Энэхүү ажил нь 6 ГГц-ээс бага давтамжтай тав дахь үеийн (5G) утасгүй холбооны системд зориулсан авсаархан нэгдсэн олон оролттой олон гаралт (MIMO) мета гадаргуу (MS) өргөн зурвасын антеныг санал болгож байна. Санал болгож буй MIMO системийн тод шинэлэг тал нь түүний өргөн зурвасын өргөн, өндөр ашиг, бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хоорондын зай бага, MIMO бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн маш сайн тусгаарлалт юм. Антенны цацрагийн цэгийг диагональ байдлаар тайрч, хэсэгчлэн газардуулсан бөгөөд антенны ажиллагааг сайжруулахын тулд мета гадаргууг ашигладаг. Санал болгож буй прототипийн нэгдсэн нэг MS антен нь 0.58λ × 0.58λ × 0.02λ жижиг хэмжээтэй байна. Симуляци болон хэмжилтийн үр дүн нь 3.11 GHz-ээс 7.67 GHz хүртэлх өргөн зурвасын гүйцэтгэлийг харуулж байгаа бөгөөд үүнд 8 dBi хүрсэн хамгийн өндөр өсөлтийг оруулав. Дөрвөн элементийн MIMO систем нь антен бүр нь хоорондоо ортогональ байхаар зохион бүтээгдсэн бөгөөд 3.2-аас 7.6 GHz-ийн өргөн зурвасын гүйцэтгэлтэй, авсаархан хэмжээтэй байна. Санал болгож буй MIMO загвар нь бага алдагдалтай, 1.05 хэмжээтэй жижиг хэмжээтэй Рожерс RT5880 субстрат дээр бүтээгдсэн бөгөөд бүтээгдсэн. 1.05? 0.02?, түүний гүйцэтгэлийг санал болгож буй дөрвөлжин хаалттай цагираг резонаторын массивыг ашиглан 10 х 10 хуваах цагираг ашиглан үнэлдэг. Үндсэн материал нь адилхан. Санал болгож буй арын хавтангийн мета гадаргуу нь антенны арын цацрагийг эрс багасгаж, цахилгаан соронзон орныг удирдаж, улмаар MIMO бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн зурвасын өргөн, ашиг, тусгаарлалтыг сайжруулдаг. Одоо байгаа MIMO антеннуудтай харьцуулахад санал болгож буй 4 порттой MIMO антен нь 5G дэд 6 GHz-ийн зурваст 8.3 dBi-ийн өндөр ашиг авч, нийт үр ашиг нь 82% хүртэл байдаг ба хэмжсэн үр дүнтэй тохирч байна. Нэмж дурдахад, боловсруулсан MIMO антен нь 0.004-аас бага дугтуйны корреляцийн коэффициент (ECC), 10 дБ (>9.98 дБ) олон янз байдлын өсөлт (DG) болон MIMO бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хоорондох өндөр тусгаарлалт (>15.5 дБ) зэрэг маш сайн гүйцэтгэлийг харуулдаг. шинж чанарууд. Тиймээс санал болгож буй MS-д суурилсан MIMO антен нь 6 GHz-ээс доош 5G холбооны сүлжээнд ашиглах боломжтойг баталж байна.
5G технологи нь утасгүй холбооны гайхалтай дэвшил бөгөөд олон тэрбум холбогдсон төхөөрөмжүүдэд илүү хурдан, илүү аюулгүй сүлжээг бий болгож, хэрэглэгчийн туршлагыг "тэг" хоцролттой (1 миллисекундээс бага хоцролттой) хангаж, электроник зэрэг шинэ технологиудыг нэвтрүүлэх болно. Эмнэлгийн тусламж, оюуны боловсрол. , ухаалаг хотууд, ухаалаг гэрүүд, виртуал бодит байдал (VR), ухаалаг үйлдвэрүүд болон тээврийн хэрэгслийн интернет (IoV) нь бидний амьдрал, нийгэм, үйлдвэрлэлийг өөрчилж байна1,2,3. АНУ-ын Холбооны Харилцаа Холбооны Комисс (FCC) 5G спектрийг дөрвөн давтамжийн зурваст хуваадаг4. 6 GHz-ээс доош давтамжийн зурвас нь өгөгдлийн өндөр хурдтай холын зайн холболтыг зөвшөөрдөг тул судлаачдын сонирхлыг татдаг5,6. Дэлхийн 5G холбооны 6 ГГц-ээс доош 5G спектрийн хуваарилалтыг Зураг 1-д үзүүлсэн нь бүх улс орнууд 5G холбооны хувьд 6 ГГц-ээс доош спектрийг авч үзэхийг харуулж байна7,8. Антенууд нь 5G сүлжээний чухал хэсэг бөгөөд илүү олон суурь станц болон хэрэглэгчийн терминалын антеннуудыг шаарддаг.
Microstrip patch antennas нь нимгэн, хавтгай бүтэцтэй давуу талтай боловч хязгаарлагдмал зурвасын өргөн ба ашиг9,10 тул антенны ашиг болон зурвасын өргөнийг нэмэгдүүлэхийн тулд маш их судалгаа хийсэн; Сүүлийн жилүүдэд мета гадаргуу (MS) нь антенны технологид өргөн ашиглагдаж байгаа, ялангуяа ашиг, дамжуулах чадварыг сайжруулахын тулд11,12, Гэсэн хэдий ч эдгээр антенууд нь нэг портоор хязгаарлагддаг; MIMO технологи нь утасгүй холбооны чухал тал бөгөөд энэ нь өгөгдөл дамжуулахын тулд олон антеныг нэгэн зэрэг ашиглаж, улмаар өгөгдлийн хурд, спектрийн үр ашиг, сувгийн багтаамж, найдвартай байдлыг сайжруулдаг13,14,15. MIMO антеннууд нь нэмэлт тэжээл шаардахгүйгээр олон сувгаар өгөгдөл дамжуулах, хүлээн авах боломжтой учраас 5G хэрэглээнд боломжит нэр дэвшигчид юм16,17. MIMO-ийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хоорондох харилцан холболтын нөлөө нь MIMO элементүүдийн байршил болон MIMO антенны олзоос хамаардаг бөгөөд энэ нь судлаачдын хувьд томоохон сорилт болдог. 18, 19, 20-р зурагт 5G дэд 6 GHz зурваст ажилладаг төрөл бүрийн MIMO антеннуудыг харуулсан бөгөөд бүгд MIMO-ийн сайн тусгаарлалт, гүйцэтгэлийг харуулж байна. Гэсэн хэдий ч эдгээр санал болгож буй системийн ашиг ба ажиллах зурвасын өргөн бага байна.
