ეს ნაშრომი გვთავაზობს კომპაქტურ ინტეგრირებულ მრავალ შეყვანის მრავალგამომავალი გამომავალი (MIMO) მეტაზედაპირის (MS) ფართოზოლოვანი ანტენა 6 გჰც-მდე მეხუთე თაობის (5G) უკაბელო საკომუნიკაციო სისტემებისთვის. შემოთავაზებული MIMO სისტემის აშკარა სიახლეა მისი ფართო ოპერაციული გამტარობა, მაღალი მომატება, მცირე კომპონენტთაშორისი კლირენსი და შესანიშნავი იზოლაცია MIMO კომპონენტებში. ანტენის რადიაციული ლაქა ჩამოჭრილია დიაგონალზე, ნაწილობრივ დამიწებულია და მეტაზედაპირები გამოიყენება ანტენის მუშაობის გასაუმჯობესებლად. შემოთავაზებულ პროტოტიპს ინტეგრირებული ერთი MS ანტენა აქვს მინიატურული ზომები 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. სიმულაციისა და გაზომვის შედეგები აჩვენებს ფართოზოლოვან შესრულებას 3,11 გჰც-დან 7,67 გჰც-მდე, მათ შორის, მიღწეული მაქსიმალური მომატება 8 dBi. ოთხი ელემენტიანი MIMO სისტემა შექმნილია ისე, რომ თითოეული ანტენა ორთოგონალური იყოს ერთმანეთთან, კომპაქტური ზომისა და ფართოზოლოვანი მუშაობის შენარჩუნებისას 3.2-დან 7.6 გჰც-მდე. შემოთავაზებული MIMO პროტოტიპი შექმნილია და დამზადებულია Rogers RT5880 სუბსტრატზე დაბალი დანაკარგით და მინიატურული ზომებით 1.05? 1.05? 0.02?, და მისი შესრულება ფასდება შემოთავაზებული კვადრატული დახურული რგოლის რეზონატორის მასივის გამოყენებით 10 x 10 გაყოფილი რგოლით. ძირითადი მასალა იგივეა. შემოთავაზებული უკანა პლანის მეტაზედაპირი მნიშვნელოვნად ამცირებს ანტენის უკანა გამოსხივებას და მანიპულირებს ელექტრომაგნიტურ ველებს, რითაც აუმჯობესებს MIMO კომპონენტების გამტარობას, მომატებას და იზოლაციას. არსებულ MIMO ანტენებთან შედარებით, შემოთავაზებული 4-პორტიანი MIMO ანტენა აღწევს მაღალ მომატებას 8,3 dBi საშუალო საერთო ეფექტურობით 82%-მდე 5G ქვე-6 გჰც დიაპაზონში და კარგად ეთანხმება გაზომილ შედეგებს. უფრო მეტიც, განვითარებული MIMO ანტენა ავლენს შესანიშნავ ეფექტურობას კონვერტის კორელაციის კოეფიციენტის (ECC) 0,004-ზე ნაკლები, მრავალფეროვნების მომატების (DG) დაახლოებით 10 dB (>9,98 dB) და მაღალი იზოლაციის თვალსაზრისით MIMO კომპონენტებს შორის (>15,5 dB). მახასიათებლები. ამრიგად, შემოთავაზებული MS-ზე დაფუძნებული MIMO ანტენა ადასტურებს მის გამოყენებას 6 გჰც-მდე 5G საკომუნიკაციო ქსელებისთვის.
5G ტექნოლოგია წარმოუდგენელი წინსვლაა უკაბელო კომუნიკაციებში, რომელიც საშუალებას მისცემს უფრო სწრაფ და უსაფრთხო ქსელებს მილიარდობით დაკავშირებული მოწყობილობისთვის, უზრუნველყოფს მომხმარებლის გამოცდილებას „ნულოვანი“ შეყოვნებით (დაყოვნება 1 მილიწამზე ნაკლები) და დანერგავს ახალ ტექნოლოგიებს, ელექტრონიკის ჩათვლით. სამედიცინო დახმარება, ინტელექტუალური განათლება. , ჭკვიანი ქალაქები, ჭკვიანი სახლები, ვირტუალური რეალობა (VR), ჭკვიანი ქარხნები და მანქანების ინტერნეტი (IoV) ცვლის ჩვენს ცხოვრებას, საზოგადოებას და ინდუსტრიებს1,2,3. აშშ-ს კომუნიკაციების ფედერალური კომისია (FCC) ყოფს 5G სპექტრს ოთხ სიხშირეზე4. 6 გჰც-ზე დაბალი სიხშირის დიაპაზონი საინტერესოა მკვლევარებისთვის, რადგან ის იძლევა შორ მანძილზე კომუნიკაციის საშუალებას მონაცემთა მაღალი სიჩქარით5,6. 6 გჰც-ზე 5G სპექტრის განაწილება გლობალური 5G კომუნიკაციებისთვის ნაჩვენებია ნახაზ 1-ში, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ ყველა ქვეყანა განიხილავს 6 გჰც-მდე სპექტრს 5G კომუნიკაციებისთვის7,8. ანტენები 5G ქსელების მნიშვნელოვანი ნაწილია და საჭიროებს უფრო მეტ საბაზო სადგურს და მომხმარებლის ტერმინალის ანტენებს.
მიკროსტრიპ პაჩ ანტენებს აქვთ სიმკვრივისა და ბრტყელი სტრუქტურის უპირატესობები, მაგრამ შეზღუდულია გამტარუნარიანობითა და გაზრდით 9,10, ამდენი კვლევა ჩატარდა ანტენის მომატებისა და გამტარუნარიანობის გაზრდის მიზნით; ბოლო წლებში მეტასპირფეისები (MS) ფართოდ გამოიყენება ანტენის ტექნოლოგიებში, განსაკუთრებით გაზრდისა და გამტარუნარიანობის გასაუმჯობესებლად11,12, თუმცა, ეს ანტენები შემოიფარგლება ერთი პორტით; MIMO ტექნოლოგია უკაბელო კომუნიკაციების მნიშვნელოვანი ასპექტია, რადგან მას შეუძლია ერთდროულად გამოიყენოს მრავალი ანტენა მონაცემთა გადასაცემად, რითაც აუმჯობესებს მონაცემთა სიჩქარეს, სპექტრულ ეფექტურობას, არხის მოცულობას და საიმედოობას13,14,15. MIMO ანტენები პოტენციური კანდიდატებია 5G აპლიკაციებისთვის, რადგან მათ შეუძლიათ გადასცენ და მიიღონ მონაცემები მრავალ არხზე დამატებითი ენერგიის მოთხოვნის გარეშე16,17. MIMO კომპონენტებს შორის ურთიერთდაკავშირების ეფექტი დამოკიდებულია MIMO ელემენტების მდებარეობაზე და MIMO ანტენის გაძლიერებაზე, რაც მკვლევარებისთვის მთავარი გამოწვევაა. ნახატები 18, 19 და 20 გვიჩვენებს სხვადასხვა MIMO ანტენებს, რომლებიც მუშაობენ 5G ქვე-6 გჰც დიაპაზონში, ყველა აჩვენა კარგი MIMO იზოლაცია და შესრულება. თუმცა, ამ შემოთავაზებული სისტემების მოგება და ოპერაციული გამტარობა დაბალია.
