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Verwendung von Metaoberflächen zur Verbesserung der Verstärkung und Isolierung von Breitband-PCB-Antennen für 5G-Sub-6-GHz-Kommunikationssysteme

Breitband-Leiterplattenantenne (1)

Diese Arbeit schlägt eine kompakte integrierte Multi-Input-Multiple-Output (MIMO) Metasurface (MS)-Breitbandantenne für drahtlose Kommunikationssysteme der fünften Generation (5G) unter 6 GHz vor. Die offensichtliche Neuheit des vorgeschlagenen MIMO-Systems ist seine große Betriebsbandbreite, hohe Verstärkung, kleine Abstände zwischen den Komponenten und eine hervorragende Isolierung innerhalb der MIMO-Komponenten. Der Strahlungspunkt der Antenne ist diagonal abgeschnitten, teilweise geerdet, und Metaoberflächen werden verwendet, um die Leistung der Antenne zu verbessern. Der vorgeschlagene Prototyp einer integrierten Einzel-MS-Antenne hat Miniaturabmessungen von 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Simulations- und Messergebnisse zeigen eine Breitbandleistung von 3,11 GHz bis 7,67 GHz, einschließlich der höchsten erreichten Verstärkung von 8 dBi. Das MIMO-System mit vier Elementen ist so konzipiert, dass jede Antenne orthogonal zueinander ist und gleichzeitig eine kompakte Größe und Breitbandleistung von 3,2 bis 7,6 GHz beibehält. Der vorgeschlagene MIMO-Prototyp wird auf einem Rogers RT5880-Substrat mit geringem Verlust und miniaturisierten Abmessungen von 1,05? entworfen und hergestellt. 1,05? 0,02?, und seine Leistung wird unter Verwendung des vorgeschlagenen quadratischen Resonatorarrays mit geschlossenem Ring und einem 10 x 10 geteilten Ring bewertet. Das Grundmaterial ist das gleiche. Die vorgeschlagene Backplane-Metaoberfläche reduziert die Rückstrahlung der Antenne erheblich und manipuliert elektromagnetische Felder, wodurch die Bandbreite, der Gewinn und die Isolierung von MIMO-Komponenten verbessert werden. Im Vergleich zu bestehenden MIMO-Antennen erreicht die vorgeschlagene 4-Port-MIMO-Antenne einen hohen Gewinn von 8,3 dBi mit einem durchschnittlichen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 82 % im 5G-Sub-6-GHz-Band und stimmt gut mit den gemessenen Ergebnissen überein. Darüber hinaus weist die entwickelte MIMO-Antenne eine hervorragende Leistung im Hinblick auf einen Hüllkurvenkorrelationskoeffizienten (ECC) von weniger als 0,004, einen Diversity-Gewinn (DG) von etwa 10 dB (>9,98 dB) und eine hohe Isolation zwischen MIMO-Komponenten (>15,5 dB) auf. Eigenschaften. Somit bestätigt die vorgeschlagene MS-basierte MIMO-Antenne ihre Anwendbarkeit für 5G-Kommunikationsnetze unter 6 GHz.
Die 5G-Technologie ist ein unglaublicher Fortschritt in der drahtlosen Kommunikation, der schnellere und sicherere Netzwerke für Milliarden verbundener Geräte ermöglicht, Benutzererlebnisse mit „null“ Latenz (Latenz von weniger als 1 Millisekunde) bietet und neue Technologien, einschließlich Elektronik, einführt. Medizinische Versorgung, geistige Bildung. , intelligente Städte, intelligente Häuser, virtuelle Realität (VR), intelligente Fabriken und das Internet der Fahrzeuge (IoV) verändern unser Leben, unsere Gesellschaft und unsere Industrien1,2,3. Die US-amerikanische Federal Communications Commission (FCC) unterteilt das 5G-Spektrum in vier Frequenzbänder4. Das Frequenzband unter 6 GHz ist für Forscher interessant, da es eine Kommunikation über große Entfernungen mit hohen Datenraten ermöglicht5,6. Die Zuteilung des Sub-6-GHz-5G-Spektrums für die globale 5G-Kommunikation ist in Abbildung 1 dargestellt. Dies zeigt, dass alle Länder Sub-6-GHz-Spektrum für die 5G-Kommunikation in Betracht ziehen7,8. Antennen sind ein wichtiger Bestandteil von 5G-Netzwerken und erfordern mehr Basisstations- und Benutzerterminalantennen.
Mikrostreifen-Patchantennen haben die Vorteile einer dünnen und flachen Struktur, sind jedoch hinsichtlich Bandbreite und Gewinn begrenzt.9,10 Es wurde daher viel Forschung betrieben, um den Gewinn und die Bandbreite der Antenne zu erhöhen. In den letzten Jahren wurden Metaoberflächen (MS) häufig in Antennentechnologien eingesetzt, insbesondere zur Verbesserung von Gewinn und Durchsatz11,12, diese Antennen sind jedoch auf einen einzigen Port beschränkt; Die MIMO-Technologie ist ein wichtiger Aspekt der drahtlosen Kommunikation, da sie mehrere Antennen gleichzeitig zur Datenübertragung nutzen kann und dadurch Datenraten, spektrale Effizienz, Kanalkapazität und Zuverlässigkeit verbessert13,14,15. MIMO-Antennen sind potenzielle Kandidaten für 5G-Anwendungen, da sie Daten über mehrere Kanäle senden und empfangen können, ohne dass zusätzlicher Strom benötigt wird16,17. Der gegenseitige Kopplungseffekt zwischen MIMO-Komponenten hängt vom Standort der MIMO-Elemente und dem Gewinn der MIMO-Antenne ab, was für Forscher eine große Herausforderung darstellt. Die Abbildungen 18, 19 und 20 zeigen verschiedene MIMO-Antennen, die im 5G-Sub-6-GHz-Band arbeiten und alle eine gute MIMO-Isolation und Leistung aufweisen. Der Gewinn und die Betriebsbandbreite dieser vorgeschlagenen Systeme sind jedoch gering.
