Sử dụng siêu giao diện để cải thiện mức tăng và cách ly ăng-ten PCB băng rộng cho hệ thống truyền thông 5G dưới 6 GHz

Công trình này đề xuất một ăng-ten băng rộng metasurface (MS) đa đầu vào, nhiều đầu ra (MIMO) tích hợp nhỏ gọn cho các hệ thống liên lạc không dây thế hệ thứ năm (5G) dưới 6 GHz. Điểm mới rõ ràng của hệ thống MIMO được đề xuất là băng thông hoạt động rộng, độ lợi cao, khoảng cách giữa các thành phần nhỏ và khả năng cách ly tuyệt vời trong các thành phần MIMO. Điểm bức xạ của ăng-ten được cắt ngắn theo đường chéo, nối đất một phần và các siêu bề mặt được sử dụng để cải thiện hiệu suất của ăng-ten. Nguyên mẫu được đề xuất tích hợp ăng-ten MS đơn có kích thước thu nhỏ 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Kết quả mô phỏng và đo lường chứng minh hiệu suất băng rộng từ 3,11 GHz đến 7,67 GHz, bao gồm mức tăng cao nhất đạt được là 8 dBi. Hệ thống MIMO bốn thành phần được thiết kế sao cho mỗi ăng-ten trực giao với nhau trong khi vẫn duy trì kích thước nhỏ gọn và hiệu suất băng rộng từ 3,2 đến 7,6 GHz. Nguyên mẫu MIMO được đề xuất được thiết kế và chế tạo trên đế Rogers RT5880 với tổn thất thấp và kích thước thu nhỏ 1,05? 1,05? 0,02?, và hiệu suất của nó được đánh giá bằng cách sử dụng mảng cộng hưởng vòng kín hình vuông được đề xuất với vòng chia 10 x 10. Chất liệu cơ bản là như nhau. Siêu bề mặt bảng nối đa năng được đề xuất làm giảm đáng kể bức xạ ngược của ăng-ten và điều khiển các trường điện từ, từ đó cải thiện băng thông, độ lợi và cách ly các thành phần MIMO. So với ăng-ten MIMO hiện có, ăng-ten MIMO 4 cổng được đề xuất đạt mức tăng cao 8,3 dBi với hiệu suất tổng thể trung bình lên tới 82% ở băng tần 5G dưới 6 GHz và phù hợp tốt với kết quả đo được. Hơn nữa, ăng-ten MIMO được phát triển còn thể hiện hiệu suất tuyệt vời về hệ số tương quan đường bao (ECC) dưới 0,004, mức tăng phân tập (DG) khoảng 10 dB (>9,98 dB) và khả năng cách ly cao giữa các thành phần MIMO (>15,5 dB). đặc trưng. Do đó, ăng-ten MIMO dựa trên MS được đề xuất xác nhận khả năng ứng dụng của nó cho mạng truyền thông 5G dưới 6 GHz.
Công nghệ 5G là một tiến bộ đáng kinh ngạc trong truyền thông không dây sẽ cho phép mạng nhanh hơn và an toàn hơn cho hàng tỷ thiết bị được kết nối, cung cấp trải nghiệm cho người dùng với độ trễ “bằng 0” (độ trễ dưới 1 mili giây) và giới thiệu các công nghệ mới, bao gồm cả thiết bị điện tử. Chăm sóc y tế, giáo dục trí tuệ. , thành phố thông minh, nhà thông minh, thực tế ảo (VR), nhà máy thông minh và Internet phương tiện giao thông (IoV) đang thay đổi cuộc sống, xã hội và các ngành công nghiệp của chúng ta1,2,3. Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ (FCC) chia phổ 5G thành bốn dải tần4. Dải tần dưới 6 GHz được các nhà nghiên cứu quan tâm vì nó cho phép liên lạc ở khoảng cách xa với tốc độ dữ liệu cao5,6. Việc phân bổ phổ tần 5G dưới 6 GHz cho truyền thông 5G toàn cầu được hiển thị trong Hình 1, cho thấy rằng tất cả các quốc gia đang xem xét phổ tần dưới 6 GHz cho truyền thông 5G7,8. Ăng-ten là một phần quan trọng của mạng 5G và sẽ cần nhiều ăng-ten trạm gốc và thiết bị đầu cuối của người dùng hơn.
Anten vá vi dải có ưu điểm là mỏng và cấu trúc phẳng nhưng bị hạn chế về băng thông và độ lợi9,10 nên đã có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện để tăng độ lợi và băng thông của anten; Trong những năm gần đây, metasurfaces (MS) đã được sử dụng rộng rãi trong các công nghệ ăng-ten, đặc biệt là để cải thiện mức tăng và thông lượng11,12, tuy nhiên, các ăng-ten này bị giới hạn ở một cổng duy nhất; Công nghệ MIMO là một khía cạnh quan trọng của truyền thông không dây vì nó có thể sử dụng đồng thời nhiều ăng-ten để truyền dữ liệu, từ đó cải thiện tốc độ dữ liệu, hiệu suất phổ, dung lượng kênh và độ tin cậy13,14,15. Ăng-ten MIMO là ứng cử viên tiềm năng cho các ứng dụng 5G vì chúng có thể truyền và nhận dữ liệu qua nhiều kênh mà không cần thêm nguồn điện16,17. Hiệu ứng ghép nối lẫn nhau giữa các thành phần MIMO phụ thuộc vào vị trí của các phần tử MIMO và độ lợi của ăng-ten MIMO, đây là một thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu. Hình 18, 19 và 20 cho thấy các ăng-ten MIMO khác nhau hoạt động ở băng tần 5G dưới 6 GHz, tất cả đều thể hiện khả năng cách ly và hiệu suất MIMO tốt. Tuy nhiên, độ lợi và băng thông hoạt động của các hệ thống đề xuất này thấp.
