חדשות-באנר

חֲדָשׁוֹת

שימוש במטא-משטחים כדי לשפר רווח ובידוד של אנטנות PCB רחבות פס עבור מערכות תקשורת 5G תת-6 GHz

אנטנת PCB רחב פס (1)

עבודה זו מציעה אנטנה קומפקטית משולבת מרובה כניסות מרובות פלט (MIMO) metasurface (MS) רחב פס עבור מערכות תקשורת אלחוטיות מהדור החמישי (5G) מתחת ל-6 GHz. החידוש הברור של מערכת ה-MIMO המוצעת הוא רוחב הפס התפעולי הרחב, ההגברה הגבוהה, המרווחים הבין-רכיביים הקטנים והבידוד המצוין בתוך רכיבי ה-MIMO. נקודת הקרינה של האנטנה קטועה באלכסון, מקורקעת חלקית, ומשטחי מטא משמשים לשיפור ביצועי האנטנה. לאנטנת MS יחידה המשולבת המוצעת יש ממדים מיניאטוריים של 0.58λ × 0.58λ × 0.02λ. תוצאות סימולציה ומדידה מדגימות ביצועי פס רחב מ-3.11 גיגה-הרץ עד 7.67 גיגה-הרץ, כולל הרווח הגבוה ביותר שהושג של 8 dBi. מערכת MIMO בעלת ארבעת האלמנטים תוכננה כך שכל אנטנה אורתוגונלית זו לזו תוך שמירה על גודל קומפקטי וביצועי פס רחב מ-3.2 עד 7.6 גיגה-הרץ. אב הטיפוס המוצע של MIMO תוכנן ומיוצר על מצע Rogers RT5880 עם אובדן נמוך וממדים ממוזערים של 1.05? 1.05? 0.02?, והביצועים שלו מוערכים באמצעות מערך התהודה של הטבעת הסגורה המוצעת עם טבעת מפוצלת בגודל 10 על 10. החומר הבסיסי זהה. ה-metasurface של המטוס האחורי המוצע מפחית משמעותית את קרינת האנטנה האחורית ומתמרן שדות אלקטרומגנטיים, ובכך משפר את רוחב הפס, הרווח והבידוד של רכיבי MIMO. בהשוואה לאנטנות MIMO קיימות, אנטנת MIMO המוצעת בעלת 4 יציאות משיגה רווח גבוה של 8.3 dBi עם יעילות כוללת ממוצעת של עד 82% בפס 5G תת-6 GHz והיא תואמת היטב את התוצאות הנמדדות. יתרה מכך, אנטנת MIMO שפותחה מציגה ביצועים מצוינים במונחים של מקדם מתאם מעטפת (ECC) של פחות מ-0.004, רווח גיוון (DG) של כ-10 dB (>9.98 dB) ובידוד גבוה בין רכיבי MIMO (>15.5 dB). מאפיינים. לפיכך, אנטנת MIMO המוצעת מבוססת MS מאשרת את ישימותה עבור רשתות תקשורת תת-6 GHz 5G.
טכנולוגיית 5G היא התקדמות מדהימה בתקשורת אלחוטית שתאפשר רשתות מהירות ומאובטחות יותר למיליארדי מכשירים מחוברים, תספק חוויות משתמש עם חביון "אפס" (השהייה של פחות מ-1 אלפית שנייה), ותציג טכנולוגיות חדשות, כולל אלקטרוניקה. טיפול רפואי, חינוך אינטלקטואלי. , ערים חכמות, בתים חכמים, מציאות מדומה (VR), מפעלים חכמים ואינטרנט של כלי רכב (IoV) משנים את חיינו, החברה והתעשיות שלנו1,2,3. נציבות התקשורת הפדרלית של ארה"ב (FCC) מחלקת את ספקטרום ה-5G לארבעה פסי תדר4. פס התדרים מתחת ל-6 גיגה-הרץ מעניין את החוקרים מכיוון שהוא מאפשר תקשורת למרחקים ארוכים עם קצבי נתונים גבוהים5,6. הקצאת ספקטרום תת-6 גיגה-הרץ 5G לתקשורת 5G גלובלית מוצגת באיור 1, מה שמצביע על כך שכל המדינות שוקלות ספקטרום תת-6 גיגה-הרץ עבור תקשורת 5G7,8. אנטנות הן חלק חשוב מרשתות 5G וידרשו יותר אנטנות של תחנות בסיס ומסוף משתמש.
לאנטנות Microstrip יש את היתרונות של דק ומבנה שטוח, אך הן מוגבלות ברוחב הפס והרווח9,10, כך שנעשה מחקר רב כדי להגדיל את הרווח ורוחב הפס של האנטנה; בשנים האחרונות נעשה שימוש נרחב במטא-סורפייס (MS) בטכנולוגיות אנטנות, במיוחד לשיפור הרווח והתפוקה11,12, אולם אנטנות אלו מוגבלות ליציאה בודדת; טכנולוגיית MIMO היא היבט חשוב של תקשורת אלחוטית מכיוון שהיא יכולה להשתמש במספר אנטנות בו-זמנית כדי להעביר נתונים, ובכך לשפר את קצבי הנתונים, היעילות הספקטרלית, קיבולת הערוצים והאמינות13,14,15. אנטנות MIMO הן מועמדות פוטנציאליות ליישומי 5G מכיוון שהן יכולות לשדר ולקבל נתונים על פני ערוצים מרובים מבלי לדרוש כוח נוסף16,17. אפקט הצימוד ההדדי בין רכיבי MIMO תלוי במיקום רכיבי ה-MIMO וברווח של אנטנת ה-MIMO, המהווה אתגר מרכזי לחוקרים. איורים 18, 19 ו-20 מציגים אנטנות MIMO שונות הפועלות בפס 5G תת-6 GHz, כולן מדגימות בידוד וביצועים טובים של MIMO. עם זאת, הרווח ורוחב הפס התפעולי של המערכות המוצעות הללו נמוכים.
