استفاده از متاسرفیس برای بهبود بهره و جداسازی آنتن های PCB باند پهن برای سیستم های ارتباطی 5G زیر 6 گیگاهرتز

این کار یک آنتن باند پهن چند ورودی چند ورودی (MIMO) یکپارچه فشرده (MS) برای سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم نسل پنجم (5G) زیر 6 گیگاهرتز پیشنهاد می‌کند. تازگی آشکار سیستم MIMO پیشنهادی، پهنای باند عملیاتی گسترده، بهره بالا، فاصله بین اجزای کوچک و جداسازی عالی در اجزای MIMO است. نقطه تابش آنتن به صورت مورب بریده شده است، تا حدی به زمین متصل می شود و از متاسرفیس ها برای بهبود عملکرد آنتن استفاده می شود. نمونه اولیه یک آنتن MS تک یکپارچه پیشنهادی دارای ابعاد مینیاتوری 0.58λ × 0.58 × 0.02λ است. نتایج شبیه‌سازی و اندازه‌گیری، عملکرد باند پهن را از 3.11 گیگاهرتز تا 7.67 گیگاهرتز نشان می‌دهد، از جمله بالاترین بهره به دست آمده از 8 dBi. سیستم چهار عنصری MIMO به گونه ای طراحی شده است که هر آنتن متعامد با یکدیگر باشد و در عین حال اندازه فشرده و عملکرد پهنای باند از 3.2 تا 7.6 گیگاهرتز را حفظ کند. نمونه اولیه MIMO پیشنهادی بر روی بستر Rogers RT5880 با تلفات کم و ابعاد کوچک 1.05 طراحی و ساخته شده است. 1.05؟ 0.02؟، و عملکرد آن با استفاده از آرایه تشدید کننده حلقه بسته مربع پیشنهادی با یک حلقه تقسیم 10×10 ارزیابی می‌شود. مواد اولیه یکسان است. متاسطح صفحه پشتی پیشنهادی به طور قابل توجهی تابش آنتن را کاهش می دهد و میدان های الکترومغناطیسی را دستکاری می کند، در نتیجه پهنای باند، بهره و جداسازی اجزای MIMO را بهبود می بخشد. در مقایسه با آنتن‌های MIMO موجود، آنتن MIMO 4 پورت پیشنهادی به بهره بالای 8.3 دسی‌بی‌ای با میانگین راندمان کلی تا 82 درصد در باند زیر 6 گیگاهرتز 5G دست می‌یابد و با نتایج اندازه‌گیری شده مطابقت خوبی دارد. علاوه بر این، آنتن MIMO توسعه‌یافته عملکرد عالی از نظر ضریب همبستگی پوششی (ECC) کمتر از 0.004، بهره تنوع (DG) حدود 10 دسی‌بل (> 9.98 دسی‌بل) و ایزوله بالا بین اجزای MIMO (> 15.5 دسی‌بل) را نشان می‌دهد. ویژگی ها بنابراین، آنتن MIMO مبتنی بر MS، کاربرد آن را برای شبکه‌های ارتباطی 5G زیر 6 گیگاهرتز تأیید می‌کند.
فناوری 5G یک پیشرفت باورنکردنی در ارتباطات بی‌سیم است که شبکه‌های سریع‌تر و ایمن‌تری را برای میلیاردها دستگاه متصل فراهم می‌کند، تجربه‌ای را برای کاربر با تأخیر «صفر» (تأخیر کمتر از 1 میلی‌ثانیه) فراهم می‌کند و فناوری‌های جدیدی از جمله الکترونیک را معرفی می‌کند. مراقبت های پزشکی، آموزش فکری. ، شهرهای هوشمند، خانه های هوشمند، واقعیت مجازی (VR)، کارخانه های هوشمند و اینترنت وسایل نقلیه (IoV) زندگی، جامعه و صنایع ما را تغییر می دهند1،2،3. کمیسیون ارتباطات فدرال ایالات متحده (FCC) طیف 5G را به چهار باند فرکانسی تقسیم می کند. باند فرکانسی زیر 6 گیگاهرتز مورد توجه محققان است زیرا امکان ارتباطات از راه دور با سرعت داده بالا را فراهم می کند. تخصیص طیف زیر 6 گیگاهرتز 5G برای ارتباطات جهانی 5G در شکل 1 نشان داده شده است، که نشان می دهد همه کشورها طیف زیر 6 گیگاهرتز را برای ارتباطات 5G در نظر می گیرند. آنتن ها بخش مهمی از شبکه های 5G هستند و به ایستگاه پایه و آنتن ترمینال کاربر بیشتری نیاز دارند.
آنتن‌های پچ میکرواستریپ دارای مزایای نازکی و ساختار مسطح هستند، اما از نظر پهنای باند و بهره 9،10 محدود هستند، بنابراین تحقیقات زیادی برای افزایش بهره و پهنای باند آنتن انجام شده است. در سال‌های اخیر، متاسرفیس‌ها (MS) به طور گسترده در فناوری‌های آنتن، به‌ویژه برای بهبود بهره و توان استفاده شده‌اند، با این حال، این آنتن‌ها به یک پورت محدود می‌شوند. فناوری MIMO یکی از جنبه‌های مهم ارتباطات بی‌سیم است زیرا می‌تواند از چندین آنتن به طور همزمان برای انتقال داده استفاده کند، در نتیجه نرخ داده، کارایی طیفی، ظرفیت کانال و قابلیت اطمینان را بهبود می‌بخشد. آنتن‌های MIMO کاندیدای بالقوه‌ای برای برنامه‌های 5G هستند، زیرا می‌توانند داده‌ها را از طریق کانال‌های متعدد بدون نیاز به انرژی اضافی ارسال و دریافت کنند. اثر جفت متقابل بین اجزای MIMO به محل قرارگیری عناصر MIMO و بهره آنتن MIMO بستگی دارد که یک چالش بزرگ برای محققان است. شکل‌های 18، 19 و 20 آنتن‌های مختلف MIMO را نشان می‌دهند که در باند 5G زیر 6 گیگاهرتز کار می‌کنند و همگی انزوا و عملکرد MIMO خوبی را نشان می‌دهند. با این حال، بهره و پهنای باند عملیاتی این سیستم های پیشنهادی کم است.