Siêu vật liệu (MM) là những vật liệu mới không tồn tại trong tự nhiên và có thể điều khiển sóng điện từ, từ đó cải thiện hiệu suất của ăng-ten21,22,23,24. MM hiện được sử dụng rộng rãi trong công nghệ ăng-ten để cải thiện mẫu bức xạ, băng thông, độ lợi và cách ly giữa các phần tử ăng-ten và hệ thống truyền thông không dây, như được thảo luận trong 25, 26, 27, 28. Vào năm 2029, hệ thống MIMO bốn thành phần dựa trên metasurface, trong đó phần ăng-ten được kẹp giữa metasurface và mặt đất mà không có khe hở không khí, giúp cải thiện hiệu suất MIMO. Tuy nhiên, thiết kế này có kích thước lớn hơn, tần số hoạt động thấp hơn và cấu trúc phức tạp. Khoảng cách dải tần điện từ (EBG) và vòng lặp mặt đất được đưa vào ăng-ten MIMO băng rộng 2 cổng được đề xuất để cải thiện khả năng cách ly các thành phần MIMO30. Ăng-ten được thiết kế có hiệu suất phân tập MIMO tốt và khả năng cách ly tuyệt vời giữa hai ăng-ten MIMO, nhưng chỉ sử dụng hai thành phần MIMO thì độ lợi sẽ thấp. Ngoài ra, in31 cũng đề xuất ăng-ten MIMO cổng kép băng thông siêu rộng (UWB) và nghiên cứu hiệu suất MIMO của nó bằng cách sử dụng siêu vật liệu. Mặc dù ăng-ten này có khả năng hoạt động UWB nhưng độ lợi của nó thấp và khả năng cách ly giữa hai ăng-ten kém. Công việc trong 32 đề xuất một hệ thống MIMO 2 cổng sử dụng bộ phản xạ dải tần điện từ (EBG) để tăng độ lợi. Mặc dù mảng ăng-ten được phát triển có độ lợi cao và hiệu suất phân tập MIMO tốt nhưng kích thước lớn của nó gây khó khăn cho việc áp dụng trong các thiết bị liên lạc thế hệ tiếp theo. Một ăng-ten băng thông rộng dựa trên tấm phản xạ khác đã được phát triển vào năm 33, trong đó tấm phản xạ được tích hợp bên dưới ăng-ten với khoảng cách lớn hơn 22 mm, cho thấy mức tăng đỉnh thấp hơn là 4,87 dB. Bài 34 thiết kế ăng-ten MIMO bốn cổng cho các ứng dụng mmWave, được tích hợp với lớp MS để cải thiện khả năng cách ly và khuếch đại của hệ thống MIMO. Tuy nhiên, ăng-ten này cung cấp độ lợi và khả năng cách ly tốt nhưng có băng thông hạn chế và tính chất cơ học kém do khe hở không khí lớn. Tương tự, vào năm 2015, ăng-ten MIMO tích hợp metasurface gồm 3 cặp, 4 cổng, hình cánh cung đã được phát triển để liên lạc mmWave với mức tăng tối đa là 7,4 dBi. B36 MS được sử dụng ở mặt sau của ăng-ten 5G để tăng mức tăng ích của ăng-ten, trong đó siêu bề mặt hoạt động như một vật phản xạ. Tuy nhiên, cấu trúc MS không đối xứng và ít được chú ý đến cấu trúc ô đơn vị.
Theo kết quả phân tích ở trên, không có ăng-ten nào ở trên có mức tăng cao, khả năng cách ly tuyệt vời, hiệu suất MIMO và vùng phủ sóng băng rộng. Do đó, vẫn cần có ăng-ten MIMO metasurface có thể bao phủ dải tần số phổ 5G rộng dưới 6 GHz với mức tăng và cách ly cao. Xem xét những hạn chế của tài liệu nêu trên, hệ thống ăng-ten MIMO bốn thành phần băng rộng với độ lợi cao và hiệu suất phân tập tuyệt vời được đề xuất cho các hệ thống thông tin không dây dưới 6 GHz. Ngoài ra, ăng-ten MIMO được đề xuất thể hiện khả năng cách ly tuyệt vời giữa các thành phần MIMO, khoảng cách phần tử nhỏ và hiệu suất bức xạ cao. Miếng dán ăng-ten được cắt ngắn theo đường chéo và đặt trên bề mặt metasurface với khe hở không khí 12mm, giúp phản xạ bức xạ ngược từ ăng-ten và cải thiện độ lợi và khả năng định hướng của ăng-ten. Ngoài ra, ăng-ten đơn được đề xuất được sử dụng để tạo ra ăng-ten MIMO bốn thành phần có hiệu suất MIMO vượt trội bằng cách định vị từng ăng-ten trực giao với nhau. Ăng-ten MIMO được phát triển sau đó được tích hợp lên trên mảng 10 × 10 MS với bảng nối đa năng bằng đồng để cải thiện hiệu suất phát xạ. Thiết kế này có phạm vi hoạt động rộng (3,08-7,75 GHz), mức tăng cao 8,3 dBi và hiệu suất tổng thể trung bình cao là 82%, cũng như khả năng cách ly tuyệt vời lớn hơn −15,5 dB giữa các thành phần ăng-ten MIMO. Ăng-ten MIMO dựa trên MS được phát triển đã được mô phỏng bằng gói phần mềm điện từ 3D CST Studio 2019 và được xác nhận thông qua các nghiên cứu thực nghiệm.