მეტამატერიალები (MM) არის ახალი მასალები, რომლებიც ბუნებაში არ არსებობს და შეუძლიათ ელექტრომაგნიტური ტალღების მანიპულირება, რითაც აუმჯობესებენ ანტენების მუშაობას21,22,23,24. MM ახლა ფართოდ გამოიყენება ანტენის ტექნოლოგიაში, რათა გააუმჯობესოს რადიაციის ნიმუში, გამტარობა, მომატება და იზოლაცია ანტენის ელემენტებსა და უსადენო საკომუნიკაციო სისტემებს შორის, როგორც ეს განხილულია 25, 26, 27, 28. 2029 წელს, MIMO ოთხი ელემენტის სისტემა დაფუძნებულია მეტაზედაპირი, რომელშიც ანტენის განყოფილება მოთავსებულია მეტასპირისპირსა და მიწას შორის ჰაერის უფსკრულის გარეშე, რაც აუმჯობესებს MIMO შესრულება. თუმცა, ამ დიზაინს აქვს უფრო დიდი ზომა, დაბალი ოპერაციული სიხშირე და რთული სტრუქტურა. ელექტრომაგნიტური ზოლი (EBG) და მიწის მარყუჟი შედის შემოთავაზებულ 2-პორტიანი ფართოზოლოვანი MIMO ანტენაში MIMO30 კომპონენტების იზოლაციის გასაუმჯობესებლად. შემუშავებულ ანტენას აქვს კარგი MIMO მრავალფეროვნების შესრულება და შესანიშნავი იზოლაცია ორ MIMO ანტენას შორის, მაგრამ მხოლოდ ორი MIMO კომპონენტის გამოყენებით, მოგება დაბალი იქნება. გარდა ამისა, in31-მა ასევე შესთავაზა ულტრა ფართოზოლოვანი (UWB) ორმაგი პორტიანი MIMO ანტენა და გამოიკვლია მისი MIMO შესრულება მეტამატერიალის გამოყენებით. მიუხედავად იმისა, რომ ამ ანტენას შეუძლია UWB მუშაობა, მისი მომატება დაბალია და ორ ანტენას შორის იზოლაცია ცუდია. 32-ში ნამუშევარი გვთავაზობს 2-პორტიანი MIMO სისტემას, რომელიც იყენებს ელექტრომაგნიტურ ზოლის (EBG) რეფლექტორებს გაზრდის გაზრდის მიზნით. მიუხედავად იმისა, რომ განვითარებულ ანტენის მასივს აქვს მაღალი მომატება და კარგი MIMO მრავალფეროვნების შესრულება, მისი დიდი ზომა ართულებს შემდეგი თაობის საკომუნიკაციო მოწყობილობებში გამოყენებას. სხვა რეფლექტორზე დაფუძნებული ფართოზოლოვანი ანტენა შეიქმნა 33 წელს, სადაც რეფლექტორი ინტეგრირებული იყო ანტენის ქვეშ უფრო დიდი 22 მმ უფსკრულით, აჩვენა ქვედა პიკური მომატება 4,87 დბ. Paper 34 შეიმუშავებს ოთხპორტიან MIMO ანტენას mmWave აპლიკაციებისთვის, რომელიც ინტეგრირებულია MS ფენასთან MIMO სისტემის იზოლაციისა და გაძლიერების გასაუმჯობესებლად. თუმცა, ეს ანტენა უზრუნველყოფს კარგ მომატებას და იზოლაციას, მაგრამ აქვს შეზღუდული გამტარუნარიანობა და ცუდი მექანიკური თვისებები დიდი ჰაერის უფსკრულის გამო. ანალოგიურად, 2015 წელს, სამი წყვილი, 4 პორტიანი მშვილდის ფორმის მეტაზედაპირზე ინტეგრირებული MIMO ანტენა შეიქმნა mmWave კომუნიკაციებისთვის, მაქსიმალური მომატებით 7.4 dBi. B36 MS გამოიყენება 5G ანტენის უკანა მხარეს ანტენის გაზრდის მიზნით, სადაც მეტაზედაპირი მოქმედებს როგორც რეფლექტორი. თუმცა, MS სტრუქტურა ასიმეტრიულია და ნაკლები ყურადღება დაეთმო ერთეული უჯრედის სტრუქტურას.
ზემოაღნიშნული ანალიზის შედეგების მიხედვით, არცერთ ზემოთ ჩამოთვლილ ანტენას არ აქვს მაღალი მომატება, შესანიშნავი იზოლაცია, MIMO შესრულება და ფართოზოლოვანი დაფარვა. აქედან გამომდინარე, ჯერ კიდევ არის საჭირო მეტაზედაპირული MIMO ანტენა, რომელსაც შეუძლია დაფაროს 5G სპექტრის სიხშირეების ფართო დიაპაზონი 6 გჰც-ზე დაბალი, მაღალი მომატებითა და იზოლაციით. ზემოაღნიშნული ლიტერატურის შეზღუდვების გათვალისწინებით, 6 გჰც-მდე უკაბელო საკომუნიკაციო სისტემებისთვის შემოთავაზებულია ფართოზოლოვანი ოთხელემენტიანი MIMO ანტენის სისტემა მაღალი მომატებით და შესანიშნავი მრავალფეროვნებით. გარდა ამისა, შემოთავაზებული MIMO ანტენა აჩვენებს შესანიშნავ იზოლაციას MIMO კომპონენტებს შორის, ელემენტების მცირე ხარვეზებსა და მაღალი რადიაციის ეფექტურობას შორის. ანტენის პაჩი ჩამოჭრილია დიაგონალზე და მოთავსებულია მეტა ზედაპირის თავზე 12 მმ ჰაერის უფსკრულით, რომელიც ასახავს ანტენის უკან გამოსხივებას და აუმჯობესებს ანტენის მატებას და მიმართულებას. გარდა ამისა, შემოთავაზებული ერთჯერადი ანტენა გამოიყენება ოთხი ელემენტიანი MIMO ანტენის შესაქმნელად უმაღლესი MIMO შესრულებით, თითოეული ანტენის ერთმანეთთან ორთოგონალურად განლაგებით. განვითარებული MIMO ანტენა შემდეგ ინტეგრირებული იყო 10 × 10 MS მასივის თავზე სპილენძის უკანა პლანზე, ემისიის მუშაობის გასაუმჯობესებლად. დიზაინს აქვს ფართო ოპერაციული დიაპაზონი (3,08-7,75 გჰც), მაღალი მომატება 8,3 dBi და მაღალი საშუალო საერთო ეფექტურობა 82%, ასევე შესანიშნავი იზოლაცია MIMO ანტენის კომპონენტებს შორის −15,5 dB-ზე მეტი. განვითარებული MS-ზე დაფუძნებული MIMO ანტენა სიმულირებული იყო 3D ელექტრომაგნიტური პროგრამული პაკეტის CST Studio 2019 გამოყენებით და დადასტურდა ექსპერიმენტული კვლევებით.
ამ განყოფილებაში მოცემულია დეტალური შესავალი შემოთავაზებული არქიტექტურისა და ერთი ანტენის დიზაინის მეთოდოლოგიაში. გარდა ამისა, სიმულირებული და დაკვირვებული შედეგები დეტალურად არის განხილული, მათ შორის გაფანტვის პარამეტრები, მომატება და საერთო ეფექტურობა მეტაზედაპირებით და მის გარეშე. პროტოტიპი ანტენა შეიქმნა Rogers 5880 დაბალი დანაკარგის დიელექტრიკულ სუბსტრატზე 1,575 მმ სისქით, დიელექტრიკული მუდმივით 2,2. დიზაინის შემუშავებისა და სიმულაციისთვის გამოყენებული იქნა ელექტრომაგნიტური სიმულატორის პაკეტი CST studio 2019.
სურათი 2 გვიჩვენებს შემოთავაზებული არქიტექტურისა და დიზაინის მოდელს ერთი ელემენტიანი ანტენისთვის. კარგად ჩამოყალიბებული მათემატიკური განტოლებების მიხედვით37, ანტენა შედგება წრფივი კვებითი კვადრატული გამოსხივების წერტილისგან და სპილენძის დამიწის სიბრტყისგან (როგორც აღწერილია 1-ელ საფეხურზე) და რეზონირებს ძალიან ვიწრო გამტარუნარიანობით 10.8 გჰც-ზე, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 3b. ანტენის რადიატორის საწყისი ზომა განისაზღვრება შემდეგი მათემატიკური ურთიერთობით37:
სადაც \(P_{L}\) და \(P_{w}\) არის ლაქის სიგრძე და სიგანე, c წარმოადგენს სინათლის სიჩქარეს, \(\გამა_{r}\) არის სუბსტრატის დიელექტრიკული მუდმივი. . , \(\gamma_{reff }\) წარმოადგენს რადიაციული ლაქის ეფექტურ დიელექტრიკულ მნიშვნელობას, \(\Delta L\) წარმოადგენს ლაქის სიგრძის ცვლილებას. ანტენის უკანა პლანი ოპტიმიზირებული იყო მეორე ეტაპზე, გაზარდა წინაღობის გამტარუნარიანობა, მიუხედავად ძალიან დაბალი წინაღობის გამტარუნარიანობისა, 10 დბ. მესამე ეტაპზე, მიმწოდებლის პოზიცია გადაადგილდება მარჯვნივ, რაც აუმჯობესებს შემოთავაზებული ანტენის წინაღობის გამტარობას და წინაღობის შესაბამისობას38. ამ ეტაპზე, ანტენა აჩვენებს შესანიშნავ ოპერაციულ სიჩქარეს 4 გჰც და ასევე ფარავს სპექტრს 6 გჰც-ზე ქვემოთ 5G-ში. მეოთხე და ბოლო ეტაპი მოიცავს კვადრატული ღარების ამოკვეთას რადიაციული ადგილის საპირისპირო კუთხეებში. ეს სლოტი მნიშვნელოვნად აფართოებს 4,56 გჰც გამტარობას, რათა ფარავდეს 6 გჰც-მდე 5G სპექტრს 3,11 გჰც-დან 7,67 გჰც-მდე, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 3b. შემოთავაზებული დიზაინის წინა და ქვედა პერსპექტიული ხედები ნაჩვენებია სურათზე 3a და საბოლოო ოპტიმიზებული დიზაინის საჭირო პარამეტრები შემდეგია: SL = 40 მმ, Pw = 18 მმ, PL = 18 მმ, gL = 12 მმ, fL = 11. მმ, fW = 4 .7 მმ, c1 = 2 მმ, c2 = 9.65 მმ, c3 = 1.65 მმ.