מטא-חומרים (MMs) הם חומרים חדשים שאינם קיימים בטבע ויכולים לתמרן גלים אלקטרומגנטיים, ובכך לשפר את הביצועים של אנטנות21,22,23,24. MM נמצא כעת בשימוש נרחב בטכנולוגיית אנטנות כדי לשפר את דפוס הקרינה, רוחב הפס, הרווח והבידוד בין רכיבי אנטנה ומערכות תקשורת אלחוטיות, כפי שנדון ב-25, 26, 27, 28. בשנת 2029, מערכת MIMO בת ארבעה אלמנטים המבוססת על metasurface, שבו קטע האנטנה כרוך בין המטא-surface לקרקע ללא פער אוויר, מה שמשפר את ביצועי MIMO. עם זאת, לעיצוב זה יש גודל גדול יותר, תדירות פעולה נמוכה יותר ומבנה מורכב. מרווח פס אלקטרומגנטי (EBG) ולולאת הארקה כלולים באנטנת MIMO רחבת הפס המוצעת עם 2 יציאות כדי לשפר את הבידוד של רכיבי MIMO30. לאנטנה המעוצבת יש ביצועי גיוון MIMO טובים ובידוד מצוין בין שתי אנטנות MIMO, אך באמצעות שני רכיבי MIMO בלבד, הרווח יהיה נמוך. בנוסף, in31 הציעה גם אנטנת MIMO בעלת יציאות כפולות במיוחד (UWB) וחקרה את ביצועי ה-MIMO שלה באמצעות מטא-חומרים. למרות שאנטנה זו מסוגלת לפעול UWB, ההגבר שלה נמוך והבידוד בין שתי האנטנות גרוע. העבודה in32 מציעה מערכת MIMO עם 2 יציאות המשתמשת במחזירי פס אלקטרומגנטיים (EBG) כדי להגדיל את הרווח. למרות שלמערך האנטנות המפותח יש רווח גבוה וביצועי גיוון MIMO טובים, גודלו הגדול מקשה על היישום במכשירי תקשורת מהדור הבא. אנטנת פס רחב נוספת מבוססת רפלקטור פותחה ב-33, כאשר הרפלקטור שולב מתחת לאנטנה עם מרווח גדול יותר של 22 מ"מ, והציגה רווח שיא נמוך יותר של 4.87 dB. נייר 34 מתכננת אנטנת MIMO עם ארבע יציאות עבור יישומי mmWave, המשולבת בשכבת MS כדי לשפר את הבידוד והרווח של מערכת MIMO. עם זאת, אנטנה זו מספקת רווח ובידוד טובים, אך בעלת רוחב פס מוגבל ומאפיינים מכניים גרועים בשל מרווח האוויר הגדול. באופן דומה, בשנת 2015 פותחה אנטנת MIMO בעלת שלושה זוגות ו-4 יציאות בצורת עניבת פרפר המשולבת במטה-שטח לתקשורת mmWave עם רווח מקסימלי של 7.4 dBi. B36 MS משמש בצד האחורי של אנטנת 5G כדי להגדיל את רווח האנטנה, כאשר משטח המטא פועל כמשקף. עם זאת, מבנה הטרשת הנפוצה אינו סימטרי ופחות תשומת לב ניתנה למבנה התא היחידה.
לפי תוצאות הניתוח לעיל, לאף אחת מהאנטנות הנ"ל אין רווח גבוה, בידוד מצוין, ביצועי MIMO וכיסוי רחב. לכן, עדיין יש צורך באנטנת MIMO מ-משטחית שיכולה לכסות טווח רחב של תדרי ספקטרום 5G מתחת ל-6 GHz עם רווח ובידוד גבוהים. בהתחשב במגבלות הספרות המוזכרת לעיל, מוצעת מערכת אנטנת MIMO רחבת פס עם ארבעה אלמנטים עם רווח גבוה וביצועי גיוון מצוינים עבור מערכות תקשורת אלחוטיות מתחת ל-6 GHz. בנוסף, אנטנת MIMO המוצעת מציגה בידוד מצוין בין רכיבי MIMO, פערי אלמנטים קטנים ויעילות קרינה גבוהה. תיקון האנטנה נחתך באלכסון וממוקם על גבי משטח המטא עם מרווח אוויר של 12 מ"מ, המשקף קרינה אחורית מהאנטנה ומשפר את ההגברה והכיווניות של האנטנה. בנוסף, האנטנה היחידה המוצעת משמשת ליצירת אנטנת MIMO בעלת ארבעה אלמנטים עם ביצועי MIMO מעולים על ידי מיקום כל אנטנה אורתוגונלית זו לזו. לאחר מכן שולבה אנטנת MIMO שפותחה על גבי מערך 10 × 10 MS עם משטח אחורי נחושת כדי לשפר את ביצועי הפליטה. העיצוב כולל טווח פעולה רחב (3.08-7.75 גיגה-הרץ), רווח גבוה של 8.3 dBi ויעילות כללית ממוצעת גבוהה של 82%, כמו גם בידוד מעולה של יותר מ-15.5 dB בין רכיבי אנטנת MIMO. אנטנת MIMO שפותחה המבוססת על MS בוצעה הדמיה באמצעות חבילת תוכנה אלקטרומגנטית תלת מימדית CST Studio 2019 ואומתה באמצעות מחקרים ניסיוניים.
חלק זה מספק מבוא מפורט לארכיטקטורה המוצעת ומתודולוגיית עיצוב אנטנה אחת. בנוסף, התוצאות המדומות והנצפות נדונות בפירוט, כולל פיזור פרמטרים, רווח ויעילות כללית עם ובלי משטחים. אנטנת אב הטיפוס פותחה על מצע דיאלקטרי של Rogers 5880 עם אובדן נמוך בעובי של 1.575 מ"מ עם קבוע דיאלקטרי של 2.2. כדי לפתח ולדמות את העיצוב, נעשה שימוש בחבילת הסימולטור האלקטרומגנטי CST studio 2019.
איור 2 מציג את מודל הארכיטקטורה והעיצוב המוצעים של אנטנה בעלת אלמנט יחיד. על פי משוואות מתמטיות מבוססות37, האנטנה מורכבת מנקודה מקרינה מרובעת מוזנת באופן ליניארי ומישור הארקה נחושת (כמתואר בשלב 1) ומהדהדת ברוחב פס צר מאוד ב-10.8 גיגה-הרץ, כפי שמוצג באיור 3ב. הגודל הראשוני של רדיאטור האנטנה נקבע על ידי הקשר המתמטי הבא37:
כאשר \(P_{L}\) ו-\(P_{w}\) הם האורך והרוחב של התיקון, c מייצגת את מהירות האור, \(\gamma_{r}\) הוא הקבוע הדיאלקטרי של המצע . , \(\gamma_{reff }\) מייצג את הערך הדיאלקטרי האפקטיבי של כתם הקרינה, \(\Delta L\) מייצג את השינוי באורך הנקודה. המטוס האחורי של האנטנה עבר אופטימיזציה בשלב השני, והגדיל את רוחב הפס של העכבה למרות רוחב הפס העכבה הנמוך מאוד של 10 dB. בשלב השלישי, מיקום המזין מועבר ימינה, מה שמשפר את רוחב הפס של העכבה והתאמת העכבה של האנטנה המוצעת38. בשלב זה, האנטנה מפגינה רוחב פס הפעלה מצוין של 4 גיגה-הרץ וגם מכסה את הספקטרום מתחת ל-6 גיגה-הרץ ב-5G. השלב הרביעי והאחרון כולל תחריט חריצים מרובעים בפינות הפוכות של כתם הקרינה. חריץ זה מרחיב משמעותית את רוחב הפס של 4.56 גיגה-הרץ כדי לכסות ספקטרום תת-6 גיגה-הרץ 5G מ-3.11 גיגה-הרץ ל-7.67 גיגה-הרץ, כפי שמוצג באיור 3ב. תצוגות פרספקטיבה קדמיות ותחתונות של העיצוב המוצע מוצגות באיור 3a, ופרמטרי התכנון הדרושים האופטימליים הסופיים הם כדלקמן: SL = 40 מ"מ, Pw = 18 מ"מ, PL = 18 מ"מ, gL = 12 מ"מ, fL = 11. מ"מ, fW = 4.7 מ"מ, c1 = 2 מ"מ, c2 = 9.65 מ"מ, c3 = 1.65 מ"מ.
