Este trabajo propone una antena de banda ancha de metasuperficie (MS) compacta e integrada de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) para sistemas de comunicación inalámbrica de quinta generación (5G) por debajo de 6 GHz. La novedad obvia del sistema MIMO propuesto es su amplio ancho de banda operativo, alta ganancia, pequeñas separaciones entre componentes y excelente aislamiento dentro de los componentes MIMO. El punto radiante de la antena está truncado en diagonal, parcialmente conectado a tierra y se utilizan metasuperficies para mejorar el rendimiento de la antena. El prototipo de antena MS única integrada propuesta tiene dimensiones en miniatura de 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Los resultados de simulación y medición demuestran el rendimiento de banda ancha de 3,11 GHz a 7,67 GHz, incluida la ganancia más alta alcanzada de 8 dBi. El sistema MIMO de cuatro elementos está diseñado para que cada antena sea ortogonal entre sí manteniendo un tamaño compacto y un rendimiento de banda ancha de 3,2 a 7,6 GHz. El prototipo MIMO propuesto está diseñado y fabricado sobre sustrato Rogers RT5880 con baja pérdida y dimensiones miniaturizadas de 1,05? 1,05? 0,02?, y su rendimiento se evalúa utilizando el conjunto de resonadores de anillo cerrado cuadrado propuesto con un anillo dividido de 10 x 10. El material básico es el mismo. La metasuperficie del backplane propuesta reduce significativamente la radiación trasera de la antena y manipula los campos electromagnéticos, mejorando así el ancho de banda, la ganancia y el aislamiento de los componentes MIMO. En comparación con las antenas MIMO existentes, la antena MIMO de 4 puertos propuesta logra una alta ganancia de 8,3 dBi con una eficiencia general promedio de hasta el 82 % en la banda 5G sub-6 GHz y concuerda bien con los resultados medidos. Además, la antena MIMO desarrollada exhibe un rendimiento excelente en términos de coeficiente de correlación de envolvente (ECC) de menos de 0,004, ganancia de diversidad (DG) de aproximadamente 10 dB (>9,98 dB) y alto aislamiento entre componentes MIMO (>15,5 dB). características. Por lo tanto, la antena MIMO basada en MS propuesta confirma su aplicabilidad para redes de comunicación 5G por debajo de 6 GHz.
La tecnología 5G es un avance increíble en las comunicaciones inalámbricas que permitirá redes más rápidas y seguras para miles de millones de dispositivos conectados, brindará experiencias de usuario con latencia “cero” (latencia de menos de 1 milisegundo) e introducirá nuevas tecnologías, incluida la electrónica. Atención médica, educación intelectual. , las ciudades inteligentes, los hogares inteligentes, la realidad virtual (VR), las fábricas inteligentes y el Internet de los vehículos (IoV) están cambiando nuestras vidas, nuestra sociedad y nuestras industrias1,2,3. La Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de EE. UU. divide el espectro 5G en cuatro bandas de frecuencia4. La banda de frecuencia por debajo de 6 GHz es de interés para los investigadores porque permite comunicaciones a larga distancia con altas velocidades de datos5,6. La asignación de espectro 5G sub-6 GHz para comunicaciones 5G globales se muestra en la Figura 1, lo que indica que todos los países están considerando el espectro sub-6 GHz para comunicaciones 5G7,8. Las antenas son una parte importante de las redes 5G y requerirán más antenas para estaciones base y terminales de usuario.
Las antenas de parche Microstrip tienen las ventajas de ser delgadas y de estructura plana, pero están limitadas en ancho de banda y ganancia9,10, por lo que se han realizado muchas investigaciones para aumentar la ganancia y el ancho de banda de la antena; En los últimos años, las metasuperficies (MS) se han utilizado ampliamente en tecnologías de antenas, especialmente para mejorar la ganancia y el rendimiento11,12; sin embargo, estas antenas están limitadas a un solo puerto; La tecnología MIMO es un aspecto importante de las comunicaciones inalámbricas porque puede utilizar múltiples antenas simultáneamente para transmitir datos, mejorando así las velocidades de datos, la eficiencia espectral, la capacidad del canal y la confiabilidad13,14,15. Las antenas MIMO son candidatas potenciales para aplicaciones 5G porque pueden transmitir y recibir datos a través de múltiples canales sin requerir energía adicional16,17. El efecto de acoplamiento mutuo entre los componentes MIMO depende de la ubicación de los elementos MIMO y de la ganancia de la antena MIMO, lo que supone un gran desafío para los investigadores. Las Figuras 18, 19 y 20 muestran varias antenas MIMO que funcionan en la banda 5G sub-6 GHz, y todas demuestran un buen aislamiento y rendimiento de MIMO. Sin embargo, la ganancia y el ancho de banda operativo de estos sistemas propuestos son bajos.
