλάσεις βρέθηκαν να είναι ίδιες με τους υπολογισμούς CST, αλλά ήταν ελαφρώς διαφορετικές λόγω κατασκευαστικών ελαττωμάτων και πειραματικών ανοχών. Επιπλέον, η παρατηρούμενη ανάκλαση του προτεινόμενου πρωτοτύπου MIMO που βασίζεται σε MS καλύπτει το φάσμα 5G κάτω των 6 GHz με εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης 4,8 GHz, πράγμα που σημαίνει ότι είναι δυνατές εφαρμογές 5G. Ωστόσο, η μετρούμενη συχνότητα συντονισμού, το εύρος ζώνης και το πλάτος διαφέρουν ελαφρώς από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης CST. Τα κατασκευαστικά ελαττώματα, οι απώλειες σύζευξης ομοαξονικής προς SMA και οι ρυθμίσεις μετρήσεων εξωτερικού χώρου μπορεί να προκαλέσουν διαφορές μεταξύ των μετρούμενων και των προσομοιωμένων αποτελεσμάτων. Ωστόσο, παρά αυτές τις ελλείψεις, το προτεινόμενο MIMO αποδίδει καλά, παρέχοντας ισχυρή συμφωνία μεταξύ προσομοιώσεων και μετρήσεων, καθιστώντας το κατάλληλο για ασύρματες εφαρμογές 5G κάτω των 6 GHz.
Οι προσομοιωμένες και παρατηρούμενες καμπύλες απολαβής κεραίας MIMO φαίνονται στα Σχήματα 2 και 2. Όπως φαίνεται στα Σχήματα 16a,b και 17a,b, αντίστοιχα, φαίνεται η αμοιβαία αλληλεπίδραση των στοιχείων MIMO. Όταν εφαρμόζονται μεταεπιφάνειες σε κεραίες MIMO, η απομόνωση μεταξύ των κεραιών MIMO βελτιώνεται σημαντικά. Τα διαγράμματα απομόνωσης μεταξύ γειτονικών στοιχείων κεραίας S12, S14, S23 και S34 εμφανίζουν παρόμοιες καμπύλες, ενώ οι διαγώνιες κεραίες MIMO S13 και S42 παρουσιάζουν παρόμοια υψηλή απομόνωση λόγω της μεγαλύτερης απόστασης μεταξύ τους. Τα χαρακτηριστικά προσομοίωσης μετάδοσης γειτονικών κεραιών φαίνονται στο Σχήμα 16α. Αξίζει να σημειωθεί ότι στο φάσμα λειτουργίας 5G κάτω των 6 GHz, η ελάχιστη απομόνωση μιας κεραίας MIMO χωρίς metasurface είναι -13,6 dB και για μια metasurface με backplane – 15,5 dB. Η γραφική παράσταση απολαβής (Εικόνα 16α) δείχνει ότι η μεταεπιφάνεια του πίσω επιπέδου βελτιώνει σημαντικά την απομόνωση μεταξύ των στοιχείων κεραίας MIMO σε σύγκριση με τις μεταεπιφάνειες μονής και διπλής στρώσης. Σε γειτονικά στοιχεία κεραίας, οι μεταεπιφάνειες μονής και διπλής στρώσης παρέχουν ελάχιστη απομόνωση περίπου -13,68 dB και -14,78 dB και η χάλκινη μεταεπιφάνεια του πίσω επιπέδου παρέχει περίπου -15,5 dB.
Προσομοιωμένες καμπύλες απομόνωσης στοιχείων MIMO χωρίς στρώμα MS και με στρώμα MS: (α) S12, S14, S34 και S32 και (β) S13 και S24.
Πειραματικές καμπύλες απολαβής των προτεινόμενων κεραιών MIMO που βασίζονται σε MS χωρίς και με: (α) S12, S14, S34 και S32 και (β) S13 και S24.