Метаматериал (ММ) нь байгальд байхгүй шинэ материал бөгөөд цахилгаан соронзон долгионыг удирдаж, улмаар антенны ажиллагааг сайжруулдаг21,22,23,24. MM нь одоо 25, 26, 27, 28-д дурдсанчлан антенны элементүүд болон утасгүй холбооны системүүдийн хоорондох цацрагийн загвар, зурвасын өргөн, олз, тусгаарлалтыг сайжруулахын тулд антенны технологид өргөн хэрэглэгддэг. 2029 онд дөрвөн элементийн MIMO систем дээр суурилсан. metasurface, антенны хэсэг нь метаболон ба газрын хооронд агаарын цоорхойгүйгээр хавчуулагдсан бөгөөд энэ нь MIMO-ийн гүйцэтгэлийг сайжруулдаг. Гэсэн хэдий ч энэ загвар нь илүү том хэмжээтэй, үйл ажиллагааны давтамж бага, нарийн төвөгтэй бүтэцтэй байдаг. MIMO30 бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн тусгаарлалтыг сайжруулах зорилгоор санал болгож буй 2 портын өргөн зурвасын MIMO антенд цахилгаан соронзон зурвасын зай (EBG) болон газрын гогцоо багтсан болно. Зохион бүтээгдсэн антен нь MIMO-ийн олон талт үзүүлэлттэй, хоёр MIMO антенны хооронд маш сайн тусгаарлалттай боловч зөвхөн хоёр MIMO бүрэлдэхүүн хэсгийг ашигласнаар ашиг бага байх болно. Нэмж дурдахад, in31 нь хэт өргөн зурвасын (UWB) хоёр порттой MIMO антеныг санал болгож, метаматериал ашиглан түүний MIMO гүйцэтгэлийг судалсан. Хэдийгээр энэ антен нь UWB ажиллах чадвартай боловч түүний ашиг багатай, хоёр антенны хоорондох тусгаарлалт муу байна. 32 дахь ажил нь ашгийг нэмэгдүүлэхийн тулд цахилгаан соронзон долгионы (EBG) тусгал ашигладаг 2 порттой MIMO системийг санал болгож байна. Боловсруулсан антенны массив нь өндөр ашиг тустай, MIMO-ийн олон янз байдлын сайн үзүүлэлттэй хэдий ч түүний том хэмжээ нь дараагийн үеийн холбооны төхөөрөмжүүдэд хэрэглэхэд хэцүү болгодог. Өөр нэг тусгал дээр суурилсан өргөн зурвасын антенныг 33 онд бүтээсэн бөгөөд тус тусгалыг антенны доор 22 мм-ийн том зайтай нэгтгэж, 4.87 дБ-ийн хамгийн бага оргилыг харуулсан. Paper 34 нь mmWave програмуудад зориулсан дөрвөн порттой MIMO антеныг зохион бүтээсэн бөгөөд энэ нь MIMO системийн тусгаарлалт, ашгийг сайжруулахын тулд MS давхаргатай нэгтгэгддэг. Гэсэн хэдий ч энэ антен нь сайн ашиг тус, тусгаарлалтыг хангадаг боловч агаарын зай ихтэй тул зурвасын өргөн хязгаарлагдмал, механик шинж чанар муутай байдаг. Үүний нэгэн адил 2015 онд гурван хос, 4 порттой эрвээхэй хэлбэртэй, мета гадаргуутай нэгдсэн MIMO антенныг mmWave холболтод зориулж хамгийн ихдээ 7.4 дБи өсгөвөрлөсөн. B36 MS нь 5G антенны арын хэсэгт антенны ашгийг нэмэгдүүлэхийн тулд ашиглагддаг бөгөөд мета гадаргуу нь тусгалын үүрэг гүйцэтгэдэг. Гэсэн хэдий ч MS бүтэц нь тэгш бус бөгөөд нэгж эсийн бүтцэд бага анхаарал хандуулсан.
Дээрх шинжилгээний үр дүнгээс харахад дээрх антеннуудын аль нь ч өндөр ашиг, маш сайн тусгаарлалт, MIMO гүйцэтгэл, өргөн зурвасын хамрах хүрээгүй байна. Тиймээс 6 GHz-ээс доош 5G спектрийн өргөн хүрээг хамарч, өндөр ашиг тус, тусгаарлалттай байх боломжтой metasurface MIMO антенны хэрэгцээ байсаар байна. Дээр дурдсан уран зохиолын хязгаарлалтыг харгалзан 6 ГГц-ээс доош давтамжтай утасгүй холбооны системд өндөр ашиг тустай, олон янзын маш сайн гүйцэтгэлтэй өргөн зурвасын дөрвөн элемент бүхий MIMO антенны системийг санал болгож байна. Нэмж дурдахад санал болгож буй MIMO антен нь MIMO бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хооронд маш сайн тусгаарлалт, жижиг элементийн цоорхой, цацрагийн өндөр үр ашигтай байдлыг харуулдаг. Антенны нөхөөсийг диагональ байдлаар тайрч, 12 мм-ийн агаарын цоорхойтой мета гадаргуугийн орой дээр байрлуулсан бөгөөд энэ нь антеннаас гарах цацрагийг тусгаж, антенны ашиг болон чиг хандлагыг сайжруулдаг. Нэмж дурдахад санал болгож буй ганц антенн нь антен бүрийг бие биенээсээ тэгш өнцөгт байрлуулах замаар MIMO-ийн дээд зэргийн гүйцэтгэлтэй дөрвөн элемент бүхий MIMO антенныг бий болгоход ашиглагддаг. Дараа нь боловсруулсан MIMO антенныг 10 × 10 MS массивын дээр зэс арын хавтантай холбож, ялгаруулалтын гүйцэтгэлийг сайжруулсан. Энэхүү загвар нь өргөн хүрээний үйл ажиллагааны хүрээ (3.08-7.75 GHz), 8.3 dBi-ийн өндөр өсөлт, 82% -ийн дундаж үр ашиг, түүнчлэн MIMO антенны бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хооронд -15.5 дБ-ээс их хэмжээний тусгаарлалттай. MS-д суурилсан MIMO антенныг 3D цахилгаан соронзон програм хангамжийн багц CST Studio 2019 ашиглан загварчилсан бөгөөд туршилтын судалгаагаар баталгаажуулсан.
Энэ хэсэгт санал болгож буй архитектур, нэг антенны дизайны аргачлалын нарийвчилсан танилцуулгыг багтаасан болно. Нэмж дурдахад, загварчлагдсан болон ажиглагдсан үр дүнгүүд нь тархалтын параметрүүд, олз, ерөнхий үр ашгийг мета гадаргуутай болон огтлолгүйгээр нарийвчлан авч үзсэн болно. Прототип антеныг Rogers 5880 бага алдагдалтай диэлектрик субстрат дээр бүтээсэн бөгөөд 1.575 мм зузаантай, 2.2 диэлектрик дамжуулалттай. Дизайныг боловсруулж дуурайхын тулд CST studio 2019 цахилгаан соронзон симуляторын багцыг ашигласан.
Зураг 2-т нэг элементийн антенны санал болгож буй архитектур, дизайны загварыг харуулав. Тогтсон математик тэгшитгэлийн дагуу37 антенн нь шугаман тэжээлт дөрвөлжин цацрагийн цэг ба зэс газрын гадаргуугаас (1-р алхамд тайлбарласны дагуу) бүрдэх ба Зураг 3б-д үзүүлсэн шиг 10.8 ГГц-т маш нарийн зурвасын өргөнтэй цуурайтдаг. Антенны радиаторын анхны хэмжээг дараах математик хамаарлаар тодорхойлно37.
\(P_{L}\) ба \(P_{w}\) нь нөхөөсийн урт ба өргөн, c нь гэрлийн хурдыг, \(\гамма_{r}\) нь субстратын диэлектрик тогтмолыг илэрхийлнэ. . , \(\gamma_{reff }\) нь цацрагийн цэгийн үр дүнтэй диэлектрик утгыг, \(\Delta L\) нь толбоны уртын өөрчлөлтийг илэрхийлнэ. Хоёр дахь шатанд антенны арын самбарыг оновчтой болгож, 10 дБ эсэргүүцэлтэй маш бага зурвасын өргөнийг үл харгалзан эсэргүүцлийн зурвасын өргөнийг нэмэгдүүлсэн. Гурав дахь шатанд тэжээгчийн байрлалыг баруун тийш шилжүүлсэн бөгөөд энэ нь санал болгож буй антенны эсэргүүцлийн зурвасын өргөн болон эсэргүүцлийн тохирлыг сайжруулдаг38. Энэ үе шатанд антен нь 4 GHz-ийн маш сайн зурвасын өргөнийг харуулж байгаа бөгөөд 5G дахь 6 GHz-ээс доош спектрийг хамардаг. Дөрөв дэх ба эцсийн шат нь цацрагийн цэгийн эсрэг талын буланд дөрвөлжин ховилыг сийлбэрлэх явдал юм. Энэ слот нь 4.56 ГГц зурвасын өргөнийг 3.11 ГГц-ээс 7.67 ГГц хүртэл 6 ГГц-ээс доош 5G спектрийг хамрахын тулд 3б-р зурагт үзүүлсэн шиг ихээхэн өргөжүүлдэг. Санал болгож буй дизайны урд болон доод хэтийн төлөвийг Зураг 3а-д үзүүлсэн бөгөөд эцсийн оновчтой болгосон шаардлагатай дизайны параметрүүдийг дараах байдлаар үзүүлэв: SL = 40 мм, Pw = 18 мм, PL = 18 мм, gL = 12 мм, fL = 11. мм, fW = 4 .7 мм, c1 = 2 мм, c2 = 9.65 мм, c3 = 1.65 мм.
