Defnyddio arwynebau meta i wella enillion ac ynysu antenâu PCB band eang ar gyfer systemau cyfathrebu 5G is-6 GHz

Mae'r gwaith hwn yn cynnig antena band llydan arwynebol aml-fewnbwn aml-fewnbwn integredig (MIMO) cryno (MS) ar gyfer systemau cyfathrebu diwifr pumed cenhedlaeth (5G) is-6 GHz. Newydd-deb amlwg y system MIMO arfaethedig yw ei lled band gweithredu eang, cynnydd uchel, cliriadau rhyng-gydrannol bach, ac ynysu rhagorol o fewn y cydrannau MIMO. Mae man pelydru'r antena wedi'i gwtogi'n groeslinol, wedi'i seilio'n rhannol, a defnyddir arwynebau meta i wella perfformiad yr antena. Mae gan yr antena MS sengl integredig prototeip arfaethedig ddimensiynau bach o 0.58λ × 0.58λ × 0.02λ. Mae canlyniadau efelychu a mesur yn dangos perfformiad band eang o 3.11 GHz i 7.67 GHz, gan gynnwys y cynnydd mwyaf o 8 dBi. Mae'r system MIMO pedair elfen wedi'i chynllunio fel bod pob antena yn orthogonal i'w gilydd tra'n cynnal maint cryno a pherfformiad band eang o 3.2 i 7.6 GHz. Mae'r prototeip MIMO arfaethedig wedi'i ddylunio a'i wneud ar swbstrad Rogers RT5880 gyda dimensiynau colled isel a miniaturized o 1.05? 1.05? 0.02?, ac mae ei berfformiad yn cael ei werthuso gan ddefnyddio'r arae cyseinydd cylch caeedig sgwâr arfaethedig gyda chylch hollt 10 x 10. Mae'r deunydd sylfaenol yr un peth. Mae'r arwyneb metaplane arfaethedig yn lleihau ymbelydredd cefn antena yn sylweddol ac yn trin meysydd electromagnetig, a thrwy hynny wella lled band, enillion ac ynysu cydrannau MIMO. O'i gymharu ag antenâu MIMO presennol, mae'r antena MIMO 4-porthladd arfaethedig yn cyflawni cynnydd uchel o 8.3 dBi gydag effeithlonrwydd cyffredinol cyfartalog o hyd at 82% yn y band 5G is-6 GHz ac mae'n cytuno'n dda â'r canlyniadau mesuredig. Ar ben hynny, mae'r antena MIMO datblygedig yn arddangos perfformiad rhagorol o ran cyfernod cydberthynas amlen (ECC) o lai na 0.004, cynnydd amrywiaeth (DG) o tua 10 dB (> 9.98 dB) ac ynysu uchel rhwng cydrannau MIMO (> 15.5 dB). nodweddion. Felly, mae'r antena MIMO arfaethedig sy'n seiliedig ar MS yn cadarnhau ei chymhwysedd ar gyfer rhwydweithiau cyfathrebu 5G is-6 GHz.
Mae technoleg 5G yn ddatblygiad anhygoel mewn cyfathrebu diwifr a fydd yn galluogi rhwydweithiau cyflymach a mwy diogel ar gyfer biliynau o ddyfeisiadau cysylltiedig, darparu profiadau defnyddwyr â hwyrni “sero” (latency o lai nag 1 milieiliad), a chyflwyno technolegau newydd, gan gynnwys electroneg. Gofal meddygol, addysg ddeallusol. , dinasoedd smart, cartrefi smart, realiti rhithwir (VR), ffatrïoedd smart a Rhyngrwyd Cerbydau (IoV) yn newid ein bywydau, cymdeithas a diwydiannau1,2,3. Mae Comisiwn Cyfathrebu Ffederal yr Unol Daleithiau (FCC) yn rhannu'r sbectrwm 5G yn bedwar band amledd4. Mae'r band amledd o dan 6 GHz o ddiddordeb i ymchwilwyr oherwydd ei fod yn caniatáu cyfathrebu pellter hir gyda chyfraddau data uchel5,6. Dangosir y dyraniad sbectrwm 5G is-6 GHz ar gyfer cyfathrebiadau 5G byd-eang yn Ffigur 1, sy'n dangos bod pob gwlad yn ystyried sbectrwm is-6 GHz ar gyfer cyfathrebiadau 5G7,8. Mae antenâu yn rhan bwysig o rwydweithiau 5G a bydd angen mwy o antenâu terfynell gorsafoedd a defnyddwyr arnynt.
Mae gan antenâu clytiau microstrip fanteision tenau a strwythur gwastad, ond maent yn gyfyngedig o ran lled band ac ennill9,10, mae cymaint o ymchwil wedi'i wneud i gynyddu enillion a lled band yr antena; Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae arwynebau meta (MS) wedi'u defnyddio'n helaeth mewn technolegau antena, yn enwedig i wella enillion a thrwybwn11,12, fodd bynnag, mae'r antenâu hyn yn gyfyngedig i un porthladd; Mae technoleg MIMO yn agwedd bwysig ar gyfathrebu diwifr oherwydd gall ddefnyddio antenâu lluosog ar yr un pryd i drosglwyddo data, a thrwy hynny wella cyfraddau data, effeithlonrwydd sbectrol, gallu sianel, a dibynadwyedd13,14,15. Mae antenâu MIMO yn ymgeiswyr posibl ar gyfer cymwysiadau 5G oherwydd gallant drosglwyddo a derbyn data dros sianeli lluosog heb fod angen pŵer ychwanegol16,17. Mae'r effaith gyplu cilyddol rhwng cydrannau MIMO yn dibynnu ar leoliad yr elfennau MIMO ac enillion yr antena MIMO, sy'n her fawr i ymchwilwyr. Mae ffigurau 18, 19, ac 20 yn dangos antenâu MIMO amrywiol yn gweithredu yn y band 5G is-6 GHz, pob un yn dangos ynysu a pherfformiad MIMO da. Fodd bynnag, mae cynnydd a lled band gweithredu'r systemau arfaethedig hyn yn isel.