Los metamateriales (MM) son materiales nuevos que no existen en la naturaleza y que pueden manipular ondas electromagnéticas, mejorando así el rendimiento de las antenas21,22,23,24. MM ahora se usa ampliamente en tecnología de antenas para mejorar el patrón de radiación, el ancho de banda, la ganancia y el aislamiento entre los elementos de la antena y los sistemas de comunicación inalámbrica, como se analiza en 25, 26, 27, 28. En 2029, un sistema MIMO de cuatro elementos basado en metasuperficie, en la que la sección de la antena se intercala entre la metasuperficie y el suelo sin un espacio de aire, lo que mejora el rendimiento de MIMO. Sin embargo, este diseño tiene un tamaño mayor, una frecuencia de operación más baja y una estructura compleja. En la antena MIMO de banda ancha de 2 puertos propuesta se incluyen una banda prohibida electromagnética (EBG) y un bucle de tierra para mejorar el aislamiento de los componentes MIMO30. La antena diseñada tiene un buen rendimiento de diversidad MIMO y un excelente aislamiento entre dos antenas MIMO, pero al utilizar solo dos componentes MIMO, la ganancia será baja. Además, in31 también propuso una antena MIMO de doble puerto de banda ultra ancha (UWB) e investigó su rendimiento MIMO utilizando metamateriales. Aunque esta antena es capaz de funcionar con UWB, su ganancia es baja y el aislamiento entre las dos antenas es deficiente. El trabajo de in32 propone un sistema MIMO de 2 puertos que utiliza reflectores de banda prohibida electromagnética (EBG) para aumentar la ganancia. Aunque el conjunto de antenas desarrollado tiene una alta ganancia y un buen rendimiento de diversidad MIMO, su gran tamaño dificulta su aplicación en dispositivos de comunicación de próxima generación. En 33 se desarrolló otra antena de banda ancha basada en reflector, donde el reflector estaba integrado debajo de la antena con un espacio mayor de 22 mm, exhibiendo una ganancia máxima más baja de 4,87 dB. Paper 34 diseña una antena MIMO de cuatro puertos para aplicaciones mmWave, que se integra con la capa MS para mejorar el aislamiento y la ganancia del sistema MIMO. Sin embargo, esta antena proporciona buena ganancia y aislamiento, pero tiene un ancho de banda limitado y propiedades mecánicas deficientes debido al gran espacio de aire. De manera similar, en 2015, se desarrolló una antena MIMO integrada en metasuperficie de tres pares y 4 puertos en forma de pajarita para comunicaciones mmWave con una ganancia máxima de 7,4 dBi. B36 MS se utiliza en la parte posterior de una antena 5G para aumentar la ganancia de la antena, donde la metasuperficie actúa como reflector. Sin embargo, la estructura de MS es asimétrica y se ha prestado menos atención a la estructura de celda unitaria.
Según los resultados del análisis anterior, ninguna de las antenas anteriores tiene alta ganancia, excelente aislamiento, rendimiento MIMO y cobertura de banda ancha. Por lo tanto, todavía existe la necesidad de una antena MIMO de metasuperficie que pueda cubrir una amplia gama de frecuencias del espectro 5G por debajo de 6 GHz con alta ganancia y aislamiento. Teniendo en cuenta las limitaciones de la literatura mencionada anteriormente, se propone un sistema de antena MIMO de cuatro elementos de banda ancha con alta ganancia y excelente rendimiento de diversidad para sistemas de comunicación inalámbrica por debajo de 6 GHz. Además, la antena MIMO propuesta exhibe un excelente aislamiento entre los componentes MIMO, pequeños espacios entre elementos y una alta eficiencia de radiación. El parche de la antena se trunca en diagonal y se coloca encima de la metasuperficie con un espacio de aire de 12 mm, que refleja la radiación de la antena y mejora la ganancia y la directividad de la antena. Además, la antena única propuesta se utiliza para crear una antena MIMO de cuatro elementos con un rendimiento MIMO superior al colocar cada antena ortogonalmente entre sí. Luego, la antena MIMO desarrollada se integró encima de una matriz de 10 × 10 MS con una placa posterior de cobre para mejorar el rendimiento de las emisiones. El diseño presenta un amplio rango operativo (3,08-7,75 GHz), alta ganancia de 8,3 dBi y una alta eficiencia general promedio del 82 %, así como un excelente aislamiento de más de −15,5 dB entre los componentes de la antena MIMO. La antena MIMO basada en MS desarrollada se simuló utilizando el paquete de software electromagnético 3D CST Studio 2019 y se validó mediante estudios experimentales.
Esta sección proporciona una introducción detallada a la arquitectura propuesta y la metodología de diseño de antena única. Además, los resultados simulados y observados se analizan en detalle, incluidos los parámetros de dispersión, la ganancia y la eficiencia general con y sin metasuperficies. El prototipo de antena fue desarrollado sobre un sustrato dieléctrico de baja pérdida Rogers 5880 con un espesor de 1.575 mm con una constante dieléctrica de 2.2. Para desarrollar y simular el diseño se utilizó el paquete de simulador electromagnético CST studio 2019.
La Figura 2 muestra la arquitectura propuesta y el modelo de diseño de una antena de un solo elemento. Según ecuaciones matemáticas bien establecidas37, la antena consta de un punto radiante cuadrado alimentado linealmente y un plano de tierra de cobre (como se describe en el paso 1) y resuena con un ancho de banda muy estrecho a 10,8 GHz, como se muestra en la Figura 3b. El tamaño inicial del radiador de la antena está determinado por la siguiente relación matemática37:
Donde \(P_{L}\) y \(P_{w}\) son la longitud y el ancho del parche, c representa la velocidad de la luz, \(\gamma_{r}\) es la constante dieléctrica del sustrato . , \(\gamma_{reff }\) representa el valor dieléctrico efectivo del punto de radiación, \(\Delta L\) representa el cambio en la longitud del punto. El backplane de la antena se optimizó en la segunda etapa, aumentando el ancho de banda de impedancia a pesar del ancho de banda de impedancia muy bajo de 10 dB. En la tercera etapa, la posición del alimentador se mueve hacia la derecha, lo que mejora el ancho de banda de impedancia y la adaptación de impedancia de la antena propuesta38. En esta etapa, la antena demuestra un excelente ancho de banda operativo de 4 GHz y también cubre el espectro por debajo de 6 GHz en 5G. La cuarta y última etapa consiste en grabar ranuras cuadradas en las esquinas opuestas del punto de radiación. Esta ranura amplía significativamente el ancho de banda de 4,56 GHz para cubrir el espectro 5G por debajo de 6 GHz de 3,11 GHz a 7,67 GHz, como se muestra en la Figura 3b. Las vistas en perspectiva frontal e inferior del diseño propuesto se muestran en la Figura 3a, y los parámetros de diseño finales optimizados requeridos son los siguientes: SL = 40 mm, Pw = 18 mm, PL = 18 mm, gL = 12 mm, fL = 11. mm, fW = 4,7 mm, c1 = 2 mm, c2 = 9,65 mm, c3 = 1,65 mm.