فرامواد (MMs) مواد جدیدی هستند که در طبیعت وجود ندارند و می توانند امواج الکترومغناطیسی را دستکاری کنند و در نتیجه عملکرد آنتن ها را بهبود ببخشند21،22،23،24. MM در حال حاضر به طور گسترده در فناوری آنتن برای بهبود الگوی تابش، پهنای باند، بهره و جداسازی بین عناصر آنتن و سیستم های ارتباطی بی سیم استفاده می شود، همانطور که در 25، 26، 27، 28 بحث شد. در سال 2029، یک سیستم MIMO چهار عنصری بر اساس متاسرفیس، که در آن بخش آنتن بین سطح و زمین بدون شکاف هوا قرار می گیرد که عملکرد MIMO را بهبود می بخشد. با این حال، این طرح دارای اندازه بزرگتر، فرکانس کاری کمتر و ساختار پیچیده است. یک bandgap الکترومغناطیسی (EBG) و حلقه زمین در آنتن MIMO باند پهن دو پورت پیشنهادی برای بهبود ایزوله سازی اجزای MIMO30 گنجانده شده است. آنتن طراحی شده دارای عملکرد تنوع MIMO خوب و ایزولاسیون عالی بین دو آنتن MIMO است، اما تنها با استفاده از دو جزء MIMO، بهره کم خواهد بود. علاوه بر این، in31 همچنین یک آنتن MIMO دو پورت فوق پهن باند (UWB) پیشنهاد کرد و عملکرد MIMO آن را با استفاده از فرامواد بررسی کرد. اگرچه این آنتن قادر به عملکرد UWB است، بهره آن کم است و ایزوله بین دو آنتن ضعیف است. کار in32 یک سیستم MIMO 2 پورت را پیشنهاد می‌کند که از بازتابنده‌های باندگپ الکترومغناطیسی (EBG) برای افزایش بهره استفاده می‌کند. اگرچه آرایه آنتن توسعه‌یافته دارای بهره بالا و عملکرد تنوع MIMO خوب است، اما اندازه بزرگ آن کاربرد آن را در دستگاه‌های ارتباطی نسل بعدی دشوار می‌کند. آنتن پهنای باند دیگر مبتنی بر بازتابنده در سال 33 ساخته شد، جایی که بازتابنده در زیر آنتن با شکاف 22 میلی متری بزرگتر ادغام شد و پیک بهره پایین 4.87 دسی بل را نشان داد. Paper 34 یک آنتن MIMO چهار پورت را برای برنامه های mmWave طراحی می کند که با لایه MS یکپارچه شده است تا ایزوله و بهره سیستم MIMO را بهبود بخشد. با این حال، این آنتن بهره و ایزوله خوبی را ارائه می دهد، اما به دلیل شکاف هوای زیاد، پهنای باند محدود و خواص مکانیکی ضعیفی دارد. به طور مشابه، در سال 2015، یک آنتن MIMO با سه جفت، 4 پورت پاپیونی شکل یکپارچه برای ارتباطات mmWave با حداکثر بهره 7.4 dBi توسعه یافت. B36 MS در پشت آنتن 5G برای افزایش بهره آنتن استفاده می شود، جایی که متاسطح به عنوان یک بازتابنده عمل می کند. با این حال، ساختار MS نامتقارن است و توجه کمتری به ساختار سلول واحد شده است.
با توجه به نتایج تجزیه و تحلیل فوق، هیچ یک از آنتن های فوق دارای بهره بالا، ایزولاسیون عالی، عملکرد MIMO و پوشش پهنای باند نیستند. بنابراین، هنوز نیاز به یک آنتن MIMO فراسطحی وجود دارد که بتواند طیف گسترده ای از فرکانس های طیف 5G زیر 6 گیگاهرتز را با بهره و ایزوله بالا پوشش دهد. با توجه به محدودیت‌های ادبیات فوق، یک سیستم آنتن چهار عنصری MIMO با باند پهن با بهره بالا و عملکرد تنوع عالی برای سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم زیر ۶ گیگاهرتز پیشنهاد شده است. علاوه بر این، آنتن MIMO پیشنهادی ایزوله عالی بین اجزای MIMO، شکاف های کوچک عنصر و راندمان تابش بالا را نشان می دهد. وصله آنتن به صورت مورب بریده شده است و در بالای سطح متاسطح با یک شکاف هوایی 12 میلی متری قرار می گیرد که تابش برگشتی از آنتن را منعکس می کند و افزایش و هدایت آنتن را بهبود می بخشد. علاوه بر این، از تک آنتن پیشنهادی برای ایجاد یک آنتن MIMO چهار عنصری با عملکرد MIMO برتر با قرار دادن هر آنتن به صورت متعامد به یکدیگر استفاده می شود. سپس آنتن MIMO توسعه‌یافته در بالای یک آرایه 10×10 MS با صفحه پشتی مسی برای بهبود عملکرد انتشار یکپارچه شد. این طراحی دارای محدوده عملیاتی وسیع (3.08-7.75 گیگاهرتز)، بهره بالای 8.3 دسی‌بی‌ای و میانگین بازده کلی بالای 82 درصد و همچنین ایزوله‌سازی عالی بیش از 15.5- دسی‌بل بین اجزای آنتن MIMO است. آنتن MIMO مبتنی بر MS با استفاده از بسته نرم افزاری الکترومغناطیسی سه بعدی CST Studio 2019 شبیه سازی شده و از طریق مطالعات تجربی تایید شده است.
این بخش مقدمه ای مفصل با معماری پیشنهادی و روش طراحی تک آنتن ارائه می دهد. علاوه بر این، نتایج شبیه‌سازی‌شده و مشاهده‌شده به تفصیل مورد بحث قرار می‌گیرند، از جمله پارامترهای پراکندگی، بهره، و کارایی کلی با و بدون فراسطح. نمونه اولیه آنتن بر روی بستر دی الکتریک کم اتلاف Rogers 5880 با ضخامت 1.575 میلی متر با ثابت دی الکتریک 2.2 ساخته شده است. برای توسعه و شبیه سازی طراحی، از بسته شبیه ساز الکترومغناطیسی CST studio 2019 استفاده شده است.
شکل 2 معماری و مدل طراحی پیشنهادی یک آنتن تک عنصری را نشان می دهد. با توجه به معادلات ریاضی تثبیت شده 37، آنتن از یک نقطه تابشی مربعی تغذیه خطی و یک صفحه زمین مسی (همانطور که در مرحله 1 توضیح داده شد) تشکیل شده است و همانطور که در شکل 3b نشان داده شده است با پهنای باند بسیار باریک در 10.8 گیگاهرتز طنین انداز می شود. اندازه اولیه رادیاتور آنتن با رابطه ریاضی زیر تعیین می شود:
در جایی که \(P_{L}\) و \(P_{w}\) طول و عرض وصله هستند، c نشان دهنده سرعت نور است، \(\gamma_{r}\) ثابت دی الکتریک زیرلایه است. . ، \(\gamma_{ref }\) مقدار دی الکتریک موثر نقطه تابش را نشان می دهد، \(\Delta L\) نشان دهنده تغییر طول نقطه است. صفحه پشتی آنتن در مرحله دوم بهینه شد و با وجود پهنای باند امپدانس بسیار کم 10 دسی بل، پهنای باند امپدانس را افزایش داد. در مرحله سوم، موقعیت فیدر به سمت راست منتقل می شود که باعث بهبود پهنای باند امپدانس و تطابق امپدانس آنتن پیشنهادی می شود. در این مرحله، آنتن پهنای باند عملیاتی عالی 4 گیگاهرتز را نشان می دهد و همچنین طیف زیر 6 گیگاهرتز را در 5G پوشش می دهد. مرحله چهارم و آخر شامل حکاکی شیارهای مربعی در گوشه های مخالف نقطه تابش است. این اسلات به طور قابل توجهی پهنای باند 4.56 گیگاهرتز را گسترش می دهد تا طیف زیر 6 گیگاهرتز 5G را از 3.11 گیگاهرتز به 7.67 گیگاهرتز پوشش دهد، همانطور که در شکل 3b نشان داده شده است. نماهای پرسپکتیو جلو و پایین طرح پیشنهادی در شکل 3a نشان داده شده است و پارامترهای طراحی مورد نیاز بهینه شده نهایی به شرح زیر است: SL = 40 mm، Pw = 18 mm، PL = 18 mm، gL = 12 mm، fL = 11. میلی متر، fW = 4.7 میلی متر، c1 = 2 میلی متر، c2 = 9.65 میلی متر، c3 = 1.65 میلی متر.