Metamaterialien (MMs) sind neue Materialien, die in der Natur nicht vorkommen und elektromagnetische Wellen manipulieren können, wodurch die Leistung von Antennen verbessert wird21,22,23,24. MM wird heute in der Antennentechnologie häufig verwendet, um das Strahlungsmuster, die Bandbreite, den Gewinn und die Isolierung zwischen Antennenelementen und drahtlosen Kommunikationssystemen zu verbessern, wie in 25, 26, 27, 28 besprochen. Im Jahr 2029 wird ein MIMO-System mit vier Elementen basierend auf Metaoberfläche, bei der der Antennenabschnitt ohne Luftspalt zwischen der Metaoberfläche und dem Boden eingebettet ist, was die MIMO-Leistung verbessert. Dieses Design weist jedoch eine größere Größe, eine niedrigere Betriebsfrequenz und eine komplexe Struktur auf. Die vorgeschlagene 2-Port-Breitband-MIMO-Antenne umfasst eine elektromagnetische Bandlücke (EBG) und eine Erdschleife, um die Isolierung von MIMO30-Komponenten zu verbessern. Die entworfene Antenne verfügt über eine gute MIMO-Diversity-Leistung und eine hervorragende Isolierung zwischen zwei MIMO-Antennen. Bei Verwendung von nur zwei MIMO-Komponenten ist der Gewinn jedoch gering. Darüber hinaus schlug in31 auch eine Ultrabreitband-(UWB)-Dual-Port-MIMO-Antenne vor und untersuchte deren MIMO-Leistung mithilfe von Metamaterialien. Obwohl diese Antenne für den UWB-Betrieb geeignet ist, ist ihr Gewinn gering und die Isolierung zwischen den beiden Antennen schlecht. Die Arbeit in32 schlägt ein 2-Port-MIMO-System vor, das elektromagnetische Bandlückenreflektoren (EBG) verwendet, um die Verstärkung zu erhöhen. Obwohl das entwickelte Antennenarray einen hohen Gewinn und eine gute MIMO-Diversity-Leistung aufweist, erschwert seine große Größe den Einsatz in Kommunikationsgeräten der nächsten Generation. Im Jahr 33 wurde eine weitere Breitbandantenne auf Reflektorbasis entwickelt, bei der der Reflektor mit einem größeren Spalt von 22 mm unter der Antenne integriert war und einen geringeren Spitzengewinn von 4,87 dB aufwies. Paper 34 entwirft eine MIMO-Antenne mit vier Anschlüssen für mmWave-Anwendungen, die in die MS-Schicht integriert ist, um die Isolierung und den Gewinn des MIMO-Systems zu verbessern. Diese Antenne bietet jedoch einen guten Gewinn und eine gute Isolierung, weist jedoch aufgrund des großen Luftspalts eine begrenzte Bandbreite und schlechte mechanische Eigenschaften auf. In ähnlicher Weise wurde im Jahr 2015 eine MIMO-Antenne mit drei Paaren und vier Anschlüssen in Bowtie-Form und Metaoberflächenintegration für mmWave-Kommunikation mit einem maximalen Gewinn von 7,4 dBi entwickelt. B36 MS wird auf der Rückseite einer 5G-Antenne verwendet, um den Antennengewinn zu erhöhen, wobei die Metaoberfläche als Reflektor fungiert. Allerdings ist die MS-Struktur asymmetrisch und der Elementarzellenstruktur wurde weniger Aufmerksamkeit geschenkt.
Den obigen Analyseergebnissen zufolge verfügt keine der oben genannten Antennen über einen hohen Gewinn, eine hervorragende Isolierung, MIMO-Leistung und Breitbandabdeckung. Daher besteht weiterhin Bedarf an einer Metasurface-MIMO-Antenne, die einen breiten Bereich von 5G-Spektrumfrequenzen unter 6 GHz mit hoher Verstärkung und Isolation abdecken kann. Unter Berücksichtigung der Einschränkungen der oben genannten Literatur wird ein Breitband-MIMO-Antennensystem mit vier Elementen mit hohem Gewinn und hervorragender Diversity-Leistung für drahtlose Kommunikationssysteme unter 6 GHz vorgeschlagen. Darüber hinaus weist die vorgeschlagene MIMO-Antenne eine hervorragende Isolierung zwischen MIMO-Komponenten, kleine Elementabstände und eine hohe Strahlungseffizienz auf. Das Antennenpatch ist diagonal abgeschnitten und mit einem Luftspalt von 12 mm auf der Metaoberfläche platziert, was die Rückstrahlung der Antenne reflektiert und den Antennengewinn und die Richtwirkung verbessert. Darüber hinaus wird die vorgeschlagene Einzelantenne verwendet, um eine MIMO-Antenne mit vier Elementen und überlegener MIMO-Leistung zu schaffen, indem jede Antenne orthogonal zueinander positioniert wird. Die entwickelte MIMO-Antenne wurde dann auf einem 10 × 10 MS-Array mit einer Kupfer-Rückwandplatine integriert, um die Emissionsleistung zu verbessern. Das Design zeichnet sich durch einen großen Betriebsbereich (3,08–7,75 GHz), einen hohen Gewinn von 8,3 dBi und einen hohen durchschnittlichen Gesamtwirkungsgrad von 82 % sowie eine hervorragende Isolierung von mehr als –15,5 dB zwischen MIMO-Antennenkomponenten aus. Die entwickelte MS-basierte MIMO-Antenne wurde mit dem elektromagnetischen 3D-Softwarepaket CST Studio 2019 simuliert und durch experimentelle Studien validiert.
Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte Einführung in die vorgeschlagene Architektur und die Entwurfsmethodik für Einzelantennen. Darüber hinaus werden die simulierten und beobachteten Ergebnisse ausführlich besprochen, einschließlich Streuparameter, Verstärkung und Gesamteffizienz mit und ohne Metaoberflächen. Der Antennenprototyp wurde auf einem verlustarmen dielektrischen Rogers 5880-Substrat mit einer Dicke von 1,575 mm und einer Dielektrizitätskonstante von 2,2 entwickelt. Zur Entwicklung und Simulation des Designs wurde das elektromagnetische Simulatorpaket CST Studio 2019 verwendet.
Abbildung 2 zeigt die vorgeschlagene Architektur und das Designmodell einer Einzelelementantenne. Nach gut etablierten mathematischen Gleichungen37 besteht die Antenne aus einem linear gespeisten quadratischen Strahlungspunkt und einer Kupfergrundplatte (wie in Schritt 1 beschrieben) und schwingt mit einer sehr schmalen Bandbreite bei 10,8 GHz, wie in Abbildung 3b dargestellt. Die Ausgangsgröße des Antennenstrahlers wird durch die folgende mathematische Beziehung37 bestimmt:
Dabei sind \(P_{L}\) und \(P_{w}\) die Länge und Breite des Patches, c die Lichtgeschwindigkeit und \(\gamma_{r}\) die Dielektrizitätskonstante des Substrats . , \(\gamma_{reff }\) stellt den effektiven dielektrischen Wert des Strahlungsflecks dar, \(\Delta L\) stellt die Änderung der Flecklänge dar. Im zweiten Schritt wurde die Antennenrückwand optimiert, wodurch die Impedanzbandbreite trotz der sehr geringen Impedanzbandbreite von 10 dB erhöht wurde. In der dritten Stufe wird die Einspeiseposition nach rechts verschoben, was die Impedanzbandbreite und Impedanzanpassung der vorgeschlagenen Antenne38 verbessert. Zu diesem Zeitpunkt weist die Antenne eine hervorragende Betriebsbandbreite von 4 GHz auf und deckt auch das Spektrum unter 6 GHz in 5G ab. Im vierten und letzten Schritt werden quadratische Rillen in gegenüberliegenden Ecken des Strahlungsflecks geätzt. Dieser Steckplatz erweitert die 4,56-GHz-Bandbreite erheblich, um das 5G-Spektrum unter 6 GHz von 3,11 GHz bis 7,67 GHz abzudecken, wie in Abbildung 3b dargestellt. Die perspektivischen Vorder- und Unteransichten des vorgeschlagenen Entwurfs sind in Abbildung 3a dargestellt. Die endgültigen optimierten erforderlichen Entwurfsparameter lauten wie folgt: 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) Draufsicht und Rückansicht der entworfenen Einzelantenne (CST STUDIO SUITE 2019). (b) S-Parameter-Kurve.