(ა) დაპროექტებული ერთი ანტენის ზედა და უკანა ხედები (CST STUDIO SUITE 2019). (ბ) S-პარამეტრის მრუდი.
Metasurface არის ტერმინი, რომელიც ეხება ერთეული უჯრედების პერიოდულ მასივს, რომელიც მდებარეობს ერთმანეთისგან გარკვეულ მანძილზე. Metasurfaces არის ეფექტური გზა ანტენის გამოსხივების მუშაობის გასაუმჯობესებლად, მათ შორის გამტარუნარიანობა, მომატება და MIMO კომპონენტებს შორის იზოლაცია. ზედაპირული ტალღების გავრცელების გავლენის გამო, მეტაზედაპირები წარმოქმნიან დამატებით რეზონანსებს, რაც ხელს უწყობს ანტენის მუშაობის გაუმჯობესებას39. ეს ნაშრომი გვთავაზობს ეპსილონუარყოფით მეტამატერიალის (MM) ერთეულს, რომელიც მუშაობს 5G დიაპაზონში 6 გჰც-ზე ქვემოთ. MM, რომლის ზედაპირის ფართობია 8 მმ×8 მმ, შემუშავებულია დაბალი დანაკარგის Rogers 5880 სუბსტრატზე, დიელექტრიკული მუდმივით 2.2 და სისქით 1.575 მმ. ოპტიმიზებული MM რეზონატორის პაჩი შედგება შიდა წრიული გაყოფილი რგოლისაგან, რომელიც დაკავშირებულია ორ მოდიფიცირებულ გარე გაყოფილ რგოლთან, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 4a. სურათი 4a აჯამებს შემოთავაზებული MM დაყენების საბოლოო ოპტიმიზებულ პარამეტრებს. შემდგომში, 40 × 40 მმ და 80 × 80 მმ მეტაზედაპირის ფენები შემუშავდა სპილენძის უკანა პლანის გარეშე და სპილენძის საყრდენით, შესაბამისად 5 × 5 და 10 × 10 უჯრედოვანი მასივების გამოყენებით. შემოთავაზებული MM სტრუქტურა მოდელირებული იყო 3D ელექტრომაგნიტური მოდელირების პროგრამული უზრუნველყოფის გამოყენებით "CST studio suite 2019". შემოთავაზებული MM მასივის სტრუქტურისა და გაზომვის დაყენების შემუშავებული პროტოტიპი (ორმაგი პორტის ქსელის ანალიზატორი PNA და ტალღოვანი პორტი) ნაჩვენებია ნახატ 4b-ზე CST სიმულაციის შედეგების დასადასტურებლად რეალური პასუხის ანალიზით. გაზომვის დაყენებამ გამოიყენა Agilent PNA სერიის ქსელის ანალიზატორი ორ ტალღისებურ კოაქსიალურ გადამყვანთან ერთად (A-INFOMW, ნაწილის ნომერი: 187WCAS) სიგნალების გასაგზავნად და მისაღებად. პროტოტიპი 5×5 მასივი მოთავსდა ორ ტალღისებურ კოაქსიალურ ადაპტერს შორის, რომლებიც დაკავშირებულია კოაქსიალური კაბელით ორპორტიანი ქსელის ანალიზატორთან (Agilent PNA N5227A). Agilent N4694-60001 კალიბრაციის ნაკრები გამოიყენება საპილოტე ქარხანაში ქსელის ანალიზატორის დასაკალიბრებლად. შემოთავაზებული პროტოტიპის MM მასივის სიმულირებული და CST დაკვირვებული გაფანტვის პარამეტრები ნაჩვენებია სურათზე 5a. ჩანს, რომ შემოთავაზებული MM სტრუქტურა რეზონირებს 5G სიხშირის დიაპაზონში 6 გჰც-ზე ქვემოთ. 10 დბ სიჩქარის მცირე განსხვავების მიუხედავად, სიმულირებული და ექსპერიმენტული შედეგები ძალიან ჰგავს. დაკვირვებული რეზონანსის რეზონანსული სიხშირე, გამტარობა და ამპლიტუდა ოდნავ განსხვავდება სიმულირებულისგან, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 5a. ეს განსხვავებები დაკვირვებულ და იმიტირებულ შედეგებს შორის გამოწვეულია წარმოების ხარვეზებით, მცირე კლირენსით პროტოტიპსა და ტალღის გამტარ პორტებს შორის, ტალღის მაგიდის პორტებსა და მასივის კომპონენტებს შორის დაწყვილების ეფექტებით და გაზომვის ტოლერანტობით. გარდა ამისა, შემუშავებული პროტოტიპის სათანადო განთავსება ტალღის გამტარ პორტებს შორის ექსპერიმენტულ დაყენებაში შეიძლება გამოიწვიოს რეზონანსული ცვლა. გარდა ამისა, არასასურველი ხმაური დაფიქსირდა კალიბრაციის ფაზაში, რამაც გამოიწვია შეუსაბამობა ციფრულ და გაზომილ შედეგებს შორის. თუმცა, გარდა ამ სირთულეებისა, შემოთავაზებული MM მასივის პროტოტიპი კარგად მუშაობს სიმულაციასა და ექსპერიმენტს შორის ძლიერი კორელაციის გამო, რაც მას კარგად შეეფერება 6 გჰც-მდე 5G უკაბელო საკომუნიკაციო აპლიკაციებისთვის.
(ა) ერთეული უჯრედის გეომეტრია (S1 = 8 მმ, S2 = 7 მმ, S3 = 5 მმ, f1, f2, f4 = 0,5 მმ, f3 = 0,75 მმ, h1 = 0,5 მმ, h2 = 1 ,75 მმ) (CST STUDIO SUITE) ) 2019) (ბ) MM საზომი დაყენების ფოტო.
(ა) მეტამატერიალური პროტოტიპის გაფანტვის პარამეტრის მრუდების სიმულაცია და გადამოწმება. ბ) MM ერთეული უჯრედის დიელექტრიკული მუდმივი მრუდი.
შესაბამისი ეფექტური პარამეტრები, როგორიცაა ეფექტური დიელექტრიკული მუდმივი, მაგნიტური გამტარიანობა და რეფრაქციული ინდექსი შესწავლილი იყო CST ელექტრომაგნიტური სიმულატორის ჩაშენებული შემდგომი დამუშავების ტექნიკის გამოყენებით MM ერთეული უჯრედის ქცევის შემდგომი ანალიზისთვის. ეფექტური MM პარამეტრები მიღებულია გაფანტვის პარამეტრებიდან ძლიერი რეკონსტრუქციის მეთოდის გამოყენებით. გამტარობისა და ასახვის კოეფიციენტის შემდეგი განტოლებები: (3) და (4) შეიძლება გამოყენებულ იქნას გარდატეხის ინდექსისა და წინაღობის დასადგენად (იხ. 40).
ოპერატორის რეალური და წარმოსახვითი ნაწილები წარმოდგენილია შესაბამისად (.)' და (.)"-ით, ხოლო მთელი რიცხვი m შეესაბამება რეალურ გარდატეხის ინდექსს. დიელექტრიკული მუდმივი და გამტარიანობა განისაზღვრება ფორმულებით \(\varepsilon { } = {}n/z,\) და \(\mu = nz\), რომლებიც ეფუძნება შესაბამისად წინაღობას და რეფრაქციულ ინდექსს. MM სტრუქტურის ეფექტური დიელექტრიკული მუდმივი მრუდი ნაჩვენებია ნახაზზე 5b. რეზონანსულ სიხშირეზე ეფექტური დიელექტრიკული მუდმივი უარყოფითია. ნახაზები 6a,b გვიჩვენებს შემოთავაზებული ერთეული უჯრედის ეფექტური გამტარიანობის (μ) და ეფექტური რეფრაქციული ინდექსის (n) ამოღებულ მნიშვნელობებს. აღსანიშნავია, რომ მოპოვებული გამტარიანობა აჩვენებს პოზიტიურ რეალურ მნიშვნელობებს ნულთან ახლოს, რაც ადასტურებს შემოთავაზებული MM სტრუქტურის epsilon-უარყოფით (ENG) თვისებებს. უფრო მეტიც, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 6a, რეზონანსი ნულთან ახლოს გამტარიანობისას მტკიცედ არის დაკავშირებული რეზონანსულ სიხშირესთან. განვითარებულ ერთეულ უჯრედს აქვს უარყოფითი რეფრაქციული ინდექსი (ნახ. 6b), რაც ნიშნავს, რომ შემოთავაზებული MM შეიძლება გამოყენებულ იქნას ანტენის მუშაობის გასაუმჯობესებლად21,41.