(الف) نمای بالا و عقب تک آنتن طراحی شده (CST STUDIO SUITE 2019). (ب) منحنی پارامتر S.
Metasurface اصطلاحی است که به آرایه تناوبی از سلول های واحد که در فاصله معینی از یکدیگر قرار دارند، اطلاق می شود. Metasurfaces یک راه موثر برای بهبود عملکرد تابش آنتن، از جمله پهنای باند، بهره، و جداسازی بین اجزای MIMO است. به دلیل تأثیر انتشار امواج سطحی، فراسطحها تشدیدهای اضافی ایجاد می کنند که به بهبود عملکرد آنتن کمک می کند. این کار یک واحد فراماده اپسیلون منفی (MM) را پیشنهاد می‌کند که در باند 5G زیر 6 گیگاهرتز کار می‌کند. MM با مساحت 8mm×8mm بر روی یک بستر کم تلفات Rogers 5880 با ثابت دی الکتریک 2.2 و ضخامت 1.575mm ساخته شده است. وصله رزوناتور MM بهینه شده از یک حلقه شکاف دایره ای داخلی متصل به دو حلقه تقسیم بیرونی اصلاح شده تشکیل شده است، همانطور که در شکل 4a نشان داده شده است. شکل 4a پارامترهای بهینه شده نهایی تنظیم MM پیشنهادی را خلاصه می کند. پس از آن، لایه‌های فراسطحی 40 × 40 میلی‌متر و 80 × 80 میلی‌متر بدون صفحه پشتی مسی و با صفحه پشتی مسی با استفاده از آرایه‌های سلولی 5×5 و 10×10 به ترتیب توسعه یافتند. ساختار MM پیشنهادی با استفاده از نرم افزار مدل سازی الکترومغناطیسی سه بعدی "CST studio suite 2019" مدل سازی شد. یک نمونه اولیه ساخته شده از ساختار آرایه MM پیشنهادی و تنظیم اندازه گیری (آنالیزگر شبکه دو پورت PNA و پورت موجبر) در شکل 4b نشان داده شده است تا نتایج شبیه سازی CST را با تجزیه و تحلیل پاسخ واقعی تایید کند. تنظیم اندازه گیری از یک تحلیلگر شبکه سری Agilent PNA در ترکیب با دو آداپتور کواکسیال موجبر (A-INFOMW، شماره قطعه: 187WCAS) برای ارسال و دریافت سیگنال استفاده کرد. نمونه اولیه آرایه 5×5 بین دو آداپتور کواکسیال موجبر متصل شده توسط کابل کواکسیال به یک آنالایزر شبکه دو پورت (Agilent PNA N5227A) قرار داده شد. کیت کالیبراسیون Agilent N4694-60001 برای کالیبره کردن تحلیلگر شبکه در یک کارخانه آزمایشی استفاده می شود. پارامترهای پراکندگی مشاهده شده شبیه سازی شده و CST آرایه MM نمونه اولیه پیشنهادی در شکل 5a نشان داده شده است. می توان دید که ساختار MM پیشنهادی در محدوده فرکانس 5G زیر 6 گیگاهرتز طنین انداز می شود. با وجود اختلاف اندک در پهنای باند 10 دسی بل، نتایج شبیه سازی شده و تجربی بسیار مشابه هستند. فرکانس تشدید، پهنای باند، و دامنه تشدید مشاهده شده اندکی با موارد شبیه سازی شده متفاوت است، همانطور که در شکل 5a نشان داده شده است. این تفاوت‌ها بین نتایج مشاهده‌شده و شبیه‌سازی‌شده به دلیل نقص‌های ساخت، فاصله‌های کوچک بین نمونه اولیه و درگاه‌های موجبر، اثرات جفت بین پورت‌های موجبر و اجزای آرایه و تحمل‌های اندازه‌گیری است. علاوه بر این، قرار دادن مناسب نمونه اولیه توسعه‌یافته بین پورت‌های موجبر در تنظیمات آزمایشی ممکن است منجر به تغییر رزونانس شود. علاوه بر این، نویز ناخواسته در مرحله کالیبراسیون مشاهده شد که منجر به اختلاف بین نتایج عددی و اندازه‌گیری شد. با این حال، جدا از این مشکلات، نمونه اولیه آرایه MM پیشنهادی به دلیل همبستگی قوی بین شبیه‌سازی و آزمایش، عملکرد خوبی دارد و آن را برای برنامه‌های ارتباط بی‌سیم زیر 6 گیگاهرتز 5G مناسب می‌کند.
(الف) هندسه سلول واحد (S1 = 8 میلی متر، S2 = 7 میلی متر، S3 = 5 میلی متر، f1، f2، f4 = 0.5 میلی متر، f3 = 0.75 میلی متر، h1 = 0.5 میلی متر، h2 = 1.75 میلی متر) (CST STUDIO SUITE) ) 2019) (ب) عکس تنظیم اندازه گیری MM.
(الف) شبیه‌سازی و تأیید منحنی‌های پارامتر پراکندگی نمونه اولیه فراماده. (ب) منحنی ثابت دی الکتریک یک سلول واحد MM.
پارامترهای موثر مرتبط مانند ثابت دی الکتریک موثر، نفوذپذیری مغناطیسی، و ضریب شکست با استفاده از تکنیک‌های پس پردازش داخلی شبیه‌ساز الکترومغناطیسی CST برای تجزیه و تحلیل بیشتر رفتار سلول واحد MM مورد مطالعه قرار گرفتند. پارامترهای MM موثر از پارامترهای پراکندگی با استفاده از روش بازسازی قوی به دست می آیند. معادلات عبور و ضریب بازتاب زیر: (3) و (4) را می توان برای تعیین ضریب شکست و امپدانس استفاده کرد (نگاه کنید به 40).
بخش های واقعی و خیالی عملگر به ترتیب با (.) و (.)» نمایش داده می شوند و مقدار صحیح m مربوط به ضریب شکست واقعی است. ثابت دی الکتریک و نفوذپذیری با فرمول های \(\varepsilon { } = {}n/z,\) و ​​\(\mu = nz\) تعیین می شوند که به ترتیب بر اساس امپدانس و ضریب شکست هستند. منحنی ثابت دی الکتریک موثر ساختار MM در شکل 5b نشان داده شده است. در فرکانس تشدید، ثابت دی الکتریک موثر منفی است. شکل‌های 6a,b مقادیر استخراج‌شده نفوذپذیری مؤثر (μ) و ضریب شکست مؤثر (n) سلول واحد پیشنهادی را نشان می‌دهند. قابل‌توجه، نفوذپذیری‌های استخراج‌شده مقادیر واقعی مثبت نزدیک به صفر را نشان می‌دهند که ویژگی‌های اپسیلون منفی (ENG) ساختار MM پیشنهادی را تایید می‌کند. علاوه بر این، همانطور که در شکل 6a نشان داده شده است، رزونانس در نفوذپذیری نزدیک به صفر به شدت با فرکانس تشدید مرتبط است. سلول واحد توسعه‌یافته دارای ضریب شکست منفی است (شکل 6b)، به این معنی که MM پیشنهادی می‌تواند برای بهبود عملکرد آنتن استفاده شود21،41.