(א) מבט מלמעלה ומאחור של האנטנה היחידה המעוצבת (CST STUDIO SUITE 2019). (ב) עקומת פרמטר S.
Metasurface הוא מונח המתייחס למערך תקופתי של תאי יחידה הממוקמים במרחק מסוים זה מזה. משטחי מטה הם דרך יעילה לשיפור ביצועי קרינת האנטנה, כולל רוחב פס, רווח ובידוד בין רכיבי MIMO. בשל השפעת התפשטות גל פני השטח, משטחי מטה מייצרים תהודה נוספת התורמים לשיפור ביצועי האנטנה39. עבודה זו מציעה יחידת מטא-חומר שלילי אפסילון (MM) הפועלת בפס 5G מתחת ל-6 GHz. ה-MM עם שטח פנים של 8 מ"מ × 8 מ"מ פותח על מצע של Rogers 5880 עם אובדן נמוך עם קבוע דיאלקטרי של 2.2 ועובי של 1.575 מ"מ. תיקון התהודה MM המותאם מורכב מטבעת מפוצלת עגולה פנימית המחוברת לשתי טבעות מפוצלות חיצוניות שונה, כפי שמוצג באיור 4a. איור 4a מסכם את הפרמטרים הממוטבים הסופיים של הגדרת ה-MM המוצעת. לאחר מכן פותחו שכבות מטה-שטח של 40 × 40 מ"מ ו-80 × 80 מ"מ ללא משטח אחורי נחושת ועם משטח אחורי נחושת באמצעות מערכי תאים של 5 × 5 ו-10 × 10, בהתאמה. מבנה ה-MM המוצע עוצב באמצעות תוכנת מידול אלקטרומגנטי תלת מימד "CST studio suite 2019". אב טיפוס מפוברק של מבנה מערך ה-MM המוצע והגדרת המדידה (מנתח רשת כפולה PNA ויציאת מוליך גל) מוצג באיור 4b כדי לאמת את תוצאות הדמיית CST על ידי ניתוח התגובה בפועל. מערך המדידה השתמש בנתח רשת מסדרת Agilent PNA בשילוב עם שני מתאמי קואקסיאליים של מולי גל (A-INFOMW, מספר חלק: 187WCAS) כדי לשלוח ולקבל אותות. אב טיפוס של מערך 5×5 הוצב בין שני מתאמים קואקסיאליים של מולי גל המחוברים בכבל קואקסיאלי לנתח רשת דו-יציאות (Agilent PNA N5227A). ערכת הכיול Agilent N4694-60001 משמשת לכיול מנתח הרשת במפעל פיילוט. פרמטרי הפיזור המדומים וה-CST שנצפו של מערך האב-טיפוס המוצע של MM מוצגים באיור 5a. ניתן לראות שמבנה ה-MM המוצע מהדהד בטווח התדרים של 5G מתחת ל-6 GHz. למרות ההבדל הקטן ברוחב הפס של 10 dB, התוצאות המדומות והניסיוניות דומות מאוד. תדר התהודה, רוחב הפס והמשרעת של התהודה הנצפית שונים במקצת מאלה המדומים, כפי שמוצג באיור 5a. הבדלים אלו בין תוצאות נצפו לתוצאות מדומה נובעים מפגמים בייצור, מרווחים קטנים בין אב הטיפוס ליציאות מוליך הגל, השפעות צימוד בין יציאות מוליך הגל ורכיבי המערך וסובלנות מדידה. בנוסף, מיקום נכון של אב הטיפוס שפותח בין יציאות מוליך הגל במערך הניסוי עשוי לגרום לשינוי תהודה. בנוסף, נצפה רעש לא רצוי בשלב הכיול, מה שהוביל לאי התאמה בין התוצאות המספריות והמדודות. עם זאת, מלבד הקשיים הללו, אב הטיפוס המוצע של מערך MM מתפקד היטב בשל המתאם החזק בין סימולציה לניסוי, מה שהופך אותו למתאים היטב ליישומי תקשורת אלחוטית 5G מתחת ל-6 GHz.
(א) גיאומטריית תא יחידה (S1 = 8 מ"מ, S2 = 7 מ"מ, S3 = 5 מ"מ, f1, f2, f4 = 0.5 מ"מ, f3 = 0.75 מ"מ, h1 = 0.5 מ"מ, h2 = 1 .75 מ"מ) (CST STUDIO SUITE) ) 2019) (ב) תמונה של מערך המדידה של MM.
(א) סימולציה ואימות של עקומות פרמטר הפיזור של אב הטיפוס המטא-חומרי. (ב) עקומת קבוע דיאלקטרי של תא יחידת MM.
פרמטרים אפקטיביים רלוונטיים כגון קבוע דיאלקטרי אפקטיבי, חדירות מגנטית ואינדקס השבירה נחקרו תוך שימוש בטכניקות שלאחר עיבוד מובנות של הסימולטור האלקטרומגנטי CST כדי לנתח עוד יותר את ההתנהגות של תא יחידת MM. פרמטרי ה-MM היעילים מתקבלים מפרמטרי הפיזור באמצעות שיטת שחזור חזקה. ניתן להשתמש במשוואות השידור וההשתקפות הבאות: (3) ו-(4) כדי לקבוע את מקדם השבירה והעכבה (ראה 40).
החלק הממשי והדמיוני של האופרטור מיוצגים על ידי (.)' ו-(.)" בהתאמה, והערך השלם m מתאים לאינדקס השבירה האמיתי. הקבוע הדיאלקטרי והחדירות נקבעים על ידי הנוסחאות \(\varepsilon { } = { }n/z,\) ו-\(\mu = nz\), המבוססות על עכבה ואינדקס השבירה, בהתאמה. עקומת הקבוע הדיאלקטרי האפקטיבי של מבנה MM מוצג באיור 5b. בתדר התהודה, הקבוע הדיאלקטרי האפקטיבי הוא שלילי. איורים 6a,b מציגים את הערכים שחולצו של חדירות אפקטיבית (μ) ואינדקס השבירה האפקטיבי (n) של תא היחידה המוצעת. יש לציין שהחדירויות שחולצו מציגות ערכים אמיתיים חיוביים קרובים לאפס, מה שמאשר את המאפיינים האפסילונים השליליים (ENG) של מבנה ה-MM המוצע. יתר על כן, כפי שמוצג באיור 6a, התהודה בחדירות הקרובה לאפס קשורה מאוד לתדר התהודה. לתא היחידה שפותחה יש אינדקס שבירה שלילי (איור 6b), מה שאומר שניתן להשתמש ב-MM המוצע לשיפור ביצועי האנטנה21,41.