Metaoberfläche ist ein Begriff, der sich auf eine periodische Anordnung von Elementarzellen bezieht, die in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind. Metaoberflächen sind eine effektive Möglichkeit, die Strahlungsleistung der Antenne zu verbessern, einschließlich Bandbreite, Verstärkung und Isolierung zwischen MIMO-Komponenten. Aufgrund des Einflusses der Ausbreitung von Oberflächenwellen erzeugen Metaoberflächen zusätzliche Resonanzen, die zu einer verbesserten Antennenleistung beitragen39. Diese Arbeit schlägt eine Epsilon-negative Metamaterial (MM)-Einheit vor, die im 5G-Band unter 6 GHz arbeitet. Das MM mit einer Oberfläche von 8 mm x 8 mm wurde auf einem verlustarmen Rogers 5880-Substrat mit einer Dielektrizitätskonstante von 2,2 und einer Dicke von 1,575 mm entwickelt. Das optimierte MM-Resonator-Patch besteht aus einem inneren kreisförmigen Spaltring, der mit zwei modifizierten äußeren Spaltringen verbunden ist, wie in Abbildung 4a dargestellt. Abbildung 4a fasst die endgültigen optimierten Parameter des vorgeschlagenen MM-Aufbaus zusammen. Anschließend wurden 40 × 40 mm und 80 × 80 mm große Metaoberflächenschichten ohne Kupferrückwandplatine und mit einer Kupferrückwandplatine unter Verwendung von 5 × 5- bzw. 10 × 10-Zellen-Arrays entwickelt. Die vorgeschlagene MM-Struktur wurde mit der elektromagnetischen 3D-Modellierungssoftware „CST Studio Suite 2019“ modelliert. In Abbildung 4b ist ein hergestellter Prototyp der vorgeschlagenen MM-Array-Struktur und des Messaufbaus (Dual-Port-Netzwerkanalysator-PNA und Wellenleiter-Port) dargestellt, um die CST-Simulationsergebnisse durch Analyse der tatsächlichen Reaktion zu validieren. Der Messaufbau verwendete einen Agilent Netzwerkanalysator der PNA-Serie in Kombination mit zwei Wellenleiter-Koaxialadaptern (A-INFOMW, Teilenummer: 187WCAS) zum Senden und Empfangen von Signalen. Ein Prototyp eines 5×5-Arrays wurde zwischen zwei Wellenleiter-Koaxialadaptern platziert, die über ein Koaxialkabel mit einem Netzwerkanalysator mit zwei Anschlüssen (Agilent PNA N5227A) verbunden waren. Das Kalibrierungskit Agilent N4694-60001 wird zur Kalibrierung des Netzwerkanalysators in einer Pilotanlage verwendet. Die simulierten und CST-beobachteten Streuparameter des vorgeschlagenen MM-Array-Prototyps sind in Abbildung 5a dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die vorgeschlagene MM-Struktur im 5G-Frequenzbereich unter 6 GHz Resonanz findet. Trotz des geringen Unterschieds in der Bandbreite von 10 dB sind die simulierten und experimentellen Ergebnisse sehr ähnlich. Die Resonanzfrequenz, Bandbreite und Amplitude der beobachteten Resonanz unterscheiden sich geringfügig von den simulierten, wie in Abbildung 5a dargestellt. Diese Unterschiede zwischen beobachteten und simulierten Ergebnissen sind auf Herstellungsmängel, kleine Abstände zwischen dem Prototyp und den Wellenleiteranschlüssen, Kopplungseffekte zwischen den Wellenleiteranschlüssen und Array-Komponenten sowie Messtoleranzen zurückzuführen. Darüber hinaus kann die richtige Platzierung des entwickelten Prototyps zwischen den Wellenleiteranschlüssen im Versuchsaufbau zu einer Resonanzverschiebung führen. Darüber hinaus wurde während der Kalibrierungsphase unerwünschtes Rauschen beobachtet, das zu Abweichungen zwischen den numerischen und den gemessenen Ergebnissen führte. Abgesehen von diesen Schwierigkeiten weist der vorgeschlagene MM-Array-Prototyp jedoch aufgrund der starken Korrelation zwischen Simulation und Experiment eine gute Leistung auf, sodass er sich gut für drahtlose 5G-Kommunikationsanwendungen unter 6 GHz eignet.
(a) Elementarzellengeometrie (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 des MM-Messaufbaus.
(a) Simulation und Verifizierung der Streuparameterkurven des Metamaterial-Prototyps. (b) Dielektrizitätskonstantenkurve einer MM-Elementarzelle.
Relevante effektive Parameter wie die effektive Dielektrizitätskonstante, die magnetische Permeabilität und der Brechungsindex wurden mithilfe integrierter Nachbearbeitungstechniken des elektromagnetischen CST-Simulators untersucht, um das Verhalten der MM-Elementarzelle weiter zu analysieren. Die effektiven MM-Parameter werden mithilfe einer robusten Rekonstruktionsmethode aus den Streuparametern ermittelt. Die folgenden Transmissions- und Reflexionskoeffizientengleichungen: (3) und (4) können zur Bestimmung des Brechungsindex und der Impedanz verwendet werden (siehe 40).
Der Real- und Imaginärteil des Operators werden durch (.)' bzw. (.)“ dargestellt, und der ganzzahlige Wert m entspricht dem realen Brechungsindex. Dielektrizitätskonstante und Permeabilität werden durch die Formeln \(\varepsilon { } = { }n/z,\) und \(\mu = nz\) bestimmt, die auf der Impedanz bzw. dem Brechungsindex basieren. Die Kurve der effektiven Dielektrizitätskonstante der MM-Struktur ist in Abbildung 5b dargestellt. Bei der Resonanzfrequenz ist die effektive Dielektrizitätskonstante negativ. Die Abbildungen 6a,b zeigen die extrahierten Werte der effektiven Permeabilität (μ) und des effektiven Brechungsindex (n) der vorgeschlagenen Elementarzelle. Bemerkenswert ist, dass die extrahierten Permeabilitäten positive reale Werte nahe Null aufweisen, was die epsilon-negativen (ENG) Eigenschaften der vorgeschlagenen MM-Struktur bestätigt. Darüber hinaus hängt die Resonanz bei einer Permeabilität nahe Null, wie in Abbildung 6a dargestellt, stark von der Resonanzfrequenz ab. Die entwickelte Elementarzelle hat einen negativen Brechungsindex (Abb. 6b), was bedeutet, dass das vorgeschlagene MM zur Verbesserung der Antennenleistung 21, 41 verwendet werden kann.