نمونه اولیه توسعه یافته یک آنتن پهن باند واحد برای آزمایش آزمایشی طرح پیشنهادی ساخته شد. شکل‌های 7a،b تصاویری از نمونه اولیه تک آنتن پیشنهادی، بخش‌های ساختاری آن و تنظیم اندازه‌گیری میدان نزدیک (SATIMO) را نشان می‌دهند. برای بهبود عملکرد آنتن، سطح توسعه یافته در لایه هایی زیر آنتن قرار می گیرد، همانطور که در شکل 8a نشان داده شده است، با ارتفاع h. یک متاسطح دو لایه 40 میلی متری در 40 میلی متری در قسمت پشتی تک آنتن در فواصل 12 میلی متری اعمال شد. علاوه بر این، یک متاسورفیس با یک صفحه پشتی در سمت عقب تک آنتن در فاصله 12 میلی متری قرار می گیرد. پس از اعمال متاسرفیس، تک آنتن بهبود قابل توجهی در عملکرد نشان می دهد، همانطور که در شکل های 1 و 2 نشان داده شده است. شکل 8 و 9. شکل 8b نمودارهای بازتابی شبیه سازی شده و اندازه گیری شده را برای تک آنتن بدون و با متاسرفیس نشان می دهد. شایان ذکر است که باند پوشش آنتن با متاسرفیس بسیار شبیه باند پوشش آنتن بدون متاسرفیس است. شکل های 9a,b مقایسه ای از بهره تک آنتن شبیه سازی شده و مشاهده شده و بازده کلی بدون و با MS در طیف عملیاتی را نشان می دهد. می توان مشاهده کرد که در مقایسه با آنتن غیر متاسطحی، بهره آنتن متاسرفیس به طور قابل توجهی بهبود یافته است و از 5.15 دسی‌بی‌ای به 8 دسی‌بی‌ای افزایش می‌یابد. بهره متاسرفیس تک لایه، متاسورفیس دو لایه و تک آنتن با متاسورفیس صفحه پشتی به ترتیب 6 dBi، 6.9 dBi و 8 dBi افزایش یافت. در مقایسه با سایر متاسرفیس ها (MC های تک لایه و دو لایه)، بهره یک آنتن متاسورفیس تک با صفحه پشتی مسی تا 8 dBi است. در این حالت، متاسطح به عنوان یک بازتابنده عمل می‌کند، تابش پشت آنتن را کاهش می‌دهد و امواج الکترومغناطیسی را در فاز دستکاری می‌کند، در نتیجه راندمان تابش آنتن و در نتیجه بهره را افزایش می‌دهد. مطالعه کارایی کلی یک آنتن بدون و با متاسرفیس در شکل 9b نشان داده شده است. شایان ذکر است که راندمان آنتن با و بدون متاسورفیس تقریباً یکسان است. در محدوده فرکانس پایین تر، راندمان آنتن اندکی کاهش می یابد. منحنی‌های بهره و بازده تجربی و شبیه‌سازی‌شده مطابقت خوبی دارند. با این حال، تفاوت‌های جزئی بین نتایج شبیه‌سازی‌شده و آزمایش‌شده به دلیل نقص‌های ساخت، تحمل‌های اندازه‌گیری، از دست دادن اتصال پورت SMA و از دست دادن سیم وجود دارد. علاوه بر این، آنتن و بازتابنده MS بین اسپیسرهای نایلونی قرار گرفته اند که این موضوع دیگری است که نتایج مشاهده شده را در مقایسه با نتایج شبیه سازی تحت تاثیر قرار می دهد.
شکل (الف) تک آنتن تکمیل شده و اجزای مرتبط با آن را نشان می دهد. (ب) تنظیم اندازه گیری میدان نزدیک (SATIMO).
(الف) تحریک آنتن با استفاده از بازتابنده‌های فراسطحی (CST STUDIO SUITE 2019). (ب) بازتاب های شبیه سازی شده و تجربی یک آنتن بدون و با MS.
نتایج شبیه سازی و اندازه گیری (الف) بهره به دست آمده و (ب) بازده کلی آنتن اثر فراسطحی پیشنهادی.
تجزیه و تحلیل الگوی پرتو با استفاده از MS. اندازه‌گیری‌های میدان نزدیک تک آنتن در محیط آزمایشی میدان نزدیک SATIMO آزمایشگاه سیستم‌های میدان نزدیک UKM SATIMO انجام شد. شکل 10a، b الگوهای تشعشعی E-plane و H-plane شبیه سازی شده و مشاهده شده را در 5.5 گیگاهرتز برای تک آنتن پیشنهادی با و بدون MS نشان می دهد. آنتن منفرد توسعه‌یافته (بدون MS) یک الگوی تابش دو طرفه ثابت با مقادیر لوب جانبی ارائه می‌کند. پس از اعمال بازتابنده MS پیشنهادی، آنتن یک الگوی تابش یک جهته ارائه می‌کند و سطح لوب‌های پشتی را کاهش می‌دهد، همانطور که در شکل‌های 10a، b نشان داده شده است. شایان ذکر است که الگوی تابش تک آنتن پیشنهادی در هنگام استفاده از یک متاسطح با صفحه پشتی مسی با پشت و لوب‌های جانبی بسیار پایین‌تر و یک طرفه‌تر است. بازتابنده آرایه MM پیشنهادی لوب های پشتی و جانبی آنتن را کاهش می دهد و در عین حال عملکرد تابش را با هدایت جریان در جهت های یک طرفه بهبود می بخشد (شکل 10a, b) و در نتیجه بهره و جهت را افزایش می دهد. مشاهده شد که الگوی تابش تجربی تقریباً با شبیه‌سازی‌های CST قابل مقایسه است، اما به دلیل ناهماهنگی اجزای مختلف مونتاژ شده، تحمل‌های اندازه‌گیری و تلفات کابل‌کشی کمی متفاوت بود. علاوه بر این، یک نایلون فاصله بین آنتن و بازتابنده MS قرار داده شد که یکی دیگر از موارد تأثیرگذار بر نتایج مشاهده شده در مقایسه با نتایج عددی است.
الگوی تشعشع تک آنتن توسعه یافته (بدون MS و با MS) در فرکانس 5.5 گیگاهرتز شبیه سازی و آزمایش شد.
هندسه آنتن MIMO پیشنهادی در شکل 11 نشان داده شده است و شامل چهار تک آنتن می باشد. همانطور که در شکل 11 نشان داده شده است چهار جزء آنتن MIMO به صورت متعامد بر روی بستری به ابعاد 80 × 80 × 1.575 میلی متر قرار گرفته اند. آنتن MIMO طراحی شده دارای فاصله بین المان 22 میلی متر است که از نزدیکترین فاصله بین عنصری متناظر آنتن. آنتن MIMO توسعه یافته است. علاوه بر این، بخشی از صفحه زمین مانند یک آنتن قرار دارد. مقادیر بازتاب آنتن‌های MIMO (S11، S22، S33، و S44) نشان‌داده‌شده در شکل 12a رفتاری مشابه با آنتن تک عنصری که در باند 3.2-7.6 گیگاهرتز تشدید می‌کنند، نشان می‌دهند. بنابراین، پهنای باند امپدانس یک آنتن MIMO دقیقاً مشابه پهنای باند یک آنتن است. اثر کوپلینگ بین اجزای MIMO دلیل اصلی کاهش پهنای باند کوچک آنتن های MIMO است. شکل 12b اثر اتصال متقابل بر اجزای MIMO را نشان می دهد که در آن جداسازی بهینه بین اجزای MIMO تعیین شده است. ایزولاسیون بین آنتن های 1 و 2 کمترین میزان در حدود -13.6 دسی بل است و ایزولاسیون بین آنتن های 1 و 4 در حدود -30.4 دسی بل بالاترین میزان است. این آنتن MIMO به دلیل اندازه کوچک و پهنای باند بیشتر، بهره کمتر و توان عملیاتی کمتری دارد. عایق کم است، بنابراین تقویت و عایق بیشتر مورد نیاز است.