Mae metamaterials (MMs) yn ddeunyddiau newydd nad ydynt yn bodoli o ran eu natur a gallant drin tonnau electromagnetig, a thrwy hynny wella perfformiad antenâu21,22,23,24. Mae MM bellach yn cael ei ddefnyddio'n eang mewn technoleg antena i wella'r patrwm ymbelydredd, lled band, ennill, ac ynysu rhwng elfennau antena a systemau cyfathrebu diwifr, fel y trafodwyd yn 25, 26, 27, 28. Yn 2029, system MIMO pedair elfen yn seiliedig ar metasurface, lle mae'r rhan antena wedi'i ryngosod rhwng y metasurface a'r ddaear heb fwlch aer, sy'n gwella perfformiad MIMO. Fodd bynnag, mae gan y dyluniad hwn faint mwy, amlder gweithredu is a strwythur cymhleth. Mae bwlch band electromagnetig (EBG) a dolen ddaear wedi'u cynnwys yn yr antena MIMO band llydan 2-borthladd arfaethedig i wella ynysu cydrannau MIMO30. Mae gan yr antena a ddyluniwyd berfformiad amrywiaeth MIMO da ac ynysu rhagorol rhwng dau antena MIMO, ond gan ddefnyddio dwy gydran MIMO yn unig, bydd y cynnydd yn isel. Yn ogystal, cynigiodd in31 hefyd antena MIMO porthladd deuol band eang (PCB) ac ymchwilio i'w berfformiad MIMO gan ddefnyddio metadeunyddiau. Er bod yr antena hwn yn gallu gweithredu PCB, mae ei gynnydd yn isel ac mae'r ynysu rhwng y ddau antena yn wael. Mae'r gwaith yn32 yn cynnig system MIMO 2-borthladd sy'n defnyddio adlewyrchyddion bandgap electromagnetig (EBG) i gynyddu'r cynnydd. Er bod gan yr arae antena datblygedig enillion uchel a pherfformiad amrywiaeth MIMO da, mae ei faint mawr yn ei gwneud hi'n anodd ei gymhwyso mewn dyfeisiau cyfathrebu cenhedlaeth nesaf. Datblygwyd antena band eang arall yn seiliedig ar adlewyrchydd yn 33, lle cafodd yr adlewyrchydd ei integreiddio o dan yr antena gyda bwlch mwy o 22 mm, gan ddangos cynnydd brig is o 4.87 dB. Mae Papur 34 yn dylunio antena MIMO pedwar porthladd ar gyfer cymwysiadau mmWave, sydd wedi'i hintegreiddio â'r haen MS i wella ynysu ac ennill y system MIMO. Fodd bynnag, mae'r antena hon yn darparu enillion ac ynysu da, ond mae ganddo lled band cyfyngedig a phriodweddau mecanyddol gwael oherwydd y bwlch aer mawr. Yn yr un modd, yn 2015, datblygwyd antena MIMO integredig 4-pâr, siâp bowtie siâp bowtie integredig ar gyfer cyfathrebiadau mmWave gydag uchafswm cynnydd o 7.4 dBi. Defnyddir B36 MS ar gefn antena 5G i gynyddu'r cynnydd antena, lle mae'r arwyneb meta yn gweithredu fel adlewyrchydd. Fodd bynnag, mae'r strwythur MS yn anghymesur ac mae llai o sylw wedi'i roi i strwythur celloedd yr uned.
Yn ôl canlyniadau'r dadansoddiad uchod, nid oes gan yr un o'r antenâu uchod gynnydd uchel, ynysu rhagorol, perfformiad MIMO a sylw band eang. Felly, mae angen antena MIMO metasurface o hyd a all gwmpasu ystod eang o amleddau sbectrwm 5G o dan 6 GHz gyda chynnydd uchel ac ynysu. O ystyried cyfyngiadau'r llenyddiaeth uchod, cynigir system antena MIMO pedair elfen band eang gyda chynnydd uchel a pherfformiad amrywiaeth rhagorol ar gyfer systemau cyfathrebu diwifr is-6 GHz. Yn ogystal, mae'r antena MIMO arfaethedig yn arddangos arwahanrwydd rhagorol rhwng cydrannau MIMO, bylchau elfennau bach, ac effeithlonrwydd ymbelydredd uchel. Mae'r clwt antena yn cael ei gwtogi'n groeslinol a'i osod ar ben y metawyneb gyda bwlch aer 12mm, sy'n adlewyrchu ymbelydredd cefn o'r antena ac yn gwella cynnydd antena a chyfeiriadedd. Yn ogystal, defnyddir yr antena sengl arfaethedig i greu antena MIMO pedair elfen gyda pherfformiad MIMO gwell trwy leoli pob antena yn orthogonol i'w gilydd. Yna cafodd yr antena MIMO datblygedig ei integreiddio ar ben arae 10 × 10 MS gyda backplane copr i wella perfformiad allyriadau. Mae'r dyluniad yn cynnwys ystod weithredu eang (3.08-7.75 GHz), cynnydd uchel o 8.3 dBi ac effeithlonrwydd cyffredinol uchel ar gyfartaledd o 82%, yn ogystal ag ynysu rhagorol o fwy na −15.5 dB rhwng cydrannau antena MIMO. Cafodd yr antena MIMO datblygedig sy'n seiliedig ar MS ei efelychu gan ddefnyddio pecyn meddalwedd electromagnetig 3D CST Studio 2019 a'i ddilysu trwy astudiaethau arbrofol.
Mae'r adran hon yn rhoi cyflwyniad manwl i'r bensaernïaeth arfaethedig a'r fethodoleg dylunio antena sengl. Yn ogystal, mae'r canlyniadau efelychiedig ac a arsylwyd yn cael eu trafod yn fanwl, gan gynnwys paramedrau gwasgariad, enillion, ac effeithlonrwydd cyffredinol gyda a heb arwynebau meta. Datblygwyd yr antena prototeip ar swbstrad dielectrig colled isel Rogers 5880 gyda thrwch o 1.575mm gyda chysonyn dielectrig o 2.2. I ddatblygu ac efelychu'r dyluniad, defnyddiwyd y pecyn efelychydd electromagnetig CST studio 2019.
Mae Ffigur 2 yn dangos y model pensaernïaeth a dylunio arfaethedig o antena un elfen. Yn ôl hafaliadau mathemategol sydd wedi'u hen sefydlu37, mae'r antena yn cynnwys man pelydru sgwâr wedi'i fwydo'n llinol ac awyren ddaear gopr (fel y disgrifir yng ngham 1) ac mae'n atseinio gyda lled band cul iawn ar 10.8 GHz, fel y dangosir yn Ffigur 3b. Mae maint cychwynnol y rheiddiadur antena yn cael ei bennu gan y berthynas fathemategol ganlynol37:
Lle mae \(P_{L}\) a \(P_{w}\) yn hyd a lled y clwt, mae c yn cynrychioli buanedd golau, \(\gamma_{r}\) yw cysonyn deuelectrig yr is-haen . , \(\gamma_{reff }\) yn cynrychioli gwerth deuelectrig effeithiol y sbot ymbelydredd, \(\Delta L\) yn cynrychioli'r newid mewn hyd sbot. Cafodd yr awyren gefn antena ei optimeiddio yn yr ail gam, gan gynyddu'r lled band rhwystriant er gwaethaf lled band rhwystriant isel iawn o 10 dB. Yn y trydydd cam, symudir y safle bwydo i'r dde, sy'n gwella lled band rhwystriant a chydweddiad rhwystriant yr antena arfaethedig38. Ar y cam hwn, mae'r antena yn dangos lled band gweithredu rhagorol o 4 GHz ac mae hefyd yn cwmpasu'r sbectrwm o dan 6 GHz mewn 5G. Mae'r pedwerydd cam a'r cam olaf yn cynnwys ysgythru rhigolau sgwâr mewn corneli gyferbyn â'r fan ymbelydredd. Mae'r slot hwn yn ehangu'r lled band 4.56 GHz yn sylweddol i gwmpasu sbectrwm 5G is-6 GHz o 3.11 GHz i 7.67 GHz, fel y dangosir yn Ffigur 3b. Dangosir golygfeydd persbectif blaen a gwaelod y dyluniad arfaethedig yn Ffigur 3a, ac mae'r paramedrau dylunio gofynnol terfynol wedi'u optimeiddio fel a ganlyn: 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) Golygfeydd pen a chefn yr antena sengl wedi’i dylunio (CST STIWDIO SUITE 2019). (b) S-paramedr cromlin.
