Þessi vinna leggur til fyrirferðarlítið samþætt multi-inntak multiple-output (MIMO) metasurface (MS) breiðbandsloftnet fyrir undir-6 GHz fimmtu kynslóðar (5G) þráðlaus samskiptakerfi. Augljósa nýjung fyrirhugaðs MIMO kerfis er breið bandbreidd þess, mikill ávinningur, lítil millihlutalausn og framúrskarandi einangrun innan MIMO íhlutanna. Útgeislunarblettur loftnetsins er styttur á ská, jarðtengdur að hluta og metaflatir eru notaðir til að bæta afköst loftnetsins. Fyrirhuguð frumgerð samþætta staka MS loftnetsins hefur smærri stærðir 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Niðurstöður hermuna og mælinga sýna frammistöðu breiðbands frá 3,11 GHz til 7,67 GHz, þar á meðal mesti ávinningurinn sem náðst hefur upp á 8 dBi. Fjögurra þátta MIMO kerfið er hannað þannig að hvert loftnet er hornrétt hvert við annað á sama tíma og það heldur lítilli stærð og breiðbandsframmistöðu frá 3,2 til 7,6 GHz. Fyrirhuguð MIMO frumgerð er hönnuð og framleidd á Rogers RT5880 undirlagi með litlu tapi og litlum stærðum 1,05? 1.05? 0,02?, og frammistaða þess er metin með því að nota fyrirhugaða fermetra lokuðum hringa resonator fylki með 10 x 10 skiptan hring. Grunnefnið er það sama. Fyrirhuguð metasurface bakplans dregur verulega úr bakgeislun loftnets og vinnur rafsegulsvið og bætir þar með bandbreidd, ávinning og einangrun MIMO íhluta. Í samanburði við núverandi MIMO loftnet nær fyrirhugað 4-porta MIMO loftnet háum styrk upp á 8,3 dBi með að meðaltali heildarnýtni allt að 82% á 5G undir 6 GHz bandinu og er í góðu samræmi við mældar niðurstöður. Þar að auki sýnir þróaða MIMO loftnetið frábæra frammistöðu hvað varðar umslagsfylgnistuðul (ECC) sem er minni en 0,004, fjölbreytileikaaukning (DG) um 10 dB (> 9,98 dB) og mikla einangrun milli MIMO íhluta (> 15,5 dB). einkenni. Þannig staðfestir fyrirhugað MS-undirstaða MIMO loftnet nothæfi þess fyrir undir-6 GHz 5G samskiptanet.
5G tækni er ótrúleg framþróun í þráðlausum samskiptum sem mun gera hraðari og öruggari netkerfi fyrir milljarða tengdra tækja, veita notendaupplifun með „núll“ leynd (leynd undir 1 millisekúndu) og kynna nýja tækni, þar á meðal rafeindatækni. Læknishjálp, vitsmunaleg menntun. , snjallborgir, snjallheimili, sýndarveruleiki (VR), snjallverksmiðjur og Internet of Vehicles (IoV) eru að breyta lífi okkar, samfélagi og atvinnugreinum1,2,3. Bandaríska fjarskiptanefndin (FCC) skiptir 5G litrófinu í fjögur tíðnisvið4. Tíðnisviðið undir 6 GHz er áhugavert fyrir vísindamenn vegna þess að það leyfir fjarskipti með miklum gagnahraða5,6. Undir 6 GHz 5G litrófsúthlutun fyrir alþjóðleg 5G fjarskipti er sýnd á mynd 1, sem gefur til kynna að öll lönd séu að íhuga undir 6 GHz litróf fyrir 5G fjarskipti7,8. Loftnet eru mikilvægur hluti af 5G netkerfum og mun krefjast fleiri grunnstöðva og notendaloftneta.
Microstrip patch loftnet hafa kosti þunnrar og flatrar uppbyggingu, en eru takmörkuð í bandbreidd og gain9,10, svo miklar rannsóknir hafa verið gerðar til að auka ávinning og bandbreidd loftnetsins; Á undanförnum árum hafa metasurfaces (MS) verið mikið notaðar í loftnetstækni, sérstaklega til að bæta ávinning og afköst11,12, þó eru þessi loftnet takmörkuð við eina tengi; MIMO tækni er mikilvægur þáttur í þráðlausum samskiptum vegna þess að hún getur notað mörg loftnet samtímis til að senda gögn og þar með bætt gagnahraða, litrófsskilvirkni, rásargetu og áreiðanleika13,14,15. MIMO loftnet eru hugsanlegir frambjóðendur fyrir 5G forrit vegna þess að þau geta sent og tekið á móti gögnum yfir margar rásir án þess að þurfa viðbótarafl16,17. Gagnkvæm tengiáhrif milli MIMO íhluta eru háð staðsetningu MIMO þáttanna og ávinningi MIMO loftnetsins, sem er mikil áskorun fyrir vísindamenn. Myndir 18, 19 og 20 sýna ýmis MIMO loftnet sem starfa á 5G undir 6 GHz bandinu, sem öll sýna góða MIMO einangrun og frammistöðu. Hins vegar er ávinningur og rekstrarbandbreidd þessara fyrirhuguðu kerfa lítil.