(a) Vistas superior y trasera de la antena única diseñada (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Curva del parámetro S.
Metasuperficie es un término que se refiere a una matriz periódica de celdas unitarias ubicadas a cierta distancia entre sí. Las metasuperficies son una forma eficaz de mejorar el rendimiento de la radiación de la antena, incluido el ancho de banda, la ganancia y el aislamiento entre los componentes MIMO. Debido a la influencia de la propagación de ondas superficiales, las metasuperficies generan resonancias adicionales que contribuyen a mejorar el rendimiento de la antena39. Este trabajo propone una unidad de metamaterial (MM) épsilon negativo que opera en la banda 5G por debajo de 6 GHz. El MM con una superficie de 8 mm×8 mm se desarrolló sobre un sustrato Rogers 5880 de baja pérdida con una constante dieléctrica de 2,2 y un espesor de 1,575 mm. El parche de resonador MM optimizado consta de un anillo dividido circular interno conectado a dos anillos divididos externos modificados, como se muestra en la Figura 4a. La Figura 4a resume los parámetros optimizados finales de la configuración MM propuesta. Posteriormente, se desarrollaron capas de metasuperficie de 40 × 40 mm y 80 × 80 mm sin una placa posterior de cobre y con una placa posterior de cobre utilizando matrices de celdas de 5 × 5 y 10 × 10, respectivamente. La estructura MM propuesta se modeló utilizando el software de modelado electromagnético 3D “CST studio suite 2019”. En la Figura 4b se muestra un prototipo fabricado de la estructura de matriz MM propuesta y la configuración de medición (analizador de red de doble puerto PNA y puerto de guía de ondas) para validar los resultados de la simulación CST analizando la respuesta real. La configuración de medición utilizó un analizador de red de la serie Agilent PNA en combinación con dos adaptadores coaxiales de guía de ondas (A-INFOMW, número de pieza: 187WCAS) para enviar y recibir señales. Se colocó un prototipo de matriz de 5 × 5 entre dos adaptadores coaxiales de guía de ondas conectados mediante cable coaxial a un analizador de red de dos puertos (Agilent PNA N5227A). El kit de calibración Agilent N4694-60001 se utiliza para calibrar el analizador de redes en una planta piloto. Los parámetros de dispersión simulados y observados por CST del prototipo de matriz MM propuesto se muestran en la Figura 5a. Se puede ver que la estructura MM propuesta resuena en el rango de frecuencia 5G por debajo de 6 GHz. A pesar de la pequeña diferencia en el ancho de banda de 10 dB, los resultados simulados y experimentales son muy similares. La frecuencia de resonancia, el ancho de banda y la amplitud de la resonancia observada son ligeramente diferentes de los simulados, como se muestra en la Figura 5a. Estas diferencias entre los resultados observados y simulados se deben a imperfecciones de fabricación, pequeños espacios entre el prototipo y los puertos de la guía de ondas, efectos de acoplamiento entre los puertos de la guía de ondas y los componentes del conjunto, y tolerancias de medición. Además, la colocación adecuada del prototipo desarrollado entre los puertos de la guía de ondas en la configuración experimental puede provocar un cambio de resonancia. Además, durante la fase de calibración se observaron ruidos no deseados, lo que provocó discrepancias entre los resultados numéricos y los medidos. Sin embargo, aparte de estas dificultades, el prototipo de matriz MM propuesto funciona bien debido a la fuerte correlación entre la simulación y el experimento, lo que lo hace muy adecuado para aplicaciones de comunicación inalámbrica 5G por debajo de 6 GHz.
(a) Geometría de la celda unitaria (S1 = 8 mm, S2 = 7 mm, S3 = 5 mm, f1, f2, f4 = 0,5 mm, f3 = 0,75 mm, h1 = 0,5 mm, h2 = 1,75 mm) (CST STUDIO SUITE) ) 2019) (b) Foto de la configuración de medición MM.
(a) Simulación y verificación de las curvas de parámetros de dispersión del prototipo de metamaterial. (b) Curva de constante dieléctrica de una celda unitaria MM.
Se estudiaron parámetros efectivos relevantes, como la constante dieléctrica efectiva, la permeabilidad magnética y el índice de refracción, utilizando técnicas de posprocesamiento integradas en el simulador electromagnético CST para analizar más a fondo el comportamiento de la celda unitaria MM. Los parámetros MM efectivos se obtienen a partir de los parámetros de dispersión utilizando un método de reconstrucción robusto. Las siguientes ecuaciones de coeficiente de transmitancia y reflexión: (3) y (4) se pueden utilizar para determinar el índice de refracción y la impedancia (ver 40).
Las partes real e imaginaria del operador están representadas por (.)' y (.)” respectivamente, y el valor entero m corresponde al índice de refracción real. La constante dieléctrica y la permeabilidad están determinadas por las fórmulas \(\varepsilon { } = { }n/z,\) y \(\mu = nz\), que se basan en la impedancia y el índice de refracción, respectivamente. La curva de constante dieléctrica efectiva de la estructura MM se muestra en la Figura 5b. A la frecuencia de resonancia, la constante dieléctrica efectiva es negativa. Las Figuras 6a,b muestran los valores extraídos de la permeabilidad efectiva (μ) y el índice de refracción efectivo (n) de la celda unitaria propuesta. En particular, las permeabilidades extraídas exhiben valores reales positivos cercanos a cero, lo que confirma las propiedades épsilon negativas (ENG) de la estructura MM propuesta. Además, como se muestra en la Figura 6a, la resonancia con una permeabilidad cercana a cero está fuertemente relacionada con la frecuencia de resonancia. La celda unitaria desarrollada tiene un índice de refracción negativo (Fig. 6b), lo que significa que el MM propuesto puede usarse para mejorar el rendimiento de la antena21,41.