Τα γραφικά κέρδους της διαγώνιας κεραίας MIMO πριν και μετά την προσθήκη του στρώματος MS φαίνονται στο Σχήμα 16β. Αξίζει να σημειωθεί ότι η ελάχιστη απομόνωση μεταξύ διαγώνιων κεραιών χωρίς μεταεπιφάνεια (κεραίες 1 και 3) είναι – 15,6 dB σε όλο το φάσμα λειτουργίας και μια μεταεπιφάνεια με οπίσθιο επίπεδο είναι – 18 dB. Η προσέγγιση metasurface μειώνει σημαντικά τα φαινόμενα σύζευξης μεταξύ διαγώνιων κεραιών MIMO. Η μέγιστη μόνωση για μεταεπιφάνεια μονής στρώσης είναι -37 dB, ενώ για μεταεπιφάνεια διπλής στρώσης αυτή η τιμή πέφτει στα -47 dB. Η μέγιστη απομόνωση της μετα-επιφάνειας με ένα χάλκινο οπίσθιο επίπεδο είναι −36,2 dB, η οποία μειώνεται με την αύξηση του εύρους συχνοτήτων. Σε σύγκριση με μεταεπιφάνειες μονής και διπλής στρώσης χωρίς οπίσθιο επίπεδο, οι μεταεπιφάνειες με οπίσθιο επίπεδο παρέχουν ανώτερη απομόνωση σε ολόκληρο το απαιτούμενο εύρος συχνοτήτων λειτουργίας, ειδικά στην περιοχή 5G κάτω των 6 GHz, όπως φαίνεται στα Σχήματα 16a, β. Στην πιο δημοφιλή και ευρέως χρησιμοποιούμενη ζώνη 5G κάτω των 6 GHz (3,5 GHz), οι μεταεπιφάνειες μονής και διπλής στρώσης έχουν χαμηλότερη απομόνωση μεταξύ των στοιχείων MIMO από τις μεταεπιφάνειες με χάλκινα backplanes (σχεδόν χωρίς MS) (βλ. Εικόνα 16a), β) . Οι μετρήσεις απολαβής φαίνονται στα Σχήματα 17a, b, που δείχνουν την απομόνωση γειτονικών κεραιών (S12, S14, S34 και S32) και διαγώνιων κεραιών (S24 και S13), αντίστοιχα. Όπως φαίνεται από αυτά τα σχήματα (Εικ. 17a, b), η πειραματική απομόνωση μεταξύ των στοιχείων MIMO συμφωνεί καλά με την προσομοιωμένη απομόνωση. Αν και υπάρχουν μικρές διαφορές μεταξύ των προσομοιωμένων και των μετρούμενων τιμών CST λόγω κατασκευαστικών ελαττωμάτων, συνδέσεων θύρας SMA και απωλειών καλωδίων. Επιπλέον, η κεραία και ο ανακλαστήρας MS βρίσκονται μεταξύ των νάιλον αποστατών, κάτι που είναι άλλο ένα θέμα που επηρεάζει τα παρατηρούμενα αποτελέσματα σε σύγκριση με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης.
μελέτησε την κατανομή του επιφανειακού ρεύματος στα 5,5 GHz για να εξορθολογίσει το ρόλο των μεταεπιφανειών στη μείωση της αμοιβαίας σύζευξης μέσω της καταστολής των επιφανειακών κυμάτων42. Η κατανομή του επιφανειακού ρεύματος της προτεινόμενης κεραίας MIMO φαίνεται στο Σχήμα 18, όπου η κεραία 1 κινείται και η υπόλοιπη κεραία τερματίζεται με φορτίο 50 ohm. Όταν ενεργοποιείται η κεραία 1, θα εμφανιστούν σημαντικά ρεύματα αμοιβαίας σύζευξης σε γειτονικές κεραίες στα 5,5 GHz απουσία μεταεπιφάνειας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 18α. Αντίθετα, μέσω της χρήσης μεταεπιφανειών, όπως φαίνεται στο Σχ. 18β–δ, βελτιώνεται η απομόνωση μεταξύ γειτονικών κεραιών. Πρέπει να σημειωθεί ότι η επίδραση της αμοιβαίας σύζευξης γειτονικών πεδίων μπορεί να ελαχιστοποιηθεί με τη διάδοση του ρεύματος σύζευξης σε γειτονικούς δακτυλίους μονάδων κυψελών και γειτονικών κυψελών μονάδας MS κατά μήκος του στρώματος MS σε αντιπαράλληλες κατευθύνσεις. Η έγχυση ρεύματος από τις κατανεμημένες κεραίες σε μονάδες MS είναι μια βασική μέθοδος για τη βελτίωση της απομόνωσης μεταξύ των στοιχείων MIMO. Ως αποτέλεσμα, το ρεύμα σύζευξης μεταξύ των στοιχείων MIMO μειώνεται σημαντικά και η απομόνωση βελτιώνεται επίσης σημαντικά. Επειδή το πεδίο σύζευξης είναι ευρέως κατανεμημένο στο στοιχείο, η χάλκινη μεταεπιφάνεια του πίσω επιπέδου απομονώνει το συγκρότημα κεραίας MIMO σημαντικά περισσότερο από τις μεταεπιφάνειες μονής και διπλής στρώσης (Εικόνα 18δ). Επιπλέον, η ανεπτυγμένη κεραία MIMO έχει πολύ χαμηλή οπίσθια διάδοση και πλευρική διάδοση, παράγοντας ένα μοτίβο ακτινοβολίας μονής κατεύθυνσης, αυξάνοντας έτσι το κέρδος της προτεινόμενης κεραίας MIMO.