Metamaterials (MM) eru ný efni sem eru ekki til í náttúrunni og geta meðhöndlað rafsegulbylgjur og þar með bætt afköst loftneta21,22,23,24. MM er nú mikið notað í loftnetstækni til að bæta geislunarmynstur, bandbreidd, ávinning og einangrun milli loftnetsþátta og þráðlausra samskiptakerfa, eins og fjallað er um í 25, 26, 27, 28. Árið 2029 var fjögurra þátta MIMO kerfi byggt á metasurface, þar sem loftnetshlutinn er festur á milli metasurface og jarðar án loftbils, sem bætir afköst MIMO. Hins vegar hefur þessi hönnun stærri stærð, lægri rekstrartíðni og flókna uppbyggingu. Rafsegulbandsbil (EBG) og jarðlykja eru innifalin í fyrirhuguðu 2-porta breiðbands MIMO loftnetinu til að bæta einangrun MIMO30 íhluta. Hið hannaða loftnet hefur góða MIMO fjölbreytileika og framúrskarandi einangrun milli tveggja MIMO loftneta, en með því að nota aðeins tvo MIMO íhluti verður ávinningurinn lítill. Að auki lagði in31 einnig til öfgabreiðbands (UWB) tvítengja MIMO loftnet og rannsakaði MIMO frammistöðu þess með því að nota metamaterials. Þrátt fyrir að þetta loftnet sé fær um að starfa með UWB er ávinningur þess lítill og einangrunin á milli loftnetanna tveggja er léleg. Verkið in32 leggur til 2-porta MIMO kerfi sem notar rafsegulbandgap (EBG) endurskinsmerki til að auka ávinninginn. Þrátt fyrir að þróaða loftnetsfylkingin hafi mikla ávinning og góða MIMO fjölbreytni frammistöðu, gerir stór stærð þess erfitt að nota í næstu kynslóð samskiptatækja. Annað breiðbandsloftnet sem byggir á endurskinsmerki var þróað í 33, þar sem endurskinsljósið var samþætt undir loftnetinu með stærra 22 mm bili, sem sýndi lægri hámarksávinning upp á 4,87 dB. Paper 34 hannar fjögurra porta MIMO loftnet fyrir mmWave forrit, sem er samþætt MS laginu til að bæta einangrun og ávinning MIMO kerfisins. Hins vegar veitir þetta loftnet góða ávinning og einangrun, en hefur takmarkaða bandbreidd og lélega vélræna eiginleika vegna stórs loftbils. Á sama hátt, árið 2015, var þriggja para, 4-porta bogabandslaga metasurface-samþætt MIMO loftnet þróað fyrir mmWave samskipti með hámarksaukningu upp á 7,4 dBi. B36 MS er notað á bakhlið 5G loftnets til að auka loftnetsstyrkinn, þar sem metaflaturinn virkar sem endurskinsmerki. Hins vegar er MS uppbyggingin ósamhverf og minni athygli hefur verið lögð á einingarfrumubygginguna.
Samkvæmt ofangreindum greiningarniðurstöðum hefur ekkert af ofangreindum loftnetum háan ávinning, framúrskarandi einangrun, MIMO afköst og breiðbandsþekju. Þess vegna er enn þörf fyrir metasurface MIMO loftnet sem getur náð yfir breitt svið 5G litrófstíðna undir 6 GHz með miklum ávinningi og einangrun. Með hliðsjón af takmörkunum ofangreindra bókmennta er lagt til breiðbands fjögurra þátta MIMO loftnetskerfi með miklum ávinningi og framúrskarandi fjölbreytni frammistöðu fyrir þráðlaus fjarskiptakerfi undir 6 GHz. Að auki sýnir fyrirhugað MIMO loftnet frábæra einangrun milli MIMO íhluta, lítil frumefnisbil og mikla geislunarvirkni. Loftnetsplásturinn er styttur á ská og settur ofan á metaflatinn með 12 mm loftbili, sem endurkastar geislun frá loftnetinu til baka og bætir loftnetsstyrk og stefnumörkun. Að auki er fyrirhugað staka loftnet notað til að búa til fjögurra þátta MIMO loftnet með yfirburða MIMO frammistöðu með því að staðsetja hvert loftnet hornrétt á hvert annað. Þróaða MIMO loftnetið var síðan samþætt ofan á 10 × 10 MS fylki með koparbakplani til að bæta losunarafköst. Hönnunin býður upp á breitt rekstrarsvið (3,08-7,75 GHz), háan ávinning upp á 8,3 dBi og há meðaltal heildarnýtni upp á 82%, auk frábærrar einangrunar sem er meiri en -15,5 dB milli MIMO loftnetsíhluta. Þróað MS-undirstaða MIMO loftnet var hermt með því að nota 3D rafsegulhugbúnaðarpakkann CST Studio 2019 og staðfest með tilraunarannsóknum.
Þessi hluti veitir ítarlega kynningu á fyrirhuguðum arkitektúr og hönnunaraðferðum fyrir stakt loftnet. Að auki er fjallað ítarlega um herma og athugaðar niðurstöður, þar á meðal dreifingarfæribreytur, ávinning og heildarhagkvæmni með og án metaflata. Frumgerð loftnetsins var þróað á Rogers 5880 lágtapi rafrænu undirlagi með þykkt 1,575 mm með rafstuðul 2,2. Til að þróa og líkja eftir hönnuninni var rafsegulhermipakkinn CST studio 2019 notaður.
Mynd 2 sýnir fyrirhugaða arkitektúr og hönnunarlíkan af loftneti með einum þætti. Samkvæmt vel viðurkenndum stærðfræðilegum jöfnum37 samanstendur loftnetið af línulega fóðruðum ferningaútgeislunarbletti og koparjarðarplani (eins og lýst er í skrefi 1) og hljómar með mjög þröngri bandbreidd við 10,8 GHz, eins og sýnt er á mynd 3b. Upphafsstærð loftnetsofnsins er ákvörðuð af eftirfarandi stærðfræðilegu sambandi37:
Þar sem \(P_{L}\) og \(P_{w}\) eru lengd og breidd plásturs, c táknar ljóshraða, \(\gamma_{r}\) er rafstuðull undirlagsins . , \(\gamma_{reff }\) táknar virkt rafstraumgildi geislunarblettsins, \(\Delta L\) táknar breytingu á lengd bletta. Loftnetsbakplanið var fínstillt á öðru stigi og jók viðnámsbandbreiddina þrátt fyrir mjög lága viðnámsbandbreiddina 10 dB. Á þriðja stigi er fóðrunarstaðan færð til hægri, sem bætir viðnámsbandbreidd og viðnámssamsvörun fyrirhugaðs loftnets38. Á þessu stigi sýnir loftnetið framúrskarandi rekstrarbandbreidd 4 GHz og nær einnig yfir litrófið undir 6 GHz í 5G. Fjórða og síðasta stigið felur í sér að æta ferhyrndar rifur í gagnstæðum hornum á geislapunktinum. Þessi rauf stækkar verulega 4,56 GHz bandbreiddina til að ná undir 6 GHz 5G litróf úr 3,11 GHz í 7,67 GHz, eins og sýnt er á mynd 3b. Sjónarhorn að framan og neðan af fyrirhugaðri hönnun er sýnd á mynd 3a og endanlegar bjartsýnir hönnunarbreytur eru sem hér segir: 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) Útsýni að ofan og að aftan á hönnuðu staka loftnetinu (CST STUDIO SUITE 2019). (b) S-færibreytur ferill.