(a) Загварласан нэг антенны дээд ба хойд дүр төрх (CST STUDIO SUITE 2019). (b) S-параметрийн муруй.
Metasurface гэдэг нь бие биенээсээ тодорхой зайд байрлах нэгж эсийн үечилсэн массивыг хэлдэг нэр томъёо юм. Metasurfaces нь MIMO бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн зурвасын өргөн, ашиг, тусгаарлалт зэрэг антенны цацрагийн гүйцэтгэлийг сайжруулах үр дүнтэй арга юм. Гадаргуугийн долгионы тархалтын нөлөөгөөр мета гадаргуу нь антенны гүйцэтгэлийг сайжруулахад хувь нэмэр оруулдаг нэмэлт резонанс үүсгэдэг39. Энэ ажил нь 6 GHz-ээс доош 5G зурваст ажилладаг эпсилон сөрөг метаматериал (MM) нэгжийг санал болгож байна. 8 мм × 8 мм гадаргуутай MM нь 2.2 диэлектрик тогтмол, 1.575 мм зузаантай бага алдагдалтай Rogers 5880 субстрат дээр бүтээгдсэн. Оновчтой MM резонаторын нөхөөс нь Зураг 4а-д үзүүлсэн шиг өөрчлөгдсөн хоёр хуваах цагирагтай холбогдсон дотоод дугуй хуваах цагирагаас бүрдэнэ. Зураг 4а-д санал болгож буй ММ-ийн тохируулгын эцсийн оновчтой параметрүүдийг нэгтгэн харуулав. Дараа нь 5 × 5 ба 10 × 10 эсийн массивыг ашиглан 40 × 40 мм ба 80 × 80 мм-ийн мета гадаргуугийн давхаргыг зэс арын хавтангүйгээр, зэс арын хавтантай боловсруулсан. Санал болгож буй ММ бүтцийг “CST studio suite 2019” 3D цахилгаан соронзон загварчлалын программ хангамжийг ашиглан загварчилсан. Санал болгож буй MM массивын бүтэц, хэмжилтийн тохируулгын (хос портын сүлжээний анализатор PNA ба долгион хөтлүүрийн порт) зохиосон прототипийг бодит хариултанд дүн шинжилгээ хийх замаар CST симуляцийн үр дүнг баталгаажуулахын тулд Зураг 4б-д үзүүлэв. Хэмжилтийн тохиргоонд Agilent PNA цувралын сүлжээний анализаторыг хоёр долгион хөтлүүрийн коаксиаль адаптертай хослуулан ашигласан (A-INFOMW, хэсгийн дугаар: 187WCAS) дохио илгээх, хүлээн авах. Хоёр портын сүлжээний анализаторт (Agilent PNA N5227A) коаксиаль кабелиар холбогдсон хоёр долгион хөтлүүрийн коаксиаль адаптеруудын хооронд 5х5 массивын прототип байрлуулсан. Agilent N4694-60001 тохируулгын иж бүрдэл нь туршилтын үйлдвэрт сүлжээний анализаторыг тохируулахад ашиглагддаг. Санал болгож буй MM массивын загварчилсан болон CST-ийн ажиглагдсан тархалтын параметрүүдийг Зураг 5а-д үзүүлэв. Санал болгож буй MM бүтэц нь 6 GHz-ээс доош 5G давтамжийн мужид цуурайтдаг болохыг харж болно. 10 дБ зурвасын өргөний ялгаа бага байгаа хэдий ч загварчилсан болон туршилтын үр дүн маш төстэй байна. Ажиглагдсан резонансын резонансын давтамж, зурвасын өргөн, далайц нь зураг 5а-д үзүүлсэн шиг загварчилсан резонансын хэмжээнээс арай өөр байна. Ажиглагдсан болон загварчилсан үр дүнгийн хоорондох эдгээр ялгаа нь үйлдвэрлэлийн дутагдал, прототип болон долгион хөтлүүрийн портуудын хоорондох жижиг зай, долгион хөтлүүр болон массивын бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хоорондох холболтын нөлөө, хэмжилтийн хүлцэл зэргээс шалтгаална. Нэмж дурдахад, туршилтын тохиргоонд долгион хөтлүүрийн портуудын хооронд боловсруулсан прототипийг зөв байрлуулах нь резонансын шилжилтийг үүсгэж болзошгүй юм. Түүнчлэн шалгалт тохируулгын үе шатанд хүсээгүй дуу чимээ ажиглагдсан бөгөөд энэ нь тоон болон хэмжсэн үр дүнгийн хооронд зөрүү гарахад хүргэсэн. Гэсэн хэдий ч эдгээр бэрхшээлээс гадна санал болгож буй MM массивын прототип нь симуляци ба туршилтын хоорондох хүчтэй хамаарлын улмаас сайн ажилладаг бөгөөд энэ нь 6 GHz-ээс доош 5G утасгүй холбооны хэрэглээнд тохиромжтой.
(a) Нэгж эсийн геометр (S1 = 8 мм, S2 = 7 мм, S3 = 5 мм, f1, f2, f4 = 0.5 мм, f3 = 0.75 мм, h1 = 0.5 мм, h2 = 1 .75 мм) (CST) STUDIO SUITE) ) 2019) (б) MM хэмжилтийн тохиргооны зураг.
(a) Метаматериалын прототипийн тархалтын параметрийн муруйг загварчлах, шалгах. (б) MM нэгж эсийн диэлектрик тогтмол муруй.
Үр дүнтэй диэлектрик тогтмол, соронзон нэвчилт, хугарлын илтгэгч зэрэг холбогдох үр дүнтэй параметрүүдийг CST цахилгаан соронзон симуляторын суурилагдсан дараах боловсруулалтын техникийг ашиглан MM нэгжийн эсийн төлөв байдалд цаашид дүн шинжилгээ хийсэн. MM-ийн үр дүнтэй параметрүүдийг бат бөх сэргээн босгох аргыг ашиглан тархалтын параметрүүдээс олж авдаг. Дараах дамжуулалт ба ойлтын коэффициентийн тэгшитгэлүүд: (3) ба (4) хугарлын илтгэгч ба эсэргүүцлийг тодорхойлоход ашиглаж болно (40-ийг үз).
Операторын бодит ба төсөөллийн хэсгүүдийг (.)' ба (.)” -ээр тус тус төлөөлөх ба m бүхэл тоо нь бодит хугарлын илтгэгчтэй тохирч байна. Диэлектрик тогтмол ба нэвчих чадварыг \(\varepsilon { } = { }n/z,\) ба \(\mu = nz\) томъёогоор тодорхойлдог бөгөөд тэдгээр нь эсэргүүцэл ба хугарлын илтгэгч дээр суурилдаг. ММ бүтцийн үр дүнтэй диэлектрик тогтмол муруйг Зураг 5б-д үзүүлэв. Резонансын давтамж дээр үр дүнтэй диэлектрик тогтмол нь сөрөг байна. Зураг 6a,b нь санал болгож буй нэгжийн эсийн үр дүнтэй нэвчилт (μ) ба үр дүнтэй хугарлын илтгэгч (n)-ийн гаргаж авсан утгыг харуулав. Олборлосон нэвчилт нь тэгтэй ойролцоо эерэг бодит утгыг харуулж байгаа нь санал болгож буй ММ бүтцийн эпсилон-сөрөг (ENG) шинж чанарыг баталж байна. Түүнчлэн, Зураг 6а-д үзүүлснээр тэгтэй ойролцоо нэвчилт дэх резонансын резонансын давтамжтай хүчтэй холбоотой байдаг. Боловсруулсан нэгж үүр нь сөрөг хугарлын илтгэгчтэй (Зураг 6б) бөгөөд энэ нь санал болгож буй ММ-ийг антенны гүйцэтгэлийг сайжруулахад ашиглаж болно гэсэн үг юм21,41.