Phần này cung cấp phần giới thiệu chi tiết về kiến ​​trúc đề xuất và phương pháp thiết kế ăng-ten đơn. Ngoài ra, các kết quả mô phỏng và quan sát sẽ được thảo luận chi tiết, bao gồm các tham số tán xạ, mức tăng và hiệu suất tổng thể khi có và không có siêu bề mặt. Ăng-ten nguyên mẫu được phát triển trên đế điện môi tổn thất thấp Rogers 5880 có độ dày 1,575mm với hằng số điện môi là 2,2. Để phát triển và mô phỏng thiết kế, gói mô phỏng điện từ CST studio 2019 đã được sử dụng.
Hình 2 cho thấy mô hình thiết kế và kiến ​​trúc đề xuất của ăng ten một phần tử. Theo các phương trình toán học đã được thiết lập rõ ràng37, ăng-ten bao gồm một điểm bức xạ hình vuông được cấp tuyến tính và một mặt phẳng nền bằng đồng (như được mô tả ở bước 1) và cộng hưởng với băng thông rất hẹp ở tần số 10,8 GHz, như trong Hình 3b. Kích thước ban đầu của bộ bức xạ ăng-ten được xác định bằng mối quan hệ toán học sau37:
Trong đó \(P_{L}\) và \(P_{w}\) là chiều dài và chiều rộng của miếng vá, c biểu thị tốc độ ánh sáng, \(\gamma_{r}\) là hằng số điện môi của chất nền . , \(\gamma_{reff }\) biểu thị giá trị điện môi hiệu dụng của vết bức xạ, \(\Delta L\) biểu thị sự thay đổi về độ dài điểm. Bảng nối đa năng ăng-ten được tối ưu hóa ở giai đoạn thứ hai, tăng băng thông trở kháng mặc dù băng thông trở kháng rất thấp 10 dB. Trong giai đoạn thứ ba, vị trí của bộ tiếp sóng được di chuyển sang bên phải, giúp cải thiện băng thông trở kháng và kết hợp trở kháng của ăng-ten đề xuất38. Ở giai đoạn này, ăng-ten thể hiện băng thông hoạt động tuyệt vời ở mức 4 GHz và cũng bao phủ phổ tần dưới 6 GHz trong 5G. Giai đoạn thứ tư và cuối cùng liên quan đến việc khắc các rãnh vuông ở các góc đối diện của điểm bức xạ. Khe này mở rộng đáng kể băng thông 4,56 GHz để bao phủ phổ tần 5G dưới 6 GHz từ 3,11 GHz đến 7,67 GHz, như trong Hình 3b. Phối cảnh mặt trước và mặt dưới của thiết kế đề xuất được hiển thị trong Hình 3a và các thông số thiết kế yêu cầu được tối ưu hóa cuối cùng như sau: 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) Hình ảnh nhìn từ trên xuống và phía sau của ăng-ten đơn được thiết kế (CST STUDIO SUITE 2019). ( b ) Đường cong tham số S.
Metasurface là một thuật ngữ dùng để chỉ một mảng định kỳ gồm các ô đơn vị nằm ở một khoảng cách nhất định với nhau. Metasurfaces là một cách hiệu quả để cải thiện hiệu suất bức xạ của ăng-ten, bao gồm băng thông, độ lợi và cách ly giữa các thành phần MIMO. Do ảnh hưởng của sự lan truyền sóng bề mặt, các siêu bề mặt tạo ra các cộng hưởng bổ sung góp phần cải thiện hiệu suất của ăng-ten39. Công trình này đề xuất một đơn vị siêu vật liệu âm epsilon (MM) hoạt động ở băng tần 5G dưới 6 GHz. MM có diện tích bề mặt 8mm×8mm được phát triển trên đế Rogers 5880 có độ tổn thất thấp với hằng số điện môi là 2,2 và độ dày 1,575mm. Bản vá cộng hưởng MM được tối ưu hóa bao gồm một vòng phân chia hình tròn bên trong được kết nối với hai vòng phân chia bên ngoài đã được sửa đổi, như trong Hình 4a. Hình 4a tóm tắt các tham số được tối ưu hóa cuối cùng của thiết lập MM được đề xuất. Sau đó, các lớp metasurface 40 × 40 mm và 80 × 80 mm đã được phát triển mà không có bảng nối đa năng bằng đồng và với bảng nối đa năng bằng đồng sử dụng mảng ô 5 × 5 và 10 × 10 tương ứng. Cấu trúc MM đề xuất được mô hình hóa bằng phần mềm mô hình điện từ 3D “CST studio suite 2019”. Một nguyên mẫu được chế tạo của cấu trúc mảng MM được đề xuất và thiết lập đo lường (cổng phân tích mạng cổng kép PNA và cổng ống dẫn sóng) được hiển thị trong Hình 4b để xác thực kết quả mô phỏng CST bằng cách phân tích phản hồi thực tế. Thiết lập đo lường sử dụng máy phân tích mạng dòng Agilent PNA kết hợp với hai bộ điều hợp đồng trục ống dẫn sóng (A-INFOMW, số bộ phận: 187WCAS) để gửi và nhận tín hiệu. Một mảng 5 × 5 nguyên mẫu được đặt giữa hai bộ điều hợp đồng trục ống dẫn sóng được kết nối bằng cáp đồng trục với máy phân tích mạng hai cổng (Agilent PNA N5227A). Bộ hiệu chuẩn Agilent N4694-60001 được sử dụng để hiệu chuẩn máy phân tích mạng trong nhà máy thí điểm. Các tham số tán xạ mô phỏng và quan sát CST của mảng MM nguyên mẫu được đề xuất được hiển thị trong Hình 5a. Có thể thấy cấu trúc MM được đề xuất tạo ra tiếng vang ở dải tần 5G dưới 6 GHz. Mặc dù có sự khác biệt nhỏ về băng thông 10 dB nhưng kết quả mô phỏng và thử nghiệm rất giống nhau. Tần số cộng hưởng, băng thông và biên độ của cộng hưởng quan sát được hơi khác so với tần số mô phỏng, như trong Hình 5a. Những khác biệt giữa kết quả quan sát và kết quả mô phỏng này là do sự không hoàn hảo trong chế tạo, khe hở nhỏ giữa nguyên mẫu và cổng ống dẫn sóng, hiệu ứng ghép nối giữa cổng ống dẫn sóng và các thành phần mảng cũng như dung sai đo. Ngoài ra, việc đặt đúng vị trí của nguyên mẫu đã phát triển giữa các cổng ống dẫn sóng trong thiết lập thử nghiệm có thể dẫn đến sự dịch chuyển cộng hưởng. Ngoài ra, tiếng ồn không mong muốn đã được quan sát thấy trong giai đoạn hiệu chuẩn, dẫn đến sự khác biệt giữa kết quả số và kết quả đo được. Tuy nhiên, ngoài những khó khăn này, nguyên mẫu mảng MM được đề xuất còn hoạt động tốt nhờ mối tương quan chặt chẽ giữa mô phỏng và thử nghiệm, khiến nó rất phù hợp cho các ứng dụng truyền thông không dây 5G tần số dưới 6 GHz.