Μοτίβα επιφανειακού ρεύματος της προτεινόμενης κεραίας MIMO στα 5,5 GHz (α) χωρίς MC, (β) MC μονής στρώσης, (γ) MC διπλής στρώσης και (δ) MC μονής στρώσης με χάλκινο οπίσθιο επίπεδο. (CST Στούντιο Σουίτα 2019).
Εντός της συχνότητας λειτουργίας, το Σχήμα 19α δείχνει τα προσομοιωμένα και παρατηρούμενα κέρδη της σχεδιασμένης κεραίας MIMO χωρίς και με μεταεπιφάνειες. Το προσομοιωμένο επιτυγχανόμενο κέρδος της κεραίας MIMO χωρίς metasurface είναι 5,4 dBi, όπως φαίνεται στο Σχήμα 19a. Λόγω του φαινομένου αμοιβαίας σύζευξης μεταξύ των στοιχείων MIMO, η προτεινόμενη κεραία MIMO επιτυγχάνει στην πραγματικότητα 0,25 dBi υψηλότερο κέρδος από μία μόνο κεραία. Η προσθήκη μεταεπιφανειών μπορεί να προσφέρει σημαντικά κέρδη και απομόνωση μεταξύ των στοιχείων MIMO. Έτσι, η προτεινόμενη μετα-επιφανειακή κεραία MIMO μπορεί να επιτύχει υψηλό πραγματοποιημένο κέρδος έως και 8,3 dBi. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 19a, όταν χρησιμοποιείται μία μεμονωμένη μετα-επιφάνεια στο πίσω μέρος της κεραίας MIMO, το κέρδος αυξάνεται κατά 1,4 dBi. Όταν η μετα-επιφάνεια διπλασιαστεί, το κέρδος αυξάνεται κατά 2,1 dBi, όπως φαίνεται στο Σχήμα 19α. Ωστόσο, το αναμενόμενο μέγιστο κέρδος των 8,3 dBi επιτυγχάνεται όταν χρησιμοποιείται η μετα-επιφάνεια με ένα χάλκινο οπίσθιο επίπεδο. Σημειωτέον, το μέγιστο επιτευχθέν κέρδος για τις μεταεπιφάνειες μονής στρώσης και διπλής στρώσης είναι 6,8 dBi και 7,5 dBi, αντίστοιχα, ενώ το μέγιστο επιτευχθέν κέρδος για τη μεταεπιφάνεια κάτω στρώματος είναι 8,3 dBi. Το μετα-επιφανειακό στρώμα στην πίσω πλευρά της κεραίας λειτουργεί ως ανακλαστήρας, αντανακλώντας την ακτινοβολία από την πίσω πλευρά της κεραίας και βελτιώνοντας την αναλογία εμπρός προς πίσω (F/B) της σχεδιασμένης κεραίας MIMO. Επιπλέον, ο ανακλαστήρας MS υψηλής αντίστασης χειρίζεται ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε φάση, δημιουργώντας έτσι πρόσθετο συντονισμό και βελτιώνοντας την απόδοση ακτινοβολίας της προτεινόμενης κεραίας MIMO. Ο ανακλαστήρας MS που είναι εγκατεστημένος πίσω από την κεραία MIMO μπορεί να αυξήσει σημαντικά το επιτευχθέν κέρδος, κάτι που επιβεβαιώνεται από πειραματικά αποτελέσματα. Τα παρατηρούμενα και προσομοιωμένα κέρδη της ανεπτυγμένης πρωτότυπης κεραίας MIMO είναι σχεδόν τα ίδια, ωστόσο, σε ορισμένες συχνότητες το μετρούμενο κέρδος είναι υψηλότερο από το προσομοιωμένο κέρδος, ειδικά για MIMO χωρίς MS. Αυτές οι διακυμάνσεις στο πειραματικό κέρδος οφείλονται στις ανοχές μέτρησης των νάιλον μαξιλαριών, στις απώλειες καλωδίων και στη σύζευξη στο σύστημα κεραίας. Το μέγιστο μετρούμενο κέρδος της κεραίας MIMO χωρίς τη μεταεπιφάνεια είναι 5,8 dBi, ενώ η μεταεπιφάνεια με ένα χάλκινο οπίσθιο επίπεδο είναι 8,5 dBi. Αξίζει να σημειωθεί ότι το προτεινόμενο πλήρες σύστημα κεραίας MIMO 4 θυρών με ανακλαστήρα MS παρουσιάζει υψηλό κέρδος υπό πειραματικές και αριθμητικές συνθήκες.