مکانیسم طراحی آنتن MIMO پیشنهادی (الف) نمای بالا و (ب) صفحه زمین. (CST Studio Suite 2019).
آرایش هندسی و روش تحریک آنتن MIMO فراسطحی پیشنهادی در شکل 13a نشان داده شده است. همانطور که در شکل 13a نشان داده شده است، یک ماتریس 10x10mm با ابعاد 80x80x1.575mm برای قسمت پشتی آنتن MIMO با ارتفاع 12mm طراحی شده است. علاوه بر این، سطوح متاسطح با صفحات پشتی مسی برای استفاده در آنتن های MIMO برای بهبود عملکرد آنها در نظر گرفته شده است. فاصله بین متاسطح و آنتن MIMO برای دستیابی به بهره بالا حیاتی است و در عین حال اجازه تداخل سازنده بین امواج تولید شده توسط آنتن و امواج منعکس شده از فراسطح را می دهد. مدل‌سازی گسترده‌ای برای بهینه‌سازی ارتفاع بین آنتن و متاسطح و در عین حال حفظ استانداردهای موج چهارم برای حداکثر بهره و ایزوله بین عناصر MIMO انجام شد. بهبودهای قابل توجهی در عملکرد آنتن MIMO که با استفاده از متاسرفیس با صفحات پشتی در مقایسه با متاسورفیس های بدون صفحه پشتی به دست آمده است در فصل های بعدی نشان داده خواهد شد.
(الف) راه‌اندازی شبیه‌سازی CST آنتن MIMO پیشنهادی با استفاده از MS (CST STUDIO SUITE 2019)، (ب) منحنی‌های بازتاب سیستم MIMO توسعه‌یافته بدون MS و با MS.
بازتاب آنتن های MIMO با و بدون متاسطح در شکل 13b نشان داده شده است، جایی که S11 و S44 به دلیل رفتار تقریباً یکسان همه آنتن ها در سیستم MIMO ارائه شده اند. شایان ذکر است که پهنای باند امپدانس -10 دسی بل یک آنتن MIMO بدون و با یک متاسرفیس تقریباً یکسان است. در مقابل، پهنای باند امپدانس آنتن MIMO پیشنهادی توسط MS دو لایه و MS backplane بهبود یافته است. شایان ذکر است که بدون MS، آنتن MIMO پهنای باند کسری 81.5٪ (3.2-7.6 گیگاهرتز) را نسبت به فرکانس مرکزی فراهم می کند. ادغام MS با backplane، پهنای باند امپدانس آنتن MIMO پیشنهادی را به 86.3٪ (3.08-7.75 گیگاهرتز) افزایش می دهد. اگرچه MS دو لایه باعث افزایش توان عملیاتی می شود، اما این بهبود کمتر از MS با یک صفحه پشتی مسی است. علاوه بر این، یک MC دو لایه اندازه آنتن را افزایش می دهد، هزینه آن را افزایش می دهد و برد آن را محدود می کند. آنتن MIMO طراحی شده و بازتابنده فراسطحی ساخته شده و تأیید شده است تا نتایج شبیه سازی را تأیید کند و عملکرد واقعی را ارزیابی کند. شکل 14a لایه MS ساخته شده و آنتن MIMO را با اجزای مختلف مونتاژ شده نشان می دهد، در حالی که شکل 14b عکسی از سیستم MIMO توسعه یافته را نشان می دهد. همانطور که در شکل 14b نشان داده شده است، آنتن MIMO با استفاده از چهار فاصله دهنده نایلونی در بالای سطح متاسورفیس نصب شده است. شکل 15a تصویری از راه اندازی آزمایشی میدان نزدیک سیستم آنتن توسعه یافته MIMO را نشان می دهد. یک تحلیلگر شبکه PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) برای تخمین پارامترهای پراکندگی و ارزیابی و توصیف ویژگی‌های انتشار میدان نزدیک در آزمایشگاه سیستم‌های میدان نزدیک UKM SATIMO استفاده شد.
(الف) عکس‌های اندازه‌گیری‌های میدان نزدیک SATIMO (ب) منحنی‌های شبیه‌سازی شده و تجربی آنتن S11 MIMO با و بدون MS.
این بخش یک مطالعه مقایسه ای از پارامترهای S شبیه سازی شده و مشاهده شده آنتن MIMO 5G پیشنهادی را ارائه می دهد. شکل 15b نمودار بازتاب آزمایشی آنتن 4 عنصری MIMO MS را نشان می‌دهد و آن را با نتایج شبیه‌سازی CST مقایسه می‌کند. بازتاب‌های تجربی مشابه محاسبات CST بودند، اما به دلیل نقص‌های ساخت و تحمل‌های آزمایشی کمی متفاوت بودند. علاوه بر این، بازتاب مشاهده‌شده نمونه اولیه MIMO مبتنی بر MS، طیف 5G زیر 6 گیگاهرتز را با پهنای باند امپدانس 4.8 گیگاهرتز پوشش می‌دهد، که به این معنی است که برنامه‌های 5G امکان‌پذیر است. با این حال، فرکانس رزونانس اندازه گیری شده، پهنای باند، و دامنه کمی با نتایج شبیه سازی CST متفاوت است. نقص‌های ساخت، تلفات کوآکس به SMA و تنظیمات اندازه‌گیری در فضای باز می‌توانند باعث تفاوت بین نتایج اندازه‌گیری شده و شبیه‌سازی شده شوند. با این حال، علی‌رغم این کاستی‌ها، MIMO پیشنهادی عملکرد خوبی دارد و توافق قوی بین شبیه‌سازی‌ها و اندازه‌گیری‌ها ایجاد می‌کند و آن را برای برنامه‌های بی‌سیم زیر ۶ گیگاهرتز ۵G مناسب می‌کند.
منحنی های بهره آنتن MIMO شبیه سازی شده و مشاهده شده در شکل های 2 و 2 نشان داده شده است. همانطور که در شکل های 16a,b و 17a,b به ترتیب نشان داده شده است، تعامل متقابل اجزای MIMO نشان داده شده است. هنگامی که متاسرفیس ها بر روی آنتن های MIMO اعمال می شوند، جداسازی بین آنتن های MIMO به طور قابل توجهی بهبود می یابد. نمودارهای جداسازی بین عناصر آنتن مجاور S12، S14، S23 و S34 ​​منحنی‌های مشابهی را نشان می‌دهند، در حالی که آنتن‌های MIMO مورب S13 و S42 به دلیل فاصله بیشتر بین آن‌ها، انزوا بالایی را نشان می‌دهند. مشخصات انتقال شبیه سازی شده آنتن های مجاور در شکل 16a نشان داده شده است. شایان ذکر است که در طیف عملیاتی 5G زیر 6 گیگاهرتز، حداقل ایزولاسیون آنتن MIMO بدون متاسرفیس 13.6- دسی بل و برای متاسورفیس با صفحه پشتی 15.5 دسی بل است. نمودار بهره (شکل 16a) نشان می دهد که سطح پشتی به طور قابل توجهی ایزوله بین عناصر آنتن MIMO را در مقایسه با فراسطح های تک لایه و دو لایه بهبود می بخشد. در عناصر آنتن مجاور، متاسرفیس های تک لایه و دو لایه حداقل ایزولاسیون تقریباً -13.68 دسی بل و 14.78- دسی بل را ایجاد می کنند و متاسورفیس پشتی مسی تقریباً -15.5 دسی بل را ارائه می دهد.