Metasurface er hugtak sem vísar til reglubundins fjölda einingafruma sem eru staðsettar í ákveðinni fjarlægð frá hvor annarri. Metasurfaces eru áhrifarík leið til að bæta geislunarafköst loftneta, þar á meðal bandbreidd, ávinning og einangrun milli MIMO íhluta. Vegna áhrifa útbreiðslu yfirborðsbylgju mynda metaflatir viðbótarómun sem stuðlar að bættum afköstum loftneta39. Þessi vinna leggur til epsilon-neikvæða metamaterial (MM) einingu sem starfar á 5G bandinu undir 6 GHz. MM með yfirborðsflatarmáli 8mm × 8mm var þróað á lágt tap Rogers 5880 undirlag með rafstuðul 2,2 og þykkt 1,575mm. Bjartsýni MM resonator plásturinn samanstendur af innri hringlaga klofnum hring sem er tengdur tveimur breyttum ytri klofnum hringjum, eins og sýnt er á mynd 4a. Mynd 4a tekur saman endanlegar fínstilltu færibreytur fyrirhugaðrar MM uppsetningar. Í kjölfarið voru 40 × 40 mm og 80 × 80 mm metasurface lög þróuð án kopar bakplans og með kopar bakplani með því að nota 5 × 5 og 10 × 10 frumu fylki, í sömu röð. Fyrirhuguð MM uppbygging var gerð með 3D rafsegullíkanahugbúnaði „CST studio suite 2019“. Framleidd frumgerð af fyrirhugaðri MM fylki uppbyggingu og mælingaruppsetningu (tvískiptur netgreiningartæki PNA og bylgjuleiðaratengi) er sýnd á mynd 4b til að sannreyna niðurstöður CST uppgerðarinnar með því að greina raunveruleg svörun. Mæliuppsetningin notaði Agilent PNA röð netgreiningartæki ásamt tveimur bylgjuleiðara coax millistykki (A-INFOMW, hlutanúmer: 187WCAS) til að senda og taka á móti merki. Frumgerð 5×5 fylki var komið fyrir á milli tveggja bylgjuleiðara koax millistykki sem tengd voru með koax snúru við tveggja porta netgreiningartæki (Agilent PNA N5227A). Agilent N4694-60001 kvörðunarsettið er notað til að kvarða netgreiningartækið í tilraunaverksmiðju. Eftirlíkingar og CST-dreifingarfæribreytur fyrirhugaðrar frumgerðar MM fylkis eru sýndar á mynd 5a. Það má sjá að fyrirhuguð MM uppbygging hljómar á 5G tíðnisviðinu undir 6 GHz. Þrátt fyrir lítinn mun á bandbreidd upp á 10 dB, eru uppgerð og tilraunaniðurstöður mjög svipaðar. Ómun tíðni, bandbreidd og amplitude á ómun sem sést eru örlítið frábrugðin þeim sem líkjast eftir, eins og sýnt er á mynd 5a. Þessi munur á niðurstöðum sem fylgst hefur verið með og líkja eftir er vegna ófullkomleika í framleiðslu, lítillar úthreinsunar milli frumgerðarinnar og bylgjuleiðaratennanna, tengiáhrifa milli bylgjuleiðaratennanna og fylkishlutanna og mælingavikmörk. Að auki getur rétt staðsetning þróaðrar frumgerðar á milli bylgjuleiðaraportanna í tilraunauppsetningunni leitt til ómunabreytingar. Auk þess varð vart við óæskilegan hávaða í kvörðunarfasanum sem leiddi til misræmis milli tölulegra og mældra niðurstaðna. Hins vegar, burtséð frá þessum erfiðleikum, virkar fyrirhuguð MM fylki frumgerð vel vegna sterkrar fylgni á milli uppgerð og tilrauna, sem gerir hana vel við hæfi undir 6 GHz 5G þráðlausra samskiptaforrita.
(a) Rúmfræði einingafrumu (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) Mynd af MM mælingaruppsetningunni.
(a) Eftirlíking og sannprófun á dreififæriferlum frumgerðar frumgerðarinnar. (b) Rafstuðull ferill MM einingafrumu.
Viðeigandi áhrifaríkar breytur eins og virkur rafstuðull, segulgegndræpi og brotstuðull voru rannsakaðir með því að nota innbyggða eftirvinnslutækni CST rafsegulhermirsins til að greina frekar hegðun MM eininga frumunnar. Virku MM færibreyturnar eru fengnar úr dreifingarbreytunum með því að nota öfluga endurbyggingaraðferð. Hægt er að nota eftirfarandi jöfnur fyrir sendingu og endurkaststuðul: (3) og (4) til að ákvarða brotstuðul og viðnám (sjá 40).
Raunverulegir og ímyndaðir hlutar stjórnandans eru táknaðir með (.)' og (.)" í sömu röð og heiltölugildið m samsvarar raunbrotstuðlinum. Rafstuðull og gegndræpi ákvarðast af formúlunum \(\varepsilon { } = { }n/z,\) og \(\mu = nz\), sem byggjast á viðnám og brotstuðul, í sömu röð. Virkur rafstuðull ferill MM-byggingarinnar er sýndur á mynd 5b. Við endurómtíðnina er virki rafstuðullinn neikvæður. Myndir 6a,b sýna útdregin gildi á virku gegndræpi (μ) og virkan brotstuðul (n) fyrirhugaðrar einingafrumu. Athyglisvert er að útdregin gegndræpi sýna jákvæð raungildi nálægt núlli, sem staðfestir epsilon-neikvæðu (ENG) eiginleika fyrirhugaðrar MM uppbyggingu. Þar að auki, eins og sýnt er á mynd 6a, er ómun við gegndræpi nálægt núlli mjög tengt ómuntíðninni. Þróuð einingaklefan hefur neikvæðan brotstuðul (mynd 6b), sem þýðir að hægt er að nota fyrirhugaða MM til að bæta afköst loftnetsins21,41.