אב הטיפוס שפותח של אנטנה יחידה בפס רחב יוצר כדי לבדוק ניסיוני את התכנון המוצע. איורים 7a,b מציגים תמונות של אב-טיפוס האנטנה הבודדת המוצעת, חלקיה המבניים ומערך המדידה של השדה הקרוב (SATIMO). כדי לשפר את ביצועי האנטנה, משטח המטא שפותח ממוקם בשכבות מתחת לאנטנה, כפי שמוצג באיור 8a, עם גובה h. משטח מטה-שכבתי יחיד בגודל 40 מ"מ x 40 מ"מ הוחל על החלק האחורי של האנטנה היחידה במרווחים של 12 מ"מ. בנוסף, משטח עם משטח אחורי ממוקם בצד האחורי של האנטנה הבודדת במרחק של 12 מ"מ. לאחר החלת המטא-שטח, האנטנה הבודדת מראה שיפור משמעותי בביצועים, כפי שמוצג באיורים 1 ו-2. איורים 8 ו-9. איור 8b מציג את מגרשי ההחזר המדומים והמדודים עבור האנטנה הבודדת ללא ועם מטא-משטחים. ראוי לציין שרצועת הכיסוי של אנטנה עם משטח דומה מאוד לפס הכיסוי של אנטנה ללא משטח. איורים 9a,b מציגים השוואה בין ההגברה המדומה והנצפית של האנטנה היחידה והיעילות הכוללת ללא ועם MS בספקטרום ההפעלה. ניתן לראות שבהשוואה לאנטנה שאינה משטחית, הרווח של האנטנה המט-משטחית משתפר משמעותית, ועולה מ-5.15 dBi ל-8 dBi. הרווח של מטא-שטח חד-שכבתי, מטא-שכבתי דו-שכבתי ואנטנה בודדת עם מטא-משטח אחורי גדל ב-6 dBi, 6.9 dBi ו-8 dBi, בהתאמה. בהשוואה למטא-משטחים אחרים (MCs חד-שכבתי וכפול-שכבתי), הרווח של אנטנה משטחית יחידה עם משטח אחורי נחושת הוא עד 8 dBi. במקרה זה, המטא-משטח פועל כמשקף, מפחית את הקרינה האחורית של האנטנה ומתמרן את הגלים האלקטרומגנטיים בפאזה, ובכך מגדיל את יעילות הקרינה של האנטנה ומכאן את הרווח. מחקר של היעילות הכוללת של אנטנה בודדת ללא ועם מטא-משטחים מוצג באיור 9b. ראוי לציין כי היעילות של אנטנה עם ובלי משטח מטה כמעט זהה. בטווח התדרים התחתון, יעילות האנטנה יורדת מעט. עקומות הרווח והיעילות הניסיוניות והמדומה מתאימות היטב. עם זאת, ישנם הבדלים קלים בין התוצאות המדומות והנבדקות עקב פגמי ייצור, סובלנות מדידה, אובדן חיבור יציאת SMA ואובדן חוט. בנוסף, האנטנה ורפלקטור ה-MS ממוקמים בין מרווחי הניילון, וזו בעיה נוספת שמשפיעה על התוצאות הנצפות בהשוואה לתוצאות הסימולציה.
איור (א) מציג את האנטנה היחידה שהושלמה והרכיבים המשויכים לה. (ב) הגדרת מדידת שדה קרוב (SATIMO).
(א) עירור אנטנה באמצעות מחזירי מטא-שטח (CST STUDIO SUITE 2019). (ב) החזרות מדומה וניסיונית של אנטנה בודדת ללא ועם MS.
תוצאות סימולציה ומדידה של (א) הרווח שהושג ו-(ב) היעילות הכוללת של אנטנת אפקט המטא-שטח המוצעת.
ניתוח דפוסי קרן באמצעות MS. מדידות שדה סמוך של אנטנה בודדת בוצעו בסביבת הניסוי SATIMO Near-Field של מעבדת המערכות הקרובות של UKM SATIMO. איורים 10a, b מציגים את דפוסי הקרינה המדומים והנצפים במישור E ו-H ב-5.5 GHz עבור האנטנה היחידה המוצעת עם ובלי MS. האנטנה הבודדת שפותחה (ללא MS) מספקת דפוס קרינה דו-כיווני עקבי עם ערכי אונה צדדית. לאחר החלת רפלקטור MS המוצע, האנטנה מספקת דפוס קרינה חד-כיווני ומפחיתה את רמת האונות האחוריות, כפי שמוצג באיורים 10a, ב. ראוי לציין שתבנית הקרינה של האנטנה הבודדת המוצעת היא יותר יציבה וחד כיוונית עם אונות גב וצד נמוכות מאוד בעת שימוש במטא-שטח עם משטח אחורי נחושת. רפלקטור מערך ה-MM המוצע מפחית את האונות האחוריות והצדדיות של האנטנה תוך שיפור ביצועי הקרינה על ידי הפניית הזרם לכיוונים חד-כיווניים (איור 10a, ב), ובכך להגדיל את ההגבר והכיווניות. נצפה כי דפוס הקרינה הניסוי היה כמעט דומה לזה של סימולציות CST, אך השתנה מעט עקב חוסר יישור של הרכיבים המורכבים השונים, סובלנות מדידה והפסדי כבלים. בנוסף, הוכנס מרווח ניילון בין האנטנה לרפלקטור MS, וזו בעיה נוספת המשפיעה על התוצאות שנצפו בהשוואה לתוצאות המספריות.
דפוס הקרינה של האנטנה הבודדת שפותחה (ללא MS ועם MS) בתדר של 5.5 GHz נדמה ונבדק.