El prototipo desarrollado de una única antena de banda ancha se fabricó para probar experimentalmente el diseño propuesto. Las Figuras 7a,b muestran imágenes del prototipo de antena única propuesto, sus partes estructurales y la configuración de medición de campo cercano (SATIMO). Para mejorar el rendimiento de la antena, la metasuperficie desarrollada se coloca en capas debajo de la antena, como se muestra en la Figura 8a, con una altura h. Se aplicó una única metasuperficie de doble capa de 40 mm x 40 mm en la parte posterior de la antena única a intervalos de 12 mm. Además, en la parte posterior de la antena única se coloca una metasuperficie con un plano posterior a una distancia de 12 mm. Después de aplicar la metasuperficie, la antena única muestra una mejora significativa en el rendimiento, como se muestra en las Figuras 1 y 2. Figuras 8 y 9. La Figura 8b muestra los gráficos de reflectancia simulados y medidos para la antena única sin y con metasuperficies. Vale la pena señalar que la banda de cobertura de una antena con metasuperficie es muy similar a la banda de cobertura de una antena sin metasuperficie. Las Figuras 9a,b muestran una comparación de la ganancia de antena única simulada y observada y la eficiencia general sin y con MS en el espectro operativo. Se puede observar que, en comparación con la antena que no es de metasuperficie, la ganancia de la antena de metasuperficie mejora significativamente, aumentando de 5,15 dBi a 8 dBi. La ganancia de la metasuperficie de una sola capa, la metasuperficie de doble capa y la antena única con metasuperficie de plano posterior aumentó en 6 dBi, 6,9 dBi y 8 dBi, respectivamente. En comparación con otras metasuperficies (MC de una y dos capas), la ganancia de una sola antena de metasuperficie con una placa posterior de cobre es de hasta 8 dBi. En este caso, la metasuperficie actúa como un reflector, reduciendo la radiación trasera de la antena y manipulando las ondas electromagnéticas en fase, aumentando así la eficiencia de la radiación de la antena y, por tanto, la ganancia. En la Figura 9b se muestra un estudio de la eficiencia general de una sola antena sin y con metasuperficies. Vale la pena señalar que la eficiencia de una antena con y sin metasuperficie es casi la misma. En el rango de frecuencia más bajo, la eficiencia de la antena disminuye ligeramente. Las curvas de ganancia y eficiencia experimentales y simuladas concuerdan bien. Sin embargo, existen ligeras diferencias entre los resultados simulados y probados debido a defectos de fabricación, tolerancias de medición, pérdida de conexión del puerto SMA y pérdida de cables. Además, la antena y el reflector MS están ubicados entre los espaciadores de nailon, lo cual es otro problema que afecta los resultados observados en comparación con los resultados de la simulación.
La figura (a) muestra la antena única completa y sus componentes asociados. (b) Configuración de medición de campo cercano (SATIMO).
(a) Excitación de antena utilizando reflectores de metasuperficie (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Reflectancias simuladas y experimentales de una sola antena sin y con MS.
Resultados de simulación y medición de (a) la ganancia lograda y (b) la eficiencia general de la antena de efecto metasuperficie propuesta.
Análisis del patrón de haz mediante MS. Las mediciones de campo cercano con una sola antena se llevaron a cabo en el entorno experimental de campo cercano SATIMO del Laboratorio de sistemas de campo cercano SATIMO del UKM. Las Figuras 10a, b muestran los diagramas de radiación del plano E y del plano H simulados y observados a 5,5 GHz para la antena única propuesta con y sin MS. La antena única desarrollada (sin MS) proporciona un patrón de radiación bidireccional consistente con valores de lóbulos laterales. Después de aplicar el reflector MS propuesto, la antena proporciona un patrón de radiación unidireccional y reduce el nivel de los lóbulos posteriores, como se muestra en las Figuras 10a, b. Vale la pena señalar que el patrón de radiación de antena única propuesto es más estable y unidireccional con lóbulos laterales y posteriores muy bajos cuando se utiliza una metasuperficie con una placa posterior de cobre. El reflector de matriz MM propuesto reduce los lóbulos posteriores y laterales de la antena al tiempo que mejora el rendimiento de la radiación al dirigir la corriente en direcciones unidireccionales (Fig. 10a, b), aumentando así la ganancia y la directividad. Se observó que el patrón de radiación experimental era casi comparable al de las simulaciones CST, pero variaba ligeramente debido a la desalineación de los distintos componentes ensamblados, las tolerancias de medición y las pérdidas en el cableado. Además, se insertó un espaciador de nailon entre la antena y el reflector MS, lo cual es otro problema que afecta los resultados observados en comparación con los resultados numéricos.
Se simuló y probó el patrón de radiación de la antena única desarrollada (sin MS y con MS) a una frecuencia de 5,5 GHz.
La geometría de antena MIMO propuesta se muestra en la Figura 11 e incluye cuatro antenas individuales. Los cuatro componentes de la antena MIMO están dispuestos ortogonalmente entre sí sobre un sustrato de dimensiones 80 × 80 × 1,575 mm, como se muestra en la Figura 11. La antena MIMO diseñada tiene una distancia entre elementos de 22 mm, que es menor que la distancia entre elementos correspondiente más cercana de la antena. Desarrollada antena MIMO. Además, parte del plano de tierra se ubica de la misma forma que una única antena. Los valores de reflectancia de las antenas MIMO (S11, S22, S33 y S44) que se muestran en la Figura 12a exhiben el mismo comportamiento que una antena de un solo elemento que resuena en la banda de 3,2 a 7,6 GHz. Por tanto, el ancho de banda de impedancia de una antena MIMO es exactamente el mismo que el de una sola antena. El efecto de acoplamiento entre componentes MIMO es la razón principal de la pequeña pérdida de ancho de banda de las antenas MIMO. La Figura 12b muestra el efecto de la interconexión en los componentes MIMO, donde se determinó el aislamiento óptimo entre los componentes MIMO. El aislamiento entre las antenas 1 y 2 es el más bajo con aproximadamente -13,6 dB, y el aislamiento entre las antenas 1 y 4 es el más alto con aproximadamente -30,4 dB. Debido a su pequeño tamaño y ancho de banda más amplio, esta antena MIMO tiene menor ganancia y menor rendimiento. El aislamiento es bajo, por lo que se requiere mayor refuerzo y aislamiento;
Mecanismo de diseño de la antena MIMO propuesta (a) vista superior y (b) plano de tierra. (Suite de estudio CST 2019).