Προσομοίωση και πειραματικά αποτελέσματα (α) του επιτυγχανόμενου κέρδους και (β) της συνολικής απόδοσης της προτεινόμενης κεραίας MIMO με φαινόμενο μετα-επιφανείας.
Το Σχήμα 19β δείχνει τη συνολική απόδοση του προτεινόμενου συστήματος MIMO χωρίς και με ανακλαστήρες μετα-επιφανείας. Στο Σχήμα 19β, η χαμηλότερη απόδοση με χρήση MS με backplane ήταν πάνω από 73% (μέχρι 84%). Η συνολική απόδοση των ανεπτυγμένων κεραιών MIMO χωρίς MC και με MC είναι σχεδόν η ίδια με μικρές διαφορές σε σύγκριση με τις προσομοιωμένες τιμές. Οι λόγοι για αυτό είναι οι ανοχές μέτρησης και η χρήση διαχωριστικών μεταξύ της κεραίας και του ανακλαστήρα MS. Το μετρούμενο επιτευχθέν κέρδος και η συνολική απόδοση σε ολόκληρη τη συχνότητα είναι σχεδόν παρόμοια με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, υποδεικνύοντας ότι η απόδοση του προτεινόμενου πρωτοτύπου MIMO είναι η αναμενόμενη και ότι η προτεινόμενη κεραία MIMO που βασίζεται σε MS είναι κατάλληλη για επικοινωνίες 5G. Λόγω σφαλμάτων στις πειραματικές μελέτες, υπάρχουν διαφορές μεταξύ των συνολικών αποτελεσμάτων των εργαστηριακών πειραμάτων και των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων. Η απόδοση του προτεινόμενου πρωτοτύπου επηρεάζεται από την αναντιστοιχία σύνθετης αντίστασης μεταξύ της κεραίας και του συνδετήρα SMA, τις απώλειες ματίσματος ομοαξονικού καλωδίου, τα εφέ συγκόλλησης και την εγγύτητα διαφόρων ηλεκτρονικών συσκευών στην πειραματική εγκατάσταση.
Το Σχήμα 20 περιγράφει την πρόοδο σχεδιασμού και βελτιστοποίησης της εν λόγω κεραίας με τη μορφή μπλοκ διαγράμματος. Αυτό το μπλοκ διάγραμμα παρέχει μια βήμα προς βήμα περιγραφή των προτεινόμενων αρχών σχεδίασης κεραίας MIMO, καθώς και των παραμέτρων που παίζουν βασικό ρόλο στη βελτιστοποίηση της κεραίας για την επίτευξη του απαιτούμενου υψηλού κέρδους και υψηλής απομόνωσης σε μια ευρεία συχνότητα λειτουργίας.