Der entwickelte Prototyp einer einzelnen Breitbandantenne wurde hergestellt, um das vorgeschlagene Design experimentell zu testen. Die Abbildungen 7a und b zeigen Bilder des vorgeschlagenen Prototyps einer Einzelantenne, ihrer Strukturteile und des Nahfeldmessaufbaus (SATIMO). Um die Antennenleistung zu verbessern, wird die entwickelte Metaoberfläche schichtweise unter der Antenne platziert, wie in Abbildung 8a dargestellt, mit der Höhe h. Auf der Rückseite der Einzelantenne wurde in Abständen von 12 mm eine einzelne 40 mm x 40 mm große Doppelschicht-Metaoberfläche angebracht. Zusätzlich wird auf der Rückseite der Einzelantenne im Abstand von 12 mm eine Metaoberfläche mit Backplane platziert. Nach der Anwendung der Metaoberfläche zeigt die Einzelantenne eine deutliche Leistungsverbesserung, wie in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt. Abbildungen 8 und 9. Abbildung 8b zeigt die simulierten und gemessenen Reflexionsdiagramme für die Einzelantenne ohne und mit Metaoberflächen. Es ist erwähnenswert, dass das Abdeckungsband einer Antenne mit Metaoberfläche dem Abdeckungsband einer Antenne ohne Metaoberfläche sehr ähnlich ist. Die Abbildungen 9a und b zeigen einen Vergleich des simulierten und beobachteten Einzelantennengewinns und der Gesamteffizienz ohne und mit MS im Betriebsspektrum. Es ist ersichtlich, dass der Gewinn der Metaoberflächenantenne im Vergleich zur Nicht-Metaoberflächenantenne deutlich verbessert ist und von 5,15 dBi auf 8 dBi steigt. Der Gewinn der einschichtigen Metaoberfläche, der zweischichtigen Metaoberfläche und der Einzelantenne mit Backplane-Metaoberfläche stieg um 6 dBi, 6,9 dBi bzw. 8 dBi. Im Vergleich zu anderen Metasurfaces (einschichtige und doppelschichtige MCs) beträgt der Gewinn einer einzelnen Metasurface-Antenne mit einer Kupfer-Rückwandplatine bis zu 8 dBi. In diesem Fall fungiert die Metaoberfläche als Reflektor, der die Rückstrahlung der Antenne reduziert und die elektromagnetischen Wellen phasengleich manipuliert, wodurch die Strahlungseffizienz der Antenne und damit der Gewinn erhöht wird. Eine Untersuchung der Gesamteffizienz einer einzelnen Antenne ohne und mit Metaoberflächen ist in Abbildung 9b dargestellt. Es ist erwähnenswert, dass die Effizienz einer Antenne mit und ohne Metaoberfläche nahezu gleich ist. Im unteren Frequenzbereich nimmt die Antenneneffizienz leicht ab. Die experimentellen und simulierten Gewinn- und Effizienzkurven stimmen gut überein. Aufgrund von Herstellungsfehlern, Messtoleranzen, SMA-Port-Verbindungsverlusten und Kabelverlusten gibt es jedoch geringfügige Unterschiede zwischen den simulierten und den getesteten Ergebnissen. Darüber hinaus befinden sich die Antenne und der MS-Reflektor zwischen den Nylon-Abstandshaltern, was ein weiteres Problem darstellt, das die beobachteten Ergebnisse im Vergleich zu den Simulationsergebnissen beeinflusst.
Abbildung (a) zeigt die fertige Einzelantenne und die zugehörigen Komponenten. (b) Nahfeld-Messaufbau (SATIMO).
(a) Antennenanregung mithilfe von Metaoberflächenreflektoren (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Simulierte und experimentelle Reflexionsgrade einer einzelnen Antenne ohne und mit MS.
Simulations- und Messergebnisse von (a) dem erreichten Gewinn und (b) der Gesamteffizienz der vorgeschlagenen Metaoberflächeneffektantenne.
Strahlmusteranalyse mittels MS. Einzelantennen-Nahfeldmessungen wurden in der SATIMO Near-Field Experimental Environment des UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory durchgeführt. Die Abbildungen 10a, b zeigen die simulierten und beobachteten E-Ebenen- und H-Ebenen-Strahlungsmuster bei 5,5 GHz für die vorgeschlagene Einzelantenne mit und ohne MS. Die entwickelte Einzelantenne (ohne MS) bietet ein konsistentes bidirektionales Strahlungsmuster mit Nebenkeulenwerten. Nach der Anwendung des vorgeschlagenen MS-Reflektors liefert die Antenne ein unidirektionales Strahlungsmuster und reduziert den Pegel der Rückkeulen, wie in den Abbildungen 10a, b dargestellt. Es ist erwähnenswert, dass das vorgeschlagene Einzelantennen-Strahlungsmuster stabiler und unidirektionaler ist und sehr niedrige Rück- und Seitenkeulen aufweist, wenn eine Metaoberfläche mit einer Kupfer-Rückwandplatine verwendet wird. Der vorgeschlagene MM-Array-Reflektor reduziert die Rück- und Seitenkeulen der Antenne und verbessert gleichzeitig die Strahlungsleistung, indem er den Strom in unidirektionale Richtungen leitet (Abb. 10a, b), wodurch der Gewinn und die Richtwirkung erhöht werden. Es wurde beobachtet, dass das experimentelle Strahlungsmuster nahezu mit dem der CST-Simulationen vergleichbar war, jedoch aufgrund von Fehlausrichtungen der verschiedenen zusammengebauten Komponenten, Messtoleranzen und Verkabelungsverlusten leicht variierte. Darüber hinaus wurde zwischen der Antenne und dem MS-Reflektor ein Nylon-Abstandshalter eingefügt, was ein weiteres Problem darstellt, das die beobachteten Ergebnisse im Vergleich zu den numerischen Ergebnissen beeinflusst.
Das Strahlungsdiagramm der entwickelten Einzelantenne (ohne MS und mit MS) bei einer Frequenz von 5,5 GHz wurde simuliert und getestet.
Die vorgeschlagene MIMO-Antennengeometrie ist in Abbildung 11 dargestellt und umfasst vier Einzelantennen. Die vier Komponenten der MIMO-Antenne sind orthogonal zueinander auf einem Substrat mit den Abmessungen 80 × 80 × 1,575 mm angeordnet, wie in Abbildung 11 dargestellt. Die entworfene MIMO-Antenne hat einen Abstand zwischen den Elementen von 22 mm, was kleiner ist als der nächstgelegener entsprechender Abstand zwischen den Elementen der Antenne. MIMO-Antenne entwickelt. Darüber hinaus ist ein Teil der Grundplatte auf die gleiche Weise angeordnet wie eine einzelne Antenne. Die in Abbildung 12a dargestellten Reflexionswerte der MIMO-Antennen (S11, S22, S33 und S44) zeigen das gleiche Verhalten wie eine Einzelelementantenne, die im 3,2–7,6-GHz-Band schwingt. Daher ist die Impedanzbandbreite einer MIMO-Antenne genau die gleiche wie die einer einzelnen Antenne. Der Kopplungseffekt zwischen MIMO-Komponenten ist der Hauptgrund für den geringen Bandbreitenverlust von MIMO-Antennen. Abbildung 12b zeigt die Auswirkung der Verbindung auf MIMO-Komponenten, wobei die optimale Isolierung zwischen MIMO-Komponenten ermittelt wurde. Die Isolation zwischen den Antennen 1 und 2 ist mit etwa -13,6 dB am geringsten und die Isolation zwischen den Antennen 1 und 4 mit etwa -30,4 dB am höchsten. Aufgrund ihrer geringen Größe und größeren Bandbreite weist diese MIMO-Antenne einen geringeren Gewinn und einen geringeren Durchsatz auf. Die Isolierung ist gering, daher ist eine erhöhte Verstärkung und Isolierung erforderlich.