La disposición geométrica y el método de excitación de la antena MIMO de metasuperficie propuesta se muestran en la Figura 13a. Se diseña una matriz de 10x10 mm con dimensiones de 80x80x1,575 mm para la parte posterior de una antena MIMO de 12 mm de alto, como se muestra en la Figura 13a. Además, las metasuperficies con placas posteriores de cobre están diseñadas para usarse en antenas MIMO para mejorar su rendimiento. La distancia entre la metasuperficie y la antena MIMO es fundamental para lograr una alta ganancia y al mismo tiempo permitir una interferencia constructiva entre las ondas generadas por la antena y las reflejadas desde la metasuperficie. Se realizó un modelado exhaustivo para optimizar la altura entre la antena y la metasuperficie manteniendo al mismo tiempo los estándares de cuarto de onda para una máxima ganancia y aislamiento entre elementos MIMO. Las mejoras significativas en el rendimiento de la antena MIMO logradas mediante el uso de metasuperficies con backplanes en comparación con metasuperficies sin backplanes se demostrarán en capítulos posteriores.
(a) Configuración de simulación CST de la antena MIMO propuesta usando MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Curvas de reflectancia del sistema MIMO desarrollado sin MS y con MS.
Las reflectancias de las antenas MIMO con y sin metasuperficies se muestran en la Figura 13b, donde se presentan S11 y S44 debido al comportamiento casi idéntico de todas las antenas en el sistema MIMO. Vale la pena señalar que el ancho de banda de impedancia de -10 dB de una antena MIMO sin y con una única metasuperficie es casi el mismo. Por el contrario, el ancho de banda de impedancia de la antena MIMO propuesta se mejora con la MS de doble capa y la MS de plano posterior. Vale la pena señalar que sin MS, la antena MIMO proporciona un ancho de banda fraccional del 81,5% (3,2-7,6 GHz) en relación con la frecuencia central. La integración de la MS con el backplane aumenta el ancho de banda de impedancia de la antena MIMO propuesta al 86,3% (3,08–7,75 GHz). Aunque el MS de doble capa aumenta el rendimiento, la mejora es menor que la del MS con una placa posterior de cobre. Además, un MC de doble capa aumenta el tamaño de la antena, aumenta su costo y limita su alcance. La antena MIMO diseñada y el reflector de metasuperficie se fabrican y verifican para validar los resultados de la simulación y evaluar el rendimiento real. La Figura 14a muestra la capa MS fabricada y la antena MIMO con varios componentes ensamblados, mientras que la Figura 14b muestra una fotografía del sistema MIMO desarrollado. La antena MIMO se monta encima de la metasuperficie utilizando cuatro espaciadores de nailon, como se muestra en la Figura 14b. La Figura 15a muestra una instantánea de la configuración experimental de campo cercano del sistema de antena MIMO desarrollado. Se utilizó un analizador de red PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) para estimar los parámetros de dispersión y evaluar y caracterizar las características de las emisiones de campo cercano en el Laboratorio de sistemas de campo cercano SATIMO del UKM.
(a) Fotos de mediciones de campo cercano de SATIMO (b) Curvas simuladas y experimentales de la antena S11 MIMO con y sin MS.
Esta sección presenta un estudio comparativo de los parámetros S simulados y observados de la antena 5G MIMO propuesta. La Figura 15b muestra el gráfico de reflectancia experimental de la antena MIMO MS integrada de 4 elementos y lo compara con los resultados de la simulación CST. Se encontró que las reflectancias experimentales eran las mismas que las de los cálculos CST, pero eran ligeramente diferentes debido a defectos de fabricación y tolerancias experimentales. Además, la reflectancia observada del prototipo MIMO basado en MS propuesto cubre el espectro 5G por debajo de 6 GHz con un ancho de banda de impedancia de 4,8 GHz, lo que significa que las aplicaciones 5G son posibles. Sin embargo, la frecuencia resonante, el ancho de banda y la amplitud medidos difieren ligeramente de los resultados de la simulación CST. Los defectos de fabricación, las pérdidas de acoplamiento coaxial a SMA y las configuraciones de medición en exteriores pueden causar diferencias entre los resultados medidos y simulados. Sin embargo, a pesar de estas deficiencias, el MIMO propuesto funciona bien, proporcionando una fuerte concordancia entre simulaciones y mediciones, lo que lo hace muy adecuado para aplicaciones inalámbricas 5G por debajo de 6 GHz.