Οι μετρήσεις της κεραίας MIMO κοντινού πεδίου μετρήθηκαν στο Πειραματικό Περιβάλλον Εγγύς Πεδίου SATIMO στο Εργαστήριο Συστημάτων κοντινού πεδίου UKM SATIMO. Τα σχήματα 21a,b απεικονίζουν τα προσομοιωμένα και παρατηρούμενα μοτίβα ακτινοβολίας επιπέδου E και H της διεκδικούμενης κεραίας MIMO με και χωρίς MS σε συχνότητα λειτουργίας 5,5 GHz. Στο εύρος συχνοτήτων λειτουργίας των 5,5 GHz, η ανεπτυγμένη κεραία MIMO που δεν είναι MS παρέχει ένα σταθερό μοτίβο αμφίδρομης ακτινοβολίας με τιμές πλευρικού λοβού. Μετά την εφαρμογή του ανακλαστήρα MS, η κεραία παρέχει ένα μοτίβο ακτινοβολίας μονής κατεύθυνσης και μειώνει το επίπεδο των πίσω λοβών, όπως φαίνεται στα Σχήματα 21a, b. Αξίζει να σημειωθεί ότι με τη χρήση μετα-επιφάνειας με χάλκινο οπίσθιο επίπεδο, το προτεινόμενο σχέδιο κεραίας MIMO είναι πιο σταθερό και μονόδρομο από ό,τι χωρίς MS, με πολύ χαμηλούς λοβούς στην πλάτη και τους πλευρικούς λοβούς. Ο προτεινόμενος ανακλαστήρας διάταξης ΜΜ μειώνει τους πίσω και πλευρικούς λοβούς της κεραίας και επίσης βελτιώνει τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας κατευθύνοντας το ρεύμα σε μια κατεύθυνση μονής κατεύθυνσης (Εικ. 21a, b), αυξάνοντας έτσι το κέρδος και την κατευθυντικότητα. Το μετρούμενο σχέδιο ακτινοβολίας λήφθηκε για τη θύρα 1 με φορτίο 50 ohm συνδεδεμένο στις υπόλοιπες θύρες. Παρατηρήθηκε ότι το πειραματικό μοτίβο ακτινοβολίας ήταν σχεδόν πανομοιότυπο με αυτό που προσομοιώθηκε από το CST, αν και υπήρχαν κάποιες αποκλίσεις λόγω κακής ευθυγράμμισης των εξαρτημάτων, αντανακλάσεις από τις θύρες τερματικού και απώλειες στις συνδέσεις καλωδίων. Επιπλέον, ένας νάιλον διαχωριστής εισήχθη μεταξύ της κεραίας και του ανακλαστήρα MS, το οποίο είναι ένα άλλο ζήτημα που επηρεάζει τα παρατηρούμενα αποτελέσματα σε σύγκριση με τα προβλεπόμενα αποτελέσματα.
Το μοτίβο ακτινοβολίας της ανεπτυγμένης κεραίας MIMO (χωρίς MS και με MS) σε συχνότητα 5,5 GHz προσομοιώθηκε και δοκιμάστηκε.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η απομόνωση της θύρας και τα σχετικά χαρακτηριστικά της είναι απαραίτητα κατά την αξιολόγηση της απόδοσης των συστημάτων MIMO. Η απόδοση διαφορετικότητας του προτεινόμενου συστήματος MIMO, συμπεριλαμβανομένου του συντελεστή συσχέτισης φακέλου (ECC) και του κέρδους διαφοροποίησης (DG), εξετάζεται για να καταδείξει την ευρωστία του σχεδιασμένου συστήματος κεραίας MIMO. Το ECC και το DG μιας κεραίας MIMO μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της απόδοσής της, καθώς αποτελούν σημαντικές πτυχές της απόδοσης ενός συστήματος MIMO. Οι ακόλουθες ενότητες θα αναφέρουν λεπτομερώς αυτά τα χαρακτηριστικά της προτεινόμενης κεραίας MIMO.
Συντελεστής συσχέτισης φακέλου (ECC). Όταν εξετάζουμε οποιοδήποτε σύστημα MIMO, το ECC καθορίζει τον βαθμό στον οποίο τα συστατικά στοιχεία συσχετίζονται μεταξύ τους όσον αφορά τις ειδικές ιδιότητές τους. Έτσι, το ECC δείχνει τον βαθμό απομόνωσης καναλιού σε ένα ασύρματο δίκτυο επικοινωνίας. Το ECC (συντελεστής συσχέτισης φακέλου) του ανεπτυγμένου συστήματος MIMO μπορεί να προσδιοριστεί με βάση τις παραμέτρους S και την εκπομπή σε μακρινό πεδίο. Από την εξ. (7) και (8) μπορεί να προσδιοριστεί το ECC της προτεινόμενης κεραίας MIMO 31.