Mae metasurface yn derm sy'n cyfeirio at amrywiaeth gyfnodol o gelloedd uned sydd wedi'u lleoli bellter penodol oddi wrth ei gilydd. Mae arwynebau meta yn ffordd effeithiol o wella perfformiad ymbelydredd antena, gan gynnwys lled band, cynnydd ac ynysu rhwng cydrannau MIMO. Oherwydd dylanwad lluosogi tonnau arwyneb, mae metawynebau yn cynhyrchu cyseiniannau ychwanegol sy'n cyfrannu at well perfformiad antena39. Mae'r gwaith hwn yn cynnig uned metadeunydd epsilon-negyddol (MM) sy'n gweithredu yn y band 5G o dan 6 GHz. Datblygwyd y MM gydag arwynebedd o 8mm × 8mm ar swbstrad colled isel Rogers 5880 gyda chysonyn dielectrig o 2.2 a thrwch o 1.575mm. Mae'r clwt atseinio MM wedi'i optimeiddio yn cynnwys cylch hollt crwn mewnol wedi'i gysylltu â dwy fodrwy hollt allanol wedi'u haddasu, fel y dangosir yn Ffigur 4a. Mae Ffigur 4a yn crynhoi paramedrau optimeiddio terfynol y gosodiad MM arfaethedig. Yn dilyn hynny, datblygwyd haenau metasurface 40 × 40 mm a 80 × 80 mm heb backplane copr a chyda backplane copr gan ddefnyddio araeau celloedd 5 × 5 a 10 × 10, yn y drefn honno. Modelwyd y strwythur MM arfaethedig gan ddefnyddio meddalwedd modelu electromagnetig 3D “CST studio suite 2019”. Dangosir prototeip ffug o'r strwythur arae MM arfaethedig a'r gosodiad mesur (dadansoddwr rhwydwaith porthladd deuol PNA a phorthladd tonnau) yn Ffigur 4b i ddilysu canlyniadau efelychiad CST trwy ddadansoddi'r ymateb gwirioneddol. Defnyddiodd y gosodiad mesur ddadansoddwr rhwydwaith cyfres Agilent PNA mewn cyfuniad â dau addasydd cyfechelog waveguide (A-INFOMW, rhif rhan: 187WCAS) i anfon a derbyn signalau. Gosodwyd arae prototeip 5 × 5 rhwng dau addasydd cyfechelog tonfedd wedi'u cysylltu â chebl cyfechelog â dadansoddwr rhwydwaith dau borthladd (Agilent PNA N5227A). Defnyddir pecyn graddnodi Agilent N4694-60001 i raddnodi'r dadansoddwr rhwydwaith mewn ffatri beilot. Dangosir paramedrau gwasgariad efelychiedig a CST a arsylwyd ar gyfer yr arae MM prototeip arfaethedig yn Ffigur 5a. Gellir gweld bod y strwythur MM arfaethedig yn atseinio yn yr ystod amledd 5G o dan 6 GHz. Er gwaethaf y gwahaniaeth bach mewn lled band o 10 dB, mae'r canlyniadau efelychiedig ac arbrofol yn debyg iawn. Mae amledd soniarus, lled band, ac osgled y cyseiniant a arsylwyd ychydig yn wahanol i'r rhai efelychiedig, fel y dangosir yn Ffigur 5a. Mae'r gwahaniaethau hyn rhwng canlyniadau a arsylwyd ac efelychiedig oherwydd amherffeithrwydd gweithgynhyrchu, cliriadau bach rhwng y prototeip a'r porthladdoedd tonnau, effeithiau cyplu rhwng y porthladdoedd waveguide a chydrannau arae, a goddefiannau mesur. Yn ogystal, gall gosod y prototeip datblygedig rhwng y porthladdoedd canllaw tonnau yn y gosodiad arbrofol arwain at newid cyseiniant. Yn ogystal, gwelwyd sŵn digroeso yn ystod y cyfnod graddnodi, a arweiniodd at anghysondebau rhwng y canlyniadau rhifiadol a mesuredig. Fodd bynnag, ar wahân i'r anawsterau hyn, mae'r prototeip arae MM arfaethedig yn perfformio'n dda oherwydd y gydberthynas gref rhwng efelychu ac arbrofi, gan ei gwneud yn addas iawn ar gyfer cymwysiadau cyfathrebu diwifr is-6 GHz 5G.
(a) Geometreg celloedd uned (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 SUITE STIWDIO) ) 2019) (b) Llun o'r gosodiad mesur MM.
(a) Efelychu a dilysu cromliniau paramedr gwasgariad y prototeip metadeunydd. (b) Cromlin cyson dielectrig cell uned MM.
Astudiwyd paramedrau effeithiol perthnasol megis cysonyn dielectrig effeithiol, athreiddedd magnetig, a mynegai plygiannol gan ddefnyddio technegau ôl-brosesu integredig yr efelychydd electromagnetig CST i ddadansoddi ymddygiad cell uned MM ymhellach. Ceir y paramedrau MM effeithiol o'r paramedrau gwasgariad gan ddefnyddio dull ail-greu cadarn. Gellir defnyddio'r hafaliadau cyfernod trawsyrru ac adlewyrchiad canlynol: (3) a (4) i bennu'r mynegai plygiant a'r rhwystriant (gweler 40).
Cynrychiolir rhannau real a dychmygol y gweithredwr gan (.)' a (.)” yn y drefn honno, ac mae'r gwerth cyfanrif m yn cyfateb i'r mynegai plygiant real. Mae cysonyn dielectrig a athreiddedd yn cael eu pennu gan y fformiwlâu \(\varepsilon { } = { } n/z, \) a \(\mu = nz\), sy'n seiliedig ar rwystriant a mynegai plygiannol, yn y drefn honno. Dangosir cromlin cyson dielectrig effeithiol y strwythur MM yn Ffigur 5b. Ar yr amlder soniarus, mae'r cysonyn dielectrig effeithiol yn negyddol. Mae ffigurau 6a,b yn dangos y gwerthoedd a echdynnwyd o athreiddedd effeithiol (μ) a mynegai plygiannol effeithiol (n) y gell uned arfaethedig. Yn nodedig, mae'r athreiddedd a echdynnwyd yn arddangos gwerthoedd gwirioneddol cadarnhaol yn agos at sero, sy'n cadarnhau priodweddau epsilon-negyddol (ENG) y strwythur MM arfaethedig. At hynny, fel y dangosir yn Ffigur 6a, mae cysylltiad cryf rhwng cyseiniant athreiddedd yn agos at sero ac amledd soniarus. Mae gan y gell uned ddatblygedig fynegai plygiannol negyddol (Ffig. 6b), sy'n golygu y gellir defnyddio'r MM arfaethedig i wella perfformiad antena21,41.