גיאומטריית אנטנת MIMO המוצעת מוצגת באיור 11 וכוללת ארבע אנטנות בודדות. ארבעת הרכיבים של אנטנת MIMO מסודרים אורתוגונלית זה לזה על מצע במידות 80 × 80 × 1.575 מ"מ, כפי שמוצג באיור 11. לאנטנת MIMO המעוצבת יש מרחק בין אלמנטים של 22 מ"מ, שהוא קטן מה המרחק הבין-אלמנטי הקרוב ביותר של האנטנה. אנטנת MIMO פותחה. בנוסף, חלק ממישור ההארקה ממוקם באותו אופן כמו אנטנה בודדת. ערכי ההחזר של אנטנות MIMO (S11, S22, S33 ו-S44) המוצגים באיור 12a מציגים את אותה התנהגות כמו אנטנה בעלת אלמנט בודד המהדהדת בפס 3.2-7.6 GHz. לכן, רוחב הפס העכבה של אנטנת MIMO זהה לחלוטין לזה של אנטנה בודדת. אפקט הצימוד בין רכיבי MIMO הוא הסיבה העיקרית לאובדן רוחב הפס הקטן של אנטנות MIMO. איור 12b מציג את ההשפעה של חיבור הדדי על רכיבי MIMO, כאשר הבידוד האופטימלי בין רכיבי MIMO נקבע. הבידוד בין אנטנות 1 ו-2 הוא הנמוך ביותר, בערך -13.6 dB, והבידוד בין אנטנות 1 ו-4 הוא הגבוה ביותר, בערך -30.4 dB. בשל גודלה הקטן ורוחב הפס הרחב יותר, לאנטנת MIMO זו יש רווח נמוך יותר ותפוקה נמוכה יותר. הבידוד נמוך, ולכן נדרשים חיזוק ובידוד מוגברים;
מנגנון עיצוב של אנטנת MIMO המוצעת (א) מבט מלמעלה ו-(ב) מישור הארקה. (CST Studio Suite 2019).
הסידור הגיאומטרי ושיטת העירור של אנטנת ה-MIMO המוצעת של מטא-שטח מוצגים באיור 13a. מטריצה ​​בגודל 10x10 מ"מ עם ממדים של 80x80x1.575 מ"מ מיועדת לצד האחורי של אנטנת MIMO בגובה 12 מ"מ, כפי שמוצג באיור 13א. בנוסף, משטחים עם משטחי נחושת נועדו לשימוש באנטנות MIMO כדי לשפר את הביצועים שלהם. המרחק בין המטא-שטח לאנטנת ה-MIMO הוא קריטי להשגת רווח גבוה תוך מתן הפרעות בונה בין הגלים שנוצרים על ידי האנטנה לאלו המוחזרים מהמטא-משטח. מודלים נרחבים בוצעו כדי לייעל את הגובה בין האנטנה למשטח תוך שמירה על סטנדרטים של רבע גל עבור רווח ובידוד מקסימלי בין רכיבי MIMO. השיפורים המשמעותיים בביצועי אנטנת MIMO שהושגו על ידי שימוש במטא-שטחים עם משטחים אחוריים בהשוואה למטא-משטחים ללא משטחים אחוריים יודגמו בפרקים הבאים.
(א) הגדרת הדמיית CST של אנטנת MIMO המוצעת באמצעות MS (CST STUDIO SUITE 2019), (ב) עקומות השתקפות של מערכת MIMO שפותחה ללא MS ועם MS.
ההחזרים של אנטנות MIMO עם ובלי משטחי משטח מוצגים באיור 13b, שבו S11 ו-S44 מוצגים בשל ההתנהגות הכמעט זהה של כל האנטנות במערכת MIMO. ראוי לציין שרוחב הפס של עכבת 10dB של אנטנת MIMO ללא ועם מטא-משטח בודד הוא כמעט זהה. לעומת זאת, רוחב הפס העכבה של אנטנת ה-MIMO המוצעת משופר על ידי MS דו-שכבתי ו-Backplane MS. ראוי לציין שללא MS, אנטנת MIMO מספקת רוחב פס חלקי של 81.5% (3.2-7.6 GHz) ביחס לתדר המרכזי. שילוב ה-MS עם המטוס האחורי מגדיל את רוחב הפס העכבה של אנטנת ה-MIMO המוצעת ל-86.3% (3.08–7.75 GHz). למרות ש-MS דו-שכבתי מגדיל את התפוקה, השיפור קטן מזה של MS עם משטח אחורי נחושת. יתר על כן, MC דו-שכבתי מגדיל את גודל האנטנה, מגדיל את העלות שלה ומגביל את הטווח שלה. אנטנת MIMO המעוצבת ורפלקטור מטא-שטח מיוצרים ומאומתים כדי לאמת את תוצאות הסימולציה ולהעריך את הביצועים בפועל. איור 14a מציג את שכבת MS המיוצרים ואנטנת MIMO עם רכיבים שונים מורכבים, בעוד שאיור 14b מציג תצלום של מערכת MIMO שפותחה. אנטנת ה-MIMO מותקנת על גבי המטא-שטח באמצעות ארבעה מרווחי ניילון, כפי שמוצג באיור 14b. איור 15a מציג תמונת מצב של מערך הניסוי בשדה הקרוב של מערכת האנטנות MIMO שפותחה. מנתח רשת PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) שימש להערכת פרמטרי פיזור וכדי להעריך ולאפיין מאפייני פליטת שדה קרוב במעבדת UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory.
(א) תמונות של מדידות שדה קרוב של SATIMO (ב) עקומות מדומה וניסיוני של אנטנת S11 MIMO עם ובלי MS.
חלק זה מציג מחקר השוואתי של פרמטרי ה-S המדומים והנצפים של אנטנת ה-5G MIMO המוצעת. איור 15b מציג את עלילת ההחזר הניסויית של אנטנת MIMO MS המשולבת 4 אלמנטים ומשווה אותה עם תוצאות הדמיית CST. החזרי הניסוי נמצאו זהים לחישובי ה-CST, אך היו מעט שונים עקב פגמי ייצור וסובלנות ניסויית. בנוסף, ההחזר הנצפית של אב הטיפוס המוצע של MIMO מבוסס MS מכסה את ספקטרום ה-5G מתחת ל-6 GHz עם רוחב פס עכבה של 4.8 GHz, מה שאומר שיישומי 5G אפשריים. עם זאת, תדר התהודה, רוחב הפס והמשרעת הנמדדים שונים מעט מתוצאות הדמיית CST. פגמי ייצור, הפסדי צימוד משדל ל-SMA והגדרות מדידה חיצוניות עלולים לגרום להבדלים בין תוצאות מדודות לתוצאות מדומה. עם זאת, למרות החסרונות הללו, ה-MIMO המוצע מתפקד היטב, מספק הסכמה חזקה בין סימולציות ומדידות, מה שהופך אותו למתאים היטב ליישומים אלחוטיים מתחת ל-6 GHz 5G.
עקומות הרווח של אנטנת MIMO המדומות והנצפות מוצגות באיורים 2 ו-2. כפי שמוצג באיורים 16a,b ו-17a,b, בהתאמה, מוצגת האינטראקציה ההדדית של רכיבי MIMO. כאשר משטחים מטה מוחלים על אנטנות MIMO, הבידוד בין אנטנות MIMO משתפר משמעותית. עלילות הבידוד בין רכיבי האנטנה הסמוכים S12, S14, S23 ו-S34 מציגות עקומות דומות, בעוד שאנטנות MIMO האלכסוניות S13 ו-S42 מציגות בידוד גבוה באופן דומה בגלל המרחק הגדול ביניהן. מאפייני השידור המדומים של אנטנות סמוכות מוצגים באיור 16א. ראוי לציין כי בספקטרום ההפעלה של 5G מתחת ל-6 GHz, הבידוד המינימלי של אנטנת MIMO ללא משטח הוא -13.6 dB, ועבור משטח עם משטח אחורי - 15.5 dB. עלילת הרווח (איור 16a) מראה שמשטח המטא-משטח האחורי משפר באופן משמעותי את הבידוד בין רכיבי אנטנת MIMO בהשוואה למשטחי מטא-שכבה חד-כפולה. ברכיבי אנטנה סמוכים, משטחי מטא-שכבה חד-ודו-שכבתיים מספקים בידוד מינימלי של כ-13.68 dB ו-14.78 dB, והמשטח האחורי הנחושת מספק כ-15.5 dB.