Designmechanismus der vorgeschlagenen MIMO-Antenne (a) Draufsicht und (b) Grundebene. (CST Studio Suite 2019).
Die geometrische Anordnung und Anregungsmethode der vorgeschlagenen Metaoberflächen-MIMO-Antenne sind in Abbildung 13a dargestellt. Eine 10 x 10 mm große Matrix mit den Abmessungen 80 x 80 x 1,575 mm ist für die Rückseite einer 12 mm hohen MIMO-Antenne konzipiert, wie in Abbildung 13a dargestellt. Darüber hinaus sind Metaoberflächen mit Kupfer-Backplanes für den Einsatz in MIMO-Antennen vorgesehen, um deren Leistung zu verbessern. Der Abstand zwischen der Metaoberfläche und der MIMO-Antenne ist entscheidend, um einen hohen Gewinn zu erzielen und gleichzeitig eine konstruktive Interferenz zwischen den von der Antenne erzeugten und den von der Metaoberfläche reflektierten Wellen zu ermöglichen. Umfangreiche Modellierungen wurden durchgeführt, um die Höhe zwischen der Antenne und der Metaoberfläche zu optimieren und gleichzeitig Viertelwellenstandards für maximale Verstärkung und Isolierung zwischen MIMO-Elementen beizubehalten. Die erheblichen Verbesserungen der MIMO-Antennenleistung, die durch die Verwendung von Metaoberflächen mit Rückwandplatinen im Vergleich zu Metaoberflächen ohne Rückwandplatinen erzielt werden, werden in den folgenden Kapiteln demonstriert.
(a) CST-Simulationsaufbau der vorgeschlagenen MIMO-Antenne mit MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Reflexionskurven des entwickelten MIMO-Systems ohne MS und mit MS.
Die Reflexionsgrade von MIMO-Antennen mit und ohne Metaoberflächen sind in Abbildung 13b dargestellt, wo S11 und S44 aufgrund des nahezu identischen Verhaltens aller Antennen im MIMO-System dargestellt sind. Es ist erwähnenswert, dass die Impedanzbandbreite von -10 dB einer MIMO-Antenne ohne und mit einer einzelnen Metaoberfläche nahezu gleich ist. Im Gegensatz dazu wird die Impedanzbandbreite der vorgeschlagenen MIMO-Antenne durch Dual-Layer-MS und Backplane-MS verbessert. Es ist erwähnenswert, dass die MIMO-Antenne ohne MS eine Bruchteilsbandbreite von 81,5 % (3,2–7,6 GHz) relativ zur Mittenfrequenz bietet. Durch die Integration des MS in die Rückwandplatine erhöht sich die Impedanzbandbreite der vorgeschlagenen MIMO-Antenne auf 86,3 % (3,08–7,75 GHz). Obwohl Dual-Layer-MS den Durchsatz erhöht, ist die Verbesserung geringer als bei MS mit einer Kupfer-Rückwandplatine. Darüber hinaus vergrößert ein Dual-Layer-MC die Größe der Antenne, erhöht ihre Kosten und schränkt ihre Reichweite ein. Die entworfene MIMO-Antenne und der Metaoberflächenreflektor werden hergestellt und verifiziert, um die Simulationsergebnisse zu validieren und die tatsächliche Leistung zu bewerten. Abbildung 14a zeigt die hergestellte MS-Schicht und MIMO-Antenne mit verschiedenen zusammengebauten Komponenten, während Abbildung 14b ein Foto des entwickelten MIMO-Systems zeigt. Die MIMO-Antenne wird mit vier Nylon-Abstandshaltern oben auf der Metaoberfläche montiert, wie in Abbildung 14b dargestellt. Abbildung 15a zeigt eine Momentaufnahme des Nahfeld-Versuchsaufbaus des entwickelten MIMO-Antennensystems. Ein PNA-Netzwerkanalysator (Agilent Technologies PNA N5227A) wurde im UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory zur Schätzung von Streuparametern und zur Bewertung und Charakterisierung von Nahfeldemissionseigenschaften verwendet.
(a) Fotos von SATIMO-Nahfeldmessungen (b) Simulierte und experimentelle Kurven der S11-MIMO-Antenne mit und ohne MS.
In diesem Abschnitt wird eine vergleichende Studie der simulierten und beobachteten S-Parameter der vorgeschlagenen 5G-MIMO-Antenne vorgestellt. Abbildung 15b zeigt das experimentelle Reflexionsdiagramm der integrierten 4-Element-MIMO-MS-Antenne und vergleicht es mit den CST-Simulationsergebnissen. Es wurde festgestellt, dass die experimentellen Reflexionswerte mit den CST-Berechnungen identisch waren, sich jedoch aufgrund von Herstellungsfehlern und experimentellen Toleranzen geringfügig unterschieden. Darüber hinaus deckt der beobachtete Reflexionsgrad des vorgeschlagenen MS-basierten MIMO-Prototyps das 5G-Spektrum unterhalb von 6 GHz mit einer Impedanzbandbreite von 4,8 GHz ab, was bedeutet, dass 5G-Anwendungen möglich sind. Die gemessene Resonanzfrequenz, Bandbreite und Amplitude weichen jedoch geringfügig von den CST-Simulationsergebnissen ab. Herstellungsfehler, Koax-zu-SMA-Kopplungsverluste und Messaufbauten im Freien können zu Unterschieden zwischen gemessenen und simulierten Ergebnissen führen. Trotz dieser Mängel weist das vorgeschlagene MIMO jedoch eine gute Leistung auf und bietet eine starke Übereinstimmung zwischen Simulationen und Messungen, sodass es sich gut für 5G-Funkanwendungen unter 6 GHz eignet.
Die simulierten und beobachteten MIMO-Antennengewinnkurven sind in den Abbildungen 2 und 2 dargestellt. Wie in den Abbildungen 16a,b bzw. 17a,b dargestellt, ist die gegenseitige Interaktion der MIMO-Komponenten dargestellt. Wenn Metaoberflächen auf MIMO-Antennen angewendet werden, wird die Isolierung zwischen MIMO-Antennen erheblich verbessert. Die Isolationsdiagramme zwischen benachbarten Antennenelementen S12, S14, S23 und S34 zeigen ähnliche Kurven, während die diagonalen MIMO-Antennen S13 und S42 aufgrund des größeren Abstands zwischen ihnen eine ähnlich hohe Isolation aufweisen. Die simulierten Übertragungseigenschaften benachbarter Antennen sind in Abbildung 16a dargestellt. Es ist erwähnenswert, dass im 5G-Betriebsspektrum unter 6 GHz die minimale Isolation einer MIMO-Antenne ohne Metaoberfläche -13,6 dB und für eine Metaoberfläche mit Backplane 15,5 dB beträgt. Das Gewinndiagramm (Abbildung 16a) zeigt, dass die Backplane-Metaoberfläche die Isolierung zwischen MIMO-Antennenelementen im Vergleich zu ein- und zweischichtigen Metaoberflächen erheblich verbessert. Auf benachbarten Antennenelementen sorgen ein- und zweischichtige Metaoberflächen für eine minimale Isolierung von etwa -13,68 dB und -14,78 dB, und die Kupfer-Backplane-Metaoberfläche bietet etwa -15,5 dB.