Lluniwyd y prototeip datblygedig o un antena band eang i brofi'r dyluniad arfaethedig yn arbrofol. Mae Ffigurau 7a,b yn dangos delweddau o'r antena sengl prototeip arfaethedig, ei rannau strwythurol a'r gosodiad mesur ger y cae (SATIMO). Er mwyn gwella perfformiad yr antena, gosodir y metasurface datblygedig mewn haenau o dan yr antena, fel y dangosir yn Ffigur 8a, gydag uchder h. Gosodwyd wyneb wyneb haen dwbl 40mm x 40mm ar gefn yr antena sengl bob 12mm. Yn ogystal, gosodir arwyneb meta gyda backplane ar ochr gefn yr antena sengl ar bellter o 12 mm. Ar ôl cymhwyso'r metasurface, mae'r antena sengl yn dangos gwelliant sylweddol mewn perfformiad, fel y dangosir yn Ffigurau 1 a 2. Ffigurau 8 a 9. Mae Ffigur 8b yn dangos y lleiniau adlewyrchiad efelychiedig a mesuredig ar gyfer yr antena sengl heb a gyda metaarwynebau. Mae'n werth nodi bod band sylw antena â metawyneb yn debyg iawn i fand sylw antena heb arwyneb meta. Mae Ffigurau 9a,b yn dangos cymhariaeth o'r enillion antena sengl efelychiedig ac a arsylwyd ac effeithlonrwydd cyffredinol heb a chyda MS yn y sbectrwm gweithredu. Gellir gweld, o'i gymharu â'r antena nad yw'n arwyneb meta, bod cynnydd yr antena arwyneb meta wedi gwella'n sylweddol, gan gynyddu o 5.15 dBi i 8 dBi. Cynyddodd cynnydd y metaarwyneb un-haen, wyneb wyneb haen ddeuol, ac antena sengl gyda metasurface backplane 6 dBi, 6.9 dBi, ac 8 dBi, yn y drefn honno. O'i gymharu â metaarwynebau eraill (MCs un haen a haen ddwbl), mae'r cynnydd o antena metawyneb sengl gyda backplane copr hyd at 8 dBi. Yn yr achos hwn, mae'r arwyneb meta yn gweithredu fel adlewyrchydd, gan leihau ymbelydredd cefn yr antena a thrin y tonnau electromagnetig yn y cyfnod, a thrwy hynny gynyddu effeithlonrwydd ymbelydredd yr antena ac felly'r cynnydd. Mae Ffigur 9b yn dangos astudiaeth o effeithlonrwydd cyffredinol antena sengl heb arwynebau meta a chydag arwynebau arno. Mae'n werth nodi bod effeithlonrwydd antena gyda a heb arwyneb meta bron yr un peth. Yn yr ystod amledd is, mae effeithlonrwydd antena yn gostwng ychydig. Mae'r cromliniau enillion ac effeithlonrwydd arbrofol ac efelychiedig yn cytuno'n dda. Fodd bynnag, mae gwahaniaethau bach rhwng y canlyniadau efelychiedig a'r canlyniadau a brofwyd oherwydd diffygion gweithgynhyrchu, goddefiannau mesur, colled cysylltiad porthladd SMA, a cholli gwifren. Yn ogystal, mae'r antena a'r adlewyrchydd MS wedi'u lleoli rhwng y gwahanwyr neilon, sy'n fater arall sy'n effeithio ar y canlyniadau a arsylwyd o'u cymharu â'r canlyniadau efelychu.
Mae Ffigur (a) yn dangos yr antena sengl gorffenedig a'i gydrannau cysylltiedig. (b) Gosodiad mesur ger maes (SATIMO).
(a) Cyffro antena gan ddefnyddio adlewyrchyddion arwyneb meta (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Adlewyrchiadau efelychiadol ac arbrofol o antena sengl heb ac ag MS.
Canlyniadau efelychu a mesur (a) y cynnydd a sicrhawyd a (b) effeithlonrwydd cyffredinol yr antena effaith arwyneb arwyneb arfaethedig.
Dadansoddiad patrwm trawst gan ddefnyddio MS. Cynhaliwyd mesuriadau antena ger maes unigol yn Amgylchedd Arbrofol Ger-Maes SATIMO yn Labordy Systemau Agos-Field UKM SATIMO. Mae Ffigurau 10a, b yn dangos y patrymau pelydriad E-awyren ac awyren H efelychiadol ac a arsylwyd ar 5.5 GHz ar gyfer yr antena sengl arfaethedig gydag MS a hebddo. Mae'r antena sengl datblygedig (heb MS) yn darparu patrwm ymbelydredd deugyfeiriadol cyson gyda gwerthoedd llabed ochr. Ar ôl cymhwyso'r adlewyrchydd MS arfaethedig, mae'r antena yn darparu patrwm ymbelydredd un cyfeiriad ac yn lleihau lefel y llabedau cefn, fel y dangosir yn Ffigurau 10a, b. Mae'n werth nodi bod y patrwm ymbelydredd antena sengl arfaethedig yn fwy sefydlog ac un cyfeiriadol gyda llabedau cefn ac ochr isel iawn wrth ddefnyddio arwyneb meta gyda backplane copr. Mae'r adlewyrchydd arae MM arfaethedig yn lleihau llabedau cefn ac ochr yr antena wrth wella'r perfformiad ymbelydredd trwy gyfeirio'r cerrynt i gyfeiriadau un cyfeiriad (Ffig. 10a, b), a thrwy hynny gynyddu'r cynnydd a'r uniongyrchedd. Gwelwyd bod y patrwm ymbelydredd arbrofol bron yn debyg i batrwm yr efelychiadau CST, ond ei fod yn amrywio ychydig oherwydd bod y gwahanol gydrannau wedi'u cydosod, goddefiannau mesur, a cholledion ceblau wedi'u cam-alinio. Yn ogystal, gosodwyd spacer neilon rhwng yr antena a'r adlewyrchydd MS, sy'n fater arall sy'n effeithio ar y canlyniadau a arsylwyd o'u cymharu â'r canlyniadau rhifiadol.
Cafodd patrwm ymbelydredd yr antena sengl datblygedig (heb MS a chyda MS) ar amledd o 5.5 GHz ei efelychu a'i brofi.
Dangosir geometreg antena MIMO arfaethedig yn Ffigur 11 ac mae'n cynnwys pedwar antena sengl. Mae pedair cydran antena MIMO wedi'u trefnu'n orthogonol i'w gilydd ar swbstrad o ddimensiynau 80 × 80 × 1.575 mm, fel y dangosir yn Ffigur 11. Mae gan yr antena MIMO a ddyluniwyd bellter rhyng-elfen o 22 mm, sy'n llai na'r pellter rhyng-elfen cyfatebol agosaf yr antena. Datblygodd antena MIMO. Yn ogystal, mae rhan o'r awyren ddaear wedi'i lleoli yn yr un modd ag antena sengl. Mae gwerthoedd adlewyrchiad antenâu MIMO (S11, S22, S33, a S44) a ddangosir yn Ffigur 12a yn dangos yr un ymddygiad ag antena un elfen sy'n atseinio yn y band 3.2-7.6 GHz. Felly, mae lled band rhwystriant antena MIMO yn union yr un fath ag un antena. Yr effaith gyplu rhwng cydrannau MIMO yw'r prif reswm dros golli lled band bach antenâu MIMO. Mae Ffigur 12b yn dangos effaith rhyng-gysylltiad ar gydrannau MIMO, lle penderfynwyd ar yr arwahanrwydd gorau posibl rhwng cydrannau MIMO. Yr unigedd rhwng antenâu 1 a 2 yw'r isaf, sef tua -13.6 dB, a'r ynysu rhwng antenâu 1 a 4 yw'r uchaf, sef tua -30.4 dB. Oherwydd ei faint bach a'i lled band ehangach, mae gan yr antena MIMO hon enillion is a thrwybwn is. Mae inswleiddio'n isel, felly mae angen mwy o atgyfnerthu ac inswleiddio;
Mecanwaith dylunio'r antena MIMO arfaethedig (a) golygfa uchaf a (b) plân y ddaear. (Swît Stiwdio CST 2019).