Санал болгож буй дизайныг туршилтаар турших зорилгоор нэг өргөн зурвасын антенны боловсруулсан прототипийг хийсэн. Зураг 7a,b нь санал болгож буй нэг антенны загвар, түүний бүтцийн хэсгүүд болон ойрын талбайн хэмжилтийн тохиргооны (SATIMO) зургийг харуулав. Антенны гүйцэтгэлийг сайжруулахын тулд боловсруулсан мета гадаргууг h өндөртэй, Зураг 8а-д үзүүлсэн шиг антенны доор давхаргад байрлуулна. Нэг антенны арын хэсэгт 12 мм-ийн интервалтайгаар 40 мм х 40 мм хэмжээтэй нэг давхар давхаргын мета гадаргууг байрлуулсан. Нэмж дурдахад арын хавтан бүхий мета гадаргуу нь дан антенны арын хэсэгт 12 мм-ийн зайд байрладаг. Мета гадаргууг хэрэглэсний дараа дан антенны гүйцэтгэл мэдэгдэхүйц сайжирч байгааг Зураг 1 ба 2-т үзүүлэв. Зураг 8 ба 9. Зураг 8б нь мета гадаргуугүй болон гадаргуутай нэг антенны загварчлагдсан болон хэмжсэн тусгалын графикийг үзүүлэв. Мета гадаргуутай антенны хамрах хүрээ нь мета гадаргуугүй антенны хамрах хүрээтэй маш төстэй гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Зураг 9a,b нь үйл ажиллагааны спектр дэх MS-гүй болон ажиглагдсан нэг антенны ашиг ба нийт үр ашгийн харьцуулалтыг харуулав. Мета гадаргуугийн бус антентай харьцуулахад мета гадаргуугийн антенны ашиг мэдэгдэхүйц сайжирч, 5.15 дБ-ээс 8 дБ хүртэл нэмэгдэж байгааг харж болно. Нэг давхаргат мета гадаргуу, хоёр давхар мета гадаргуу, арын гадаргуутай нэг антеннуудын ашиг тус тус 6 дБ, 6.9 дБ, 8 дБ-ээр нэмэгдсэн. Бусад мета гадаргуутай (нэг давхарга ба хоёр давхаргат MC) харьцуулахад зэс арын хавтантай нэг мета гадаргуугийн антенны ашиг 8 дБ хүртэл байна. Энэ тохиолдолд мета гадаргуу нь цацруулагчийн үүрэг гүйцэтгэж, антенны арын цацрагийг бууруулж, цахилгаан соронзон долгионыг үе шаттайгаар удирдаж, улмаар антенны цацрагийн үр ашгийг нэмэгдүүлж, улмаар олзыг нэмэгдүүлдэг. Мета гадаргуугүй ба нэг антенны ерөнхий үр ашгийн судалгааг Зураг 9б-д үзүүлэв. Мета гадаргуутай ба антенны үр ашиг бараг ижил байдаг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Доод давтамжийн мужид антенны үр ашиг бага зэрэг буурдаг. Туршилтын болон загварчилсан олз ба үр ашгийн муруй нь сайн тохирч байна. Гэсэн хэдий ч үйлдвэрлэлийн согог, хэмжилтийн хүлцэл, SMA портын холболтын алдагдал, утас алдагдах зэргээс шалтгаалан загварчилсан болон туршсан үр дүнгийн хооронд бага зэрэг ялгаатай байна. Үүнээс гадна антенн болон MS цацруулагч нь нейлон зайны хооронд байрладаг бөгөөд энэ нь симуляцийн үр дүнтэй харьцуулахад ажиглагдсан үр дүнд нөлөөлж буй өөр нэг асуудал юм.
Зураг (а) нь дууссан нэг антен болон түүнтэй холбоотой бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг харуулав. (б) Ойрын талбайн хэмжилтийн тохиргоо (SATIMO).
(a) Мета гадаргуугийн тусгал ашиглан антенны өдөөлт (CST STUDIO SUITE 2019). (б) MS-гүй ба нэг антенны загварчилсан болон туршилтын тусгал.
(a) олж авсан ашиг ба (б) санал болгож буй мета гадаргуугийн эффектийн антенны ерөнхий үр ашгийн симуляци ба хэмжилтийн үр дүн.
MS ашиглан цацрагийн хэв маягийн шинжилгээ. Нэг антентай ойрын талбайн хэмжилтийг UKM SATIMO-ийн ойрын талбайн системийн лабораторийн SATIMO-ийн ойрын талбайн туршилтын орчинд хийсэн. Зураг 10a, b нь MS-тэй болон MS-гүй санал болгож буй дан антенны хувьд 5.5 GHz давтамжтай E-хавтгай ба H-хавтгай цацрагийн загварчилсан болон ажиглагдсан загварыг харуулав. Боловсруулсан нэг антенн (MS-гүй) нь хажуугийн дэлбэнгийн утгууд бүхий тогтмол хоёр чиглэлтэй цацрагийн хэв маягийг хангадаг. Санал болгож буй MS цацруулагчийг хэрэглэсний дараа антенн нь нэг чиглэлтэй цацрагийн хэв маягийг хангаж, арын дэлбэнгийн түвшинг багасгаж, Зураг 10a, b-д үзүүлэв. Санал болгож буй нэг антенны цацрагийн загвар нь зэс арын хавтан бүхий мета гадаргууг ашиглах үед маш бага нуруу, хажуугийн дэлбэнтэй, илүү тогтвортой, нэг чиглэлтэй гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Санал болгож буй MM массивын тусгал нь антенны арын болон хажуугийн дэлбэнүүдийг багасгаж, гүйдлийг нэг чиглэлтэй (Зураг 10a, b) чиглүүлэх замаар цацрагийн гүйцэтгэлийг сайжруулж, улмаар олз ба чиглэлийг нэмэгдүүлдэг. Туршилтын цацрагийн загвар нь CST загварчлалынхтай бараг л дүйцэхүйц байсан ч угсарсан янз бүрийн эд ангиудын буруу тохируулга, хэмжилтийн хүлцэл, кабелийн алдагдлын зэргээс шалтгаалж бага зэрэг ялгаатай байсан нь ажиглагдсан. Нэмж дурдахад, антенн болон MS цацруулагчийн хооронд нейлон холбогч суурилуулсан бөгөөд энэ нь тоон үр дүнтэй харьцуулахад ажиглагдсан үр дүнд нөлөөлж буй өөр нэг асуудал юм.
5.5 GHz давтамжтай нэг антенны (MS-гүй ба MS-тэй) цацрагийн загварыг загварчилж, туршсан.
Санал болгож буй MIMO антенны геометрийг Зураг 11-т үзүүлсэн бөгөөд дөрвөн дан антеныг багтаасан болно. MIMO антенны дөрвөн бүрэлдэхүүн хэсэг нь 80 × 80 × 1.575 мм хэмжээтэй субстрат дээр бие биенээсээ тэгш өнцөгт байрладаг бөгөөд үүнийг Зураг 11-д үзүүлэв. Загварын MIMO антенн нь 22 мм-ийн элемент хоорондын зайтай бөгөөд энэ нь MIMO-ийн антеннаас бага юм. антенны хамгийн ойрын харгалзах элемент хоорондын зай. MIMO антенн боловсруулсан. Үүнээс гадна, газрын онгоцны нэг хэсэг нь нэг антентай адилхан байрладаг. Зураг 12а-д үзүүлсэн MIMO антеннуудын (S11, S22, S33, болон S44) тусгалын утгууд нь 3.2-7.6 GHz зурваст цуурайтдаг нэг элементийн антентай ижил үйлдлийг харуулж байна. Тиймээс MIMO антенны эсэргүүцлийн зурвасын өргөн нь нэг антентай яг ижил байна. MIMO-ийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хоорондох холболтын нөлөө нь MIMO антеннуудын бага зурвасын өргөн алдагдах гол шалтгаан юм. Зураг 12b-д MIMO бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хоорондын хамгийн оновчтой тусгаарлалтыг тодорхойлсон MIMO бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн харилцан холболтын нөлөөг харуулав. 1 ба 2-р антеннуудын хоорондох тусгаарлалт хамгийн бага нь ойролцоогоор -13.6 дБ, 1 ба 4-р антеннуудын хоорондох тусгаарлалт хамгийн өндөр нь ойролцоогоор -30.4 дБ байна. Жижиг хэмжээтэй, өргөн зурвасын өргөнтэй тул энэхүү MIMO антен нь ашиг багатай, дамжуулах чадвар багатай байдаг. Тусгаарлагч нь бага тул арматур, дулаалгыг нэмэгдүүлэх шаардлагатай;
Санал болгож буй MIMO антенны дизайны механизм (a) дээрээс харах ба (б) газрын хавтгай. (CST Studio Suite 2019).