Las curvas de ganancia de antena MIMO simuladas y observadas se muestran en las Figuras 2 y 2. Como se muestra en las Figuras 16a,b y 17a,b, respectivamente, se muestra la interacción mutua de los componentes MIMO. Cuando se aplican metasuperficies a antenas MIMO, el aislamiento entre antenas MIMO mejora significativamente. Los gráficos de aislamiento entre elementos de antena adyacentes S12, S14, S23 y S34 muestran curvas similares, mientras que las antenas MIMO diagonales S13 y S42 muestran un aislamiento similarmente alto debido a la mayor distancia entre ellas. Las características de transmisión simuladas de antenas adyacentes se muestran en la Figura 16a. Vale la pena señalar que en el espectro operativo 5G por debajo de 6 GHz, el aislamiento mínimo de una antena MIMO sin metasuperficie es de -13,6 dB, y para una metasuperficie con backplane, de 15,5 dB. El gráfico de ganancia (Figura 16a) muestra que la metasuperficie del plano posterior mejora significativamente el aislamiento entre los elementos de la antena MIMO en comparación con las metasuperficies de una y dos capas. En elementos de antena adyacentes, las metasuperficies de una y dos capas proporcionan un aislamiento mínimo de aproximadamente -13,68 dB y -14,78 dB, y la metasuperficie del plano posterior de cobre proporciona aproximadamente -15,5 dB.
Curvas de aislamiento simuladas de elementos MIMO sin capa MS y con capa MS: (a) S12, S14, S34 y S32 y (b) S13 y S24.
Curvas de ganancia experimentales de las antenas MIMO basadas en MS propuestas sin y con: (a) S12, S14, S34 y S32 y (b) S13 y S24.
En la Figura 16b se muestran los gráficos de ganancia de antena diagonal MIMO antes y después de agregar la capa MS. Vale la pena señalar que el aislamiento mínimo entre antenas diagonales sin metasuperficie (antenas 1 y 3) es de -15,6 dB en todo el espectro operativo, y una metasuperficie con un plano posterior es de -18 dB. El enfoque de metasuperficie reduce significativamente los efectos de acoplamiento entre antenas MIMO diagonales. El aislamiento máximo para una metasuperficie de una sola capa es de -37 dB, mientras que para una metasuperficie de doble capa este valor cae a -47 dB. El aislamiento máximo de la metasuperficie con una placa posterior de cobre es de −36,2 dB, que disminuye al aumentar el rango de frecuencia. En comparación con las metasuperficies de una y dos capas sin un plano posterior, las metasuperficies con un plano posterior brindan un aislamiento superior en todo el rango de frecuencia operativa requerido, especialmente en el rango 5G por debajo de 6 GHz, como se muestra en las Figuras 16a, b. En la banda 5G más popular y ampliamente utilizada por debajo de 6 GHz (3,5 GHz), las metasuperficies de una y dos capas tienen un menor aislamiento entre los componentes MIMO que las metasuperficies con placas posteriores de cobre (casi sin MS) (consulte la Figura 16a), b). Las mediciones de ganancia se muestran en las Figuras 17a, b, que muestran el aislamiento de antenas adyacentes (S12, S14, S34 y S32) y antenas diagonales (S24 y S13), respectivamente. Como puede verse en estas figuras (Fig. 17a, b), el aislamiento experimental entre componentes MIMO concuerda bien con el aislamiento simulado. Aunque existen diferencias menores entre los valores CST simulados y medidos debido a defectos de fabricación, conexiones de puertos SMA y pérdidas de cables. Además, la antena y el reflector MS están ubicados entre los espaciadores de nailon, lo cual es otro problema que afecta los resultados observados en comparación con los resultados de la simulación.
estudiaron la distribución de la corriente superficial a 5,5 GHz para racionalizar el papel de las metasuperficies en la reducción del acoplamiento mutuo mediante la supresión de ondas superficiales42. La distribución de corriente superficial de la antena MIMO propuesta se muestra en la Figura 18, donde se activa la antena 1 y el resto de la antena termina con una carga de 50 ohmios. Cuando se energiza la antena 1, aparecerán importantes corrientes de acoplamiento mutuo en antenas adyacentes a 5,5 GHz en ausencia de una metasuperficie, como se muestra en la Figura 18a. Por el contrario, mediante el uso de metasuperficies, como se muestra en las figuras 18b-d, se mejora el aislamiento entre antenas adyacentes. Cabe señalar que el efecto del acoplamiento mutuo de campos adyacentes se puede minimizar propagando la corriente de acoplamiento a anillos adyacentes de celdas unitarias y celdas unitarias de MS adyacentes a lo largo de la capa de MS en direcciones antiparalelas. Inyectar corriente desde antenas distribuidas a unidades MS es un método clave para mejorar el aislamiento entre componentes MIMO. Como resultado, la corriente de acoplamiento entre los componentes MIMO se reduce considerablemente y el aislamiento también mejora considerablemente. Debido a que el campo de acoplamiento está ampliamente distribuido en el elemento, la metasuperficie del plano posterior de cobre aísla el conjunto de antena MIMO significativamente más que las metasuperficies de una y dos capas (Figura 18d). Además, la antena MIMO desarrollada tiene una retropropagación y una propagación lateral muy bajas, lo que produce un patrón de radiación unidireccional, aumentando así la ganancia de la antena MIMO propuesta.
Patrones de corriente superficial de la antena MIMO propuesta a 5,5 GHz (a) sin MC, (b) MC de una sola capa, (c) MC de doble capa y (d) MC de una sola capa con placa posterior de cobre. (Suite de estudio CST 2019).