Dangosir trefniant geometrig a dull cyffroi'r antena MIMO arwyneb meta arfaethedig yn Ffigur 13a. Mae matrics 10x10mm gyda dimensiynau o 80x80x1.575mm wedi'i gynllunio ar gyfer ochr gefn antena MIMO 12mm o uchder, fel y dangosir yn Ffigur 13a. Yn ogystal, bwriedir defnyddio arwynebau meta ag awyrennau cefn copr i'w defnyddio mewn antenâu MIMO i wella eu perfformiad. Mae'r pellter rhwng y arwyneb meta a'r antena MIMO yn hanfodol i sicrhau cynnydd uchel tra'n caniatáu ymyrraeth adeiladol rhwng y tonnau a gynhyrchir gan yr antena a'r rhai a adlewyrchir o'r arwyneb meta. Perfformiwyd modelu helaeth i wneud y gorau o'r uchder rhwng yr antena a'r arwyneb meta tra'n cynnal safonau chwarter ton er mwyn sicrhau'r budd mwyaf ac ynysu rhwng elfennau MIMO. Bydd y gwelliannau sylweddol ym mherfformiad antena MIMO a gyflawnwyd trwy ddefnyddio arwynebau meta gydag awyrennau cefn o'u cymharu â metaarwynebau heb awyrennau cefn yn cael eu dangos mewn penodau dilynol.
(a) Gosodiad efelychiad CST o’r antena MIMO arfaethedig gan ddefnyddio MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Cromliniau adlewyrchiad y system MIMO ddatblygedig heb MS a chydag MS.
Dangosir adlewyrchiadau antenâu MIMO gyda a heb arwynebau meta yn Ffigur 13b, lle cyflwynir S11 a S44 oherwydd ymddygiad bron yn union yr un fath â phob antena yn y system MIMO. Mae'n werth nodi bod lled band rhwystriant -10 dB antena MIMO heb a chyda wyneb wyneb sengl bron yr un peth. Mewn cyferbyniad, mae lled band rhwystriant yr antena MIMO arfaethedig yn cael ei wella gan MS haen ddeuol a backplane MS. Mae'n werth nodi, heb MS, bod antena MIMO yn darparu lled band ffracsiynol o 81.5% (3.2-7.6 GHz) o'i gymharu ag amledd y ganolfan. Mae integreiddio'r MS gyda'r awyren gefn yn cynyddu lled band rhwystriant yr antena MIMO arfaethedig i 86.3% (3.08–7.75 GHz). Er bod MS haen ddeuol yn cynyddu trwybwn, mae'r gwelliant yn llai nag MS gydag awyren gefn copr. Ar ben hynny, mae MC haen ddeuol yn cynyddu maint yr antena, yn cynyddu ei gost, ac yn cyfyngu ar ei ystod. Mae'r antena MIMO a ddyluniwyd a'r adlewyrchydd wyneb arwyneb yn cael eu ffugio a'u gwirio i ddilysu'r canlyniadau efelychu a gwerthuso'r perfformiad gwirioneddol. Mae Ffigur 14a yn dangos yr haen MS ffug ac antena MIMO gyda gwahanol gydrannau wedi'u cydosod, tra bod Ffigur 14b yn dangos ffotograff o'r system MIMO ddatblygedig. Mae'r antena MIMO wedi'i osod ar ben y metawyneb gan ddefnyddio pedwar bylchwr neilon, fel y dangosir yn Ffigur 14b. Mae Ffigur 15a yn dangos ciplun o osodiad arbrofol ger maes y system antena MIMO ddatblygedig. Defnyddiwyd dadansoddwr rhwydwaith PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) i amcangyfrif paramedrau gwasgariad ac i werthuso a nodweddu nodweddion allyriadau ger maes yn Labordy Systemau Agos-Field UKM SATIMO.
(a) Ffotograffau o fesuriadau agos-cae SATIMO (b) Cromliniau efelychiadol ac arbrofol o antena S11 MIMO gyda a heb MS.
Mae'r adran hon yn cyflwyno astudiaeth gymharol o baramedrau S efelychiedig ac a arsylwyd ar yr antena 5G MIMO arfaethedig. Mae Ffigur 15b yn dangos plot adlewyrchiad arbrofol yr antena MIMO MS integredig 4-elfen ac yn ei gymharu â chanlyniadau efelychiad CST. Canfuwyd bod yr adlewyrchiadau arbrofol yr un fath â'r cyfrifiadau CST, ond eu bod ychydig yn wahanol oherwydd diffygion gweithgynhyrchu a goddefiannau arbrofol. Yn ogystal, mae'r adlewyrchiad a welwyd o'r prototeip MIMO seiliedig ar MS arfaethedig yn cwmpasu'r sbectrwm 5G o dan 6 GHz gyda lled band rhwystriant o 4.8 GHz, sy'n golygu bod cymwysiadau 5G yn bosibl. Fodd bynnag, mae'r amledd soniarus a fesurwyd, y lled band, a'r osgled ychydig yn wahanol i ganlyniadau efelychiad CST. Gall diffygion gweithgynhyrchu, colledion cyplu coax-i-SMA, a gosodiadau mesur awyr agored achosi gwahaniaethau rhwng canlyniadau mesuredig ac efelychiedig. Fodd bynnag, er gwaethaf y diffygion hyn, mae'r MIMO arfaethedig yn perfformio'n dda, gan ddarparu cytundeb cryf rhwng efelychiadau a mesuriadau, gan ei wneud yn addas iawn ar gyfer cymwysiadau diwifr is-6 GHz 5G.
Dangosir y cromliniau enillion antena MIMO efelychiedig ac a arsylwyd yn Ffigurau 2 a 2. Fel y dangosir yn Ffigurau 16a,b a 17a,b, yn y drefn honno, dangosir cydadwaith cydrannau MIMO. Pan gaiff metawynebau eu rhoi ar antenâu MIMO, mae'r arwahanrwydd rhwng antenâu MIMO wedi'i wella'n sylweddol. Mae'r lleiniau ynysu rhwng elfennau antena cyfagos S12, S14, S23 a S34 yn dangos cromliniau tebyg, tra bod yr antenâu MIMO croeslin S13 a S42 yn dangos ynysu uchel tebyg oherwydd y pellter mwy rhyngddynt. Dangosir nodweddion trawsyrru efelychiedig antenâu cyfagos yn Ffigur 16a. Mae'n werth nodi, yn y sbectrwm gweithredu 5G o dan 6 GHz, mai lleiafswm ynysu antena MIMO heb fetawyneb yw -13.6 dB, ac ar gyfer arwyneb meta gydag awyren gefn - 15.5 dB. Mae'r llain ennill (Ffigur 16a) yn dangos bod arwyneb y cefn awyren yn gwella'n sylweddol yr ynysu rhwng elfennau antena MIMO o'i gymharu â metaarwynebau haen sengl a dwbl. Ar elfennau antena cyfagos, mae metaarwynebau haen sengl a dwbl yn darparu lleiafswm ynysu o tua -13.68 dB a -14.78 dB, ac mae'r arwyneb arwyneb cefn copr yn darparu tua -15.5 dB.