Þróuð frumgerð eins breiðbandsloftnets var framleidd til að prófa fyrirhugaða hönnun með tilraunum. Myndir 7a,b sýna myndir af fyrirhugaðri frumgerð eins loftnets, burðarhlutum þess og nærsviðsmælingaruppsetningu (SATIMO). Til að bæta afköst loftnetsins er þróaða metaflaturinn settur í lögum undir loftnetinu, eins og sýnt er á mynd 8a, með hæð h. Einn 40 mm x 40 mm tveggja laga metaflötur var settur á aftan á staka loftnetinu með 12 mm millibili. Að auki er metasurface með bakplani komið fyrir á bakhlið staka loftnetsins í 12 mm fjarlægð. Eftir að metaflaturinn hefur verið beitt sýnir staka loftnetið verulega framför í afköstum, eins og sýnt er á myndum 1 og 2. Myndir 8 og 9. Mynd 8b sýnir hermdar og mældar endurspeglunartöflur fyrir staka loftnetið án og með metasurfaces. Vert er að taka fram að þekjusvið loftnets með metaflata er mjög svipað og þekjusvið loftnets án metaflatar. Myndir 9a,b sýna samanburð á hermum og mældum ávinningi eins loftnets og heildarnýtni án og með MS í rekstrarrófinu. Það má sjá að í samanburði við loftnetið sem ekki er með yfirborðsloftnet, þá er ávinningur loftnetsins með yfirborðsfjarlægð verulega bætt og eykst úr 5,15 dBi í 8 dBi. Hagnaður eins lags metasurface, tvílags metasurface og eins loftnets með bakplans metasurface jókst um 6 dBi, 6,9 dBi og 8 dBi, í sömu röð. Í samanburði við önnur metasurfaces (eins-lags og double-layer MCs), er ávinningur af einu metasurface loftneti með kopar bakplani allt að 8 dBi. Í þessu tilviki virkar metaflaturinn sem endurskinsmerki, dregur úr bakgeislun loftnetsins og vinnur rafsegulbylgjur í fasa og eykur þar með geislunarvirkni loftnetsins og þar með hagnaðinn. Rannsókn á heildarhagkvæmni eins loftnets án og með metaflata er sýnd á mynd 9b. Þess má geta að skilvirkni loftnets með og án metaflatar er nánast sú sama. Á neðra tíðnisviðinu minnkar loftnetsvirkni lítillega. Tilraunakúrfurnar og hermdar ávinnings- og skilvirkniferlar eru í góðu samræmi. Hins vegar er lítill munur á eftirlíkingum og prófuðum niðurstöðum vegna framleiðslugalla, mælivikna, taps á SMA tengitengingum og vírtaps. Að auki eru loftnetið og MS endurskinsmerkin staðsett á milli nælonbilanna, sem er annað mál sem hefur áhrif á niðurstöðurnar sem mælst hafa í samanburði við niðurstöðurnar.
Mynd (a) sýnir fullbúið staka loftnetið og tengda íhluti þess. (b) Uppsetning nærsviðsmælinga (SATIMO).
(a) Örvun loftnets með því að nota metasurface endurskinsmerki (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Hermt og tilraunaendurkast eins loftnets án og með MS.
Niðurstöður hermuna og mælinga á (a) náðum styrk og (b) heildarnýtni fyrirhugaðs loftnets með metaflataáhrifum.
Geislamynsturgreining með MS. Nálægðarmælingar með einu loftneti voru gerðar í SATIMO Near-Field Experimental Environment á UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Myndir 10a, b sýna herma og athugað E-plan og H-plan geislunarmynstur við 5,5 GHz fyrir fyrirhugað staka loftnet með og án MS. Þróað staka loftnetið (án MS) veitir stöðugt tvíátta geislunarmynstur með hliðarlobgildum. Eftir að fyrirhugaða MS-reflektorinn hefur verið settur á, gefur loftnetið einstefnugeislunarmynstur og dregur úr hæð bakflísanna, eins og sýnt er á myndum 10a, b. Rétt er að taka fram að fyrirhugað geislunarmynstur fyrir stakt loftnet er stöðugra og einátta með mjög lágum bak- og hliðarlobum þegar notað er metaflata með koparbakplani. Fyrirhugaður MM fylkisreflektor dregur úr bak- og hliðarlobum loftnetsins en bætir geislunarafköst með því að beina straumnum í einstefnur (mynd 10a, b), og eykur þar með ávinning og stefnu. Í ljós kom að tilraunageislunarmynstrið var næstum sambærilegt við CST-hermunina, en var örlítið breytilegt vegna misstillingar á hinum ýmsu samansettu íhlutum, mælingarvikum og kapaltaps. Að auki var nælonrými sett á milli loftnetsins og MS endurskinsmerkisins, sem er annað mál sem hefur áhrif á niðurstöður sem mælst hafa í samanburði við tölulegar niðurstöður.
Geislunarmynstur þróaða staka loftnetsins (án MS og með MS) á tíðninni 5,5 GHz var hermt og prófað.
Fyrirhuguð rúmfræði MIMO loftnets er sýnd á mynd 11 og inniheldur fjögur stak loftnet. Fjórir íhlutir MIMO loftnetsins eru staðsettir hornrétt hver á annan á undirlagi sem er 80 × 80 × 1.575 mm, eins og sýnt er á mynd 11. Hannaða MIMO loftnetið hefur 22 mm fjarlægð milli frumefna, sem er minni en næstu samsvarandi fjarlægð milli frumefna loftnetsins. MIMO loftnet þróað. Að auki er hluti jarðplansins staðsettur á sama hátt og eitt loftnet. Endurkastsgildi MIMO loftnetanna (S11, S22, S33 og S44) sem sýnd eru á mynd 12a sýna sömu hegðun og loftnet með stakri einingu sem hljómar á 3,2–7,6 GHz bandinu. Þess vegna er viðnámsbandbreidd MIMO loftnets nákvæmlega sú sama og eins loftnets. Tengingaráhrifin milli MIMO íhluta eru aðalástæðan fyrir litlu bandbreiddartapi MIMO loftneta. Mynd 12b sýnir áhrif samtengingar á MIMO íhluti, þar sem besta einangrun milli MIMO íhluta var ákvörðuð. Einangrunin á milli loftneta 1 og 2 er minnst um -13,6 dB og einangrunin milli loftneta 1 og 4 er mest við um -30,4 dB. Vegna smæðar og breiðari bandbreiddar hefur þetta MIMO loftnet lægri ávinning og minni afköst. Einangrun er lítil og því er þörf á aukinni styrkingu og einangrun;
Hönnunarbúnaður fyrirhugaðs MIMO loftnets (a) ofan frá og (b) jarðplans. (CST Studio Suite 2019).