Санал болгож буй мета гадаргуугийн MIMO антенны геометрийн зохион байгуулалт ба өдөөх аргыг Зураг 13а-д үзүүлэв. 80x80x1.575мм хэмжээтэй 10x10мм матрицыг Зураг 13a-д үзүүлсэн шиг 12мм өндөр MIMO антенны арын хэсэгт зориулан бүтээсэн. Нэмж дурдахад зэс арын хавтан бүхий мета гадаргуу нь гүйцэтгэлийг сайжруулахын тулд MIMO антенуудад ашиглах зориулалттай. Мета гадаргуу болон MIMO антенны хоорондох зай нь антеннаас үүссэн долгион болон мета гадаргуугаас тусгагдсан долгионуудын хооронд хөндлөнгийн хөндлөнгийн оролцоог хангахын зэрэгцээ өндөр ашиг олоход маш чухал юм. MIMO элементүүдийн хоорондох хамгийн их ашиг, тусгаарлалтыг хангахын тулд дөрөвний долгионы стандартыг хадгалахын зэрэгцээ антенн ба мета гадаргуугийн хоорондох өндрийг оновчтой болгохын тулд өргөн хүрээтэй загварчлалыг хийсэн. Арын хавтангүй мета гадаргуутай харьцуулахад арын хавтантай мета гадаргууг ашигласнаар MIMO антенны гүйцэтгэлийн мэдэгдэхүйц сайжруулалтыг дараагийн бүлгүүдэд харуулах болно.
(a) MS (CST STUDIO SUITE 2019) ашиглан санал болгож буй MIMO антенны CST симуляцийн тохиргоо, (б) MS болон MS-тэй боловсруулсан MIMO системийн тусгалын муруй.
Мета гадаргуутай болон гадаргуугүй MIMO антеннуудын тусгалыг Зураг 13б-т үзүүлсэн бөгөөд MIMO системийн бүх антеннуудын бараг ижил үйлдэлтэй тул S11 ба S44-ийг үзүүлэв. MIMO антеннуудын -10 дБ-ийн эсэргүүцлийн зурвасын өргөн нь нэг мета гадаргуугүй, бараг ижил байдаг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Үүний эсрэгээр, санал болгож буй MIMO антенны эсэргүүцлийн зурвасын өргөнийг хоёр давхаргат MS болон арын MS-ээр сайжруулсан. MS-гүй бол MIMO антен нь төвийн давтамжтай харьцуулахад 81.5% (3.2-7.6 GHz) фракцийн зурвасын өргөнийг хангадаг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. MS-ийг арын самбартай нэгтгэснээр санал болгож буй MIMO антенны эсэргүүцлийн зурвасын өргөнийг 86.3% (3.08–7.75 GHz) хүртэл нэмэгдүүлдэг. Хэдийгээр хоёр давхаргат MS нь дамжуулах чадварыг нэмэгдүүлдэг боловч сайжруулалт нь зэс арын хавтантай MS-ээс бага байна. Түүнчлэн, хоёр давхаргат MC нь антенны хэмжээг нэмэгдүүлж, өртөгийг нь нэмэгдүүлж, хүрээг нь хязгаарладаг. Загварчилсан MIMO антенн болон мета гадаргуугийн тусгал нь загварчлалын үр дүнг баталгаажуулах, бодит гүйцэтгэлийг үнэлэхийн тулд үйлдвэрлэж, баталгаажуулсан. Зураг 14а-д янз бүрийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг угсарсан MS давхарга болон MIMO антенныг харуулсан бол Зураг 14б-т боловсруулсан MIMO системийн гэрэл зургийг харуулав. MIMO антенныг Зураг 14б-т үзүүлсэн шиг дөрвөн нейлон холбогч ашиглан мета гадаргуу дээр суурилуулсан. Зураг 15а-д боловсруулсан MIMO антенны системийн ойрын талбайн туршилтын тохиргооны агшин зургийг үзүүлэв. PNA сүлжээний анализаторыг (Agilent Technologies PNA N5227A) UKM SATIMO-ийн ойролцоох талбайн системийн лабораторид тархалтын параметрүүдийг тооцоолох, ойрын талбайн ялгаралтын шинж чанарыг үнэлэх, тодорхойлоход ашигласан.
(a) SATIMO-ийн ойрын талбайн хэмжилтийн зураг (b) MS-тэй болон MS-гүй S11 MIMO антенны загварчилсан болон туршилтын муруй.
Энэ хэсэгт санал болгож буй 5G MIMO антенны загварчилсан болон ажиглагдсан S-параметрүүдийн харьцуулсан судалгааг танилцуулж байна. Зураг 15б нь нэгдсэн 4 элементтэй MIMO MS антенны туршилтын тусгалын графикийг харуулж, CST симуляцийн үр дүнтэй харьцуулсан болно. Туршилтын тусгал нь CST-ийн тооцоотой ижил байсан боловч үйлдвэрлэлийн согог болон туршилтын хүлцэл зэргээс шалтгаалж арай өөр байсан. Нэмж дурдахад санал болгож буй MS-д суурилсан MIMO прототипийн ажиглагдсан тусгал нь 6 GHz-ээс доош давтамжтай 5G спектрийг 4.8 GHz-ийн эсэргүүцлийн зурвасын өргөнийг хамардаг бөгөөд энэ нь 5G хэрэглээг ашиглах боломжтой гэсэн үг юм. Гэсэн хэдий ч хэмжсэн резонансын давтамж, зурвасын өргөн, далайц нь CST симуляцийн үр дүнгээс бага зэрэг ялгаатай байна. Үйлдвэрлэлийн согог, коакси-SMA холболтын алдагдал, гадаа хэмжилтийн тохиргоо нь хэмжсэн болон загварчилсан үр дүнгийн хооронд ялгаатай байж болно. Гэсэн хэдий ч эдгээр дутагдалтай талуудыг үл харгалзан санал болгож буй MIMO нь загварчлал, хэмжилтийн хооронд сайн тохирч, 6 GHz-ээс доош 5G утасгүй хэрэглээнд тохиромжтой.