Cromliniau ynysu efelychiedig o elfennau MIMO heb haen MS a chyda haen MS: (a) S12, S14, S34 ac S32 a (b) S13 a S24.
Cromliniau enillion arbrofol yr antenâu MIMO seiliedig ar MS arfaethedig heb a gyda: (a) S12, S14, S34 ac S32 a (b) S13 ac S24.
Dangosir lleiniau enillion antena croeslin MIMO cyn ac ar ôl ychwanegu'r haen MS yn Ffigur 16b. Mae'n werth nodi mai'r arwahanrwydd lleiaf rhwng antenâu croeslin heb arwyneb meta (antenna 1 a 3) yw - 15.6 dB ar draws y sbectrwm gweithredu, a metawyneb gydag awyren gefn yw - 18 dB. Mae'r dull metawyneb yn lleihau'n sylweddol yr effeithiau cyplu rhwng antenâu MIMO croeslin. Yr inswleiddiad uchaf ar gyfer arwyneb wyneb un haen yw -37 dB, tra bod y gwerth hwn yn disgyn i -47 dB ar gyfer arwyneb wyneb haen dwbl. Uchafswm ynysu'r arwyneb meta gyda backplane copr yw −36.2 dB, sy'n gostwng gydag ystod amledd cynyddol. O'u cymharu â metaarwynebau haen sengl a dwbl heb awyren gefn, mae arwynebau meta ag awyren gefn yn darparu arwahanrwydd gwell ar draws yr holl ystod amledd gweithredu gofynnol, yn enwedig yn yr ystod 5G o dan 6 GHz, fel y dangosir yn Ffigurau 16a, b. Yn y band 5G mwyaf poblogaidd a ddefnyddir yn eang o dan 6 GHz (3.5 GHz), mae gan fetawynebau haen sengl a deuol ynysu is rhwng cydrannau MIMO na arwynebau meta gydag awyrennau cefn copr (bron dim MS) (gweler Ffigur 16a), b). Dangosir y mesuriadau cynnydd yn Ffigurau 17a, b, sy'n dangos ynysu antenâu cyfagos (S12, S14, S34 a S32) ac antenâu croeslin (S24 a S13), yn y drefn honno. Fel y gwelir o'r ffigurau hyn (Ffig. 17a, b), mae'r arwahanrwydd arbrofol rhwng cydrannau MIMO yn cytuno'n dda â'r arwahanrwydd efelychiedig. Er bod mân wahaniaethau rhwng y gwerthoedd CST efelychiedig a mesuredig oherwydd diffygion gweithgynhyrchu, cysylltiadau porthladd SMA a cholledion gwifrau. Yn ogystal, mae'r antena a'r adlewyrchydd MS wedi'u lleoli rhwng y gwahanwyr neilon, sy'n fater arall sy'n effeithio ar y canlyniadau a arsylwyd o'u cymharu â'r canlyniadau efelychu.
astudio dosbarthiad cerrynt wyneb ar 5.5 GHz i resymoli rôl metawynebau wrth leihau cyplu cilyddol trwy atal tonnau arwyneb42. Dangosir dosbarthiad cerrynt wyneb yr antena MIMO arfaethedig yn Ffigur 18, lle mae antena 1 yn cael ei yrru a gweddill yr antena yn cael ei derfynu â llwyth 50 ohm. Pan fydd antena 1 yn llawn egni, bydd ceryntau cyplu cilyddol sylweddol yn ymddangos ar antenâu cyfagos ar 5.5 GHz yn absenoldeb metawyneb, fel y dangosir yn Ffigur 18a. I'r gwrthwyneb, trwy ddefnyddio arwynebau meta, fel y dangosir yn Ffig. 18b–d, mae'r arwahanrwydd rhwng antenâu cyfagos yn cael ei wella. Dylid nodi y gellir lleihau effaith cyplu cilyddol caeau cyfagos trwy luosogi'r cerrynt cyplu i gylchoedd cyfagos o gelloedd uned a chelloedd uned MS cyfagos ar hyd yr haen MS i gyfeiriadau gwrthgyfochrog. Mae chwistrellu cerrynt o antenâu dosbarthedig i unedau MS yn ddull allweddol ar gyfer gwella ynysu rhwng cydrannau MIMO. O ganlyniad, mae'r cerrynt cyplu rhwng cydrannau MIMO yn cael ei leihau'n fawr, ac mae'r ynysu hefyd wedi gwella'n fawr. Oherwydd bod y maes cyplu wedi'i ddosbarthu'n eang yn yr elfen, mae'r arwyneb arwyneb cefn copr yn ynysu cynulliad antena MIMO yn sylweddol fwy na metaarwynebau haen sengl a dwbl (Ffigur 18d). Ar ben hynny, mae gan yr antena MIMO ddatblygedig backpropagation isel iawn a lluosogi ochr, gan gynhyrchu patrwm ymbelydredd uncyfeiriad, a thrwy hynny gynyddu enillion yr antena MIMO arfaethedig.
Patrymau presennol arwyneb yr antena MIMO arfaethedig yn 5.5 GHz (a) heb MC, (b) MC haen sengl, (c) MC haen ddwbl, a (d) MC haen sengl gydag awyren gefn copr. (Swît Stiwdio CST 2019).