ერთი ფართოზოლოვანი ანტენის შემუშავებული პროტოტიპი შეიქმნა შემოთავაზებული დიზაინის ექსპერიმენტულად შესამოწმებლად. ფიგურები 7a,b გვიჩვენებს შემოთავაზებული პროტოტიპის ერთჯერადი ანტენის, მისი სტრუქტურული ნაწილების და ახლო ველის გაზომვის დაყენების სურათებს (SATIMO). ანტენის მუშაობის გასაუმჯობესებლად, განვითარებული მეტაზედაპირი მოთავსებულია ანტენის ქვეშ ფენებად, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათზე 8a, სიმაღლით h. ერთჯერადი 40 მმ x 40 მმ ორ ფენიანი მეტაზედაპირი გამოყენებული იყო ერთი ანტენის უკანა მხარეს 12 მმ ინტერვალით. გარდა ამისა, უკანა პლანზე მოთავსებულია ერთი ანტენის უკანა მხარეს 12 მმ მანძილზე. მეტაზედაპირის გამოყენების შემდეგ, ერთი ანტენა აჩვენებს მუშაობის მნიშვნელოვან გაუმჯობესებას, როგორც ნაჩვენებია სურათებში 1 და 2. ნახატები 8 და 9. სურათი 8b გვიჩვენებს იმიტირებული და გაზომილი არეკვლის ნახაზებს ერთი ანტენის გარეშე და მეტაზედაპირების გარეშე. აღსანიშნავია, რომ ანტენის დაფარვის ზოლი მეტაზედაპირით ძალიან ჰგავს ანტენის დაფარვის ზოლს მეტაზედაპირის გარეშე. ნახატები 9a,b გვიჩვენებს იმიტირებული და დაკვირვებული ერთჯერადი ანტენის მომატებისა და საერთო ეფექტურობის შედარებას საოპერაციო სპექტრში MS-ის გარეშე. ჩანს, რომ არამეტაზედაპირულ ანტენასთან შედარებით, მეტაზედაპირული ანტენის მომატება მნიშვნელოვნად გაუმჯობესებულია, იზრდება 5.15 dBi-დან 8 dBi-მდე. ერთი ფენის მეტაზედაპირის, ორშრიანი მეტაზედაპირის და ერთი ანტენის უკნიდან მეტასპირფეისის მომატება გაიზარდა 6 dBi, 6.9 dBi და 8 dBi შესაბამისად. სხვა მეტაზედაპირებთან შედარებით (ერთფენიანი და ორფენიანი MC-ები), სპილენძის უკანა პლანზე ერთი მეტაზედაპირული ანტენის მომატება 8 dBi-მდეა. ამ შემთხვევაში, მეტაზედაპირი მოქმედებს როგორც რეფლექტორი, ამცირებს ანტენის უკანა გამოსხივებას და მანიპულირებს ელექტრომაგნიტური ტალღებით ფაზაში, რითაც ზრდის ანტენის გამოსხივების ეფექტურობას და, შესაბამისად, მომატებას. ერთი ანტენის საერთო ეფექტურობის შესწავლა მეტაზედაპირების გარეშე და მათთან ერთად ნაჩვენებია სურათზე 9b. აღსანიშნავია, რომ ანტენის ეფექტურობა მეტასპირფეისით და მის გარეშე თითქმის იგივეა. ქვედა სიხშირის დიაპაზონში ანტენის ეფექტურობა ოდნავ მცირდება. ექსპერიმენტული და იმიტირებული მომატებისა და ეფექტურობის მრუდები კარგად ემთხვევა ერთმანეთს. თუმცა, არის მცირე განსხვავებები იმიტირებულ და შემოწმებულ შედეგებს შორის წარმოების დეფექტების, გაზომვის ტოლერანტობის, SMA პორტის კავშირის დაკარგვისა და მავთულის დაკარგვის გამო. გარდა ამისა, ანტენა და MS რეფლექტორი განლაგებულია ნეილონის სპეჩერებს შორის, რაც კიდევ ერთი საკითხია, რომელიც გავლენას ახდენს დაკვირვებულ შედეგებზე სიმულაციის შედეგებთან შედარებით.
სურათი (ა) გვიჩვენებს დასრულებულ ერთ ანტენას და მასთან დაკავშირებულ კომპონენტებს. (ბ) ახლო ველის გაზომვის დაყენება (SATIMO).
(ა) ანტენის აგზნება მეტასპირისპირული რეფლექტორების გამოყენებით (CST STUDIO SUITE 2019). (ბ) ერთი ანტენის სიმულირებული და ექსპერიმენტული არეკვლა MS-ის გარეშე და მის გარეშე.
(ა) მიღწეული მომატების და (ბ) შემოთავაზებული მეტაზედაპირული ეფექტის ანტენის საერთო ეფექტურობის სიმულაციური და გაზომვის შედეგები.
სხივის ნიმუშის ანალიზი MS-ის გამოყენებით. ერთანტენიანი ახლო ველის გაზომვები ჩატარდა UKM SATIMO ახლო ველის სისტემების ლაბორატორიის SATIMO ახლო ველის ექსპერიმენტულ გარემოში. ნახატები 10a, b გვიჩვენებს იმიტირებულ და დაკვირვებულ E- სიბრტყის და H- სიბრტყის გამოსხივების ნიმუშებს 5.5 გჰც სიხშირეზე შემოთავაზებული ერთი ანტენისთვის MS-ით და მის გარეშე. განვითარებული ერთი ანტენა (MS-ის გარეშე) უზრუნველყოფს თანმიმდევრულ ორმხრივ გამოსხივების ნიმუშს გვერდითი წილის მნიშვნელობებით. შემოთავაზებული MS რეფლექტორის გამოყენების შემდეგ, ანტენა უზრუნველყოფს ცალმხრივ გამოსხივების შაბლონს და ამცირებს უკანა წილების დონეს, როგორც ნაჩვენებია სურათებში 10a, b. აღსანიშნავია, რომ შემოთავაზებული ერთი ანტენის გამოსხივების ნიმუში უფრო სტაბილურია და ცალმხრივია ძალიან დაბალი უკანა და გვერდითი წილებით სპილენძის უკანა პლანზე მეტასპირისის გამოყენებისას. შემოთავაზებული MM მასივის რეფლექტორი ამცირებს ანტენის უკანა და გვერდით წილებს, ხოლო აუმჯობესებს გამოსხივების მოქმედებას დენის მიმართებით ცალმხრივი მიმართულებებით (ნახ. 10a, b), რითაც ზრდის მომატებას და მიმართულებას. დაფიქსირდა, რომ ექსპერიმენტული გამოსხივების ნიმუში თითქმის შედარებული იყო CST სიმულაციების მაგალითთან, მაგრამ ოდნავ იცვლებოდა სხვადასხვა აწყობილი კომპონენტების არასწორი განლაგების, გაზომვის ტოლერანტობისა და კაბელის დანაკარგების გამო. გარდა ამისა, ანტენასა და MS რეფლექტორს შორის ჩასმული იყო ნეილონის სპაზერი, რაც კიდევ ერთი საკითხია, რომელიც გავლენას ახდენს დაკვირვებულ შედეგებზე ციფრულ შედეგებთან შედარებით.
განვითარებული ერთი ანტენის რადიაციული ნიმუში (MS-ის გარეშე და MS-ით) 5.5 გჰც სიხშირეზე იყო სიმულირებული და ტესტირება.
შემოთავაზებული MIMO ანტენის გეომეტრია ნაჩვენებია სურათზე 11 და მოიცავს ოთხ ერთ ანტენას. MIMO ანტენის ოთხი კომპონენტი განლაგებულია ორთოგონალურად ერთმანეთზე 80 × 80 × 1,575 მმ ზომის სუბსტრატზე, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 11. დაპროექტებულ MIMO ანტენას აქვს ელემენტთაშორისი მანძილი 22 მმ, რაც უფრო მცირეა ვიდრე ანტენის უახლოესი შესაბამისი ელემენტთაშორისი მანძილი. განვითარებულია MIMO ანტენა. გარდა ამისა, მიწის სიბრტყის ნაწილი მდებარეობს ისევე, როგორც ერთი ანტენა. MIMO ანტენების (S11, S22, S33 და S44) ასახვის მნიშვნელობები, რომლებიც ნაჩვენებია სურათ 12a-ზე, ავლენს იგივე ქცევას, როგორც ერთელემენტიანი ანტენის რეზონანსი 3.2-7.6 GHz დიაპაზონში. ამრიგად, MIMO ანტენის წინაღობის გამტარუნარიანობა ზუსტად იგივეა, რაც ერთი ანტენის. MIMO კომპონენტებს შორის დაწყვილების ეფექტი არის MIMO ანტენების მცირე გამტარუნარიანობის დაკარგვის მთავარი მიზეზი. ნახაზი 12b გვიჩვენებს ურთიერთკავშირის ეფექტს MIMO კომპონენტებზე, სადაც განისაზღვრა ოპტიმალური იზოლაცია MIMO კომპონენტებს შორის. 1 და 2 ანტენებს შორის იზოლაცია ყველაზე დაბალია დაახლოებით -13,6 dB, ხოლო იზოლაცია 1 და 4 ანტენებს შორის ყველაზე მაღალია დაახლოებით -30,4 dB. მისი მცირე ზომისა და უფრო ფართო გამტარუნარიანობის გამო, ამ MIMO ანტენას აქვს დაბალი მომატება და დაბალი გამტარუნარიანობა. იზოლაცია დაბალია, ამიტომ საჭიროა გაძლიერებული გამაგრება და იზოლაცია;
შემოთავაზებული MIMO ანტენის დიზაინის მექანიზმი (ა) ზედა ხედი და (ბ) მიწის სიბრტყე. (CST Studio Suite 2019).