(a) Hình học ô đơn vị (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) Ảnh thiết lập đo MM.
(a) Mô phỏng và xác minh các đường cong tham số tán xạ của nguyên mẫu siêu vật liệu. ( b ) Đường cong hằng số điện môi của ô đơn vị MM.
Các thông số hiệu quả có liên quan như hằng số điện môi hiệu dụng, độ thấm từ và chỉ số khúc xạ đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng các kỹ thuật xử lý hậu kỳ tích hợp của bộ mô phỏng điện từ CST để phân tích sâu hơn hoạt động của ô đơn vị MM. Các tham số MM hiệu quả thu được từ các tham số tán xạ bằng phương pháp tái cấu trúc mạnh mẽ. Các phương trình hệ số truyền qua và phản xạ sau đây: (3) và (4) có thể được sử dụng để xác định chiết suất và trở kháng (xem 40).
Phần thực và phần ảo của toán tử lần lượt được biểu thị bằng (.)' và (.)', và giá trị nguyên m tương ứng với chiết suất thực. Hằng số điện môi và độ thấm được xác định bằng các công thức \(\varepsilon { } = { }n/z,\) và \(\mu = nz\), tương ứng dựa trên trở kháng và chiết suất. Đường cong hằng số điện môi hiệu dụng của cấu trúc MM được thể hiện trong Hình 5b. Ở tần số cộng hưởng, hằng số điện môi hiệu dụng là âm. Hình 6a,b hiển thị các giá trị được trích xuất của độ thấm hiệu dụng (μ) và chỉ số khúc xạ hiệu dụng (n) của ô đơn vị được đề xuất. Đáng chú ý, độ thấm được chiết xuất thể hiện các giá trị thực dương gần bằng 0, điều này xác nhận đặc tính epsilon-âm (ENG) của cấu trúc MM được đề xuất. Hơn nữa, như trong Hình 6a, sự cộng hưởng ở độ thấm gần bằng 0 có liên quan chặt chẽ đến tần số cộng hưởng. Ô đơn vị được phát triển có chỉ số khúc xạ âm (Hình 6b), có nghĩa là MM được đề xuất có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất ăng-ten21,41.
Nguyên mẫu được phát triển của một ăng-ten băng thông rộng duy nhất đã được chế tạo để thử nghiệm thực nghiệm thiết kế đề xuất. Hình 7a,b hiển thị hình ảnh của ăng-ten đơn nguyên mẫu được đề xuất, các bộ phận cấu trúc của nó và thiết lập đo trường gần (SATIMO). Để cải thiện hiệu suất của ăng-ten, siêu bề mặt đã phát triển được đặt thành các lớp bên dưới ăng-ten, như trong Hình 8a, với chiều cao h. Một siêu bề mặt hai lớp 40mm x 40mm được áp dụng cho mặt sau của ăng-ten đơn với khoảng cách 12 mm. Ngoài ra, một metasurface với bảng nối đa năng được đặt ở phía sau của ăng-ten đơn ở khoảng cách 12 mm. Sau khi áp dụng siêu bề mặt, ăng-ten đơn cho thấy sự cải thiện đáng kể về hiệu suất, như trong Hình 1 và 2. Hình 8 và 9. Hình 8b cho thấy các biểu đồ phản xạ mô phỏng và đo được cho ăng-ten đơn không có và có siêu bề mặt. Điều đáng chú ý là dải phủ sóng của ăng-ten có siêu bề mặt rất giống với dải phủ sóng của ăng-ten không có siêu bề mặt. Hình 9a,b thể hiện sự so sánh giữa độ lợi anten đơn được mô phỏng và quan sát cũng như hiệu suất tổng thể khi không có và có MS trong phổ hoạt động. Có thể thấy rằng, so với ăng-ten không metasurface, mức tăng ích của ăng-ten metasurface được cải thiện đáng kể, tăng từ 5,15 dBi lên 8 dBi. Mức tăng của metasurface một lớp, metasurface hai lớp và ăng ten đơn với metasurface bảng nối đa năng tăng lần lượt là 6 dBi, 6,9 dBi và 8 dBi. So với các siêu bề mặt khác (MC một lớp và hai lớp), mức tăng của ăng-ten siêu bề mặt đơn với bảng nối đa năng bằng đồng lên tới 8 dBi. Trong trường hợp này, metasurface hoạt động như một vật phản xạ, làm giảm bức xạ ngược của ăng-ten và điều khiển sóng điện từ cùng pha, do đó làm tăng hiệu suất bức xạ của ăng-ten và do đó làm tăng mức tăng. Một nghiên cứu về hiệu suất tổng thể của một ăng-ten đơn không có và có siêu bề mặt được thể hiện trong Hình 9b. Điều đáng chú ý là hiệu suất của ăng-ten có và không có siêu bề mặt là gần như nhau. Ở dải tần số thấp hơn, hiệu suất ăng-ten giảm nhẹ. Các đường cong hiệu suất và hiệu suất thử nghiệm và mô phỏng đều phù hợp. Tuy nhiên, có sự khác biệt nhỏ giữa kết quả mô phỏng và thử nghiệm do lỗi sản xuất, dung sai đo, mất kết nối cổng SMA và mất dây. Ngoài ra, ăng-ten và gương phản xạ MS được đặt giữa các miếng đệm nylon, đây là một vấn đề khác ảnh hưởng đến kết quả quan sát được so với kết quả mô phỏng.