O fewn yr amledd gweithredu, mae Ffigur 19a yn dangos yr enillion efelychiedig ac a arsylwyd o'r antena MIMO a ddyluniwyd heb a chyda metawynebau. Mae'r enillion efelychiedig a gyflawnwyd yn yr antena MIMO heb arwyneb meta yn 5.4 dBi, fel y dangosir yn Ffigur 19a. Oherwydd yr effaith gyplu cilyddol rhwng cydrannau MIMO, mae'r antena MIMO arfaethedig mewn gwirionedd yn cyflawni enillion uwch o 0.25 dBi nag antena sengl. Gall ychwanegu arwynebau meta arwain at enillion sylweddol ac ynysu rhwng cydrannau MIMO. Felly, gall yr antena MIMO arwyneb arwyneb arfaethedig sicrhau cynnydd sylweddol iawn o hyd at 8.3 dBi. Fel y dangosir yn Ffigur 19a, pan ddefnyddir un arwyneb meta yng nghefn yr antena MIMO, mae'r cynnydd yn cynyddu 1.4 dBi. Pan fydd y metawyneb yn cael ei ddyblu, mae'r cynnydd yn cynyddu 2.1 dBi, fel y dangosir yn Ffigur 19a. Fodd bynnag, cyflawnir y cynnydd mwyaf disgwyliedig o 8.3 dBi wrth ddefnyddio'r arwyneb meta gyda backplane copr. Yn nodedig, y cynnydd mwyaf a gyflawnwyd ar gyfer y metaarwynebau haen sengl a haen ddwbl yw 6.8 dBi a 7.5 dBi, yn y drefn honno, a'r cynnydd mwyaf a gyflawnwyd ar gyfer y metaarwyneb haen isaf yw 8.3 dBi. Mae'r haen arwyneb wyneb ar ochr gefn yr antena yn gweithredu fel adlewyrchydd, gan adlewyrchu ymbelydredd o ochr gefn yr antena a gwella cymhareb blaen wrth gefn (F / B) yr antena MIMO a ddyluniwyd. Yn ogystal, mae'r adlewyrchydd MS rhwystriant uchel yn trin tonnau electromagnetig yn y cyfnod, gan greu cyseiniant ychwanegol a gwella perfformiad ymbelydredd yr antena MIMO arfaethedig. Gall yr adlewyrchydd MS sydd wedi'i osod y tu ôl i'r antena MIMO gynyddu'r enillion a gyflawnwyd yn sylweddol, a gadarnheir gan ganlyniadau arbrofol. Mae'r enillion a welwyd ac a efelychwyd o'r antena MIMO prototeip datblygedig bron yr un fath, fodd bynnag, ar rai amleddau mae'r cynnydd a fesurwyd yn uwch na'r enillion efelychiedig, yn enwedig ar gyfer MIMO heb MS; Mae'r amrywiadau hyn mewn enillion arbrofol oherwydd goddefiannau mesur y padiau neilon, colledion cebl, a chyplu yn y system antena. Cynnydd mesuredig brig yr antena MIMO heb y metawyneb yw 5.8 dBi, tra bod y metawyneb gydag awyren gefn copr yn 8.5 dBi. Mae'n werth nodi bod y system antena MIMO 4-porthladd gyflawn arfaethedig gydag adlewyrchydd MS yn dangos cynnydd uchel o dan amodau arbrofol a rhifiadol.
Canlyniadau efelychiad ac arbrofion (a) y cynnydd a gyflawnwyd a (b) perfformiad cyffredinol yr antena MIMO arfaethedig ag effaith metawyneb.
Mae Ffigur 19b yn dangos perfformiad cyffredinol y system MIMO arfaethedig heb adlewyrchwyr arwyneb meta. Yn Ffigur 19b, roedd yr effeithlonrwydd isaf gan ddefnyddio MS gydag awyren gefn dros 73% (i lawr i 84%). Mae effeithlonrwydd cyffredinol yr antenâu MIMO datblygedig heb MC a chyda MC bron yr un peth gyda mân wahaniaethau o'i gymharu â'r gwerthoedd efelychiedig. Y rhesymau am hyn yw goddefiannau mesur a'r defnydd o ofodwyr rhwng yr antena a'r adlewyrchydd MS. Mae'r cynnydd mesuredig a gyflawnwyd a'r effeithlonrwydd cyffredinol ar draws yr amledd cyfan bron yn debyg i'r canlyniadau efelychu, sy'n dangos bod perfformiad y prototeip MIMO arfaethedig yn unol â'r disgwyl a bod yr antena MIMO seiliedig ar MS a argymhellir yn addas ar gyfer cyfathrebiadau 5G. Oherwydd gwallau mewn astudiaethau arbrofol, mae gwahaniaethau'n bodoli rhwng canlyniadau cyffredinol arbrofion labordy a chanlyniadau efelychiadau. Effeithir ar berfformiad y prototeip arfaethedig gan ddiffyg cyfatebiaeth rhwystriant rhwng yr antena a'r cysylltydd SMA, colledion sbleis cebl cyfechelog, effeithiau sodro, ac agosrwydd dyfeisiau electronig amrywiol i'r gosodiad arbrofol.
Mae Ffigur 20 yn disgrifio datblygiad dylunio ac optimeiddio'r antena dywededig ar ffurf diagram bloc. Mae'r diagram bloc hwn yn darparu disgrifiad cam wrth gam o egwyddorion dylunio antena MIMO arfaethedig, yn ogystal â'r paramedrau sy'n chwarae rhan allweddol wrth optimeiddio'r antena i gyflawni'r cynnydd uchel gofynnol ac ynysu uchel dros amlder gweithredu eang.
Mesurwyd y mesuriadau antena MIMO ger maes yn yr Amgylchedd Arbrofol Ger-Maes SATIMO yn Labordy Systemau Agos-Field UKM SATIMO. Mae Ffigurau 21a,b yn darlunio patrymau ymbelydredd E-awyren ac awyren H efelychiedig ac a arsylwyd o'r antena MIMO honedig gyda a heb MS ar amledd gweithredu o 5.5 GHz. Yn yr ystod amledd gweithredu o 5.5 GHz, mae'r antena MIMO datblygedig nad yw'n MS yn darparu patrwm ymbelydredd dwygyfeiriad cyson gyda gwerthoedd llabed ochr. Ar ôl cymhwyso'r adlewyrchydd MS, mae'r antena yn darparu patrwm ymbelydredd un cyfeiriad ac yn lleihau lefel y llabedau cefn, fel y dangosir yn Ffigurau 21a, b. Mae'n werth nodi, trwy ddefnyddio arwyneb meta gyda backplane copr, bod y patrwm antena MIMO arfaethedig yn fwy sefydlog ac uncyfeiriad na heb MS, gyda llabedau cefn ac ochr isel iawn. Mae'r adlewyrchydd arae MM arfaethedig yn lleihau llabedau cefn ac ochr yr antena a hefyd yn gwella'r nodweddion ymbelydredd trwy gyfeirio'r cerrynt i gyfeiriad un cyfeiriad (Ffig. 21a, b), a thrwy hynny gynyddu'r cynnydd a'r cyfarwyddedd. Cafwyd y patrwm ymbelydredd mesuredig ar gyfer porthladd 1 gyda llwyth 50 ohm wedi'i gysylltu â'r porthladdoedd sy'n weddill. Gwelwyd bod y patrwm ymbelydredd arbrofol bron yn union yr un fath â'r hyn a efelychwyd gan CST, er bod rhai gwyriadau oherwydd camlinio cydrannau, adlewyrchiadau o borthladdoedd terfynell, a cholledion mewn cysylltiadau cebl. Yn ogystal, gosodwyd bwlch neilon rhwng yr antena a'r adlewyrchydd MS, sy'n fater arall sy'n effeithio ar y canlyniadau a arsylwyd o'u cymharu â'r canlyniadau a ragwelir.
Cafodd patrwm ymbelydredd yr antena MIMO datblygedig (heb MS a chyda MS) ar amledd o 5.5 GHz ei efelychu a'i brofi.
Mae'n bwysig nodi bod ynysu porthladdoedd a'i nodweddion cysylltiedig yn hanfodol wrth werthuso perfformiad systemau MIMO. Archwilir perfformiad amrywiaeth y system MIMO arfaethedig, gan gynnwys cyfernod cydberthynas amlen (ECC) a chynnydd amrywiaeth (DG), i ddangos cadernid y system antena MIMO a ddyluniwyd. Gellir defnyddio ECC a DG antena MIMO i werthuso ei berfformiad gan eu bod yn agweddau pwysig ar berfformiad system MIMO. Bydd yr adrannau canlynol yn manylu ar nodweddion yr antena MIMO arfaethedig.