შემოთავაზებული მეტაზედაპირული MIMO ანტენის გეომეტრიული განლაგება და აგზნების მეთოდი ნაჩვენებია სურათზე 13a. 10x10 მმ მატრიცა 80x80x1.575 მმ ზომებით შექმნილია 12 მმ სიმაღლის MIMO ანტენის უკანა მხარისთვის, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 13a. გარდა ამისა, მეტაზედაპირები სპილენძის საზურგეებით განკუთვნილია MIMO ანტენების გამოსაყენებლად მათი მუშაობის გასაუმჯობესებლად. მანძილი მეტაზედაპირსა და MIMO ანტენას შორის გადამწყვეტია მაღალი მომატების მისაღწევად, ხოლო ანტენის მიერ წარმოქმნილ ტალღებსა და მეტაზედაპირიდან ასახულ ტალღებს შორის კონსტრუქციული ჩარევის დაშვების საშუალებას. ვრცელი მოდელირება განხორციელდა ანტენასა და მეტაზედაპირს შორის სიმაღლის ოპტიმიზაციის მიზნით, ხოლო მეოთხედი ტალღის სტანდარტების შენარჩუნებისას მაქსიმალური მომატებისა და იზოლაციისთვის MIMO ელემენტებს შორის. MIMO ანტენის მუშაობის მნიშვნელოვანი გაუმჯობესებები, რომლებიც მიღწეულია უკანა პლანებთან მეტაზედაპირების გამოყენებით, უკანა პლანებთან შედარებით მეტაზედაპირებთან შედარებით, ნაჩვენები იქნება მომდევნო თავებში.
(ა) შემოთავაზებული MIMO ანტენის CST სიმულაციის დაყენება MS-ის გამოყენებით (CST STUDIO SUITE 2019), (ბ) განვითარებული MIMO სისტემის არეკვლის მრუდები MS-ის გარეშე და MS-ით.
MIMO ანტენების არეკვლა მეტაზედაპირებით და მის გარეშე ნაჩვენებია სურათზე 13b, სადაც S11 და S44 წარმოდგენილია MIMO სისტემის ყველა ანტენის თითქმის იდენტური ქცევის გამო. აღსანიშნავია, რომ MIMO ანტენის -10 დბ წინაღობის გამტარუნარიანობა ერთი მეტაზედაპირის გარეშე და მასზე თითქმის იგივეა. ამის საპირისპიროდ, შემოთავაზებული MIMO ანტენის წინაღობის გამტარუნარიანობა გაუმჯობესებულია ორმაგი ფენის MS და უკანა პლანის MS-ით. აღსანიშნავია, რომ MS-ის გარეშე, MIMO ანტენა უზრუნველყოფს ფრაქციულ გამტარობას 81,5% (3,2-7,6 გჰც) ცენტრალურ სიხშირესთან შედარებით. MS-ის უკანა პლანთან ინტეგრირება ზრდის შემოთავაზებული MIMO ანტენის წინაღობის სიჩქარეს 86,3%-მდე (3,08–7,75 გჰც). მიუხედავად იმისა, რომ ორმაგი ფენის MS ზრდის გამტარუნარიანობას, გაუმჯობესება ნაკლებია, ვიდრე MS-ის სპილენძის უკანა პლანზე. უფრო მეტიც, ორ ფენიანი MC ზრდის ანტენის ზომას, ზრდის მის ღირებულებას და ზღუდავს მის დიაპაზონს. შექმნილია MIMO ანტენა და მეტაზედაპირის რეფლექტორი დამზადებულია და დამოწმებულია სიმულაციის შედეგების დასადასტურებლად და რეალური შესრულების შესაფასებლად. სურათი 14a გვიჩვენებს შემუშავებულ MS ფენას და MIMO ანტენას სხვადასხვა კომპონენტებით აწყობილი, ხოლო ნახაზი 14b გვიჩვენებს განვითარებული MIMO სისტემის ფოტოს. MIMO ანტენა დამონტაჟებულია მეტაზედაპირის თავზე ოთხი ნეილონის შუალედის გამოყენებით, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 14b. სურათი 15a გვიჩვენებს განვითარებული MIMO ანტენის სისტემის ახლო ველზე ექსპერიმენტული დაყენების კადრს. PNA ქსელის ანალიზატორი (Agilent Technologies PNA N5227A) გამოიყენებოდა გაფანტვის პარამეტრების შესაფასებლად და ახლო ველის ემისიის მახასიათებლების შესაფასებლად და დასახასიათებლად UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory-ში.
(ა) SATIMO ახლო ველის გაზომვების ფოტოები (ბ) S11 MIMO ანტენის სიმულირებული და ექსპერიმენტული მრუდები MS-ით და მის გარეშე.
ამ განყოფილებაში წარმოდგენილია შემოთავაზებული 5G MIMO ანტენის სიმულირებული და დაკვირვებული S- პარამეტრების შედარებითი კვლევა. სურათი 15b გვიჩვენებს ინტეგრირებული 4 ელემენტიანი MIMO MS ანტენის ექსპერიმენტული არეკვლის დიაგრამას და ადარებს მას CST სიმულაციის შედეგებს. აღმოჩნდა, რომ ექსპერიმენტული ასახვები იგივეა, რაც CST-ის გამოთვლები, მაგრამ ოდნავ განსხვავებული იყო წარმოების დეფექტებისა და ექსპერიმენტული ტოლერანტობის გამო. გარდა ამისა, შემოთავაზებული MS-ზე დაფუძნებული MIMO პროტოტიპის დაკვირვებული ასახვა ფარავს 5G სპექტრს 6 გჰც-ზე ქვემოთ, წინაღობის გამტარუნარიანობით 4,8 გჰც, რაც ნიშნავს, რომ შესაძლებელია 5G აპლიკაციები. თუმცა, გაზომილი რეზონანსული სიხშირე, გამტარუნარიანობა და ამპლიტუდა ოდნავ განსხვავდება CST სიმულაციის შედეგებისგან. წარმოების დეფექტებმა, კოაქსიური SMA-ს შეერთების დანაკარგებმა და გარე გაზომვის პარამეტრებმა შეიძლება გამოიწვიოს განსხვავებები გაზომილ და სიმულირებულ შედეგებს შორის. თუმცა, მიუხედავად ამ ხარვეზებისა, შემოთავაზებული MIMO კარგად მუშაობს, უზრუნველყოფს სიმულაციასა და გაზომვებს შორის მყარ შეთანხმებას, რაც მას კარგად შეეფერება 6 გჰც-მდე 5G უკაბელო აპლიკაციებისთვის.
სიმულირებული და დაკვირვებული MIMO ანტენის მოპოვების მრუდები ნაჩვენებია სურათებში 2 და 2. როგორც ნაჩვენებია სურათებში 16a,b და 17a,b, შესაბამისად, ნაჩვენებია MIMO კომპონენტების ურთიერთქმედება. როდესაც მეტაზედაპირები გამოიყენება MIMO ანტენებზე, MIMO ანტენებს შორის იზოლაცია მნიშვნელოვნად გაუმჯობესებულია. S12, S14, S23 და S34 მეზობელ ანტენის ელემენტებს შორის იზოლაციის ნახაზები გვიჩვენებს მსგავს მოსახვევებს, ხოლო დიაგონალური MIMO ანტენები S13 და S42 აჩვენებენ ანალოგიურად მაღალ იზოლაციას მათ შორის უფრო დიდი მანძილის გამო. მიმდებარე ანტენების სიმულირებული გადაცემის მახასიათებლები ნაჩვენებია სურათზე 16a. აღსანიშნავია, რომ 5G ოპერაციულ სპექტრში 6 გჰც-ზე დაბლა, MIMO ანტენის მინიმალური იზოლაცია მეტაზედაპირის გარეშე არის -13,6 დბ, ხოლო უკანა პლანის მქონე მეტა ზედაპირისთვის – 15,5 დბ. გაზრდის დიაგრამა (სურათი 16a) გვიჩვენებს, რომ უკანა პლანის მეტაზედაპირი მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს იზოლაციას MIMO ანტენის ელემენტებს შორის ერთ და ორ ფენიან მეტაზედაპირებთან შედარებით. მიმდებარე ანტენის ელემენტებზე, ერთ და ორ ფენიანი მეტაზედაპირები უზრუნველყოფს მინიმალურ იზოლაციას დაახლოებით -13,68 dB და -14,78 dB, ხოლო სპილენძის უკანა პლანის მეტაზედაპირი უზრუნველყოფს დაახლოებით -15,5 dB.