Hình (a) cho thấy ăng-ten đơn đã hoàn thiện và các thành phần liên quan của nó. (b) Thiết lập đo trường gần (SATIMO).
(a) Kích thích ăng-ten bằng cách sử dụng bộ phản xạ metasurface (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Hệ số phản xạ mô phỏng và thử nghiệm của một ăng ten đơn không có và có MS.
Kết quả mô phỏng và đo lường của (a) mức tăng đạt được và (b) hiệu suất tổng thể của ăng-ten hiệu ứng metasurface được đề xuất.
Phân tích mô hình chùm tia bằng MS. Các phép đo trường gần ăng-ten đơn được thực hiện trong Môi trường thử nghiệm trường gần SATIMO của Phòng thí nghiệm hệ thống trường gần UKM SATIMO. Hình 10a, b thể hiện các mẫu bức xạ mặt phẳng E và mặt phẳng H được mô phỏng và quan sát ở tần số 5,5 GHz cho ăng ten đơn được đề xuất có và không có MS. Ăng-ten đơn được phát triển (không có MS) cung cấp mẫu bức xạ hai chiều nhất quán với các giá trị búp bên. Sau khi áp dụng bộ phản xạ MS được đề xuất, ăng-ten cung cấp mẫu bức xạ một chiều và giảm mức độ của các thùy sau, như trong Hình 10a, b. Điều đáng chú ý là mẫu bức xạ ăng-ten đơn được đề xuất ổn định hơn và đơn hướng với thùy phía sau và thùy bên rất thấp khi sử dụng siêu bề mặt với bảng nối đa năng bằng đồng. Bộ phản xạ mảng MM được đề xuất làm giảm các thùy phía sau và bên của ăng-ten đồng thời cải thiện hiệu suất bức xạ bằng cách hướng dòng điện theo các hướng một chiều (Hình 10a, b), do đó làm tăng độ lợi và độ định hướng. Người ta quan sát thấy rằng kiểu bức xạ thử nghiệm gần như tương đương với kiểu mô phỏng CST, nhưng hơi khác nhau do độ lệch của các bộ phận lắp ráp khác nhau, dung sai đo và tổn hao cáp. Ngoài ra, một miếng đệm nylon được chèn vào giữa ăng-ten và gương phản xạ MS, đây là một vấn đề khác ảnh hưởng đến kết quả quan sát được so với kết quả bằng số.
Mẫu bức xạ của ăng ten đơn được phát triển (không có MS và có MS) ở tần số 5,5 GHz đã được mô phỏng và thử nghiệm.
Hình dạng ăng-ten MIMO được đề xuất được hiển thị trong Hình 11 và bao gồm bốn ăng-ten đơn. Bốn thành phần của ăng-ten MIMO được bố trí trực giao với nhau trên đế có kích thước 80 × 80 × 1,575 mm, như trong Hình 11. Ăng-ten MIMO được thiết kế có khoảng cách giữa các phần tử là 22 mm, nhỏ hơn so với khoảng cách giữa các phần tử tương ứng gần nhất của anten. Ăng-ten MIMO được phát triển. Ngoài ra, một phần của mặt phẳng mặt đất được đặt giống như một ăng-ten đơn. Các giá trị phản xạ của ăng-ten MIMO (S11, S22, S33 và S44) được hiển thị trong Hình 12a thể hiện hành vi tương tự như ăng-ten một thành phần cộng hưởng ở băng tần 3,2–7,6 GHz. Do đó, băng thông trở kháng của ăng-ten MIMO hoàn toàn giống với băng thông trở kháng của ăng-ten đơn. Hiệu ứng ghép nối giữa các thành phần MIMO là nguyên nhân chính gây ra sự mất mát băng thông nhỏ của ăng-ten MIMO. Hình 12b cho thấy ảnh hưởng của kết nối trên các thành phần MIMO, trong đó xác định được sự cách ly tối ưu giữa các thành phần MIMO. Độ cách ly giữa anten 1 và 2 thấp nhất vào khoảng -13,6 dB và độ cách ly giữa anten 1 và 4 cao nhất vào khoảng -30,4 dB. Do kích thước nhỏ và băng thông rộng hơn, ăng-ten MIMO này có mức tăng thấp hơn và thông lượng thấp hơn. Khả năng cách nhiệt thấp nên cần tăng cường gia cố, cách nhiệt;
Cơ chế thiết kế của ăng-ten MIMO được đề xuất (a) nhìn từ trên xuống và (b) mặt phẳng mặt đất. (CST Studio Suite 2019).