Ο συντελεστής ανάκλασης αντιπροσωπεύεται από το Sii και το Sij αντιπροσωπεύει τον συντελεστή μετάδοσης. Τα τρισδιάστατα μοτίβα ακτινοβολίας των κεραιών j και i-ου δίνονται από τις εκφράσεις \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) και \( \vec {{R_{ i } }} Συμπαγής γωνία που αντιπροσωπεύεται από \left( {\theta ,\varphi } \right)\) και \({\Omega }\). Η καμπύλη ECC της προτεινόμενης κεραίας φαίνεται στο Σχήμα 22α και η τιμή της είναι μικρότερη από 0,004, η οποία είναι πολύ κάτω από την αποδεκτή τιμή 0,5 για ένα ασύρματο σύστημα. Επομένως, η μειωμένη τιμή ECC σημαίνει ότι το προτεινόμενο σύστημα MIMO 4 θυρών παρέχει ανώτερη ποικιλομορφία43.
Κέρδος διαφοροποίησης (DG) Το DG είναι μια άλλη μέτρηση απόδοσης του συστήματος MIMO που περιγράφει πώς το σχήμα διαφοροποίησης επηρεάζει την ακτινοβολούμενη ισχύ. Η σχέση (9) καθορίζει το ΓΔ του συστήματος κεραίας MIMO που αναπτύσσεται, όπως περιγράφεται στο 31.
Το σχήμα 22β δείχνει το διάγραμμα DG του προτεινόμενου συστήματος MIMO, όπου η τιμή DG είναι πολύ κοντά στα 10 dB. Οι τιμές DG όλων των κεραιών του σχεδιασμένου συστήματος MIMO υπερβαίνουν τα 9,98 dB.
Ο Πίνακας 1 συγκρίνει την προτεινόμενη μετα-επιφανειακή κεραία MIMO με παρόμοια συστήματα MIMO που αναπτύχθηκαν πρόσφατα. Η σύγκριση λαμβάνει υπόψη διάφορες παραμέτρους απόδοσης, συμπεριλαμβανομένου του εύρους ζώνης, του κέρδους, της μέγιστης απομόνωσης, της συνολικής απόδοσης και της απόδοσης διαφοροποίησης. Οι ερευνητές έχουν παρουσιάσει διάφορα πρωτότυπα κεραιών MIMO με τεχνικές ενίσχυσης απολαβής και απομόνωσης στα 5, 44, 45, 46, 47. Σε σύγκριση με προηγούμενα δημοσιευμένα έργα, το προτεινόμενο σύστημα MIMO με ανακλαστήρες μεταεπιφάνειας τα ξεπερνά ως προς το εύρος ζώνης, το κέρδος και την απομόνωση. Επιπλέον, σε σύγκριση με παρόμοιες κεραίες που αναφέρθηκαν, το ανεπτυγμένο σύστημα MIMO παρουσιάζει ανώτερη απόδοση διαφοροποίησης και συνολική απόδοση σε μικρότερο μέγεθος. Αν και οι κεραίες που περιγράφονται στην Ενότητα 5.46 έχουν υψηλότερη απομόνωση από τις προτεινόμενες κεραίες, αυτές οι κεραίες έχουν μεγάλο μέγεθος, χαμηλό κέρδος, στενό εύρος ζώνης και κακή απόδοση MIMO. Η κεραία MIMO 4 θυρών που προτείνεται στο 45 παρουσιάζει υψηλό κέρδος και απόδοση, αλλά ο σχεδιασμός της έχει χαμηλή απομόνωση, μεγάλο μέγεθος και κακή απόδοση διαφοροποίησης. Από την άλλη πλευρά, το σύστημα κεραίας μικρού μεγέθους που προτείνεται στο 47 έχει πολύ χαμηλό κέρδος και εύρος ζώνης λειτουργίας, ενώ το προτεινόμενο σύστημα MIMO 4 θυρών με βάση το MS παρουσιάζει μικρό μέγεθος, υψηλό κέρδος, υψηλή απομόνωση και καλύτερη απόδοση MIMO. Έτσι, η προτεινόμενη μεταεπιφανειακή κεραία MIMO μπορεί να γίνει κύριος υποψήφιος για συστήματα επικοινωνίας 5G κάτω των 6 GHz.