MIMO ელემენტების სიმულირებული იზოლაციის მრუდები MS ფენის გარეშე და MS ფენით: (ა) S12, S14, S34 და S32 და (ბ) S13 და S24.
შემოთავაზებული MS-ზე დაფუძნებული MIMO ანტენების ექსპერიმენტული მომატების მრუდები: (a) S12, S14, S34 და S32 და (ბ) S13 და S24.
MIMO დიაგონალური ანტენის მიმღების ნახაზები MS ფენის დამატებამდე და მის შემდეგ ნაჩვენებია სურათზე 16b. აღსანიშნავია, რომ მინიმალური იზოლაცია დიაგონალურ ანტენებს შორის მეტაზედაპირის გარეშე (ანტენები 1 და 3) არის – 15,6 dB ოპერაციული სპექტრის მასშტაბით, ხოლო მეტაზედაპირი უკანა პლანზე არის – 18 dB. მეტაზედაპირული მიდგომა მნიშვნელოვნად ამცირებს დაწყვილების ეფექტებს დიაგონალურ MIMO ანტენებს შორის. ერთშრიანი მეტაზედაპირის მაქსიმალური იზოლაცია არის -37 დბ, ხოლო ორშრიანი მეტაზედაპირისთვის ეს მნიშვნელობა მცირდება -47 დბ-მდე. მეტა ზედაპირის მაქსიმალური იზოლაცია სპილენძის უკანა პლანზე არის -36.2 dB, რომელიც მცირდება სიხშირის დიაპაზონის გაზრდით. ერთ და ორ ფენიან მეტაზედაპირებთან შედარებით, უკანა პლანის გარეშე, მეტაზედაპირები უკანა პლანზე უზრუნველყოფს მაღალ იზოლაციას მთელი საჭირო ოპერაციული სიხშირის დიაპაზონში, განსაკუთრებით 5G დიაპაზონში 6 გჰც-ზე ქვემოთ, როგორც ნაჩვენებია სურათებში 16a, b. ყველაზე პოპულარულ და ფართოდ გამოყენებულ 5G დიაპაზონში 6 გჰც-ზე (3,5 გჰც) ქვემოთ, ერთ და ორშრიანი მეტაზედაპირებს აქვთ უფრო დაბალი იზოლაცია MIMO კომპონენტებს შორის, ვიდრე სპილენძის ზურგის მქონე მეტაზედაპირებს (თითქმის არ არის MS) (იხ. სურათი 16a), b). გაზრდის გაზომვები ნაჩვენებია სურათებში 17a, b, სადაც ნაჩვენებია მიმდებარე ანტენების (S12, S14, S34 და S32) და დიაგონალური ანტენების (S24 და S13) იზოლაცია, შესაბამისად. როგორც ამ ფიგურებიდან ჩანს (ნახ. 17a, b), MIMO კომპონენტებს შორის ექსპერიმენტული იზოლაცია კარგად ემთხვევა იმიტირებულ იზოლაციას. მიუხედავად იმისა, რომ არის მცირე განსხვავებები იმიტირებულ და გაზომილ CST მნიშვნელობებს შორის წარმოების დეფექტების, SMA პორტის კავშირებისა და მავთულის დანაკარგების გამო. გარდა ამისა, ანტენა და MS რეფლექტორი განლაგებულია ნეილონის სპეჩერებს შორის, რაც კიდევ ერთი საკითხია, რომელიც გავლენას ახდენს დაკვირვებულ შედეგებზე სიმულაციის შედეგებთან შედარებით.
შეისწავლა ზედაპირული დენის განაწილება 5.5 გჰც სიხშირეზე მეტაზედაპირების როლის რაციონალიზაციის მიზნით ზედაპირული ტალღების ჩახშობის გზით ურთიერთდაწყვილების შემცირებაში42. შემოთავაზებული MIMO ანტენის ზედაპირული დენის განაწილება ნაჩვენებია სურათზე 18, სადაც ანტენა 1 ამოძრავებს და ანტენის დანარჩენი ნაწილი წყდება 50 ომ დატვირთვით. როდესაც ანტენა 1 ენერგიულია, მნიშვნელოვანი ურთიერთდაკავშირების დენები გამოჩნდება მეზობელ ანტენებზე 5.5 გჰც სიხშირეზე მეტაზედაპირის არარსებობის შემთხვევაში, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 18a. პირიქით, მეტასპირფეისების გამოყენებით, როგორც ნაჩვენებია ნახ. 18b–d, იხვეწება მეზობელ ანტენებს შორის იზოლაცია. უნდა აღინიშნოს, რომ მიმდებარე ველების ურთიერთდაკავშირების ეფექტი შეიძლება მინიმუმამდე შემცირდეს შეერთების დენის გამრავლებით ერთეული უჯრედების მიმდებარე რგოლებზე და მიმდებარე MS ერთეულ უჯრედებზე MS ფენის გასწვრივ ანტიპარალელური მიმართულებით. განაწილებული ანტენებიდან MS ერთეულებში დენის შეყვანა არის ძირითადი მეთოდი MIMO კომპონენტებს შორის იზოლაციის გასაუმჯობესებლად. შედეგად, MIMO კომპონენტებს შორის დაწყვილების დენი მნიშვნელოვნად მცირდება და იზოლაცია ასევე მნიშვნელოვნად გაუმჯობესებულია. იმის გამო, რომ დაწყვილების ველი ფართოდ არის განაწილებული ელემენტში, სპილენძის უკანა პლანის მეტაზედაპირი მნიშვნელოვნად იზოლირებს MIMO ანტენის ასამბლეას, ვიდრე ერთ და ორშრიანი მეტაზედაპირები (სურათი 18d). უფრო მეტიც, განვითარებულ MIMO ანტენას აქვს ძალიან დაბალი უკანა გავრცელება და გვერდითი გავრცელება, წარმოქმნის ცალმხრივ გამოსხივების შაბლონს, რითაც იზრდება შემოთავაზებული MIMO ანტენის მომატება.
შემოთავაზებული MIMO ანტენის ზედაპირის დენის შაბლონები 5,5 გჰც სიხშირეზე (a) MC-ის გარეშე, (ბ) ერთშრიანი MC, (გ) ორსართულიანი MC და (დ) ერთშრიანი MC სპილენძის უკანა პლანზე. (CST Studio Suite 2019).