منحنی های جداسازی شبیه سازی شده عناصر MIMO بدون لایه MS و با لایه MS: (الف) S12، S14، S34 و S32 و (ب) S13 و S24.
منحنی‌های بهره تجربی آنتن‌های MIMO مبتنی بر MS بدون و با: (الف) S12، S14، S34 و S32 و (ب) S13 و S24.
نمودار بهره آنتن مورب MIMO قبل و بعد از افزودن لایه MS در شکل 16b نشان داده شده است. شایان ذکر است که حداقل ایزولاسیون بین آنتن های مورب بدون متاسطح (آنتن های 1 و 3) - 15.6 دسی بل در سراسر طیف عملیاتی است و یک متا سطح با صفحه پشتی - 18 دسی بل است. رویکرد فراسطحی به طور قابل توجهی اثرات جفت بین آنتن های MIMO مورب را کاهش می دهد. حداکثر عایق برای یک متاسورفیس تک لایه -37 دسی بل است، در حالی که برای یک متاسورفیس دو لایه این مقدار به -47 دسی بل کاهش می یابد. حداکثر ایزولاسیون متاسطح با یک صفحه پشتی مسی -36.2 دسی بل است که با افزایش دامنه فرکانس کاهش می یابد. در مقایسه با متاسورفیس های تک و دو لایه بدون صفحه پشتی، متاسورفیس های دارای صفحه پشتی ایزوله برتر را در کل محدوده فرکانس کاری مورد نیاز، به ویژه در محدوده 5G زیر 6 گیگاهرتز، همانطور که در شکل های 16a، b نشان داده شده است، ارائه می کنند. در محبوب‌ترین و پرکاربردترین باند 5G زیر 6 گیگاهرتز (3.5 گیگاهرتز)، متاسرفیس‌های تک لایه و دولایه ایزوله کمتری بین اجزای MIMO نسبت به متاسورفیس‌های با صفحات پشتی مسی دارند (تقریباً بدون MS) (به شکل 16a، b مراجعه کنید). اندازه گیری بهره در شکل های 17a، b نشان داده شده است که به ترتیب جداسازی آنتن های مجاور (S12، S14، S34 و S32) و آنتن های مورب (S24 و S13) را نشان می دهد. همانطور که از این شکل ها مشاهده می شود (شکل 17a، b)، جداسازی تجربی بین اجزای MIMO به خوبی با جداسازی شبیه سازی شده مطابقت دارد. اگرچه تفاوت های جزئی بین مقادیر CST شبیه سازی شده و اندازه گیری شده به دلیل نقص های ساخت، اتصالات پورت SMA و تلفات سیم وجود دارد. علاوه بر این، آنتن و بازتابنده MS بین اسپیسرهای نایلونی قرار گرفته اند که این موضوع دیگری است که نتایج مشاهده شده را در مقایسه با نتایج شبیه سازی تحت تاثیر قرار می دهد.
توزیع جریان سطحی را در 5.5 گیگاهرتز مورد مطالعه قرار داد تا نقش متاسطحها را در کاهش جفت شدن متقابل از طریق سرکوب امواج سطحی توجیه کند. توزیع جریان سطحی آنتن MIMO پیشنهادی در شکل 18 نشان داده شده است، جایی که آنتن 1 رانده می شود و بقیه آنتن با بار 50 اهم خاتمه می یابد. همانطور که در شکل 18 الف نشان داده شده است، هنگامی که آنتن 1 روشن می شود، جریان های جفت متقابل قابل توجهی در آنتن های مجاور با فرکانس 5.5 گیگاهرتز ظاهر می شود. در مقابل، از طریق استفاده از متاسرفیس ها، همانطور که در شکل 18b-d نشان داده شده است، جداسازی بین آنتن های مجاور بهبود می یابد. لازم به ذکر است که با انتشار جریان کوپلینگ به حلقه‌های مجاور سلول‌های واحد و سلول‌های واحد MS مجاور در امتداد لایه MS در جهت‌های ضد موازی، می‌توان اثر جفت متقابل میدان‌های مجاور را به حداقل رساند. تزریق جریان از آنتن های توزیع شده به واحدهای MS یک روش کلیدی برای بهبود ایزوله بین اجزای MIMO است. در نتیجه، جریان جفت بین اجزای MIMO تا حد زیادی کاهش می‌یابد و ایزوله نیز تا حد زیادی بهبود می‌یابد. از آنجایی که میدان کوپلینگ به طور گسترده در عنصر توزیع شده است، سطح پشتی مسی مجموعه آنتن MIMO را به طور قابل توجهی بیشتر از فراسطح های تک لایه و دو لایه جدا می کند (شکل 18d). علاوه بر این، آنتن MIMO توسعه‌یافته دارای انتشار پس‌باز و انتشار جانبی بسیار کم است، که یک الگوی تابش یک‌طرفه تولید می‌کند، در نتیجه بهره آنتن MIMO پیشنهادی را افزایش می‌دهد.
الگوهای جریان سطحی آنتن MIMO پیشنهادی در فرکانس 5.5 گیگاهرتز (الف) بدون MC، (ب) MC تک لایه، (ج) MC دو لایه، و (د) MC تک لایه با صفحه پشتی مسی. (CST Studio Suite 2019).