Загварчилсан болон ажиглагдсан MIMO антенны ашгийн муруйг Зураг 2 ба 2-т үзүүлэв. Зураг 16a,b, 17a,b-д тус тус үзүүлсэний дагуу MIMO бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн харилцан үйлчлэлийг харуулав. MIMO антеннуудад мета гадаргууг ашиглах үед MIMO антеннуудын хоорондох тусгаарлалт мэдэгдэхүйц сайжирдаг. Зэргэлдээх антенны S12, S14, S23 ба S34 элементүүдийн хоорондох тусгаарлах графикууд нь ижил төстэй муруйг харуулж байгаа бол диагональ MIMO антенууд S13 ба S42 нь тэдгээрийн хоорондын зай ихтэй тул ижил төстэй өндөр тусгаарлалтыг харуулж байна. Зэргэлдээх антеннуудын дуурайлган дамжуулах шинж чанарыг Зураг 16а-д үзүүлэв. 6 GHz-ээс доош давтамжтай 5G үйлдлийн спектрийн хувьд мета гадаргуугүй MIMO антенны хамгийн бага тусгаарлалт нь -13.6 дБ, арын гадаргуутай мета гадаргуугийн хувьд 15.5 дБ гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Олж авах график (Зураг 16a) нь арын хавтангийн мета гадаргуу нь нэг ба хоёр давхаргат мета гадаргуутай харьцуулахад MIMO антенны элементүүдийн тусгаарлалтыг ихээхэн сайжруулж байгааг харуулж байна. Зэргэлдээх антенны элементүүд дээр нэг ба хоёр давхаргат мета гадаргуу нь хамгийн бага тусгаарлалтыг ойролцоогоор -13.68 дБ ба -14.78 дБ, зэс арын гадаргуу нь ойролцоогоор -15.5 дБ-ээр хангадаг.
MS давхаргагүй ба MS давхаргатай MIMO элементүүдийн дуурайлган тусгаарлах муруй: (a) S12, S14, S34 ба S32 ба (б) S13 ба S24.
Санал болгож буй MS-д суурилсан MIMO антеннуудын туршилтын ашгийн муруй: (a) S12, S14, S34 ба S32 ба (б) S13 ба S24.
MIMO диагональ антенны олшны графикийг MS давхаргыг нэмэхээс өмнө болон дараа нь Зураг 16б-д үзүүлэв. Мета гадаргуугүй диагональ антеннуудын хоорондох хамгийн бага тусгаарлалт (антен 1 ба 3) нь үйл ажиллагааны спектрийн дагуу - 15.6 дБ, арын гадаргуутай мета гадаргуу нь - 18 дБ байна. Metasurface арга нь диагональ MIMO антеннуудын хоорондох холболтын нөлөөг эрс багасгадаг. Нэг давхаргат мета гадаргуугийн хамгийн их тусгаарлагч нь -37 дБ байдаг бол хоёр давхар давхаргын хувьд энэ утга -47 дБ хүртэл буурдаг. Зэсийн арын хавтан бүхий мета гадаргуугийн хамгийн их тусгаарлалт нь -36.2 дБ бөгөөд энэ нь давтамжийн хүрээ нэмэгдэх тусам буурдаг. Арын хавтангүй нэг ба хоёр давхаргат мета гадаргуутай харьцуулахад арын хавтантай мета гадаргуу нь шаардлагатай бүх давтамжийн мужид, ялангуяа 6 GHz-ээс доош 5G мужид илүү сайн тусгаарлалтыг хангадаг. 6 GHz (3.5 GHz)-ээс доош хамгийн алдартай, өргөн хэрэглэгддэг 5G зурваст нэг ба хоёр давхаргат мета гадаргуу нь зэс арын гадаргуутай (бараг MS байхгүй) мета гадаргуугаас MIMO бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хоорондох тусгаарлалт багатай байдаг (Зураг 16a), b). Олжийн хэмжилтийг зэргэлдээх антеннуудын (S12, S14, S34 ба S32) болон диагональ антеннуудын (S24 ба S13) тусгаарлалтыг тус тус харуулсан Зураг 17a, b-д үзүүлэв. Эдгээр зургуудаас харахад (Зураг 17a, b) MIMO бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хоорондох туршилтын тусгаарлалт нь загварчилсан тусгаарлалттай сайн тохирч байна. Үйлдвэрлэлийн согог, SMA портын холболт, утсан алдагдал зэргээс шалтгаалан загварчилсан болон хэмжсэн CST утгуудын хооронд бага зэргийн ялгаа байдаг. Үүнээс гадна антенн болон MS цацруулагч нь нейлон зайны хооронд байрладаг бөгөөд энэ нь симуляцийн үр дүнтэй харьцуулахад ажиглагдсан үр дүнд нөлөөлж буй өөр нэг асуудал юм.
Гадаргуугийн долгионыг дарах замаар харилцан уялдаа холбоог багасгахад мета гадаргуугийн үүргийг оновчтой болгохын тулд 5.5 GHz-ийн гадаргуугийн гүйдлийн тархалтыг судалжээ42. Санал болгож буй MIMO антенны гадаргуугийн гүйдлийн тархалтыг Зураг 18-д үзүүлснээр антен 1-ийг жолоодож, антенны үлдсэн хэсэг нь 50 Ом ачаалалтайгаар дуусгавар болно. 1-р антенныг идэвхжүүлсэн үед 18а-р зурагт үзүүлсэн шиг мета гадаргуу байхгүй үед зэргэлдээх антеннуудад 5.5 ГГц давтамжтайгаар мэдэгдэхүйц харилцан холболтын гүйдэл гарч ирнэ. Эсрэгээр, 18b-d-р зурагт үзүүлсэн шиг мета гадаргуугийн тусламжтайгаар зэргэлдээх антеннуудын хоорондох тусгаарлалт сайжирсан. Зэргэлдээх талбаруудын харилцан холболтын нөлөөллийг MS давхаргын дагуу нэгж эсийн зэргэлдээ цагираг болон зэргэлдээх MS нэгж эсийн эсрэг параллель чиглэлд нийлүүлэх замаар багасгах боломжтой гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Тархсан антеннаас MS нэгж рүү гүйдэл оруулах нь MIMO-ийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн тусгаарлалтыг сайжруулах гол арга юм. Үүний үр дүнд MIMO-ийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хоорондох холболтын гүйдэл ихээхэн буурч, тусгаарлалт нь ихээхэн сайжирсан. Холболтын талбар нь элементэд өргөн тархсан байдаг тул зэс арын хавтангийн мета гадаргуу нь MIMO антенны угсралтыг нэг ба хоёр давхаргын мета гадаргуугаас хамаагүй илүү тусгаарладаг (Зураг 18d). Түүнчлэн, боловсруулсан MIMO антен нь маш бага арын болон хажуугийн тархалттай бөгөөд нэг чиглэлтэй цацрагийн хэв маягийг бий болгож, улмаар санал болгож буй MIMO антенны ашгийг нэмэгдүүлдэг.
Санал болгож буй MIMO антенны гадаргын гүйдлийн загварууд 5.5 GHz давтамжтай (a) MC-гүй, (б) нэг давхаргат MC, (в) хоёр давхаргат MC, (г) зэс арын хавтан бүхий нэг давхаргат MC. (CST Studio Suite 2019).