עקומות בידוד מדומה של רכיבי MIMO ללא שכבת MS ועם שכבת MS: (א) S12, S14, S34 ו-S32 ו-(ב) S13 ו-S24.
עקומות רווח ניסיוני של אנטנות MIMO המוצעות מבוססות MS ללא ועם: (א) S12, S14, S34 ו-S32 ו-(ב) S13 ו-S24.
עלילות ההגברה של האנטנה האלכסונית של MIMO לפני ואחרי הוספת שכבת MS מוצגות באיור 16b. ראוי לציין כי הבידוד המינימלי בין אנטנות אלכסוניות ללא משטח מטה (אנטנות 1 ו-3) הוא - 15.6 dB על פני ספקטרום ההפעלה, ומטה משטח עם משטח אחורי הוא - 18 dB. גישת המטא-שטח מפחיתה באופן משמעותי את השפעות הצימוד בין אנטנות MIMO אלכסוניות. הבידוד המקסימלי למשטח חד-שכבתי הוא -37 dB, בעוד שלמשטח מטא-שכבתי ערך זה יורד ל-47 dB. הבידוד המרבי של המטא-שטח עם משטח אחורי נחושת הוא −36.2 dB, אשר יורד עם טווח התדרים הגובר. בהשוואה למשטחי מטא-שכבה חד ודו-שכבתיים ללא משטח אחורי, משטחי מטא עם משטח אחורי מספקים בידוד מעולה על פני כל טווח תדרי ההפעלה הנדרש, במיוחד בתחום 5G מתחת ל-6 GHz, כפי שמוצג באיורים 16a, ב. ברצועת ה-5G הפופולרית והנפוצה ביותר מתחת ל-6 גיגה-הרץ (3.5 גיגה-הרץ), למטא-משטחים חד ודו-שכבתיים יש בידוד נמוך יותר בין רכיבי MIMO מאשר משטחים עם משטחים אחוריים נחושת (כמעט ללא MS) (ראה איור 16a), ב). מדידות ההגבר מוצגות באיורים 17a, b, המציגות את הבידוד של אנטנות סמוכות (S12, S14, S34 ו-S32) ואנטנות אלכסוניות (S24 ו-S13), בהתאמה. כפי שניתן לראות מאיורים אלה (איור 17א, ב), הבידוד הניסיוני בין רכיבי MIMO מתאים היטב לבידוד המדומה. למרות שיש הבדלים קלים בין ערכי ה-CST המדומים והנמדדים עקב פגמי ייצור, חיבורי יציאות SMA ואיבודי חוטים. בנוסף, האנטנה ורפלקטור ה-MS ממוקמים בין מרווחי הניילון, וזו בעיה נוספת שמשפיעה על התוצאות הנצפות בהשוואה לתוצאות הסימולציה.
חקר את התפלגות זרם פני השטח ב-5.5 גיגה-הרץ כדי להגדיר את תפקידם של משטחי משטח בהפחתת הצימוד ההדדי באמצעות דיכוי גלי פני השטח42. חלוקת זרם פני השטח של אנטנת MIMO המוצעת מוצגת באיור 18, כאשר אנטנה 1 מונעת ושאר האנטנה מסתיימת בעומס של 50 אוהם. כאשר אנטנה 1 מופעלת, זרמי צימוד הדדיים משמעותיים יופיעו באנטנות סמוכות במהירות 5.5 גיגה-הרץ בהיעדר משטח מטה, כפי שמוצג באיור 18א. להיפך, באמצעות שימוש במטא-שטחים, כפי שמוצג באיור 18b-d, הבידוד בין אנטנות סמוכות משתפר. יש לציין שניתן למזער את ההשפעה של צימוד הדדי של שדות סמוכים על ידי הפצת זרם הצימוד לטבעות סמוכות של תאי יחידה ותאי יחידת MS סמוכים לאורך שכבת MS בכיוונים אנטי מקבילים. הזרקת זרם מאנטנות מבוזרות ליחידות MS היא שיטה מרכזית לשיפור הבידוד בין רכיבי MIMO. כתוצאה מכך, זרם הצימוד בין רכיבי MIMO מופחת מאוד, וגם הבידוד משתפר מאוד. מכיוון ששדה הצימוד מופץ באופן נרחב באלמנט, משטח משטח הנחושת האחורי מבודד את מכלול אנטנת ה-MIMO באופן משמעותי יותר מאשר משטחי מטא-שכבתיים חד-ודו-שכבתיים (איור 18ד). יתרה מכך, לאנטנת ה-MIMO שפותחה יש התפשטות אחורה והתפשטות צדדית נמוכים מאוד, מייצרת דפוס קרינה חד-כיווני, ובכך מגדילה את הרווח של אנטנת ה-MIMO המוצעת.
דפוסי זרם פני השטח של אנטנת ה-MIMO המוצעת במהירות 5.5 גיגה-הרץ (א) ללא MC, (ב) MC חד-שכבתי, (ג) MC דו-שכבתי, ו-(ד) MC חד-שכבתי עם מטוס אחורי נחושת. (CST Studio Suite 2019).