Simulierte Isolationskurven von MIMO-Elementen ohne MS-Schicht und mit MS-Schicht: (a) S12, S14, S34 und S32 und (b) S13 und S24.
Experimentelle Gewinnkurven der vorgeschlagenen MS-basierten MIMO-Antennen ohne und mit: (a) S12, S14, S34 und S32 und (b) S13 und S24.
Die MIMO-Diagonalantennengewinndiagramme vor und nach dem Hinzufügen der MS-Schicht sind in Abbildung 16b dargestellt. Es ist erwähnenswert, dass die Mindestisolation zwischen Diagonalantennen ohne Metaoberfläche (Antennen 1 und 3) über das gesamte Betriebsspektrum – 15,6 dB beträgt und eine Metaoberfläche mit Rückwandplatine – 18 dB beträgt. Der Metasurface-Ansatz reduziert die Kopplungseffekte zwischen diagonalen MIMO-Antennen erheblich. Die maximale Isolierung für eine einschichtige Metaoberfläche beträgt -37 dB, während dieser Wert für eine zweischichtige Metaoberfläche auf -47 dB sinkt. Die maximale Isolation der Metaoberfläche mit einer Kupfer-Backplane beträgt −36,2 dB, die mit zunehmendem Frequenzbereich abnimmt. Im Vergleich zu ein- und zweischichtigen Metaoberflächen ohne Rückwandplatine bieten Metaoberflächen mit Rückwandplatine eine überlegene Isolierung über den gesamten erforderlichen Betriebsfrequenzbereich, insbesondere im 5G-Bereich unter 6 GHz, wie in den Abbildungen 16a, b dargestellt. Im beliebtesten und am weitesten verbreiteten 5G-Band unter 6 GHz (3,5 GHz) weisen ein- und zweischichtige Metaoberflächen eine geringere Isolation zwischen MIMO-Komponenten auf als Metaoberflächen mit Kupfer-Backplanes (fast keine MS) (siehe Abbildung 16a), b). Die Gewinnmessungen sind in den Abbildungen 17a und b dargestellt und zeigen die Isolierung benachbarter Antennen (S12, S14, S34 und S32) bzw. diagonaler Antennen (S24 und S13). Wie aus diesen Abbildungen (Abb. 17a, b) ersichtlich ist, stimmt die experimentelle Isolierung zwischen MIMO-Komponenten gut mit der simulierten Isolierung überein. Allerdings gibt es aufgrund von Herstellungsfehlern, SMA-Anschlussverbindungen und Kabelverlusten geringfügige Unterschiede zwischen den simulierten und gemessenen CST-Werten. Darüber hinaus befinden sich die Antenne und der MS-Reflektor zwischen den Nylon-Abstandshaltern, was ein weiteres Problem darstellt, das die beobachteten Ergebnisse im Vergleich zu den Simulationsergebnissen beeinflusst.
untersuchten die Oberflächenstromverteilung bei 5,5 GHz, um die Rolle von Metaoberflächen bei der Reduzierung der gegenseitigen Kopplung durch Oberflächenwellenunterdrückung zu verstehen42. Die Oberflächenstromverteilung der vorgeschlagenen MIMO-Antenne ist in Abbildung 18 dargestellt, wobei Antenne 1 angesteuert wird und der Rest der Antenne mit einer 50-Ohm-Last abgeschlossen ist. Wenn Antenne 1 mit Strom versorgt wird, treten an benachbarten Antennen bei 5,5 GHz erhebliche gegenseitige Kopplungsströme auf, wenn keine Metaoberfläche vorhanden ist, wie in Abbildung 18a dargestellt. Im Gegenteil, durch die Verwendung von Metaoberflächen, wie in Abb. 18b–d dargestellt, wird die Isolation zwischen benachbarten Antennen verbessert. Es ist zu beachten, dass der Effekt der gegenseitigen Kopplung benachbarter Felder minimiert werden kann, indem der Kopplungsstrom in antiparallelen Richtungen zu benachbarten Ringen von Elementarzellen und benachbarten MS-Elementarzellen entlang der MS-Schicht ausgebreitet wird. Die Einspeisung von Strom von verteilten Antennen in MS-Einheiten ist eine Schlüsselmethode zur Verbesserung der Isolation zwischen MIMO-Komponenten. Dadurch wird der Kopplungsstrom zwischen MIMO-Komponenten stark reduziert und auch die Isolation deutlich verbessert. Da das Kopplungsfeld im Element weit verteilt ist, isoliert die Kupfer-Backplane-Metaoberfläche die MIMO-Antennenbaugruppe deutlich stärker als ein- und doppelschichtige Metaoberflächen (Abbildung 18d). Darüber hinaus weist die entwickelte MIMO-Antenne eine sehr geringe Rück- und Seitenausbreitung auf, wodurch ein unidirektionales Strahlungsmuster erzeugt wird, wodurch der Gewinn der vorgeschlagenen MIMO-Antenne erhöht wird.
Oberflächenstrommuster der vorgeschlagenen MIMO-Antenne bei 5,5 GHz (a) ohne MC, (b) einschichtiger MC, (c) doppelschichtiger MC und (d) einschichtiger MC mit Kupferrückwandplatine. (CST Studio Suite 2019).