Үйлдлийн давтамжийн хүрээнд Зураг 19а-д мета гадаргуугүй ба MIMO антенны загварчилсан болон ажиглагдсан олзыг харуулав. Мета гадаргуугүй MIMO антенны дууриасан олз нь Зураг 19a-д үзүүлсэн шиг 5.4 дБ байна. MIMO-ийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хооронд харилцан уялдаа холбоотой байдаг тул санал болгож буй MIMO антен нь нэг антеннаас 0.25 дби-ээр илүү өндөр ашиг олж авдаг. Мета гадаргууг нэмэх нь MIMO-ийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хооронд ихээхэн ашиг тус, тусгаарлалтыг бий болгож чадна. Тиймээс санал болгож буй мета гадаргуугийн MIMO антен нь 8.3 дБи хүртэл өндөр ашиг олох боломжтой. Зураг 19a-д үзүүлснээр MIMO антенны арын хэсэгт нэг мета гадаргуу ашиглах үед ашиг нь 1.4 дБи-ээр нэмэгддэг. Мета гадаргууг хоёр дахин ихэсгэх үед олз нь 2.1 dBi-ээр нэмэгддэгийг Зураг 19a-д үзүүлэв. Гэсэн хэдий ч, зэс арын хавтан бүхий мета гадаргууг ашиглах үед хүлээгдэж буй хамгийн их ашиг нь 8.3 дБи хүрдэг. Нэг болон давхар давхаргын мета гадаргуугийн хувьд хүрсэн хамгийн их ашиг тус тус 6.8 дБ ба 7.5 дБ бол доод давхаргын мета гадаргуугийн хувьд 8.3 дБи байна. Антенны арын хэсэгт байрлах мета гадаргуугийн давхарга нь тусгалын үүргийг гүйцэтгэж, антенны арын хэсгийн цацрагийг тусгаж, зохион бүтээсэн MIMO антенны урд-арын (F/B) харьцааг сайжруулдаг. Нэмж дурдахад өндөр эсэргүүцэлтэй MS тусгал нь цахилгаан соронзон долгионыг үе шаттайгаар удирдаж, улмаар нэмэлт резонанс үүсгэж, санал болгож буй MIMO антенны цацрагийн гүйцэтгэлийг сайжруулдаг. MIMO антенны ард суурилуулсан MS цацруулагч нь олж авсан ашгийг мэдэгдэхүйц нэмэгдүүлэх боломжтой бөгөөд энэ нь туршилтын үр дүнгээс харагдаж байна. Боловсруулсан прототип MIMO антенны ажиглагдсан болон загварчилсан олз нь бараг ижил боловч зарим давтамж дээр хэмжсэн олз нь загварчилсан ашгаас өндөр байдаг, ялангуяа MS-гүй MIMO-ийн хувьд; Туршилтын үр ашгийн эдгээр өөрчлөлтүүд нь нейлон дэвсгэрийн хэмжилтийн хүлцэл, кабелийн алдагдал, антенны систем дэх холболттой холбоотой юм. Мета гадаргуугүй MIMO антенны дээд хэмжсэн ашиг нь 5.8 дБ бол зэс арын гадаргуутай мета гадаргуу нь 8.5 дБ байна. Санал болгож буй MS тусгал бүхий 4 порттой MIMO антенны систем нь туршилтын болон тоон нөхцөлд өндөр ашиг олж байгааг тэмдэглэх нь зүйтэй.
(a) олж авсан ашиг ба (б) мета гадаргуугийн эффект бүхий санал болгож буй MIMO антенны ерөнхий гүйцэтгэлийн загварчлал ба туршилтын үр дүн.
Зураг 19б нь мета гадаргуугийн тусгалгүй ба санал болгож буй MIMO системийн ерөнхий гүйцэтгэлийг харуулж байна. Зураг 19b-д арын самбартай MS-ийг ашиглах хамгийн бага үр ашиг нь 73% -иас дээш (84% хүртэл) байсан. MC болон MC-тэй боловсруулсан MIMO антеннуудын ерөнхий үр ашиг нь загварчилсан утгуудтай харьцуулахад бага зэргийн зөрүүтэй бараг ижил байна. Үүний шалтгаан нь хэмжилтийн хүлцэл, антенн болон MS цацруулагчийн хоорондох зайг ашиглах явдал юм. Бүх давтамжийн хэмжсэн олз болон нийт үр ашиг нь симуляцийн үр дүнтэй бараг ижил байгаа нь санал болгож буй MIMO прототипийн гүйцэтгэл хүлээгдэж буй шиг байгаа бөгөөд санал болгож буй MS-д суурилсан MIMO антенн нь 5G холболтод тохиромжтой болохыг харуулж байна. Туршилтын судалгаанд алдаа гарсны улмаас лабораторийн туршилтын ерөнхий үр дүн болон загварчлалын үр дүнгийн хооронд ялгаа бий. Санал болгож буй прототипийн гүйцэтгэлд антенн болон SMA холбогч хоорондын эсэргүүцлийн үл нийцэл, коаксиаль кабелийн холболтын алдагдал, гагнуурын нөлөө, янз бүрийн электрон төхөөрөмжүүдийн туршилтын тохиргоонд ойрхон байгаа зэргээс шалтгаална.
Зураг 20-д дээрх антенны дизайн, оновчлолын явцыг блок диаграмм хэлбэрээр дүрсэлсэн болно. Энэхүү блок диаграмм нь санал болгож буй MIMO антенны дизайны зарчмуудыг алхам алхмаар тайлбарлахаас гадна антенныг оновчтой болгоход чухал үүрэг гүйцэтгэдэг параметрүүдийг, шаардлагатай өндөр ашиг, өндөр тусгаарлалтыг ажлын өргөн давтамжтайгаар олж авах боломжийг олгодог.
Ойрын талбайн MIMO антенны хэмжилтийг UKM SATIMO-ийн ойрын талбайн системийн лабораторийн SATIMO-ийн ойролцоох туршилтын орчинд хэмжсэн. Зураг 21a,b-д 5.5 ГГц давтамжтай, MS-тэй болон MS-гүй MIMO антенны загварчилсан болон ажиглагдсан E-хавгадас ба Н-хавтгай цацрагийн загварыг дүрсэлсэн болно. 5.5 GHz давтамжийн мужид боловсруулсан MS бус MIMO антен нь хажуугийн дэлбэнгийн утгууд бүхий тогтмол хоёр чиглэлтэй цацрагийн хэв маягийг хангадаг. MS цацруулагчийг хэрэглэсний дараа антенн нь нэг чиглэлтэй цацрагийн хэв маягийг хангаж, арын дэлбэнгийн түвшинг багасгаж, Зураг 21a, b-д үзүүлэв. Зэсийн арын хавтан бүхий мета гадаргууг ашигласнаар санал болгож буй MIMO антенны загвар нь MS-гүйгээс илүү тогтвортой бөгөөд нэг чиглэлтэй, маш намхан нуруу болон хажуугийн дэлбэнтэй болохыг тэмдэглэх нь зүйтэй. Санал болгож буй MM массивын тусгал нь антенны арын болон хажуугийн дэлбэнүүдийг багасгаж, мөн гүйдлийг нэг чиглэлтэй чиглэлд чиглүүлэх замаар цацрагийн шинж чанарыг сайжруулдаг (Зураг 21a, b), ингэснээр олз ба чиглэлийг нэмэгдүүлдэг. Үлдсэн портуудтай холбогдсон 50 ом ачаалалтай 1-р портын хувьд хэмжсэн цацрагийн загварыг олж авсан. Туршилтын цацрагийн загвар нь CST-ийн загварчилсан загвартай бараг ижил байсан ч бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн буруу байрлал, терминалын портуудын тусгал, кабелийн холболтын алдагдал зэргээс шалтгаалан зарим нэг хазайлт байсан нь ажиглагдсан. Нэмж дурдахад антенн болон MS цацруулагчийн хооронд нейлон тусгаарлагч суурилуулсан бөгөөд энэ нь таамагласан үр дүнтэй харьцуулахад ажиглагдсан үр дүнд нөлөөлж буй өөр нэг асуудал юм.
Боловсруулсан MIMO антенны (MS-гүй ба MS-тэй) 5.5 GHz давтамжтай цацрагийн загварыг загварчилж, туршсан.
MIMO системийн гүйцэтгэлийг үнэлэхэд портын тусгаарлалт болон түүнтэй холбоотой шинж чанарууд чухал гэдгийг анхаарах нь чухал юм. Санал болгож буй MIMO системийн олон талт гүйцэтгэл, тухайлбал дугтуйны корреляцийн коэффициент (ECC) болон олон янз байдлын олз (DG) зэргийг зохион бүтээсэн MIMO антенны системийн бат бөх байдлыг харуулахын тулд шалгасан. MIMO антенны ECC болон DG нь MIMO системийн гүйцэтгэлийн чухал талууд тул түүний гүйцэтгэлийг үнэлэхэд ашиглаж болно. Дараах хэсгүүдэд санал болгож буй MIMO антенны эдгээр шинж чанаруудыг дэлгэрэнгүй тайлбарлах болно.
Дугтуйны корреляцийн коэффициент (ECC). Аливаа MIMO системийг авч үзэхдээ ECC нь бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн онцлог шинж чанаруудын хувьд хоорондоо хэр зэрэг хамааралтай болохыг тодорхойлдог. Тиймээс ECC нь утасгүй холбооны сүлжээн дэх сувгийн тусгаарлах түвшинг харуулж байна. Боловсруулсан MIMO системийн ECC (дугтуй корреляцийн коэффициент) -ийг S-параметр болон алс зайн ялгаруулалт дээр үндэслэн тодорхойлж болно. Eq-аас. (7) ба (8) санал болгож буй MIMO антен 31-ийн ECC-ийг тодорхойлж болно.