Phương pháp sắp xếp và kích thích hình học của ăng-ten MIMO metasurface được đề xuất được thể hiện trong Hình 13a. Một ma trận 10x10mm có kích thước 80x80x1,575mm được thiết kế cho mặt sau của ăng-ten MIMO cao 12 mm, như trong Hình 13a. Ngoài ra, siêu bề mặt với bảng nối đa năng bằng đồng được thiết kế để sử dụng trong ăng-ten MIMO để cải thiện hiệu suất của chúng. Khoảng cách giữa siêu bề mặt và ăng-ten MIMO là rất quan trọng để đạt được mức tăng cao đồng thời cho phép giao thoa tăng cường giữa các sóng do ăng-ten tạo ra và các sóng phản xạ từ siêu bề mặt. Mô hình mở rộng đã được thực hiện để tối ưu hóa độ cao giữa ăng-ten và siêu bề mặt trong khi vẫn duy trì các tiêu chuẩn một phần tư sóng để đạt được mức tăng và cách ly tối đa giữa các phần tử MIMO. Những cải tiến đáng kể về hiệu suất ăng-ten MIMO đạt được bằng cách sử dụng siêu giao diện có bảng nối đa năng so với siêu giao diện không có bảng nối đa năng sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo.
(a) Thiết lập mô phỏng CST của ăng-ten MIMO được đề xuất sử dụng MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Đường cong phản xạ của hệ thống MIMO đã phát triển không có MS và có MS.
Hệ số phản xạ của ăng-ten MIMO có và không có siêu bề mặt được thể hiện trong Hình 13b, trong đó S11 và S44 được trình bày do hoạt động gần như giống hệt nhau của tất cả các ăng-ten trong hệ thống MIMO. Điều đáng chú ý là băng thông trở kháng -10 dB của ăng-ten MIMO không có và có một siêu bề mặt duy nhất gần như giống nhau. Ngược lại, băng thông trở kháng của ăng-ten MIMO đề xuất được cải thiện nhờ MS hai lớp và MS bảng nối đa năng. Điều đáng chú ý là nếu không có MS, ăng-ten MIMO cung cấp băng thông nhỏ 81,5% (3,2-7,6 GHz) so với tần số trung tâm. Việc tích hợp MS với bảng nối đa năng sẽ tăng băng thông trở kháng của ăng-ten MIMO được đề xuất lên 86,3% (3,08–7,75 GHz). Mặc dù MS lớp kép tăng thông lượng nhưng mức cải thiện này ít hơn so với MS có bảng nối đa năng bằng đồng. Hơn nữa, MC hai lớp làm tăng kích thước của ăng-ten, tăng giá thành và hạn chế phạm vi hoạt động của nó. Ăng-ten MIMO và gương phản xạ metasurface được thiết kế được chế tạo và xác minh để xác nhận kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu suất thực tế. Hình 14a hiển thị lớp MS và ăng-ten MIMO đã được chế tạo với nhiều thành phần khác nhau được lắp ráp, trong khi Hình 14b hiển thị ảnh chụp hệ thống MIMO đã phát triển. Ăng-ten MIMO được gắn trên bề mặt metasurface bằng cách sử dụng bốn miếng đệm nylon, như trong Hình 14b. Hình 15a thể hiện ảnh chụp nhanh thiết lập thử nghiệm trường gần của hệ thống ăng-ten MIMO đã phát triển. Máy phân tích mạng PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) đã được sử dụng để ước tính các thông số tán xạ cũng như đánh giá và mô tả các đặc tính phát xạ trường gần trong Phòng thí nghiệm Hệ thống trường gần UKM SATIMO.
(a) Ảnh các phép đo trường gần SATIMO (b) Các đường cong mô phỏng và thử nghiệm của ăng-ten S11 MIMO có và không có MS.
Phần này trình bày một nghiên cứu so sánh về các thông số S được mô phỏng và quan sát của ăng-ten MIMO 5G được đề xuất. Hình 15b thể hiện biểu đồ phản xạ thử nghiệm của ăng-ten MIMO MS 4 thành phần tích hợp và so sánh nó với kết quả mô phỏng CST. Hệ số phản xạ thực nghiệm được cho là giống với tính toán của CST, nhưng hơi khác do lỗi chế tạo và dung sai thực nghiệm. Ngoài ra, độ phản xạ quan sát được của nguyên mẫu MIMO dựa trên MS được đề xuất bao phủ phổ 5G dưới 6 GHz với băng thông trở kháng 4,8 GHz, điều đó có nghĩa là có thể ứng dụng 5G. Tuy nhiên, tần số cộng hưởng, băng thông và biên độ đo được hơi khác so với kết quả mô phỏng CST. Lỗi sản xuất, tổn thất ghép nối đồng trục với SMA và thiết lập đo ngoài trời có thể gây ra sự khác biệt giữa kết quả đo và kết quả mô phỏng. Tuy nhiên, bất chấp những thiếu sót này, MIMO được đề xuất vẫn hoạt động tốt, mang lại sự thống nhất chặt chẽ giữa mô phỏng và đo lường, khiến nó rất phù hợp cho các ứng dụng không dây 5G tần số dưới 6 GHz.
Các đường cong khuếch đại ăng-ten MIMO mô phỏng và quan sát được hiển thị trong Hình 2 và 2. Như được hiển thị trong Hình 16a, b và 17a, b tương ứng, sự tương tác lẫn nhau của các thành phần MIMO được hiển thị. Khi siêu bề mặt được áp dụng cho ăng-ten MIMO, khả năng cách ly giữa các ăng-ten MIMO được cải thiện đáng kể. Các sơ đồ cách ly giữa các phần tử ăng-ten liền kề S12, S14, S23 và S34 hiển thị các đường cong tương tự nhau, trong khi các ăng-ten MIMO chéo S13 và S42 cho thấy độ cách ly cao tương tự do khoảng cách giữa chúng lớn hơn. Đặc tính truyền mô phỏng của các ăng ten lân cận được thể hiện trên Hình 16a. Điều đáng chú ý là trong phổ hoạt động 5G dưới 6 GHz, mức cách ly tối thiểu của ăng-ten MIMO không có siêu bề mặt là -13,6 dB và đối với siêu bề mặt có bảng nối đa năng – 15,5 dB. Biểu đồ khuếch đại (Hình 16a) cho thấy siêu bề mặt bảng nối đa năng cải thiện đáng kể sự cách ly giữa các phần tử ăng-ten MIMO so với siêu bề mặt một lớp và hai lớp. Trên các phần tử ăng-ten liền kề, siêu bề mặt một lớp và hai lớp cung cấp khả năng cách ly tối thiểu khoảng -13,68 dB và -14,78 dB, còn siêu bề mặt bảng nối đa năng bằng đồng cung cấp khoảng -15,5 dB.