Rúmfræðilegt fyrirkomulag og örvunaraðferð fyrirhugaðs metasurface MIMO loftnets eru sýnd á mynd 13a. 10x10mm fylki með mál 80x80x1.575mm er hannað fyrir bakhlið 12mm hátt MIMO loftnet, eins og sýnt er á mynd 13a. Að auki eru metaflatir með koparbakplötum ætlaðir til notkunar í MIMO loftnetum til að bæta afköst þeirra. Fjarlægðin milli metaflatarins og MIMO loftnetsins er mikilvæg til að ná háum ávinningi á sama tíma og leyfa uppbyggjandi truflun á milli bylgnanna sem myndast af loftnetinu og þeirra sem endurkastast frá metaflatinum. Umfangsmikil líkangerð var gerð til að hámarka hæðina á milli loftnetsins og metaflatarins en viðhalda fjórðungsbylgjustöðlum fyrir hámarksávinning og einangrun milli MIMO þátta. Sýnt verður fram á umtalsverðar endurbætur á afköstum MIMO loftneta með því að nota metasurfaces með bakplanum samanborið við metasurfaces án backplanes í síðari köflum.
(a) CST-hermiuppsetning fyrirhugaðs MIMO loftnets með MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Endurkastsferlar þróaðs MIMO kerfis án MS og með MS.
Endurvarp MIMO loftneta með og án metaflata eru sýnd á mynd 13b, þar sem S11 og S44 eru sýndar vegna næstum eins hegðunar allra loftneta í MIMO kerfinu. Það er athyglisvert að -10 dB viðnámsbandbreidd MIMO loftnets án og með einni metasurface er nánast sú sama. Aftur á móti er viðnámsbandbreidd fyrirhugaðs MIMO loftnets bætt með tvílags MS og bakplani MS. Það er athyglisvert að án MS veitir MIMO loftnetið 81,5% bandbreidd sem er 81,5% (3,2-7,6 GHz) miðað við miðtíðni. Samþætting MS við bakplanið eykur viðnámsbandbreidd fyrirhugaðs MIMO loftnets í 86,3% (3,08–7,75 GHz). Þrátt fyrir að tvílags MS auki afköst, er framförin minni en hjá MS með koparbakplötu. Þar að auki eykur tvílaga MC stærð loftnetsins, eykur kostnað þess og takmarkar svið þess. Hönnuð MIMO loftnet og metasurface endurskinsmerki eru framleidd og sannprófuð til að sannreyna niðurstöður uppgerðarinnar og meta raunverulegan árangur. Mynd 14a sýnir tilbúið MS lag og MIMO loftnet með ýmsum íhlutum samansettum, en mynd 14b sýnir ljósmynd af þróaða MIMO kerfinu. MIMO loftnetið er sett ofan á metaflatinn með því að nota fjögur nælon millistykki, eins og sýnt er á mynd 14b. Mynd 15a sýnir skyndimynd af tilraunauppsetningu á nærsviði hins þróaða MIMO loftnetskerfis. PNA netgreiningartæki (Agilent Technologies PNA N5227A) var notað til að áætla dreifingarfæribreytur og til að meta og lýsa eiginleikum nærsviðslosunar í UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory.
(a) Myndir af SATIMO nærsviðsmælingum (b) Hermir og tilraunakúrfur af S11 MIMO loftneti með og án MS.
Þessi hluti sýnir samanburðarrannsókn á hermdum og athuguðum S-breytum fyrirhugaðs 5G MIMO loftnets. Mynd 15b sýnir tilraunaendurkastsmynd samþætta 4-þátta MIMO MS loftnetsins og ber það saman við niðurstöður CST-hermuna. Tilraunaendurkastið reyndist vera það sama og CST útreikningar, en voru aðeins öðruvísi vegna framleiðslugalla og tilraunavikmörk. Að auki nær endurspeglun fyrirhugaðrar MS-undirstaða MIMO frumgerð yfir 5G litrófið undir 6 GHz með viðnámsbandbreidd 4,8 GHz, sem þýðir að 5G forrit eru möguleg. Hins vegar er mæld ómun tíðni, bandbreidd og amplitude örlítið frábrugðin niðurstöðum CST uppgerðarinnar. Framleiðslugallar, tap á tengingu til SMA og utandyra mælingaruppsetningar geta valdið mismun á mældum og líktum niðurstöðum. Hins vegar, þrátt fyrir þessa annmarka, virkar fyrirhugaður MIMO vel, gefur sterka samræmi milli uppgerða og mælinga, sem gerir það vel við hæfi fyrir undir-6 GHz 5G þráðlaus forrit.
Eftirlíkingar og MIMO loftnetsávinningsferlar eru sýndir á myndum 2 og 2. Eins og sýnt er á myndum 16a,b og 17a,b, í sömu röð, er gagnkvæm víxlverkun MIMO íhluta sýnd. Þegar metasurfaces er beitt á MIMO loftnet batnar einangrunin milli MIMO loftneta verulega. Einangrunarreitirnir milli aðliggjandi loftnetsþátta S12, S14, S23 og S34 sýna svipaða feril, en ská MIMO loftnetin S13 og S42 sýna svipað mikla einangrun vegna meiri fjarlægðar á milli þeirra. Hermir útsendingareiginleikar aðliggjandi loftneta eru sýndir á mynd 16a. Það er athyglisvert að í 5G-rófinu undir 6 GHz er lágmarks einangrun MIMO loftnets án metasurface -13,6 dB og fyrir metasurface með bakplani - 15,5 dB. Ávinningsreiturinn (Mynd 16a) sýnir að bakflötur metaflatar bætir verulega einangrun milli MIMO loftnetsþátta samanborið við eins- og tveggja laga metaflata. Á aðliggjandi loftnetshlutum veita ein- og tveggja laga metaflötur lágmarks einangrun sem er um það bil -13,68 dB og -14,78 dB, og kopar bakflöturinn gefur um það bil -15,5 dB.