Тусгалын коэффициентийг Sii, Sij нь дамжуулах коэффициентийг илэрхийлнэ. j-, i-р антенны гурван хэмжээст цацрагийн хэв маягийг \(\vec{R}_{j} \left( {\theta,\varphi } \right)\) болон \( гэсэн илэрхийллээр өгөгдсөн. \vec {{R_{ i } }} Хатуу өнцгийг \left( {\theta ,\varphi } \right)\) болон \({\Омега }\)-р илэрхийлнэ. Санал болгож буй антенны ECC муруйг Зураг 22а-д үзүүлсэн бөгөөд түүний утга нь 0.004-ээс бага бөгөөд энэ нь утасгүй системийн хувьд хүлээн зөвшөөрөгдөх 0.5-аас хамаагүй доогуур байна. Тиймээс ECC-ийн үнэ цэнийг бууруулсан нь санал болгож буй 4 порт MIMO систем нь дээд зэргийн олон талт байдлыг хангадаг гэсэн үг юм43.
Diversity Gain (DG) DG нь MIMO системийн гүйцэтгэлийн өөр нэг хэмжигдэхүүн бөгөөд олон янз байдлын схем нь цацрагийн эрчим хүчд хэрхэн нөлөөлж байгааг тодорхойлдог. Харилцаа (9) нь 31-д тайлбарласны дагуу боловсруулж буй MIMO антенны системийн DG-ийг тодорхойлдог.
Зураг 22б-т санал болгож буй MIMO системийн DG диаграммыг харуулсан бөгөөд DG утга нь 10 дБ-тэй маш ойрхон байна. Зохион бүтээсэн MIMO системийн бүх антеннуудын DG утга нь 9.98 дБ-ээс давсан байна.
Хүснэгт 1-д санал болгож буй мета гадаргуугийн MIMO антенныг саяхан боловсруулсан ижил төстэй MIMO системүүдтэй харьцуулсан болно. Харьцуулалт нь зурвасын өргөн, ашиг, хамгийн их тусгаарлалт, ерөнхий үр ашиг, олон янз байдлын гүйцэтгэл зэрэг гүйцэтгэлийн янз бүрийн параметрүүдийг харгалзан үздэг. Судлаачид 5, 44, 45, 46, 47-д олз, тусгаарлалтыг сайжруулах арга техник бүхий төрөл бүрийн MIMO антенны прототипүүдийг танилцуулсан. Өмнө нь хэвлэгдсэн бүтээлүүдтэй харьцуулахад мета гадаргуугийн тусгал бүхий санал болгож буй MIMO систем нь зурвасын өргөн, олз, тусгаарлах чадвараараа тэднээс давж гарсан. Нэмж дурдахад, ижил төстэй антеннуудтай харьцуулахад боловсруулсан MIMO систем нь илүү олон төрлийн гүйцэтгэл, ерөнхий үр ашгийг бага хэмжээгээр харуулдаг. Хэсэг 5.46-д тайлбарласан антеннуудын тусгаарлалт нь бидний санал болгож буй антеннуудаас өндөр боловч эдгээр антенууд нь том хэмжээтэй, ашиг багатай, зурвасын өргөн, MIMO-ийн гүйцэтгэл муутай байдаг. 45-д санал болгож буй 4 порттой MIMO антен нь өндөр ашиг, үр ашгийг харуулдаг боловч түүний загвар нь бага тусгаарлалт, том хэмжээтэй, олон янз байдлын гүйцэтгэл муутай байдаг. Нөгөөтэйгүүр, 47-д санал болгож буй жижиг хэмжээтэй антенны систем нь маш бага ашиг ба ажиллах зурвасын өргөнтэй байдаг бол бидний санал болгож буй MS дээр суурилсан 4 порттой MIMO систем нь жижиг хэмжээтэй, өндөр ашиг тустай, өндөр тусгаарлалт, илүү сайн гүйцэтгэлтэй MIMO-г харуулдаг. Тиймээс, санал болгож буй мета гадаргуугийн MIMO антен нь 6 GHz-ээс доош 5G холбооны системүүдийн гол өрсөлдөгч болж чадна.
6 GHz-ээс доош давтамжтай 5G програмуудыг дэмжихийн тулд өндөр ашиг тустай, тусгаарлалт бүхий дөрвөн порт бүхий мета гадаргуугийн тусгал дээр суурилсан өргөн зурвасын MIMO антеныг санал болгож байна. Микро туузан шугам нь диагональ булангуудад квадратаар таслагдсан дөрвөлжин цацрагийн хэсгийг тэжээдэг. Санал болгож буй MS болон антен ялгаруулагчийг өндөр хурдны 5G холбооны системд маш сайн гүйцэтгэлд хүрэхийн тулд Rogers RT5880-тэй төстэй субстрат материал дээр хэрэгжүүлсэн. MIMO антен нь өргөн цар хүрээтэй, өндөр ашиг тустай бөгөөд MIMO бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хооронд дуу чимээ тусгаарлах, маш сайн үр ашгийг хангадаг. Боловсруулсан нэг антен нь 0.58?0.58?0.02 хэмжээтэй жижиг хэмжээтэй байна. 5×5 мета гадаргуугийн массив нь 4.56 GHz-ийн өргөн зурвасын өргөн, 8 dBi оргил ашиг, хэмжсэн өндөр үр ашгийг өгдөг. Санал болгож буй дөрвөн порттой MIMO антенн (2 × 2 массив) нь санал болгож буй нэг антен бүрийг 1.05λ × 1.05λ × 0.02λ хэмжээтэй өөр антентай ортогональ байдлаар тохируулах замаар зохион бүтээгдсэн. 10×10 мм массивыг 12 мм өндөр MIMO антенны доор угсрах нь зүйтэй бөгөөд энэ нь арын цацрагийг бууруулж, MIMO бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хоорондын холболтыг бууруулж, улмаар ашиг тус, тусгаарлалтыг сайжруулдаг. Туршилтын болон симуляцийн үр дүнгээс харахад боловсруулсан MIMO прототип нь 6 GHz-ээс доош 5G спектрийг хамарсан 3.08-7.75 GHz өргөн давтамжийн мужид ажиллах боломжтой. Нэмж дурдахад, санал болгож буй MS-д суурилсан MIMO антен нь 2.9 dBi-ээр ашгаа сайжруулж, хамгийн ихдээ 8.3 дБ-ийн ашигт хүрч, MIMO-ийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хооронд маш сайн тусгаарлалт (>15.5 дБ) өгч, MS-ийн оруулсан хувь нэмрийг баталгаажуулдаг. Нэмж дурдахад, санал болгож буй MIMO антен нь 82% -ийн дундаж өндөр үр ашигтай, 22 мм-ийн элемент хоорондын зай багатай. Антен нь маш өндөр DG (9.98 дБ-ээс дээш), маш бага ECC (0.004-аас бага) болон нэг чиглэлтэй цацрагийн хэв маягийг багтаасан MIMO олон янз байдлын гайхалтай гүйцэтгэлийг харуулдаг. Хэмжилтийн үр дүн нь симуляцийн үр дүнтэй маш төстэй юм. Эдгээр шинж чанарууд нь боловсруулсан дөрвөн порттой MIMO антенны систем нь 6 GHz-ээс доош давтамжийн мужид 5G холбооны системд тохиромжтой сонголт байж болохыг баталж байна.
Cowin нь 400-6000MHz өргөн зурвасын ПХБ антенаар хангаж, таны шаардлагын дагуу шинэ антен зохион бүтээхэд дэмжлэг үзүүлэх боломжтой бөгөөд хэрэв танд ямар нэгэн хүсэлт байвал бидэнтэй холбоо барина уу.
Шуудангийн цаг: 2024 оны 10-р сарын 10