Đường cong cách ly mô phỏng của các phần tử MIMO không có lớp MS và có lớp MS: (a) S12, S14, S34 và S32 và (b) S13 và S24.
Đường cong khuếch đại thử nghiệm của ăng-ten MIMO dựa trên MS được đề xuất không có và có: (a) S12, S14, S34 và S32 và (b) S13 và S24.
Sơ đồ tăng ích anten đường chéo MIMO trước và sau khi thêm lớp MS được hiển thị trong Hình 16b. Điều đáng chú ý là mức cách ly tối thiểu giữa các ăng-ten chéo không có siêu bề mặt (ăng-ten 1 và 3) là – 15,6 dB trên phổ hoạt động và siêu bề mặt có bảng nối đa năng là – 18 dB. Phương pháp tiếp cận metasurface làm giảm đáng kể hiệu ứng ghép nối giữa các ăng ten MIMO chéo. Độ cách nhiệt tối đa cho siêu bề mặt một lớp là -37 dB, trong khi đối với siêu bề mặt hai lớp, giá trị này giảm xuống -47 dB. Độ cách ly tối đa của metasurface với bảng nối đa năng bằng đồng là −36,2 dB, giảm khi dải tần tăng dần. So với siêu giao diện một lớp và hai lớp không có bảng nối đa năng, siêu giao diện có bảng nối đa năng mang lại khả năng cách ly vượt trội trên toàn bộ dải tần hoạt động cần thiết, đặc biệt là ở dải 5G dưới 6 GHz, như trong Hình 16a, b. Trong băng tần 5G phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất dưới 6 GHz (3,5 GHz), siêu giao diện một lớp và hai lớp có độ cách ly giữa các thành phần MIMO thấp hơn so với siêu giao diện có bảng nối đa năng bằng đồng (hầu như không có MS) (xem Hình 16a), b) . Các phép đo khuếch đại được thể hiện trong Hình 17a, b, thể hiện mức cách ly tương ứng của các ăng-ten liền kề (S12, S14, S34 và S32) và các ăng-ten chéo (S24 và S13). Như có thể thấy từ những hình này (Hình 17a, b), cách ly thử nghiệm giữa các thành phần MIMO rất phù hợp với cách ly mô phỏng. Mặc dù có những khác biệt nhỏ giữa giá trị CST mô phỏng và đo được do lỗi sản xuất, kết nối cổng SMA và tổn hao dây. Ngoài ra, ăng-ten và gương phản xạ MS được đặt giữa các miếng đệm nylon, đây là một vấn đề khác ảnh hưởng đến kết quả quan sát được so với kết quả mô phỏng.
đã nghiên cứu sự phân bố dòng điện bề mặt ở tần số 5,5 GHz để hợp lý hóa vai trò của siêu bề mặt trong việc giảm sự ghép nối lẫn nhau thông qua việc triệt tiêu sóng bề mặt42. Sự phân bố dòng điện bề mặt của ăng-ten MIMO đề xuất được hiển thị trong Hình 18, trong đó ăng-ten 1 được điều khiển và phần còn lại của ăng-ten được kết cuối bằng tải 50 ohm. Khi ăng-ten 1 được cấp điện, dòng điện ghép tương hỗ đáng kể sẽ xuất hiện ở các ăng-ten lân cận ở tần số 5,5 GHz khi không có siêu bề mặt, như trong Hình 18a. Ngược lại, thông qua việc sử dụng siêu giao diện, như trong Hình 18b–d, khả năng cách ly giữa các ăng-ten liền kề được cải thiện. Cần lưu ý rằng tác động của việc ghép lẫn nhau của các trường lân cận có thể được giảm thiểu bằng cách truyền dòng ghép đến các vòng liền kề của ô đơn vị và ô đơn vị MS liền kề dọc theo lớp MS theo hướng phản song song. Việc đưa dòng điện từ các ăng-ten phân tán tới các thiết bị MS là phương pháp chính để cải thiện khả năng cách ly giữa các thành phần MIMO. Kết quả là dòng điện ghép nối giữa các thành phần MIMO giảm đi đáng kể và khả năng cách ly cũng được cải thiện đáng kể. Do trường ghép được phân bố rộng rãi trong phần tử nên siêu bề mặt bảng nối đa năng bằng đồng cách ly cụm ăng-ten MIMO nhiều hơn đáng kể so với siêu bề mặt một lớp và hai lớp (Hình 18d). Hơn nữa, ăng-ten MIMO được phát triển có độ lan truyền ngược và lan truyền bên rất thấp, tạo ra dạng bức xạ một chiều, do đó làm tăng độ lợi của ăng-ten MIMO được đề xuất.
Các mẫu dòng điện bề mặt của ăng-ten MIMO được đề xuất ở tần số 5,5 GHz (a) không có MC, (b) MC một lớp, (c) MC hai lớp và (d) MC một lớp với bảng nối đa năng bằng đồng. (CST Studio Suite 2019).