Herma einangrunarferlar MIMO frumefna án MS lags og með MS lags: (a) S12, S14, S34 og S32 og (b) S13 og S24.
Tilraunaaukningarferlar fyrirhugaðra MIMO-loftneta sem eru byggðir á MS án og með: (a) S12, S14, S34 og S32 og (b) S13 og S24.
MIMO skáloftnetsaukningin fyrir og eftir að MS laginu hefur verið bætt við eru sýndar á mynd 16b. Rétt er að taka fram að lágmarks einangrun milli skáloftneta án metaflatar (loftnet 1 og 3) er – 15,6 dB yfir rekstrarrófið og metaflatar með bakplani er – 18 dB. Metasurface nálgunin dregur verulega úr tengiáhrifum milli ská MIMO loftneta. Hámarks einangrun fyrir eins lags metyfirborð er -37 dB, en fyrir tveggja laga metaflata fer þetta gildi niður í -47 dB. Hámarks einangrun metaflatarins með koparbakplani er −36,2 dB, sem minnkar með auknu tíðnisviði. Samanborið við eins- og tvílaga metaflatir án bakplans, veita metaflatir með bakplani yfirburða einangrun yfir allt nauðsynlegt rekstrartíðnisvið, sérstaklega á 5G sviðinu undir 6 GHz, eins og sýnt er á myndum 16a, b. Í vinsælasta og útbreiddasta 5G bandinu undir 6 GHz (3,5 GHz), hafa eins- og tvílaga metaflötur minni einangrun á milli MIMO íhluta en metaflatar með koparbakplötum (nánast engin MS) (sjá mynd 16a), b) . Ávinningsmælingarnar eru sýndar á myndum 17a, b, sem sýna einangrun aðliggjandi loftneta (S12, S14, S34 og S32) og skáloftneta (S24 og S13), í sömu röð. Eins og sjá má af þessum myndum (Mynd 17a, b) kemur tilraunaeinangrun milli MIMO íhluta vel saman við herma einangrun. Þó að það sé minniháttar munur á uppgerðum og mældum CST-gildum vegna framleiðslugalla, SMA tengitenginga og vírtaps. Að auki eru loftnetið og MS endurskinsmerkin staðsett á milli nælonbilanna, sem er annað mál sem hefur áhrif á niðurstöðurnar sem mælst hafa í samanburði við niðurstöðurnar.
rannsakað yfirborðsstraumdreifingu við 5,5 GHz til að hagræða hlutverki metaflata við að draga úr gagnkvæmri tengingu í gegnum yfirborðsbylgjubælingu42. Yfirborðsstraumdreifing fyrirhugaðs MIMO loftnets er sýnd á mynd 18, þar sem loftnet 1 er ekið og restin af loftnetinu er hætt með 50 ohm álagi. Þegar loftnet 1 er virkjað munu verulegir gagnkvæmir tengistraumar birtast við aðliggjandi loftnet á 5,5 GHz í fjarveru metaflatar, eins og sýnt er á mynd 18a. Þvert á móti, með því að nota metasurfaces, eins og sýnt er á mynd 18b–d, er einangrunin milli aðliggjandi loftneta bætt. Það skal tekið fram að hægt er að lágmarka áhrif gagnkvæmrar tengingar aðliggjandi sviða með því að dreifa tengistraumnum til aðliggjandi hringa einingarfruma og aðliggjandi MS einingarfruma meðfram MS laginu í andhliðstæða áttir. Innspýting straums frá dreifðum loftnetum í MS einingar er lykilaðferð til að bæta einangrun milli MIMO íhluta. Fyrir vikið minnkar tengistraumurinn á milli MIMO íhluta til muna og einangrunin er einnig verulega bætt. Vegna þess að tengisviðið er víða dreift í frumefninu, einangrar kopar bakflöturinn metaflötur MIMO loftnetssamstæðunnar verulega meira en ein- og tveggja laga metaflatar (Mynd 18d). Þar að auki hefur þróaða MIMO loftnetið mjög litla bakútbreiðslu og hliðarútbreiðslu, sem framleiðir einátta geislunarmynstur og eykur þar með ávinning fyrirhugaðs MIMO loftnets.
Yfirborðsstraummynstur fyrirhugaðs MIMO loftnets við 5,5 GHz (a) án MC, (b) eins lags MC, (c) tveggja laga MC og (d) eins lags MC með kopar bakplani. (CST Studio Suite 2019).