בתוך תדר ההפעלה, איור 19a מציג את הרווחים המדומים והנצפים של אנטנת MIMO המעוצבת ללא ועם מטא-משטחים. הרווח המדומה שהושג של אנטנת MIMO ללא משטח מטה הוא 5.4 dBi, כפי שמוצג באיור 19a. בשל אפקט הצימוד ההדדי בין רכיבי MIMO, אנטנת ה-MIMO המוצעת משיגה למעשה רווח גבוה ב-0.25 dBi מאשר אנטנה בודדת. תוספת של משטחי משטח יכולה לספק רווחים משמעותיים ובידוד בין רכיבי MIMO. לפיכך, אנטנת ה-MIMO המוצעת עם משטח מטה יכולה להשיג רווח ממומש גבוה של עד 8.3 dBi. כפי שמוצג באיור 19a, כאשר נעשה שימוש במטא-שטח בודד בחלק האחורי של אנטנת ה-MIMO, הרווח גדל ב-1.4 ​​dBi. כאשר משטח המטא מוכפל, הרווח גדל ב-2.1 dBi, כפי שמוצג באיור 19a. עם זאת, הרווח המקסימלי הצפוי של 8.3 dBi מושג כאשר משתמשים במטא-משטח עם משטח אחורי נחושת. יש לציין שההגבר המקסימלי שהושג עבור משטחי המטא-שכבה והדו-שכבתיים הוא 6.8 dBi ו-7.5 dBi, בהתאמה, בעוד שההגבר המקסימלי שהושג עבור משטח המטא-שכבה התחתונה הוא 8.3 dBi. שכבת המטא-שטח בצד האחורי של האנטנה פועלת כמחזיר אור, משקפת קרינה מהצד האחורי של האנטנה ומשפרת את היחס קדמי לאחור (F/B) של אנטנת MIMO המעוצבת. בנוסף, רפלקטור MS בעל עכבה גבוהה מתמרן גלים אלקטרומגנטיים בפאזה, ובכך יוצר תהודה נוספת ומשפר את ביצועי הקרינה של אנטנת MIMO המוצעת. רפלקטור MS המותקן מאחורי אנטנת MIMO יכול להגדיל באופן משמעותי את הרווח שהושג, מה שאושר על ידי תוצאות ניסויים. הרווחים הנצפים והמדומה של אנטנת אב הטיפוס MIMO שפותחה כמעט זהים, אולם בתדרים מסוימים הרווח הנמדד גבוה מההגבר המדומה, במיוחד עבור MIMO ללא MS; שינויים אלו ברווח הניסוי נובעים מסובלנות מדידה של רפידות הניילון, הפסדי כבלים וצימוד במערכת האנטנה. השיא הנמדד של אנטנת ה-MIMO ללא המטא-משטח הוא 5.8 dBi, בעוד שה-metasurface עם משטח אחורי נחושת הוא 8.5 dBi. ראוי לציין שמערכת אנטנת MIMO השלמה המוצעת עם 4 יציאות עם רפלקטור MS מציגה רווח גבוה בתנאים ניסיוניים ומספריים.
סימולציה ותוצאות ניסוי של (א) הרווח שהושג ו-(ב) הביצועים הכוללים של אנטנת MIMO המוצעת עם אפקט מטא-שטח.
איור 19b מציג את הביצועים הכוללים של מערכת ה-MIMO המוצעת ללא ועם מחזירי מטא-שטח. באיור 19b, היעילות הנמוכה ביותר באמצעות MS עם מטוס אחורי הייתה מעל 73% (ירידה ל-84%). היעילות הכוללת של אנטנות MIMO שפותחו ללא MC ועם MC כמעט זהה עם הבדלים קלים בהשוואה לערכים המדומים. הסיבות לכך הן סובלנות מדידה ושימוש במרווחים בין האנטנה לרפלקטור MS. הרווח שנמדד והיעילות הכוללת על פני כל התדר דומים כמעט לתוצאות הסימולציה, מה שמצביע על כך שהביצועים של אב הטיפוס המוצע של MIMO הם כצפוי וכי אנטנת MIMO המומלצת מבוססת MS מתאימה לתקשורת 5G. עקב טעויות במחקרים ניסיוניים, קיימים הבדלים בין התוצאות הכוללות של ניסויי מעבדה לבין תוצאות הסימולציות. הביצועים של אב הטיפוס המוצע מושפעים מאי-התאמה של עכבה בין האנטנה למחבר ה-SMA, הפסדי חיבור של כבל קואקסיאלי, השפעות הלחמה והקרבה של מכשירים אלקטרוניים שונים למערך הניסוי.
איור 20 מתאר את התקדמות התכנון והאופטימיזציה של האנטנה האמורה בצורה של דיאגרמת בלוקים. דיאגרמת בלוקים זו מספקת תיאור שלב אחר שלב של עקרונות התכנון המוצעים של אנטנת MIMO, כמו גם את הפרמטרים הממלאים תפקיד מפתח באופטימיזציה של האנטנה להשגת הרווח הגבוה הנדרש ובידוד גבוה על פני תדר פעולה רחב.
מדידות אנטנת ה-MIMO בשדה הקרוב נמדדו בסביבת הניסוי Near-Field SATIMO במעבדת המערכות הקרובות של UKM SATIMO. איורים 21a,b מתארים את דפוסי הקרינה המדומים והנצפים במישור E ו-H של אנטנת ה-MIMO הנטענת עם ובלי MS בתדר פעולה של 5.5 GHz. בטווח תדרי ההפעלה של 5.5 גיגה-הרץ, אנטנת MIMO שפותחה ללא MS מספקת דפוס קרינה דו-כיווני עקבי עם ערכי אונה צדדית. לאחר החלת רפלקטור MS, האנטנה מספקת דפוס קרינה חד-כיווני ומפחיתה את רמת האונות האחוריות, כפי שמוצג באיורים 21a, ב. ראוי לציין כי על ידי שימוש במטא-שטח עם משטח אחורי נחושת, תבנית האנטנה המוצעת של MIMO היא יציבה וחד-כיוונית יותר מאשר ללא MS, עם אונות גב ואונות צד נמוכות מאוד. רפלקטור מערך MM המוצע מפחית את האונות האחוריות והצדדיות של האנטנה וגם משפר את מאפייני הקרינה על ידי הפניית הזרם לכיוון חד-כיווני (איור 21a, ב), ובכך מגדיל את ההגבר והכיווניות. תבנית הקרינה הנמדדת התקבלה עבור יציאה 1 עם עומס של 50 אוהם מחובר ליציאות הנותרות. נצפה שדפוס הקרינה הניסוי היה כמעט זהה לזה שהדמה על ידי CST, אם כי היו כמה סטיות עקב חוסר יישור רכיבים, השתקפויות מיציאות טרמינלים והפסדים בחיבורי כבלים. בנוסף, הוכנס מרווח ניילון בין האנטנה לרפלקטור MS, וזו בעיה נוספת המשפיעה על התוצאות שנצפו בהשוואה לתוצאות החזויות.
דפוס הקרינה של אנטנת ה-MIMO שפותחה (ללא MS ועם MS) בתדר של 5.5 GHz נדמה ונבדק.
חשוב לציין שבידוד נמלים והמאפיינים הנלווים אליו חיוניים בעת הערכת הביצועים של מערכות MIMO. ביצועי הגיוון של מערכת MIMO המוצעת, כולל מקדם מתאם מעטפת (ECC) ורווח גיוון (DG), נבדקים כדי להמחיש את החוסן של מערכת האנטנות המיועדת של MIMO. ניתן להשתמש ב-ECC וב-DG של אנטנת MIMO כדי להעריך את הביצועים שלה מכיוון שהם היבטים חשובים של הביצועים של מערכת MIMO. הסעיפים הבאים יפרטו את התכונות הללו של אנטנת MIMO המוצעת.