Dentro de la frecuencia operativa, la Figura 19a muestra las ganancias simuladas y observadas de la antena MIMO diseñada sin y con metasuperficies. La ganancia simulada lograda de la antena MIMO sin metasuperficie es de 5,4 dBi, como se muestra en la Figura 19a. Debido al efecto de acoplamiento mutuo entre los componentes MIMO, la antena MIMO propuesta en realidad logra una ganancia 0,25 dBi mayor que una sola antena. La adición de metasuperficies puede proporcionar ganancias y aislamiento significativos entre los componentes MIMO. Por lo tanto, la antena MIMO de metasuperficie propuesta puede lograr una alta ganancia de hasta 8,3 dBi. Como se muestra en la Figura 19a, cuando se utiliza una única metasuperficie en la parte posterior de la antena MIMO, la ganancia aumenta en 1,4 dBi. Cuando se duplica la metasuperficie, la ganancia aumenta en 2,1 dBi, como se muestra en la Figura 19a. Sin embargo, la ganancia máxima esperada de 8,3 dBi se logra cuando se utiliza la metasuperficie con una placa posterior de cobre. En particular, la ganancia máxima alcanzada para las metasuperficies de una y dos capas es de 6,8 dBi y 7,5 dBi, respectivamente, mientras que la ganancia máxima alcanzada para la metasuperficie de capa inferior es de 8,3 dBi. La capa de metasuperficie en la parte posterior de la antena actúa como un reflector, reflejando la radiación desde la parte posterior de la antena y mejorando la relación de adelante hacia atrás (F/B) de la antena MIMO diseñada. Además, el reflector MS de alta impedancia manipula ondas electromagnéticas en fase, creando así resonancia adicional y mejorando el rendimiento de radiación de la antena MIMO propuesta. El reflector MS instalado detrás de la antena MIMO puede aumentar significativamente la ganancia obtenida, lo que se confirma mediante resultados experimentales. Las ganancias observadas y simuladas del prototipo de antena MIMO desarrollado son casi las mismas; sin embargo, en algunas frecuencias la ganancia medida es mayor que la ganancia simulada, especialmente para MIMO sin MS; Estas variaciones en la ganancia experimental se deben a las tolerancias de medición de las almohadillas de nailon, las pérdidas del cable y el acoplamiento en el sistema de antena. La ganancia máxima medida de la antena MIMO sin la metasuperficie es de 5,8 dBi, mientras que la metasuperficie con una placa posterior de cobre es de 8,5 dBi. Vale la pena señalar que el sistema completo de antena MIMO de 4 puertos propuesto con reflector MS exhibe una alta ganancia en condiciones experimentales y numéricas.
Simulación y resultados experimentales de (a) la ganancia lograda y (b) el rendimiento general de la antena MIMO propuesta con efecto metasuperficie.
La Figura 19b muestra el rendimiento general del sistema MIMO propuesto sin y con reflectores de metasuperficie. En la Figura 19b, la eficiencia más baja al utilizar MS con backplane fue superior al 73 % (hasta el 84 %). La eficiencia general de las antenas MIMO desarrolladas sin MC y con MC es casi la misma con pequeñas diferencias en comparación con los valores simulados. Esto se debe a las tolerancias de medición y al uso de espaciadores entre la antena y el reflector MS. La ganancia medida lograda y la eficiencia general en toda la frecuencia son casi similares a los resultados de la simulación, lo que indica que el rendimiento del prototipo MIMO propuesto es el esperado y que la antena MIMO basada en MS recomendada es adecuada para comunicaciones 5G. Debido a errores en los estudios experimentales, existen diferencias entre los resultados generales de los experimentos de laboratorio y los resultados de las simulaciones. El rendimiento del prototipo propuesto se ve afectado por el desajuste de impedancia entre la antena y el conector SMA, las pérdidas en el empalme del cable coaxial, los efectos de soldadura y la proximidad de varios dispositivos electrónicos a la configuración experimental.
La Figura 20 describe el progreso del diseño y optimización de dicha antena en forma de diagrama de bloques. Este diagrama de bloques proporciona una descripción paso a paso de los principios de diseño de antena MIMO propuestos, así como los parámetros que desempeñan un papel clave en la optimización de la antena para lograr la alta ganancia y el alto aislamiento requeridos en una amplia frecuencia de funcionamiento.
Las mediciones de la antena MIMO de campo cercano se midieron en el entorno experimental de campo cercano SATIMO en el Laboratorio de sistemas de campo cercano SATIMO del UKM. Las Figuras 21a,b representan los patrones de radiación del plano E y del plano H simulados y observados de la antena MIMO reivindicada con y sin MS a una frecuencia operativa de 5,5 GHz. En el rango de frecuencia operativa de 5,5 GHz, la antena MIMO no MS desarrollada proporciona un patrón de radiación bidireccional consistente con valores de lóbulos laterales. Después de aplicar el reflector MS, la antena proporciona un patrón de radiación unidireccional y reduce el nivel de los lóbulos posteriores, como se muestra en las Figuras 21a, b. Vale la pena señalar que al utilizar una metasuperficie con una placa posterior de cobre, el patrón de antena MIMO propuesto es más estable y unidireccional que sin MS, con lóbulos laterales y posteriores muy bajos. El reflector de matriz MM propuesto reduce los lóbulos posteriores y laterales de la antena y también mejora las características de radiación al dirigir la corriente en una dirección unidireccional (Fig. 21a, b), aumentando así la ganancia y la directividad. El patrón de radiación medido se obtuvo para el puerto 1 con una carga de 50 ohmios conectada a los puertos restantes. Se observó que el patrón de radiación experimental era casi idéntico al simulado por CST, aunque hubo algunas desviaciones debido a la desalineación de los componentes, reflexiones de los puertos de las terminales y pérdidas en las conexiones de los cables. Además, se insertó un espaciador de nailon entre la antena y el reflector MS, lo cual es otro problema que afecta los resultados observados en comparación con los resultados previstos.
Se simuló y probó el patrón de radiación de la antena MIMO desarrollada (sin MS y con MS) a una frecuencia de 5,5 GHz.
Es importante señalar que el aislamiento de puertos y sus características asociadas son esenciales al evaluar el rendimiento de los sistemas MIMO. Se examina el rendimiento de diversidad del sistema MIMO propuesto, incluido el coeficiente de correlación de envolvente (ECC) y la ganancia de diversidad (DG), para ilustrar la robustez del sistema de antena MIMO diseñado. El ECC y DG de una antena MIMO se pueden utilizar para evaluar su rendimiento, ya que son aspectos importantes del rendimiento de un sistema MIMO. Las siguientes secciones detallarán estas características de la antena MIMO propuesta.