ოპერაციული სიხშირის ფარგლებში, სურათი 19a გვიჩვენებს შექმნილი MIMO ანტენის იმიტირებულ და დაკვირვებულ მიღწევებს მეტაზედაპირების გარეშე. MIMO ანტენის სიმულირებული მიღწეული მომატება მეტაზედაპირის გარეშე არის 5.4 dBi, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 19a. MIMO კომპონენტებს შორის ურთიერთდაკავშირების ეფექტის გამო, შემოთავაზებული MIMO ანტენა რეალურად აღწევს 0,25 dBi უფრო მაღალ მომატებას, ვიდრე ერთი ანტენა. მეტაზედაპირების დამატებამ შეიძლება უზრუნველყოს მნიშვნელოვანი მოგება და იზოლაცია MIMO კომპონენტებს შორის. ამრიგად, შემოთავაზებულ მეტაზედაპირულ MIMO ანტენას შეუძლია მიაღწიოს მაღალ რეალიზებულ მომატებას 8.3 dBi-მდე. როგორც ნაჩვენებია სურათზე 19a, როდესაც გამოიყენება ერთი მეტაზედაპირი MIMO ანტენის უკანა მხარეს, მომატება იზრდება 1.4 dBi-ით. როდესაც მეტაზედაპირი გაორმაგდება, მომატება იზრდება 2.1 dBi-ით, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 19a. თუმცა, მოსალოდნელი მაქსიმალური მომატება 8.3 dBi მიიღწევა სპილენძის უკანა პლანზე მეტასპირისის გამოყენებისას. აღსანიშნავია, რომ მაქსიმალური მიღწეული მომატება ერთფენიანი და ორშრიანი მეტაზედაპირებისთვის არის 6.8 dBi და 7.5 dBi, შესაბამისად, ხოლო მაქსიმალური მიღწეული მომატება ქვედა ფენის მეტაზედაპირებისთვის არის 8.3 dBi. ანტენის უკანა მხარეს მეტასპირისპირული ფენა მოქმედებს როგორც რეფლექტორი, ასახავს გამოსხივებას ანტენის უკანა მხრიდან და აუმჯობესებს შემუშავებული MIMO ანტენის წინა და უკანა (F/B) თანაფარდობას. გარდა ამისა, მაღალი წინაღობის MS რეფლექტორი მანიპულირებს ელექტრომაგნიტური ტალღებით ფაზაში, რითაც ქმნის დამატებით რეზონანსს და აუმჯობესებს შემოთავაზებული MIMO ანტენის გამოსხივების მოქმედებას. MIMO ანტენის უკან დაყენებულ MS რეფლექტორს შეუძლია მნიშვნელოვნად გაზარდოს მიღწეული მომატება, რაც დასტურდება ექსპერიმენტული შედეგებით. შემუშავებული პროტოტიპის MIMO ანტენის დაკვირვებული და იმიტირებული მიღწევები თითქმის იგივეა, თუმცა ზოგიერთ სიხშირეზე გაზომილი მომატება უფრო მაღალია, ვიდრე იმიტირებული მომატება, განსაკუთრებით MIMO-სთვის MS-ის გარეშე; ექსპერიმენტული მომატების ეს ცვალებადობა გამოწვეულია ნეილონის ბალიშების გაზომვის ტოლერანტობით, კაბელის დანაკარგებით და ანტენის სისტემაში შეერთებით. MIMO ანტენის გაზომილი მაქსიმალური მომატება მეტასპირისპირის გარეშე არის 5,8 dBi, ხოლო სპილენძის უკანა პლანზე მეტა ზედაპირი არის 8,5 dBi. აღსანიშნავია, რომ შემოთავაზებული სრული 4-პორტიანი MIMO ანტენის სისტემა MS რეფლექტორით ავლენს მაღალ მომატებას ექსპერიმენტულ და რიცხვობრივ პირობებში.
სიმულაცია და ექსპერიმენტული შედეგები (ა) მიღწეული გაზრდის და (ბ) შემოთავაზებული MIMO ანტენის საერთო ეფექტურობის მეტაზედაპირული ეფექტით.
სურათი 19b გვიჩვენებს შემოთავაზებული MIMO სისტემის მთლიან მუშაობას მეტაზედაპირის ამრეკლერების გარეშე და მის გარეშე. ნახაზზე 19b, ყველაზე დაბალი ეფექტურობა MS-ის გამოყენებით უკანა პლანზე იყო 73%-ზე მეტი (84%-მდე). განვითარებული MIMO ანტენების საერთო ეფექტურობა MC-ის გარეშე და MC-ით თითქმის იგივეა მცირე განსხვავებებით სიმულირებულ მნიშვნელობებთან შედარებით. ამის მიზეზებია გაზომვის ტოლერანტობა და ანტენასა და MS რეფლექტორს შორის სპეჩერების გამოყენება. გაზომილი მიღწეული მომატება და მთლიანი ეფექტურობა მთელ სიხშირეზე თითქმის მსგავსია სიმულაციის შედეგებთან, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ შემოთავაზებული MIMO პროტოტიპის შესრულება მოსალოდნელია და რომ რეკომენდებული MS-ზე დაფუძნებული MIMO ანტენა შესაფერისია 5G კომუნიკაციებისთვის. ექსპერიმენტულ კვლევებში შეცდომების გამო, არსებობს განსხვავებები ლაბორატორიული ექსპერიმენტების საერთო შედეგებსა და სიმულაციების შედეგებს შორის. შემოთავაზებული პროტოტიპის შესრულებაზე გავლენას ახდენს წინაღობის შეუსაბამობა ანტენასა და SMA კონექტორს შორის, კოაქსიალური კაბელის შეერთების დანაკარგები, შედუღების ეფექტები და სხვადასხვა ელექტრონული მოწყობილობების სიახლოვე ექსპერიმენტულ კონფიგურაციასთან.
სურათი 20 აღწერს აღნიშნული ანტენის დიზაინისა და ოპტიმიზაციის პროგრესს ბლოკ-სქემის სახით. ეს ბლოკ-სქემა გთავაზობთ შემოთავაზებული MIMO ანტენის დიზაინის პრინციპების ეტაპობრივ აღწერას, ასევე იმ პარამეტრებს, რომლებიც მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ ანტენის ოპტიმიზაციაში, რათა მივაღწიოთ საჭირო მაღალ მომატებას და მაღალ იზოლაციას ფართო ოპერაციულ სიხშირეზე.
ახლო ველის MIMO ანტენის გაზომვები გაზომილი იყო SATIMO ახლო ველის ექსპერიმენტულ გარემოში UKM SATIMO ახლო ველის სისტემების ლაბორატორიაში. ნახატები 21a,b ასახავს მოთხოვნილი MIMO ანტენის იმიტირებულ და დაკვირვებულ E- თვითმფრინავისა და H- სიბრტყის გამოსხივების ნიმუშებს MS-ით და მის გარეშე 5,5 გჰც ოპერაციული სიხშირით. ოპერაციული სიხშირის დიაპაზონში 5,5 გჰც, განვითარებული არა-MS MIMO ანტენა უზრუნველყოფს თანმიმდევრულ ორმხრივ გამოსხივებას გვერდითი წილის მნიშვნელობებით. MS რეფლექტორის გამოყენების შემდეგ, ანტენა უზრუნველყოფს ცალმხრივი გამოსხივების შაბლონს და ამცირებს უკანა წილების დონეს, როგორც ნაჩვენებია სურათებში 21a, b. აღსანიშნავია, რომ სპილენძის უკანა პლანზე მეტა ზედაპირის გამოყენებით, შემოთავაზებული MIMO ანტენის ნიმუში უფრო სტაბილური და ცალმხრივია, ვიდრე MS-ის გარეშე, ძალიან დაბალი უკანა და გვერდითი წილებით. შემოთავაზებული MM მასივის რეფლექტორი ამცირებს ანტენის უკანა და გვერდით წილებს და ასევე აუმჯობესებს გამოსხივების მახასიათებლებს დენის ცალმხრივი მიმართულებით მიმართვით (ნახ. 21a, b), რითაც ზრდის მომატებას და მიმართულებას. გაზომილი გამოსხივების ნიმუში მიღებულ იქნა 1-ლი პორტისთვის 50 Ohm დატვირთვით, რომელიც დაკავშირებულია დანარჩენ პორტებთან. დაფიქსირდა, რომ ექსპერიმენტული გამოსხივების ნიმუში თითქმის იდენტური იყო CST-ის მიერ სიმულირებულის, თუმცა იყო გარკვეული გადახრები კომპონენტების არასწორი განლაგების, ტერმინალის პორტებიდან ასახვის და საკაბელო კავშირების დანაკარგების გამო. გარდა ამისა, ანტენასა და MS რეფლექტორს შორის ჩასმული იყო ნეილონის სპაზერი, რაც კიდევ ერთი პრობლემაა, რომელიც გავლენას ახდენს დაკვირვებულ შედეგებზე პროგნოზირებულ შედეგებთან შედარებით.
განვითარებული MIMO ანტენის რადიაციული ნიმუში (MS-ის გარეშე და MS-ით) 5,5 გჰც სიხშირეზე იყო სიმულირებული და ტესტირება.
მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ პორტის იზოლაცია და მასთან დაკავშირებული მახასიათებლები აუცილებელია MIMO სისტემების მუშაობის შეფასებისას. შემოთავაზებული MIMO სისტემის მრავალფეროვნების შესრულება, კონვერტის კორელაციის კოეფიციენტის (ECC) და მრავალფეროვნების მომატების (DG) ჩათვლით, შესწავლილია დაპროექტებული MIMO ანტენის სისტემის გამძლეობის საილუსტრაციოდ. MIMO ანტენის ECC და DG შეიძლება გამოყენებულ იქნას მისი მუშაობის შესაფასებლად, რადგან ისინი MIMO სისტემის მუშაობის მნიშვნელოვანი ასპექტებია. შემდეგ სექციებში დეტალურად იქნება აღწერილი შემოთავაზებული MIMO ანტენის ეს მახასიათებლები.