מקדם מתאם מעטפה (ECC). כאשר בוחנים כל מערכת MIMO, ECC קובע את המידה שבה הרכיבים המרכיבים מתואמים זה עם זה לגבי המאפיינים הספציפיים שלהם. לפיכך, ECC מדגים את מידת בידוד הערוצים ברשת תקשורת אלחוטית. ניתן לקבוע את ה-ECC (מקדם מתאם מעטפת) של מערכת MIMO שפותחה על סמך פרמטרי S ופליטת שדה רחוק. מ Eq. (7) ו-(8) ניתן לקבוע את ה-ECC של אנטנת MIMO המוצעת 31.
מקדם ההשתקפות מיוצג על ידי Sii ו-Sij מייצג את מקדם השידור. תבניות הקרינה התלת מימדיות של האנטנות j-th ו-i- ניתנות על ידי הביטויים \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) ו-\( \vec {{R_{ i } }} זווית מוצקה המיוצגת על ידי \left( {\theta ,\varphi } \right)\) ו-\({\Omega }\). עקומת ה-ECC של האנטנה המוצעת מוצגת באיור 22a והערך שלה נמוך מ-0.004, שהוא הרבה מתחת לערך המקובל של 0.5 עבור מערכת אלחוטית. לכן, ערך ה-ECC המופחת אומר שמערכת ה-MIMO המוצעת עם 4 יציאות מספקת גיוון מעולה43.
Diversity Gain (DG) DG הוא מדד ביצועי מערכת MIMO נוסף שמתאר כיצד תכנית הגיוון משפיעה על הכוח המוקרן. הקשר (9) קובע את ה-DG של מערכת האנטנות MIMO המפותחת, כמתואר ב-31.
איור 22b מציג את דיאגרמת ה-DG של מערכת ה-MIMO המוצעת, כאשר ערך ה-DG קרוב מאוד ל-10 dB. ערכי ה-DG של כל האנטנות של מערכת MIMO המעוצבת עולים על 9.98 dB.
טבלה 1 משווה את אנטנת ה-MIMO המוצעת על פני השטח עם מערכות MIMO דומות שפותחו לאחרונה. ההשוואה לוקחת בחשבון פרמטרים שונים של ביצועים, לרבות רוחב פס, רווח, בידוד מקסימלי, יעילות כללית וביצועי גיוון. חוקרים הציגו אבות טיפוס שונים של אנטנות MIMO עם טכניקות שיפור רווח ובידוד ב-5, 44, 45, 46, 47. בהשוואה לעבודות שפורסמו בעבר, מערכת ה-MIMO המוצעת עם מחזירי מטא-שטח עולה עליהם מבחינת רוחב פס, רווח ובידוד. בנוסף, בהשוואה לאנטנות דומות שדווחו, מערכת MIMO שפותחה מציגה ביצועי גיוון מעולים ויעילות כוללת בגודל קטן יותר. למרות שלאנטנות המתוארות בסעיף 5.46 יש בידוד גבוה יותר מהאנטנות המוצעות שלנו, אנטנות אלו סובלות מגודל גדול, רווח נמוך, רוחב פס צר וביצועי MIMO גרועים. אנטנת MIMO עם 4 יציאות שהוצעה ב-45 מציגה רווח ויעילות גבוהים, אך לעיצוב שלה יש בידוד נמוך, גודל גדול וביצועי גיוון גרועים. מצד שני, מערכת האנטנות בגודל הקטן המוצעת ב-47 היא בעלת רווח ורוחב פס הפעלה נמוכים מאוד, בעוד שמערכת MIMO מבוססת MS 4 יציאות המוצעת מציגה גודל קטן, רווח גבוה, בידוד גבוה וביצועים טובים יותר של MIMO. לפיכך, אנטנת ה-MIMO המוצעת עם משטח מטה יכולה להפוך למתחרה מרכזית עבור מערכות תקשורת תת-6 GHz 5G.
מוצעת לתמוך ביישומי 5G מתחת ל-6 GHz אנטנת MIMO רחבת פס מבוססת מטא-שטח עם ארבע יציאות עם רווח ובידוד גבוהים. קו המיקרו-סטריפ מזין קטע מקרין מרובע, הקטוע בריבוע בפינות האלכסוניות. ה-MS ופולט האנטנה המוצעים מיושמים על חומרי מצע הדומים ל-Rogers RT5880 כדי להשיג ביצועים מצוינים במערכות תקשורת 5G מהירות. אנטנת MIMO כוללת טווח רחב ורווח גבוה, ומספקת בידוד קול בין רכיבי MIMO ויעילות מעולה. לאנטנה היחידה שפותחה יש ממדים מיניאטוריים של 0.58?0.58?0.02? עם מערך מטא-משטח של 5×5, מספק רוחב פס פעולה רחב של 4.56 גיגה-הרץ, רווח שיא של 8 dBi ויעילות מדודה מעולה. אנטנת MIMO המוצעת עם ארבע יציאות (2 × 2 מערך) מתוכננת על ידי יישור אורתוגונלי של כל אנטנה בודדת מוצעת עם אנטנה אחרת במידות של 1.05λ × 1.05λ × 0.02λ. מומלץ להרכיב מערך של 10×10 מ"מ מתחת לאנטנת MIMO בגובה 12 מ"מ, שיכול להפחית קרינה אחורית ולהפחית צימוד הדדי בין רכיבי MIMO, ובכך לשפר את ההגברה והבידוד. תוצאות ניסויים וסימולציות מראות שאב הטיפוס MIMO שפותח יכול לפעול בטווח תדרים רחב של 3.08-7.75 גיגה-הרץ, ולכסות את ספקטרום ה-5G מתחת ל-6 גיגה-הרץ. בנוסף, אנטנת MIMO המוצעת מבוססת MS משפרת את הרווח שלה ב-2.9 dBi, ומשיגה רווח מקסימלי של 8.3 dBi, ומספקת בידוד מצוין (>15.5 dB) בין רכיבי MIMO, המאמת את התרומה של MS. בנוסף, לאנטנת MIMO המוצעת יש יעילות כוללת ממוצעת גבוהה של 82% ומרחק בין אלמנטים נמוך של 22 מ"מ. האנטנה מציגה ביצועי גיוון MIMO מצוינים, כולל DG גבוה מאוד (מעל 9.98 dB), ECC נמוך מאוד (פחות מ-0.004) ודפוס קרינה חד-כיווני. תוצאות המדידה דומות מאוד לתוצאות הסימולציה. מאפיינים אלה מאשרים שמערכת אנטנת MIMO שפותחה עם ארבע יציאות יכולה להיות בחירה ברת קיימא עבור מערכות תקשורת 5G בטווח התדרים מתחת ל-6 GHz.
Cowin יכולה לספק אנטנת PCB רחבת פס של 400-6000MHz, ותמיכה בעיצוב אנטנה חדשה בהתאם לדרישתך, אנא צור איתנו קשר ללא היסוס אם יש לך בקשה כלשהי.

 

 


זמן פרסום: 10 באוקטובר 2024