Innan rekstrartíðnarinnar sýnir mynd 19a herma og athugaða ávinning af hönnuðu MIMO loftneti án og með metaflata. Hermdur náður ávinningur MIMO loftnetsins án metasurface er 5,4 dBi, eins og sýnt er á mynd 19a. Vegna gagnkvæmra tengiáhrifa milli MIMO íhluta, nær fyrirhugað MIMO loftnet í raun 0,25 dBi meiri ávinningi en eitt loftnet. Að bæta við metasurfaces getur veitt verulegan ávinning og einangrun milli MIMO íhluta. Þannig getur fyrirhugað metasurface MIMO loftnet náð háum raunaukningum allt að 8,3 dBi. Eins og sést á mynd 19a, þegar einn metasurface er notaður aftan á MIMO loftnetinu, eykst styrkurinn um 1,4 dBi. Þegar metaflaturinn er tvöfaldaður eykst ávinningurinn um 2,1 dBi, eins og sýnt er á mynd 19a. Hins vegar næst væntanlegur hámarksaukning upp á 8,3 dBi þegar metasurface er notað með koparbakplani. Athyglisvert er að hámarksávinningur sem náðst er fyrir einlags og tvöfalda metaflata er 6,8 dBi og 7,5 dBi, í sömu röð, en hámarksávinningur sem náðst er fyrir botnlags metaflata er 8,3 dBi. Metasurface lagið á bakhlið loftnetsins virkar sem endurskinsmerki, endurspeglar geislun frá bakhlið loftnetsins og bætir fram-til-bakhlutfall (F/B) hönnuða MIMO loftnetsins. Að auki vinnur háviðnám MS endurskinsmerki rafsegulbylgna í fasa, skapar þar með viðbótarómun og bætir geislunarafköst fyrirhugaðs MIMO loftnets. MS-reflektorinn sem er settur upp fyrir aftan MIMO loftnetið getur aukið verulega ávinninginn sem er náð, sem er staðfest af tilraunaniðurstöðum. Sá ávinningur sem mældur er og hermdur er af þróuðu frumgerð MIMO loftneti er næstum sá sami, þó á sumum tíðnum er mældur ávinningur hærri en hermdur ávinningur, sérstaklega fyrir MIMO án MS; Þessi breytileiki í tilraunaaukningu stafar af mælivikum á nælonpúðunum, kapaltapi og tengingu í loftnetskerfinu. Hámarks mældur styrkur MIMO loftnetsins án metasurface er 5,8 dBi, en metasurface með kopar bakplani er 8,5 dBi. Þess má geta að fyrirhugað heill 4-porta MIMO loftnetskerfi með MS endurskinsmerki sýnir mikla ávinning við tilrauna- og tölulegar aðstæður.
Hermi- og tilraunaniðurstöður af (a) náðum ávinningi og (b) heildarframmistöðu fyrirhugaðs MIMO loftnets með metasurface áhrif.
Mynd 19b sýnir heildarframmistöðu fyrirhugaðs MIMO kerfis án og með metasurface endurskinsmerki. Á mynd 19b var lægsta skilvirkni með MS með bakplani yfir 73% (niður í 84%). Heildarnýtni þróaðra MIMO loftnetanna án MC og með MC er nánast sú sama með minniháttar mun miðað við hermdu gildin. Ástæður þess eru mælivikmörk og notkun bils milli loftnets og MS endurskinsmerkis. Mældur ávinningur og heildarhagkvæmni á allri tíðninni er næstum því svipuð og hermi niðurstöður, sem gefur til kynna að frammistaða fyrirhugaðrar MIMO frumgerð sé eins og búist var við og að ráðlagt MS-undirstaða MIMO loftnet henti fyrir 5G fjarskipti. Vegna villna í tilraunarannsóknum er munur á heildarniðurstöðum rannsóknarstofutilrauna og niðurstöðum hermuna. Frammistaða fyrirhugaðrar frumgerðar hefur áhrif á ósamræmi viðnáms milli loftnets og SMA tengisins, samskeytis taps á koax snúru, lóðaáhrifa og nálægðar ýmissa rafeindatækja við tilraunauppsetninguna.
Mynd 20 lýsir hönnun og hagræðingarframvindu umrædds loftnets í formi kubbaskýringar. Þessi blokkarmynd veitir skref-fyrir-skref lýsingu á fyrirhuguðum MIMO loftnetshönnunarreglum, sem og færibreytum sem gegna lykilhlutverki við að fínstilla loftnetið til að ná tilskildum háum ávinningi og mikilli einangrun yfir breiðri notkunartíðni.
MIMO-loftnetsmælingar á nærsviði voru mældar í SATIMO Near-Field Experimental Environment á UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. Myndir 21a,b sýna herma og athugað E-plan og H-plana geislunarmynstur MIMO loftnetsins sem krafist er með og án MS á rekstrartíðni 5,5 GHz. Á notkunartíðnisviðinu 5,5 GHz veitir þróað MIMO loftnet sem ekki er MS samræmt tvíátta geislunarmynstur með hliðarlobgildum. Eftir að MS-reflektorinn hefur verið settur á, gefur loftnetið einstefnugeislunarmynstur og dregur úr hæð bakfleyga, eins og sýnt er á myndum 21a, b. Það er athyglisvert að með því að nota metasurface með koparbakplani er fyrirhugað MIMO loftnetsmynstur stöðugra og einátta en án MS, með mjög lágum bak- og hliðarlobum. Fyrirhugaður MM fylkisreflektor dregur úr bak- og hliðarlobum loftnetsins og bætir einnig geislunareiginleikana með því að beina straumnum í einstefnu (Mynd 21a, b) og eykur þar með styrk og stefnu. Mælt geislunarmynstur fékkst fyrir tengi 1 með 50 ohm álagi sem var tengt við þær port sem eftir eru. Það kom í ljós að tilraunageislunarmynstrið var næstum eins og það sem hermt var af CST, þó að það væru nokkur frávik vegna misstillingar íhluta, endurkasts frá tengihöfnum og taps í kapaltengingum. Að auki var nælonrými sett á milli loftnetsins og MS endurskinsmerkisins, sem er annað mál sem hefur áhrif á niðurstöðurnar sem mælst hafa í samanburði við þær niðurstöður sem spáð var fyrir um.
Geislunarmynstur þróaðs MIMO loftnets (án MS og með MS) á tíðninni 5,5 GHz var hermt og prófað.
Það er mikilvægt að hafa í huga að einangrun hafna og tengdir eiginleikar hennar eru nauðsynlegir þegar metið er árangur MIMO kerfa. Fjölbreytileikaframmistaða fyrirhugaða MIMO kerfisins, þar á meðal umslagsfylgnistuðull (ECC) og fjölbreytileikaaukning (DG), er skoðuð til að sýna styrkleika hönnuða MIMO loftnetskerfisins. Hægt er að nota ECC og DG MIMO loftnets til að meta frammistöðu þess þar sem þau eru mikilvægir þættir í frammistöðu MIMO kerfis. Eftirfarandi hlutar munu lýsa þessum eiginleikum fyrirhugaðs MIMO loftnets.
Envelope Correlation Coefficient (ECC). Þegar litið er á hvaða MIMO kerfi sem er, ákvarðar ECC að hve miklu leyti þáttaþættirnir tengjast hver öðrum varðandi sérstaka eiginleika þeirra. Þannig sýnir ECC hversu einangrun rásar er í þráðlausu samskiptaneti. ECC (envelope fylgnistuðull) þróaða MIMO kerfisins er hægt að ákvarða út frá S-breytum og fjarsviðslosun. Frá Eq. (7) og (8) er hægt að ákvarða ECC fyrirhugaðs MIMO loftnets 31.