Innerhalb der Betriebsfrequenz zeigt Abbildung 19a die simulierten und beobachteten Gewinne der entworfenen MIMO-Antenne ohne und mit Metaoberflächen. Der simulierte erreichte Gewinn der MIMO-Antenne ohne Metaoberfläche beträgt 5,4 dBi, wie in Abbildung 19a dargestellt. Aufgrund des gegenseitigen Kopplungseffekts zwischen MIMO-Komponenten erreicht die vorgeschlagene MIMO-Antenne tatsächlich einen um 0,25 dBi höheren Gewinn als eine einzelne Antenne. Das Hinzufügen von Metaoberflächen kann zu erheblichen Gewinnen und zur Isolierung zwischen MIMO-Komponenten führen. Somit kann die vorgeschlagene Metasurface-MIMO-Antenne einen hohen realisierten Gewinn von bis zu 8,3 dBi erzielen. Wie in Abbildung 19a dargestellt, erhöht sich der Gewinn um 1,4 dBi, wenn eine einzelne Metaoberfläche auf der Rückseite der MIMO-Antenne verwendet wird. Bei einer Verdoppelung der Metaoberfläche erhöht sich der Gewinn um 2,1 dBi, wie in Abbildung 19a dargestellt. Der erwartete maximale Gewinn von 8,3 dBi wird jedoch bei Verwendung der Metaoberfläche mit einer Kupfer-Backplane erreicht. Bemerkenswert ist, dass der maximal erreichte Gewinn für die Einzelschicht- und Doppelschicht-Metaoberflächen 6,8 dBi bzw. 7,5 dBi beträgt, während der maximal erzielte Gewinn für die Metaoberfläche der unteren Schicht 8,3 dBi beträgt. Die Metaoberflächenschicht auf der Rückseite der Antenne fungiert als Reflektor, reflektiert Strahlung von der Rückseite der Antenne und verbessert das Front-to-Back-Verhältnis (F/B) der entwickelten MIMO-Antenne. Darüber hinaus manipuliert der hochohmige MS-Reflektor elektromagnetische Wellen phasengleich, wodurch zusätzliche Resonanz entsteht und die Strahlungsleistung der vorgeschlagenen MIMO-Antenne verbessert wird. Der hinter der MIMO-Antenne installierte MS-Reflektor kann den erzielten Gewinn deutlich steigern, was durch experimentelle Ergebnisse bestätigt wird. Die beobachteten und simulierten Gewinne der entwickelten Prototyp-MIMO-Antenne sind nahezu gleich, jedoch ist der gemessene Gewinn bei einigen Frequenzen höher als der simulierte Gewinn, insbesondere für MIMO ohne MS; Diese Schwankungen im experimentellen Gewinn sind auf Messtoleranzen der Nylonpads, Kabelverluste und Kopplung im Antennensystem zurückzuführen. Der gemessene Spitzengewinn der MIMO-Antenne ohne Metaoberfläche beträgt 5,8 dBi, während die Metaoberfläche mit Kupfer-Rückwandplatine 8,5 dBi beträgt. Es ist erwähnenswert, dass das vorgeschlagene vollständige 4-Port-MIMO-Antennensystem mit MS-Reflektor unter experimentellen und numerischen Bedingungen einen hohen Gewinn aufweist.
Simulation und experimentelle Ergebnisse von (a) dem erreichten Gewinn und (b) der Gesamtleistung der vorgeschlagenen MIMO-Antenne mit Metaoberflächeneffekt.
Abbildung 19b zeigt die Gesamtleistung des vorgeschlagenen MIMO-Systems ohne und mit Metaoberflächenreflektoren. In Abbildung 19b lag der niedrigste Wirkungsgrad bei Verwendung von MS mit Backplane bei über 73 % (bisher auf 84 %). Der Gesamtwirkungsgrad der entwickelten MIMO-Antennen ohne MC und mit MC ist nahezu gleich mit geringfügigen Unterschieden zu den simulierten Werten. Die Gründe dafür sind Maßtoleranzen und die Verwendung von Abstandshaltern zwischen Antenne und MS-Reflektor. Der gemessene erzielte Gewinn und die Gesamteffizienz über die gesamte Frequenz ähneln nahezu den Simulationsergebnissen, was darauf hindeutet, dass die Leistung des vorgeschlagenen MIMO-Prototyps den Erwartungen entspricht und dass die empfohlene MS-basierte MIMO-Antenne für die 5G-Kommunikation geeignet ist. Aufgrund von Fehlern in experimentellen Studien bestehen Unterschiede zwischen den Gesamtergebnissen von Laborexperimenten und den Ergebnissen von Simulationen. Die Leistung des vorgeschlagenen Prototyps wird durch Impedanzunterschiede zwischen der Antenne und dem SMA-Anschluss, Koaxialkabel-Spleißverluste, Löteffekte und die Nähe verschiedener elektronischer Geräte zum Versuchsaufbau beeinflusst.
Abbildung 20 beschreibt den Design- und Optimierungsfortschritt der genannten Antenne in Form eines Blockdiagramms. Dieses Blockdiagramm bietet eine schrittweise Beschreibung der vorgeschlagenen MIMO-Antennendesignprinzipien sowie der Parameter, die eine Schlüsselrolle bei der Optimierung der Antenne spielen, um den erforderlichen hohen Gewinn und die hohe Isolation über einen breiten Betriebsfrequenzbereich zu erreichen.
Die Nahfeld-MIMO-Antennenmessungen wurden in der SATIMO Near-Field Experimental Environment am UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory gemessen. Die Abbildungen 21a,b zeigen die simulierten und beobachteten E-Ebenen- und H-Ebenen-Strahlungsmuster der beanspruchten MIMO-Antenne mit und ohne MS bei einer Betriebsfrequenz von 5,5 GHz. Im Betriebsfrequenzbereich von 5,5 GHz liefert die entwickelte Nicht-MS-MIMO-Antenne ein konsistentes bidirektionales Strahlungsmuster mit Nebenkeulenwerten. Nach dem Anbringen des MS-Reflektors liefert die Antenne ein unidirektionales Strahlungsmuster und reduziert den Pegel der Rückkeulen, wie in den Abbildungen 21a, b dargestellt. Es ist erwähnenswert, dass durch die Verwendung einer Metaoberfläche mit einer Kupfer-Rückwandplatine das vorgeschlagene MIMO-Antennenmuster stabiler und unidirektionaler ist als ohne MS, mit sehr niedrigen Hinter- und Seitenkeulen. Der vorgeschlagene MM-Array-Reflektor reduziert die Rück- und Seitenkeulen der Antenne und verbessert außerdem die Strahlungseigenschaften, indem er den Strom in eine unidirektionale Richtung leitet (Abb. 21a, b), wodurch der Gewinn und die Richtwirkung erhöht werden. Das gemessene Strahlungsmuster wurde für Port 1 mit einer an die übrigen Ports angeschlossenen 50-Ohm-Last ermittelt. Es wurde beobachtet, dass das experimentelle Strahlungsmuster fast identisch mit dem von CST simulierten war, obwohl es einige Abweichungen aufgrund von Komponentenfehlausrichtungen, Reflexionen von Anschlussanschlüssen und Verlusten in Kabelverbindungen gab. Zusätzlich wurde zwischen der Antenne und dem MS-Reflektor ein Nylon-Abstandshalter eingefügt, was ein weiteres Problem darstellt, das die beobachteten Ergebnisse im Vergleich zu den vorhergesagten Ergebnissen beeinflusst.
Das Strahlungsmuster der entwickelten MIMO-Antenne (ohne MS und mit MS) bei einer Frequenz von 5,5 GHz wurde simuliert und getestet.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Portisolation und die damit verbundenen Eigenschaften bei der Bewertung der Leistung von MIMO-Systemen von entscheidender Bedeutung sind. Die Diversitätsleistung des vorgeschlagenen MIMO-Systems, einschließlich Hüllkurvenkorrelationskoeffizient (ECC) und Diversitätsgewinn (DG), wird untersucht, um die Robustheit des entworfenen MIMO-Antennensystems zu veranschaulichen. ECC und DG einer MIMO-Antenne können zur Bewertung ihrer Leistung verwendet werden, da sie wichtige Aspekte der Leistung eines MIMO-Systems sind. In den folgenden Abschnitten werden diese Merkmale der vorgeschlagenen MIMO-Antenne detailliert beschrieben.