Coeficiente de correlación envolvente (ECC). Al considerar cualquier sistema MIMO, ECC determina el grado en que los elementos constituyentes se correlacionan entre sí con respecto a sus propiedades específicas. Así, ECC demuestra el grado de aislamiento del canal en una red de comunicación inalámbrica. El ECC (coeficiente de correlación de la envolvente) del sistema MIMO desarrollado se puede determinar basándose en los parámetros S y la emisión de campo lejano. De la ecuación. (7) y (8) se puede determinar la ECC de la antena MIMO 31 propuesta.
El coeficiente de reflexión está representado por Sii y Sij representa el coeficiente de transmisión. Los patrones de radiación tridimensionales de las antenas j-ésima e i-ésima están dados por las expresiones \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) y \( \vec {{R_{ i } }} Ángulo sólido representado por \left( {\theta ,\varphi } \right)\) y \({\Omega }\). La curva ECC de la antena propuesta se muestra en la Figura 22a y su valor es inferior a 0,004, que está muy por debajo del valor aceptable de 0,5 para un sistema inalámbrico. Por lo tanto, el valor ECC reducido significa que el sistema MIMO de 4 puertos propuesto proporciona una diversidad superior43.
Ganancia de diversidad (DG) DG es otra métrica de rendimiento del sistema MIMO que describe cómo el esquema de diversidad afecta la potencia radiada. La relación (9) determina el DG del sistema de antena MIMO que se está desarrollando, como se describe en 31.
La Figura 22b muestra el diagrama DG del sistema MIMO propuesto, donde el valor DG está muy cerca de 10 dB. Los valores DG de todas las antenas del sistema MIMO diseñado superan los 9,98 dB.
La Tabla 1 compara la antena MIMO de metasuperficie propuesta con sistemas MIMO similares desarrollados recientemente. La comparación tiene en cuenta varios parámetros de rendimiento, incluido el ancho de banda, la ganancia, el aislamiento máximo, la eficiencia general y el rendimiento de diversidad. Los investigadores han presentado varios prototipos de antena MIMO con técnicas de mejora de ganancia y aislamiento en 5, 44, 45, 46, 47. En comparación con trabajos publicados anteriormente, el sistema MIMO propuesto con reflectores de metasuperficie los supera en términos de ancho de banda, ganancia y aislamiento. Además, en comparación con antenas similares reportadas, el sistema MIMO desarrollado exhibe un rendimiento de diversidad superior y una eficiencia general en un tamaño más pequeño. Aunque las antenas descritas en la Sección 5.46 tienen un mayor aislamiento que las antenas propuestas, estas antenas adolecen de gran tamaño, baja ganancia, ancho de banda estrecho y rendimiento MIMO deficiente. La antena MIMO de 4 puertos propuesta en 45 exhibe alta ganancia y eficiencia, pero su diseño tiene bajo aislamiento, gran tamaño y pobre rendimiento de diversidad. Por otro lado, el sistema de antena de tamaño pequeño propuesto en 47 tiene una ganancia y un ancho de banda operativo muy bajos, mientras que nuestro sistema MIMO de 4 puertos basado en MS propuesto exhibe un tamaño pequeño, alta ganancia, alto aislamiento y mejor rendimiento MIMO. Por lo tanto, la antena MIMO de metasuperficie propuesta puede convertirse en un importante competidor para los sistemas de comunicación 5G por debajo de 6 GHz.
Se propone una antena MIMO de banda ancha basada en reflector de metasuperficie de cuatro puertos con alta ganancia y aislamiento para admitir aplicaciones 5G por debajo de 6 GHz. La línea Microstrip alimenta una sección radiante cuadrada, que está truncada por un cuadrado en las esquinas diagonales. El MS y el emisor de antena propuestos se implementan en materiales de sustrato similares al Rogers RT5880 para lograr un rendimiento excelente en sistemas de comunicación 5G de alta velocidad. La antena MIMO presenta un amplio rango y alta ganancia, y proporciona aislamiento de sonido entre los componentes MIMO y una excelente eficiencia. La antena única desarrollada tiene dimensiones en miniatura de 0,58?0,58?0,02? con una matriz de metasuperficie de 5×5, proporciona un amplio ancho de banda operativo de 4,56 GHz, una ganancia máxima de 8 dBi y una eficiencia medida superior. La antena MIMO de cuatro puertos propuesta (matriz 2 × 2) se diseña alineando ortogonalmente cada antena individual propuesta con otra antena con dimensiones de 1,05 λ × 1,05 λ × 0,02 λ. Se recomienda ensamblar una matriz de 10 × 10 MM debajo de una antena MIMO de 12 mm de altura, lo que puede reducir la radiación trasera y el acoplamiento mutuo entre los componentes MIMO, mejorando así la ganancia y el aislamiento. Los resultados experimentales y de simulación muestran que el prototipo MIMO desarrollado puede funcionar en un amplio rango de frecuencia de 3,08 a 7,75 GHz, cubriendo el espectro 5G por debajo de 6 GHz. Además, la antena MIMO basada en MS propuesta mejora su ganancia en 2,9 dBi, logrando una ganancia máxima de 8,3 dBi, y proporciona un excelente aislamiento (>15,5 dB) entre los componentes MIMO, validando la contribución de MS. Además, la antena MIMO propuesta tiene una eficiencia general promedio alta del 82% y una distancia entre elementos baja de 22 mm. La antena exhibe un excelente rendimiento de diversidad MIMO que incluye una DG muy alta (más de 9,98 dB), una ECC muy baja (menos de 0,004) y un patrón de radiación unidireccional. Los resultados de la medición son muy similares a los resultados de la simulación. Estas características confirman que el sistema de antena MIMO de cuatro puertos desarrollado puede ser una opción viable para los sistemas de comunicación 5G en el rango de frecuencia inferior a 6 GHz.
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Hora de publicación: 10 de octubre de 2024