Endurkaststuðullinn er táknaður með Sii og Sij táknar flutningsstuðulinn. Þrívídd geislunarmynstur j-ta og i-ta loftnetsins eru gefin með orðatiltækjunum \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) og \( \vec {{R_{ i } }} Heildarhorn táknað með \left( {\theta ,\varphi } \right)\) og \({\Omega }\). ECC ferill fyrirhugaðs loftnets er sýndur á mynd 22a og gildi þess er minna en 0,004, sem er vel undir viðunandi gildi 0,5 fyrir þráðlaust kerfi. Þess vegna þýðir minnkað ECC gildi að fyrirhugað 4-porta MIMO kerfi veitir yfirburða fjölbreytni43.
Diversity Gain (DG) DG er annar árangursmælikvarði MIMO kerfisins sem lýsir því hvernig fjölbreytileikakerfið hefur áhrif á útgeislað afl. Tengsl (9) ákvarðar DG MIMO loftnetskerfisins sem verið er að þróa, eins og lýst er í 31.
Mynd 22b sýnir DG skýringarmynd fyrirhugaðs MIMO kerfis, þar sem DG gildið er mjög nálægt 10 dB. DG gildi allra loftneta hönnuða MIMO kerfisins fara yfir 9,98 dB.
Tafla 1 ber saman fyrirhugaða metasurface MIMO loftnetið við nýlega þróuð svipuð MIMO kerfi. Samanburðurinn tekur mið af ýmsum frammistöðubreytum, þar á meðal bandbreidd, ávinningi, hámarks einangrun, heildar skilvirkni og afköstum fjölbreytileika. Vísindamenn hafa kynnt ýmsar frumgerðir af MIMO loftnetum með aukinni styrkingu og einangrunartækni í 5, 44, 45, 46, 47. Í samanburði við áður birt verk, þá er fyrirhugað MIMO kerfi með metasurface reflectors betri en þau hvað varðar bandbreidd, ávinning og einangrun. Að auki, samanborið við svipuð loftnet sem greint hefur verið frá, sýnir þróaða MIMO kerfið yfirburða fjölbreytileikaframmistöðu og heildarhagkvæmni í minni stærð. Þrátt fyrir að loftnetin sem lýst er í kafla 5.46 hafi meiri einangrun en fyrirhuguð loftnet okkar, þjást þessi loftnet af stórri stærð, lítilli ávinningi, þröngri bandbreidd og lélegri MIMO frammistöðu. 4-porta MIMO loftnetið sem lagt var upp með í 45 sýnir mikla ávinning og skilvirkni, en hönnun þess hefur litla einangrun, stóra stærð og lélega fjölbreytni. Á hinn bóginn hefur litla stærð loftnetskerfið sem lagt er til í 47 mjög lágan ávinning og rekstrarbandbreidd, en fyrirhugað MS byggt 4-porta MIMO kerfi okkar sýnir litla stærð, mikla ávinning, mikla einangrun og betri afköst MIMO. Þannig getur fyrirhugað metasurface MIMO loftnet orðið stór keppinautur fyrir undir-6 GHz 5G samskiptakerfi.
Fjögurra porta metasurface reflector-undirstaða breiðbands MIMO loftnet með miklum styrk og einangrun er lagt til að styðja 5G forrit undir 6 GHz. Örræmalínan nærir ferhyrndan útgeislunarhluta, sem er styttur af ferningi á ská hornum. Fyrirhuguð MS- og loftnetsendigjafi er útfært á undirlagsefni svipað og Rogers RT5880 til að ná framúrskarandi árangri í háhraða 5G samskiptakerfum. MIMO loftnetið býður upp á breitt svið og mikla ávinning og veitir hljóðeinangrun milli MIMO íhluta og framúrskarandi skilvirkni. Þróaða staka loftnetið er með litlu stærðina 0.58?0.58?0.02? með 5×5 metasurface fylki, veitir breitt 4,56 GHz bandbreidd, 8 dBi hámarksávinning og yfirburða mælda skilvirkni. Fyrirhugað fjögurra porta MIMO loftnet (2 × 2 fylki) er hannað með því að stilla hvert fyrirhugað stakt loftnet hornrétt við annað loftnet með stærðinni 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Mælt er með því að setja saman 10×10 MM fylki undir 12 mm háu MIMO loftneti, sem getur dregið úr bakgeislun og dregið úr gagnkvæmri tengingu milli MIMO íhluta, og þar með bætt ávinning og einangrun. Niðurstöður tilrauna og uppgerða sýna að þróaða MIMO frumgerðin getur starfað á breiðu tíðnisviði 3,08–7,75 GHz, sem nær yfir 5G litrófið undir 6 GHz. Að auki bætir fyrirhugað MS-undirstaða MIMO loftnet styrk sinn um 2,9 dBi, nær hámarksaukning upp á 8,3 dBi, og veitir framúrskarandi einangrun (>15,5 dB) milli MIMO íhluta, sem staðfestir framlag MS. Að auki hefur fyrirhugað MIMO loftnet há meðaltal heildarnýtni upp á 82% og lága fjarlægð milli frumefna 22 mm. Loftnetið sýnir framúrskarandi MIMO fjölbreytni frammistöðu þar á meðal mjög hátt DG (yfir 9,98 dB), mjög lágt ECC (minna en 0,004) og einátta geislunarmynstur. Niðurstöður mælinga eru mjög svipaðar niðurstöðum hermisins. Þessir eiginleikar staðfesta að þróað fjögurra porta MIMO loftnetskerfi getur verið raunhæfur kostur fyrir 5G samskiptakerfi á undir 6 GHz tíðnisviðinu.
Cowin getur veitt 400-6000MHz breiðband PCB loftnet og stuðning við að hanna nýtt loftnet í samræmi við kröfur þínar, vinsamlegast hafðu samband við okkur án þess að hika ef þú hefur einhverjar beiðnir.
Pósttími: 10-10-2024