Hüllkurvenkorrelationskoeffizient (ECC). Bei der Betrachtung eines MIMO-Systems bestimmt ECC den Grad, in dem die einzelnen Elemente hinsichtlich ihrer spezifischen Eigenschaften miteinander korrelieren. Somit demonstriert ECC den Grad der Kanalisolation in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk. Der ECC (Envelope Correlation Coefficient) des entwickelten MIMO-Systems kann anhand von S-Parametern und Fernfeldemission bestimmt werden. Aus Gl. (7) und (8) kann der ECC der vorgeschlagenen MIMO-Antenne 31 bestimmt werden.
Der Reflexionskoeffizient wird durch Sii dargestellt und Sij stellt den Transmissionskoeffizienten dar. Die dreidimensionalen Strahlungsmuster der j-ten und i-ten Antennen sind durch die Ausdrücke \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) und \( \vec {{R_{ i } }} Raumwinkel dargestellt durch \left( {\theta ,\varphi } \right)\) und \({\Omega }\). Die ECC-Kurve der vorgeschlagenen Antenne ist in Abbildung 22a dargestellt und ihr Wert beträgt weniger als 0,004, was deutlich unter dem akzeptablen Wert von 0,5 für ein drahtloses System liegt. Daher bedeutet der reduzierte ECC-Wert, dass das vorgeschlagene 4-Port-MIMO-System eine überlegene Diversität bietet43.
Diversity Gain (DG) DG ist eine weitere Leistungsmetrik des MIMO-Systems, die beschreibt, wie sich das Diversity-Schema auf die abgestrahlte Leistung auswirkt. Beziehung (9) bestimmt den DG des zu entwickelnden MIMO-Antennensystems, wie in 31 beschrieben.
Abbildung 22b zeigt das DG-Diagramm des vorgeschlagenen MIMO-Systems, wobei der DG-Wert sehr nahe bei 10 dB liegt. Die DG-Werte aller Antennen des konzipierten MIMO-Systems übersteigen 9,98 dB.
Tabelle 1 vergleicht die vorgeschlagene Metasurface-MIMO-Antenne mit kürzlich entwickelten ähnlichen MIMO-Systemen. Der Vergleich berücksichtigt verschiedene Leistungsparameter, darunter Bandbreite, Verstärkung, maximale Isolation, Gesamteffizienz und Diversity-Leistung. Forscher haben in 5, 44, 45, 46, 47 verschiedene MIMO-Antennenprototypen mit Verstärkungs- und Isolationsverbesserungstechniken vorgestellt. Im Vergleich zu zuvor veröffentlichten Arbeiten übertrifft das vorgeschlagene MIMO-System mit Metaoberflächenreflektoren diese in Bezug auf Bandbreite, Verstärkung und Isolation. Darüber hinaus weist das entwickelte MIMO-System im Vergleich zu ähnlichen Antennen, über die berichtet wurde, eine überlegene Diversity-Leistung und Gesamteffizienz bei kleinerer Größe auf. Obwohl die in Abschnitt 5.46 beschriebenen Antennen eine höhere Isolation aufweisen als die von uns vorgeschlagenen Antennen, leiden diese Antennen unter großer Größe, geringem Gewinn, schmaler Bandbreite und schlechter MIMO-Leistung. Die in 45 vorgeschlagene 4-Port-MIMO-Antenne weist einen hohen Gewinn und Wirkungsgrad auf, ihr Design weist jedoch eine geringe Isolation, große Größe und eine schlechte Diversity-Leistung auf. Andererseits weist das in 47 vorgeschlagene kleine Antennensystem eine sehr geringe Verstärkung und Betriebsbandbreite auf, während unser vorgeschlagenes MS-basiertes 4-Port-MIMO-System eine geringe Größe, hohe Verstärkung, hohe Isolation und eine bessere MIMO-Leistung aufweist. Daher kann die vorgeschlagene Metasurface-MIMO-Antenne ein wichtiger Konkurrent für 5G-Kommunikationssysteme unter 6 GHz werden.
Zur Unterstützung von 5G-Anwendungen unter 6 GHz wird eine auf Metaoberflächenreflektoren basierende Breitband-MIMO-Antenne mit vier Anschlüssen und hoher Verstärkung und Isolierung vorgeschlagen. Die Mikrostreifenleitung speist einen quadratischen Strahlungsabschnitt, der an den diagonalen Ecken durch ein Quadrat abgeschnitten ist. Das vorgeschlagene MS und der Antennenemitter werden auf Substratmaterialien ähnlich dem Rogers RT5880 implementiert, um eine hervorragende Leistung in Hochgeschwindigkeits-5G-Kommunikationssystemen zu erreichen. Die MIMO-Antenne verfügt über eine große Reichweite und einen hohen Gewinn und sorgt für Schallisolierung zwischen MIMO-Komponenten und hervorragende Effizienz. Die entwickelte Einzelantenne hat Miniaturabmessungen von 0,58?0,58?0,02? Mit einem 5×5-Metaoberflächen-Array bietet es eine große Betriebsbandbreite von 4,56 GHz, eine Spitzenverstärkung von 8 dBi und eine überlegene gemessene Effizienz. Die vorgeschlagene MIMO-Antenne mit vier Anschlüssen (2 × 2-Array) wird durch orthogonale Ausrichtung jeder vorgeschlagenen Einzelantenne mit einer anderen Antenne mit den Abmessungen 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ entworfen. Es wird empfohlen, ein 10×10-mm-Array unter einer 12 mm hohen MIMO-Antenne zu montieren, was die Rückstrahlung und die gegenseitige Kopplung zwischen MIMO-Komponenten reduzieren und so den Gewinn und die Isolation verbessern kann. Experimentelle und Simulationsergebnisse zeigen, dass der entwickelte MIMO-Prototyp in einem breiten Frequenzbereich von 3,08–7,75 GHz arbeiten kann und damit das 5G-Spektrum unter 6 GHz abdeckt. Darüber hinaus verbessert die vorgeschlagene MS-basierte MIMO-Antenne ihren Gewinn um 2,9 dBi und erreicht einen maximalen Gewinn von 8,3 dBi und bietet eine hervorragende Isolierung (>15,5 dB) zwischen MIMO-Komponenten, was den Beitrag von MS bestätigt. Darüber hinaus weist die vorgeschlagene MIMO-Antenne einen hohen durchschnittlichen Gesamtwirkungsgrad von 82 % und einen geringen Abstand zwischen den Elementen von 22 mm auf. Die Antenne weist eine hervorragende MIMO-Diversity-Leistung auf, einschließlich eines sehr hohen DG (über 9,98 dB), eines sehr niedrigen ECC (weniger als 0,004) und eines unidirektionalen Strahlungsmusters. Die Messergebnisse sind den Simulationsergebnissen sehr ähnlich. Diese Eigenschaften bestätigen, dass das entwickelte Vier-Port-MIMO-Antennensystem eine praktikable Wahl für 5G-Kommunikationssysteme im Frequenzbereich unter 6 GHz sein kann.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 10. Okt. 2024