در فرکانس عملیاتی، شکل 19a سودهای شبیه سازی شده و مشاهده شده آنتن MIMO طراحی شده را بدون و با متاسرفیس نشان می دهد. بهره بدست‌آمده شبیه‌سازی شده آنتن MIMO بدون متاسورفیس 5.4 dBi است، همانطور که در شکل 19a نشان داده شده است. با توجه به اثر جفت متقابل بین اجزای MIMO، آنتن MIMO پیشنهادی در واقع 0.25 dBi بهره بالاتری نسبت به یک آنتن دارد. افزودن متاسرفیس ها می تواند دستاوردها و جداسازی قابل توجهی را بین اجزای MIMO ایجاد کند. بنابراین، آنتن MIMO فراسطحی پیشنهادی می‌تواند به بهره واقعی تا 8.3 دسی‌بی‌ای دست یابد. همانطور که در شکل 19a نشان داده شده است، هنگامی که یک متاسطح منفرد در پشت آنتن MIMO استفاده می شود، بهره 1.4 dBi افزایش می یابد. همانطور که در شکل 19a نشان داده شده است، هنگامی که سطح متاسطح دو برابر می شود، بهره 2.1 دسی بل افزایش می یابد. با این حال، حداکثر بهره مورد انتظار 8.3 dBi هنگام استفاده از متاسطح با صفحه پشتی مسی به دست می آید. قابل ذکر است، حداکثر بهره به دست آمده برای متاسرفیس تک لایه و دو لایه به ترتیب dBi 6.8 و dBi 7.5 است، در حالی که حداکثر بهره به دست آمده برای متاسرفیس لایه پایین 8.3 dBi است. لایه متاسطحی در قسمت پشت آنتن به عنوان یک بازتابنده عمل می کند، تابش را از سمت پشت آنتن منعکس می کند و نسبت جلو به عقب (F/B) آنتن MIMO طراحی شده را بهبود می بخشد. علاوه بر این، بازتابنده MS با امپدانس بالا امواج الکترومغناطیسی را در فاز دستکاری می‌کند، در نتیجه تشدید بیشتری ایجاد می‌کند و عملکرد تشعشع آنتن MIMO پیشنهادی را بهبود می‌بخشد. بازتابنده MS نصب شده در پشت آنتن MIMO می تواند به میزان قابل توجهی بهره به دست آمده را افزایش دهد که با نتایج تجربی تأیید می شود. بهره‌های مشاهده‌شده و شبیه‌سازی‌شده نمونه اولیه آنتن توسعه‌یافته MIMO تقریباً یکسان است، با این حال، در برخی فرکانس‌ها بهره اندازه‌گیری شده بیشتر از بهره شبیه‌سازی‌شده است، به‌ویژه برای MIMO بدون MS. این تغییرات در بهره آزمایشی به دلیل تحمل اندازه گیری پدهای نایلونی، تلفات کابل و اتصال در سیستم آنتن است. حداکثر بهره اندازه گیری شده آنتن MIMO بدون متاسرفیس 5.8 dBi است، در حالی که متاسرفیس با یک صفحه پشتی مسی 8.5 dBi است. شایان ذکر است که سیستم آنتن MIMO 4 پورت کامل پیشنهادی با بازتابنده MS در شرایط تجربی و عددی بهره بالایی را نشان می‌دهد.
شبیه سازی و نتایج تجربی (الف) بهره به دست آمده و (ب) عملکرد کلی آنتن MIMO پیشنهادی با اثر فراسطحی.
شکل 19b عملکرد کلی سیستم MIMO پیشنهادی را بدون و با بازتابنده های فراسطحی نشان می دهد. در شکل 19b، کمترین راندمان استفاده از MS با backplane بیش از 73% (تا 84%) بود. راندمان کلی آنتن های MIMO بدون MC و با MC با تفاوت های جزئی در مقایسه با مقادیر شبیه سازی شده تقریباً یکسان است. دلایل این امر تلرانس اندازه گیری و استفاده از فاصله دهنده بین آنتن و بازتابنده MS است. بهره به دست آمده اندازه گیری شده و بازده کلی در کل فرکانس تقریباً مشابه نتایج شبیه سازی است، که نشان می دهد عملکرد نمونه اولیه MIMO پیشنهادی مطابق انتظار است و آنتن MIMO مبتنی بر MS توصیه شده برای ارتباطات 5G مناسب است. به دلیل اشتباهات در مطالعات تجربی، تفاوت‌هایی بین نتایج کلی آزمایش‌های آزمایشگاهی و نتایج شبیه‌سازی وجود دارد. عملکرد نمونه اولیه پیشنهادی تحت تأثیر عدم تطابق امپدانس بین آنتن و کانکتور SMA، تلفات اتصال کابل کواکسیال، اثرات لحیم کاری، و نزدیکی دستگاه های الکترونیکی مختلف به تنظیمات آزمایشی است.
شکل 20 پیشرفت طراحی و بهینه سازی آنتن مذکور را در قالب بلوک دیاگرام شرح می دهد. این بلوک دیاگرام شرح گام به گام اصول طراحی آنتن MIMO پیشنهادی و همچنین پارامترهایی را ارائه می دهد که نقش کلیدی در بهینه سازی آنتن برای دستیابی به بهره بالا و ایزوله بالا در فرکانس کاری گسترده ایفا می کنند.
اندازه‌گیری‌های آنتن MIMO میدان نزدیک در محیط آزمایشی میدان نزدیک SATIMO در آزمایشگاه سیستم‌های میدان نزدیک UKM SATIMO اندازه‌گیری شد. شکل‌های 21a،b الگوهای تشعشعی E-plane و H-plane شبیه‌سازی‌شده و مشاهده‌شده آنتن MIMO ادعا شده با و بدون MS را در فرکانس کاری 5.5 گیگاهرتز نشان می‌دهند. در محدوده فرکانس کاری 5.5 گیگاهرتز، آنتن غیر MS MIMO توسعه‌یافته یک الگوی تابش دو طرفه ثابت با مقادیر لوب جانبی ارائه می‌کند. پس از اعمال بازتابنده MS، آنتن یک الگوی تابش یک طرفه ارائه می دهد و سطح لوب های پشتی را کاهش می دهد، همانطور که در شکل های 21a، b نشان داده شده است. شایان ذکر است که با استفاده از یک متاسطح با یک صفحه پشتی مسی، الگوی آنتن MIMO پیشنهادی پایدارتر و یک طرفه‌تر از بدون MS است، با لوب‌های پشتی و جانبی بسیار کم. بازتابنده آرایه MM پیشنهادی لوب های پشتی و جانبی آنتن را کاهش می دهد و همچنین ویژگی های تابش را با هدایت جریان در یک جهت یک طرفه بهبود می بخشد (شکل 21a، b)، در نتیجه بهره و جهت را افزایش می دهد. الگوی تابش اندازه گیری شده برای پورت 1 با بار 50 اهم متصل به پورت های باقی مانده به دست آمد. مشاهده شد که الگوی تشعشع آزمایشی تقریباً با الگوی شبیه‌سازی شده توسط CST یکسان است، اگرچه برخی انحرافات به دلیل عدم همسویی اجزا، انعکاس از پورت‌های ترمینال و تلفات در اتصالات کابل وجود دارد. علاوه بر این، یک نایلون فاصله بین آنتن و بازتابنده MS قرار داده شد که یکی دیگر از مسائلی است که نتایج مشاهده شده را در مقایسه با نتایج پیش‌بینی‌شده تحت تأثیر قرار می‌دهد.
الگوی تابش آنتن MIMO توسعه یافته (بدون MS و با MS) در فرکانس 5.5 گیگاهرتز شبیه سازی و آزمایش شد.
توجه به این نکته مهم است که جداسازی پورت و ویژگی های مرتبط با آن هنگام ارزیابی عملکرد سیستم های MIMO ضروری است. عملکرد تنوع سیستم MIMO پیشنهادی، از جمله ضریب همبستگی پوششی (ECC) و بهره تنوع (DG)، برای نشان دادن استحکام سیستم آنتن MIMO طراحی‌شده مورد بررسی قرار می‌گیرد. ECC و DG یک ​​آنتن MIMO را می توان برای ارزیابی عملکرد آن استفاده کرد زیرا آنها جنبه های مهم عملکرد یک سیستم MIMO هستند. بخش‌های زیر به جزئیات این ویژگی‌های آنتن MIMO پیشنهادی می‌پردازند.