Προτείνεται μια κεραία MIMO ευρείας ζώνης βασισμένη σε ανακλαστήρα τεσσάρων θυρών με υψηλό κέρδος και απομόνωση για την υποστήριξη εφαρμογών 5G κάτω των 6 GHz. Η γραμμή μικρολωρίδας τροφοδοτεί ένα τετράγωνο τμήμα ακτινοβολίας, το οποίο περικόπτεται από ένα τετράγωνο στις διαγώνιες γωνίες. Το προτεινόμενο MS και ο πομπός κεραίας υλοποιούνται σε υλικά υποστρώματος παρόμοια με το Rogers RT5880 για την επίτευξη εξαιρετικής απόδοσης σε συστήματα επικοινωνίας 5G υψηλής ταχύτητας. Η κεραία MIMO διαθέτει μεγάλη εμβέλεια και υψηλή απολαβή και παρέχει ηχομόνωση μεταξύ των εξαρτημάτων MIMO και εξαιρετική απόδοση. Η ανεπτυγμένη μονή κεραία έχει μικροσκοπικές διαστάσεις 0,58?0,58?0,02? με συστοιχία metasurface 5×5, παρέχει ευρύ εύρος ζώνης λειτουργίας 4,56 GHz, μέγιστο κέρδος 8 dBi και ανώτερη μετρούμενη απόδοση. Η προτεινόμενη κεραία MIMO τεσσάρων θυρών (συστοιχία 2 × 2) έχει σχεδιαστεί ευθυγραμμίζοντας ορθογώνια κάθε προτεινόμενη μονή κεραία με μια άλλη κεραία με διαστάσεις 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Συνιστάται η συναρμολόγηση μιας συστοιχίας 10×10 MM κάτω από μια κεραία MIMO ύψους 12 mm, η οποία μπορεί να μειώσει την οπίσθια ακτινοβολία και να μειώσει την αμοιβαία σύζευξη μεταξύ των στοιχείων MIMO, βελτιώνοντας έτσι το κέρδος και την απομόνωση. Πειραματικά αποτελέσματα και αποτελέσματα προσομοίωσης δείχνουν ότι το αναπτυγμένο πρωτότυπο MIMO μπορεί να λειτουργήσει σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων 3,08–7,75 GHz, καλύπτοντας το φάσμα 5G κάτω από τα 6 GHz. Επιπλέον, η προτεινόμενη κεραία MIMO που βασίζεται σε MS βελτιώνει την απολαβή της κατά 2,9 dBi, επιτυγχάνοντας μέγιστο κέρδος 8,3 dBi και παρέχει εξαιρετική απομόνωση (>15,5 dB) μεταξύ των στοιχείων MIMO, επικυρώνοντας τη συμβολή του MS. Επιπλέον, η προτεινόμενη κεραία MIMO έχει υψηλή μέση συνολική απόδοση 82% και χαμηλή απόσταση μεταξύ στοιχείων 22 mm. Η κεραία παρουσιάζει εξαιρετική απόδοση διαφοροποίησης MIMO, συμπεριλαμβανομένης της πολύ υψηλής DG (πάνω από 9,98 dB), πολύ χαμηλής ECC (κάτω από 0,004) και μοτίβο ακτινοβολίας μονής κατεύθυνσης. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων είναι πολύ παρόμοια με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Αυτά τα χαρακτηριστικά επιβεβαιώνουν ότι το ανεπτυγμένο σύστημα κεραίας MIMO τεσσάρων θυρών μπορεί να είναι μια βιώσιμη επιλογή για συστήματα επικοινωνίας 5G στην περιοχή συχνοτήτων κάτω των 6 GHz.
Η Cowin μπορεί να παρέχει κεραία PCB ευρείας ζώνης 400-6000 MHz και υποστήριξη για το σχεδιασμό νέας κεραίας σύμφωνα με τις απαιτήσεις σας, επικοινωνήστε μαζί μας χωρίς δισταγμό εάν έχετε οποιοδήποτε αίτημα.
Ώρα δημοσίευσης: Οκτ-10-2024