Cyfernod Cydberthynas Amlen (ECC). Wrth ystyried unrhyw system MIMO, mae ECC yn pennu i ba raddau y mae'r elfennau cyfansoddol yn cyfateb i'w gilydd o ran eu priodweddau penodol. Felly, mae ECC yn dangos graddau ynysu sianel mewn rhwydwaith cyfathrebu diwifr. Gellir pennu ECC (cyfernod cydberthynas amlen) y system MIMO ddatblygedig yn seiliedig ar baramedrau S ac allyriadau maes pell. O Eq. (7) a (8) gellir pennu ECC yr antena MIMO 31 arfaethedig.
Cynrychiolir y cyfernod adlewyrchiad gan Sii ac mae Sij yn cynrychioli'r cyfernod trosglwyddo. Rhoddir patrymau ymbelydredd tri dimensiwn yr antenâu j-th ac i-th gan yr ymadroddion \(\vec{R}_{j} \left( { \theta , \varphi } \right) \) a \( \vec {{ R_{ i } }} Ongl solet a gynrychiolir gan \left( { \ theta , \varphi } \right) \) a \({ \ Omega } \). Dangosir cromlin ECC yr antena arfaethedig yn Ffigur 22a ac mae ei werth yn llai na 0.004, sy'n llawer is na'r gwerth derbyniol o 0.5 ar gyfer system ddiwifr. Felly, mae'r gwerth ECC gostyngol yn golygu bod y system MIMO 4-porthladd arfaethedig yn darparu amrywiaeth well43.
Cynnydd Amrywiaeth (DG) Mae DG yn fetrig perfformiad system MIMO arall sy'n disgrifio sut mae'r cynllun amrywiaeth yn effeithio ar y pŵer pelydrol. Perthynas (9) sy'n pennu DG y system antena MIMO sy'n cael ei datblygu, fel y disgrifir yn 31.
Mae Ffigur 22b yn dangos y diagram DG o'r system MIMO arfaethedig, lle mae'r gwerth DG yn agos iawn at 10 dB. Mae gwerthoedd DG holl antena'r system MIMO ddyluniwyd yn fwy na 9.98 dB.
Mae Tabl 1 yn cymharu'r antena MIMO arwyneb meta arfaethedig â systemau MIMO tebyg a ddatblygwyd yn ddiweddar. Mae'r gymhariaeth yn ystyried paramedrau perfformiad amrywiol, gan gynnwys lled band, cynnydd, ynysu mwyaf, effeithlonrwydd cyffredinol, a pherfformiad amrywiaeth. Mae ymchwilwyr wedi cyflwyno gwahanol brototeipiau antena MIMO gyda thechnegau gwella ennill ac ynysu yn 5, 44, 45, 46, 47. O'i gymharu â gweithiau a gyhoeddwyd yn flaenorol, mae'r system MIMO arfaethedig gydag adlewyrchwyr arwyneb meta yn perfformio'n well na nhw o ran lled band, ennill ac ynysu. Yn ogystal, o'i gymharu ag antenâu tebyg a adroddwyd, mae'r system MIMO ddatblygedig yn dangos perfformiad amrywiaeth uwch ac effeithlonrwydd cyffredinol ar faint llai. Er bod gan yr antenâu a ddisgrifir yn Adran 5.46 ynysu uwch na'n antenâu arfaethedig, mae'r antenâu hyn yn dioddef o faint mawr, cynnydd isel, lled band cul, a pherfformiad MIMO gwael. Mae'r antena MIMO 4-porthladd a gynigir mewn 45 yn dangos cynnydd ac effeithlonrwydd uchel, ond mae gan ei ddyluniad ynysu isel, maint mawr, a pherfformiad amrywiaeth gwael. Ar y llaw arall, mae gan y system antena maint bach a gynigir yn 47 gynnydd isel iawn a lled band gweithredu, tra bod ein system MIMO 4-porthladd MS arfaethedig yn arddangos maint bach, ennill uchel, ynysu uchel a pherfformiad gwell MIMO. Felly, gall yr antena MIMO arwyneb meta arfaethedig ddod yn gystadleuydd mawr ar gyfer systemau cyfathrebu is-6 GHz 5G.
Cynigir antena MIMO band eang pedwar-porthladd wedi'i seilio ar adlewyrchydd gyda chynnydd uchel ac ynysu i gefnogi cymwysiadau 5G o dan 6 GHz. Mae'r llinell microstrip yn bwydo adran pelydru sgwâr, sy'n cael ei chwtogi gan sgwâr yn y corneli croeslin. Mae'r allyrrydd MS ac antena arfaethedig yn cael eu gweithredu ar ddeunyddiau swbstrad tebyg i Rogers RT5880 i gyflawni perfformiad rhagorol mewn systemau cyfathrebu 5G cyflym. Mae antena MIMO yn cynnwys ystod eang ac enillion uchel, ac mae'n darparu ynysu cadarn rhwng cydrannau MIMO ac effeithlonrwydd rhagorol. Mae gan yr antena sengl ddatblygedig ddimensiynau bach o 0.58?0.58?0.02? gydag arae arwyneb arwyneb 5 × 5, yn darparu lled band gweithredu eang 4.56 GHz, cynnydd brig 8 dBi ac effeithlonrwydd mesuredig uwch. Mae'r antena MIMO pedwar porthladd arfaethedig (arae 2 × 2) wedi'i ddylunio trwy alinio pob antena sengl arfaethedig yn orthogonol ag antena arall gyda dimensiynau o 1.05λ × 1.05λ × 0.02λ. Argymhellir cydosod arae 10 × 10 MM o dan antena MIMO 12mm o uchder, a all leihau'r ôl-ymbelydredd a lleihau'r cyplu cilyddol rhwng cydrannau MIMO, a thrwy hynny wella enillion ac ynysu. Mae canlyniadau arbrofol ac efelychu yn dangos y gall y prototeip MIMO datblygedig weithredu mewn ystod amledd eang o 3.08–7.75 GHz, gan gwmpasu'r sbectrwm 5G o dan 6 GHz. Yn ogystal, mae'r antena MIMO arfaethedig sy'n seiliedig ar MS yn gwella ei enillion o 2.9 dBi, gan gyflawni cynnydd uchaf o 8.3 dBi, ac yn darparu ynysu rhagorol (> 15.5 dB) rhwng cydrannau MIMO, gan ddilysu cyfraniad MS. Yn ogystal, mae gan yr antena MIMO arfaethedig effeithlonrwydd cyffredinol uchel ar gyfartaledd o 82% a phellter rhyng-elfen isel o 22 mm. Mae'r antena yn arddangos perfformiad amrywiaeth MIMO rhagorol gan gynnwys DG uchel iawn (dros 9.98 dB), ECC isel iawn (llai na 0.004) a phatrwm ymbelydredd uncyfeiriad. Mae'r canlyniadau mesur yn debyg iawn i'r canlyniadau efelychu. Mae'r nodweddion hyn yn cadarnhau y gall y system antena MIMO pedwar porthladd datblygedig fod yn ddewis ymarferol ar gyfer systemau cyfathrebu 5G yn yr ystod amledd is-6 GHz.
Gall Cowin ddarparu antena PCB band eang 400-6000MHz, a chefnogaeth i ddylunio antena newydd yn unol â'ch gofynion, cysylltwch â ni heb oedi os oes gennych unrhyw gais.