ضریب همبستگی پاکت (ECC). هنگامی که هر سیستم MIMO را در نظر می گیریم، ECC میزان همبستگی عناصر تشکیل دهنده را با توجه به ویژگی های خاص آنها با یکدیگر تعیین می کند. بنابراین، ECC درجه ایزولاسیون کانال را در یک شبکه ارتباطی بی سیم نشان می دهد. ECC (ضریب همبستگی پاکت) سیستم MIMO توسعه یافته را می توان بر اساس پارامترهای S و انتشار میدان دور تعیین کرد. از معادله (7) و (8) ECC آنتن MIMO پیشنهادی 31 را می توان تعیین کرد.
ضریب بازتاب با Sii و Sij نشان دهنده ضریب انتقال است. الگوهای تابش سه بعدی آنتن‌های j و iام با عبارات \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) و \( داده می‌شوند. \vec {{R_{ i } }} زاویه ثابت با \left( {\theta ,\varphi } \right)\) و \({\Omega }\) نشان داده شده است. منحنی ECC آنتن پیشنهادی در شکل 22a نشان داده شده است و مقدار آن کمتر از 0.004 است که بسیار کمتر از مقدار قابل قبول 0.5 برای یک سیستم بی سیم است. بنابراین، کاهش مقدار ECC به این معنی است که سیستم MIMO 4 پورت پیشنهادی تنوع برتری را ارائه می‌کند.
Diversity Gain (DG) DG یکی دیگر از معیارهای عملکرد سیستم MIMO است که چگونگی تأثیر طرح تنوع بر توان تابشی را توصیف می کند. رابطه (9) DG سیستم آنتن MIMO در حال توسعه را تعیین می کند، همانطور که در 31 توضیح داده شده است.
شکل 22b نمودار DG سیستم MIMO پیشنهادی را نشان می دهد که در آن مقدار DG بسیار نزدیک به 10 دسی بل است. مقادیر DG تمام آنتن های سیستم MIMO طراحی شده از 9.98 دسی بل بیشتر است.
جدول 1 آنتن MIMO فراسطحی پیشنهادی را با سیستم های MIMO مشابه اخیراً توسعه یافته مقایسه می کند. این مقایسه پارامترهای مختلف عملکرد، از جمله پهنای باند، بهره، حداکثر جداسازی، کارایی کلی و عملکرد تنوع را در نظر می‌گیرد. محققان نمونه های اولیه آنتن MIMO مختلفی را با تکنیک های افزایش بهره و جداسازی در 5، 44، 45، 46، 47 ارائه کرده اند. در مقایسه با آثار منتشر شده قبلی، سیستم MIMO پیشنهادی با بازتابنده های فراسطحی از نظر پهنای باند، بهره و ایزوله از آنها بهتر عمل می کند. علاوه بر این، در مقایسه با آنتن‌های مشابه گزارش‌شده، سیستم MIMO توسعه‌یافته عملکرد متنوع و کارایی کلی را در اندازه کوچک‌تر نشان می‌دهد. اگرچه آنتن هایی که در بخش 5.46 توضیح داده شده اند، ایزوله بالاتری نسبت به آنتن های پیشنهادی ما دارند، این آنتن ها از اندازه بزرگ، بهره کم، پهنای باند باریک و عملکرد ضعیف MIMO رنج می برند. آنتن 4 پورت MIMO ارائه شده در 45 بهره و کارایی بالایی را نشان می دهد، اما طراحی آن ایزوله کم، اندازه بزرگ و عملکرد ضعیفی در تنوع دارد. از سوی دیگر، سیستم آنتن با اندازه کوچک پیشنهاد شده در 47 دارای بهره بسیار کم و پهنای باند عملیاتی است، در حالی که سیستم MIMO 4 پورت MS پیشنهادی ما اندازه کوچک، بهره بالا، ایزوله بالا و عملکرد بهتر MIMO را نشان می دهد. بنابراین، آنتن MIMO فراسطحی پیشنهادی می‌تواند به یک رقیب اصلی برای سیستم‌های ارتباطی ۵G زیر ۶ گیگاهرتز تبدیل شود.
یک آنتن MIMO باند پهن مبتنی بر بازتابنده متاسطحی چهار پورت با بهره و ایزوله بالا برای پشتیبانی از برنامه‌های 5G زیر 6 گیگاهرتز پیشنهاد شده است. خط ریز نوار یک بخش تابشی مربعی را تغذیه می کند که توسط یک مربع در گوشه های مورب کوتاه شده است. MS و فرستنده آنتن پیشنهادی بر روی مواد زیرلایه مشابه Rogers RT5880 برای دستیابی به عملکرد عالی در سیستم‌های ارتباطی پرسرعت 5G پیاده‌سازی شده‌اند. آنتن MIMO دارای برد وسیع و بهره بالا است و عایق صدا بین اجزای MIMO و کارایی عالی را فراهم می کند. تک آنتن توسعه یافته دارای ابعاد مینیاتوری 0.58?0.58?0.02? با یک آرایه فراسطحی 5×5، پهنای باند عملیاتی گسترده 4.56 گیگاهرتز، پیک بهره 8 دسی‌بی و راندمان اندازه‌گیری شده عالی را فراهم می‌کند. آنتن MIMO چهار پورت پیشنهادی (آرایه 2×2) با تراز کردن متعامد هر آنتن منفرد پیشنهادی با آنتن دیگری با ابعاد 1.05λ × 1.05λ × 0.02λ طراحی شده است. توصیه می شود یک آرایه 10×10 میلی متری را در زیر یک آنتن MIMO با ارتفاع 12 میلی متر مونتاژ کنید، که می تواند تابش برگشتی را کاهش دهد و اتصال متقابل بین اجزای MIMO را کاهش دهد، در نتیجه بهره و ایزوله را بهبود بخشد. نتایج تجربی و شبیه‌سازی نشان می‌دهد که نمونه اولیه MIMO توسعه‌یافته می‌تواند در محدوده فرکانس وسیعی از ۳.۰۸ تا ۷.۷۵ گیگاهرتز کار کند و طیف ۵G زیر ۶ گیگاهرتز را پوشش دهد. علاوه بر این، آنتن MIMO مبتنی بر MS، بهره خود را 2.9 دسی‌بی‌ای بهبود می‌بخشد و به حداکثر بهره 8.3 دسی‌بی دست می‌یابد، و ایزوله عالی (> 15.5 دسی‌بل) بین اجزای MIMO ارائه می‌کند و سهم MS را تأیید می‌کند. علاوه بر این، آنتن MIMO پیشنهادی دارای میانگین بازده کلی بالای 82 درصد و فاصله بین عناصر کم 22 میلی متر است. آنتن عملکرد بسیار خوبی در تنوع MIMO از جمله DG بسیار بالا (بیش از 9.98 دسی بل)، ECC بسیار پایین (کمتر از 0.004) و الگوی تابش یک طرفه را نشان می دهد. نتایج اندازه گیری بسیار شبیه به نتایج شبیه سازی است. این ویژگی ها تایید می کند که سیستم آنتن چهار پورت MIMO توسعه یافته می تواند یک انتخاب مناسب برای سیستم های ارتباطی 5G در محدوده فرکانس زیر 6 گیگاهرتز باشد.
Cowin می تواند آنتن PCB پهن باند 400-6000 مگاهرتز را ارائه دهد و از طراحی آنتن جدید مطابق با نیاز شما پشتیبانی کند، لطفاً در صورت داشتن هر گونه درخواست، بدون تردید با ما تماس بگیرید.