კონვერტის კორელაციის კოეფიციენტი (ECC). ნებისმიერი MIMO სისტემის განხილვისას, ECC განსაზღვრავს შემადგენელი ელემენტების ერთმანეთთან კორელაციის ხარისხს მათი სპეციფიკური თვისებების მიხედვით. ამრიგად, ECC აჩვენებს არხის იზოლაციის ხარისხს უკაბელო საკომუნიკაციო ქსელში. შემუშავებული MIMO სისტემის ECC (კონვერტის კორელაციის კოეფიციენტი) შეიძლება განისაზღვროს S- პარამეტრებისა და შორს ველის ემისიის საფუძველზე. მდებარეობა Eq. (7) და (8) შემოთავაზებული MIMO ანტენის 31 ECC შეიძლება განისაზღვროს.
ასახვის კოეფიციენტი წარმოდგენილია Sii-ით და Sij წარმოადგენს გადაცემის კოეფიციენტს. j-ე და მე-ე ანტენების სამგანზომილებიანი გამოსხივების ნიმუშები მოცემულია გამონათქვამებით \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) და \( \vec {{R_{ i } }} მყარი კუთხე წარმოდგენილია \left( {\theta ,\varphi } \right)\) და \({\Omega }\). შემოთავაზებული ანტენის ECC მრუდი ნაჩვენებია სურათზე 22a და მისი მნიშვნელობა ნაკლებია 0,004-ზე, რაც საკმაოდ დაბალია უკაბელო სისტემისთვის მისაღები მნიშვნელობის 0,5-ზე. ამიტომ, შემცირებული ECC მნიშვნელობა ნიშნავს, რომ შემოთავაზებული 4-პორტიანი MIMO სისტემა უზრუნველყოფს მაღალ მრავალფეროვნებას43.
Diversity Gain (DG) DG არის კიდევ ერთი MIMO სისტემის მუშაობის მეტრიკა, რომელიც აღწერს, თუ როგორ მოქმედებს მრავალფეროვნების სქემა გამოსხივებულ სიმძლავრეზე. კავშირი (9) განსაზღვრავს შემუშავებული MIMO ანტენის სისტემის DG-ს, როგორც აღწერილია 31-ში.
სურათი 22b გვიჩვენებს შემოთავაზებული MIMO სისტემის DG დიაგრამას, სადაც DG მნიშვნელობა ძალიან ახლოს არის 10 dB-თან. დაპროექტებული MIMO სისტემის ყველა ანტენის DG მნიშვნელობები აღემატება 9,98 დბ.
ცხრილი 1 ადარებს შემოთავაზებულ მეტასპირისპირულ MIMO ანტენას ახლახან განვითარებულ მსგავს MIMO სისტემებთან. შედარება ითვალისწინებს სხვადასხვა შესრულების პარამეტრებს, მათ შორის სიჩქარეს, მომატებას, მაქსიმალურ იზოლაციას, საერთო ეფექტურობას და მრავალფეროვნების შესრულებას. მკვლევარებმა წარმოადგინეს MIMO ანტენის სხვადასხვა პროტოტიპები მომატებისა და იზოლაციის გაუმჯობესების ტექნიკით 5, 44, 45, 46, 47. ადრე გამოქვეყნებულ ნამუშევრებთან შედარებით, შემოთავაზებული MIMO სისტემა მეტაზედაპირის რეფლექტორებით აღემატება მათ გამტარუნარიანობის, მომატებისა და იზოლაციის თვალსაზრისით. გარდა ამისა, მსგავს ანტენებთან შედარებით, განვითარებული MIMO სისტემა აჩვენებს უმაღლესი მრავალფეროვნების შესრულებას და საერთო ეფექტურობას მცირე ზომით. მიუხედავად იმისა, რომ განყოფილებაში 5.46 აღწერილ ანტენებს აქვთ უფრო მაღალი იზოლაცია, ვიდრე ჩვენს მიერ შემოთავაზებულ ანტენებს, ამ ანტენებს აქვთ დიდი ზომები, დაბალი მომატება, ვიწრო გამტარობა და ცუდი MIMO შესრულება. 45-ში შემოთავაზებული 4-პორტიანი MIMO ანტენა ავლენს მაღალ მომატებას და ეფექტურობას, მაგრამ მის დიზაინს აქვს დაბალი იზოლაცია, დიდი ზომები და ცუდი მრავალფეროვნების შესრულება. მეორეს მხრივ, 47-ში შემოთავაზებულ მცირე ზომის ანტენის სისტემას აქვს ძალიან დაბალი მომატება და ოპერაციული გამტარობა, ხოლო ჩვენი შემოთავაზებული MS დაფუძნებული 4-პორტიანი MIMO სისტემა აჩვენებს მცირე ზომას, მაღალ მომატებას, მაღალ იზოლაციას და უკეთეს შესრულებას MIMO. ამრიგად, შემოთავაზებული მეტაზედაპირული MIMO ანტენა შეიძლება გახდეს მთავარი კონკურენტი 6 გჰც-მდე 5G საკომუნიკაციო სისტემებისთვის.
შემოთავაზებულია ოთხპორტიანი მეტაზედაპირის რეფლექტორზე დაფუძნებული ფართოზოლოვანი MIMO ანტენა მაღალი მომატებითა და იზოლაციით 6 გჰც-ზე დაბალი 5G აპლიკაციების მხარდასაჭერად. მიკროზოლის ხაზი კვებავს კვადრატულ რადიაციულ მონაკვეთს, რომელიც იჭრება კვადრატით დიაგონალურ კუთხეებში. შემოთავაზებული MS და ანტენის ემიტერი დანერგილია Rogers RT5880-ის მსგავსი სუბსტრატის მასალებზე, რათა მიაღწიოს შესანიშნავი შესრულებას მაღალსიჩქარიანი 5G საკომუნიკაციო სისტემებში. MIMO ანტენას აქვს ფართო დიაპაზონი და მაღალი მომატება და უზრუნველყოფს ხმის იზოლაციას MIMO კომპონენტებს შორის და შესანიშნავი ეფექტურობით. განვითარებულ ერთ ანტენას აქვს მინიატურული ზომები 0.58?0.58?0.02? 5×5 მეტაზედაპირის მასივით, უზრუნველყოფს ფართო 4,56 გჰც ოპერაციულ სიჩქარეს, 8 dBi პიკს და მაღალ გაზომილ ეფექტურობას. შემოთავაზებული ოთხპორტიანი MIMO ანტენა (2 × 2 მასივი) შექმნილია თითოეული შემოთავაზებული ერთჯერადი ანტენის ორთოგონალურად გასწორებით სხვა ანტენასთან, რომლის ზომებია 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. რეკომენდირებულია 10×10 მმ მასივის აწყობა 12 მმ სიმაღლის MIMO ანტენის ქვეშ, რომელსაც შეუძლია შეამციროს უკანა გამოსხივება და შეამციროს MIMO კომპონენტებს შორის ურთიერთდაკავშირება, რითაც გააუმჯობესებს მომატებას და იზოლაციას. ექსპერიმენტული და სიმულაციური შედეგები აჩვენებს, რომ განვითარებულ MIMO პროტოტიპს შეუძლია იმუშაოს სიხშირის ფართო დიაპაზონში 3.08-7.75 GHz, რომელიც მოიცავს 5G სპექტრს 6 გჰც-ზე ქვემოთ. გარდა ამისა, შემოთავაზებული MS-ზე დაფუძნებული MIMO ანტენა აუმჯობესებს მის მომატებას 2.9 dBi-ით, აღწევს მაქსიმალურ მომატებას 8.3 dBi და უზრუნველყოფს შესანიშნავ იზოლაციას (>15.5 dB) MIMO კომპონენტებს შორის, რაც ადასტურებს MS-ის წვლილს. გარდა ამისა, შემოთავაზებულ MIMO ანტენას აქვს მაღალი საშუალო საერთო ეფექტურობა 82% და დაბალი ელემენტებს შორის მანძილი 22 მმ. ანტენა ავლენს შესანიშნავი MIMO მრავალფეროვნების შესრულებას, მათ შორის ძალიან მაღალი DG (9,98 დბ-ზე მეტი), ძალიან დაბალი ECC (0,004-ზე ნაკლები) და ცალმხრივი გამოსხივების ნიმუში. გაზომვის შედეგები ძალიან ჰგავს სიმულაციის შედეგებს. ეს მახასიათებლები ადასტურებს, რომ განვითარებული ოთხპორტიანი MIMO ანტენის სისტემა შეიძლება იყოს ეფექტური არჩევანი 5G საკომუნიკაციო სისტემებისთვის 6 გჰც სიხშირის დიაპაზონში.
Cowin-ს შეუძლია უზრუნველყოს 400-6000MHz ფართოზოლოვანი PCB ანტენა და მხარდაჭერა ახალი ანტენის დიზაინისთვის თქვენი მოთხოვნის შესაბამისად, გთხოვთ დაგვიკავშირდეთ უყოყმანოდ, თუ რაიმე მოთხოვნა გაქვთ.
გამოქვეყნების დრო: ოქტ-10-2024