Trong tần số hoạt động, Hình 19a cho thấy mức tăng được mô phỏng và quan sát được của ăng-ten MIMO được thiết kế khi không có và có siêu bề mặt. Mức tăng mô phỏng đạt được của ăng-ten MIMO không có metasurface là 5,4 dBi, như trong Hình 19a. Do hiệu ứng ghép nối lẫn nhau giữa các thành phần MIMO, ăng-ten MIMO được đề xuất thực sự đạt được mức tăng cao hơn 0,25 dBi so với ăng-ten đơn. Việc bổ sung các siêu giao diện có thể mang lại lợi ích và sự cô lập đáng kể giữa các thành phần MIMO. Do đó, ăng-ten MIMO metasurface được đề xuất có thể đạt được mức tăng nhận thực cao lên tới 8,3 dBi. Như được hiển thị trong Hình 19a, khi sử dụng một siêu bề mặt duy nhất ở phía sau ăng-ten MIMO, mức tăng sẽ tăng thêm 1,4 dBi. Khi metasurface tăng gấp đôi, mức tăng tăng 2,1 dBi, như trong Hình 19a. Tuy nhiên, mức tăng tối đa dự kiến ​​​​là 8,3 dBi đạt được khi sử dụng metasurface với bảng nối đa năng bằng đồng. Đáng chú ý, mức tăng tối đa đạt được cho siêu bề mặt một lớp và hai lớp lần lượt là 6,8 dBi và 7,5 dBi, trong khi mức tăng tối đa đạt được cho siêu bề mặt lớp dưới cùng là 8,3 dBi. Lớp metasurface ở mặt sau của ăng-ten hoạt động như một tấm phản xạ, phản xạ bức xạ từ mặt sau của ăng-ten và cải thiện tỷ lệ từ trước ra sau (F/B) của ăng-ten MIMO được thiết kế. Ngoài ra, bộ phản xạ MS có trở kháng cao điều khiển sóng điện từ cùng pha, từ đó tạo ra sự cộng hưởng bổ sung và cải thiện hiệu suất bức xạ của ăng-ten MIMO được đề xuất. Bộ phản xạ MS được lắp đặt phía sau ăng-ten MIMO có thể làm tăng đáng kể mức tăng đạt được, điều này đã được xác nhận bằng các kết quả thử nghiệm. Mức tăng ích được quan sát và mô phỏng của ăng-ten MIMO nguyên mẫu đã phát triển gần như giống nhau, tuy nhiên, ở một số tần số, mức tăng ích đo được cao hơn mức tăng mô phỏng, đặc biệt đối với MIMO không có MS; Những thay đổi về độ lợi thực nghiệm này là do dung sai đo của các miếng nylon, tổn hao cáp và khớp nối trong hệ thống ăng-ten. Mức tăng cực đại đo được của ăng-ten MIMO không có mặt metasurface là 5,8 dBi, trong khi mặt metasurface có bảng nối đa năng bằng đồng là 8,5 dBi. Điều đáng chú ý là hệ thống ăng-ten MIMO 4 cổng hoàn chỉnh được đề xuất với bộ phản xạ MS thể hiện mức tăng cao trong điều kiện thử nghiệm và số.
Kết quả mô phỏng và thử nghiệm về (a) mức tăng đạt được và (b) hiệu suất tổng thể của ăng-ten MIMO được đề xuất với hiệu ứng metasurface.
Hình 19b cho thấy hiệu suất tổng thể của hệ thống MIMO được đề xuất khi không có và có bộ phản xạ metasurface. Trong Hình 19b, hiệu suất thấp nhất khi sử dụng MS với bảng nối đa năng là trên 73% (giảm tới 84%). Hiệu suất tổng thể của các ăng-ten MIMO được phát triển không có MC và có MC gần như giống nhau với những khác biệt nhỏ so với các giá trị mô phỏng. Lý do cho điều này là do sai số đo và việc sử dụng các miếng đệm giữa ăng-ten và bộ phản xạ MS. Mức tăng đạt được đo được và hiệu suất tổng thể trên toàn bộ tần số gần như tương tự với kết quả mô phỏng, cho thấy hiệu suất của nguyên mẫu MIMO được đề xuất là như mong đợi và ăng-ten MIMO dựa trên MS được đề xuất phù hợp cho truyền thông 5G. Do sai sót trong nghiên cứu thực nghiệm, có sự khác biệt giữa kết quả tổng thể của thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và kết quả mô phỏng. Hiệu suất của nguyên mẫu được đề xuất bị ảnh hưởng bởi sự không phù hợp trở kháng giữa ăng-ten và đầu nối SMA, tổn thất khi nối cáp đồng trục, hiệu ứng hàn và sự gần gũi của các thiết bị điện tử khác nhau với thiết lập thử nghiệm.
Hình 20 mô tả tiến trình thiết kế và tối ưu hóa ăng-ten nói trên dưới dạng sơ đồ khối. Sơ đồ khối này cung cấp mô tả từng bước về nguyên tắc thiết kế ăng-ten MIMO được đề xuất, cũng như các tham số đóng vai trò chính trong việc tối ưu hóa ăng-ten nhằm đạt được mức tăng cao cần thiết và khả năng cách ly cao trên tần số hoạt động rộng.
Các phép đo ăng-ten MIMO trường gần được đo trong Môi trường thử nghiệm trường gần SATIMO tại Phòng thí nghiệm hệ thống trường gần UKM SATIMO. Hình 21a,b mô tả các mẫu bức xạ mặt phẳng E và mặt phẳng H được mô phỏng và quan sát của ăng ten MIMO được công bố có và không có MS ở tần số hoạt động 5,5 GHz. Trong dải tần hoạt động 5,5 GHz, ăng-ten MIMO không phải MS được phát triển cung cấp mẫu bức xạ hai chiều nhất quán với các giá trị búp bên. Sau khi áp dụng bộ phản xạ MS, ăng-ten cung cấp mẫu bức xạ một chiều và giảm mức độ của các thùy sau, như trong Hình 21a, b. Điều đáng chú ý là bằng cách sử dụng metasurface với bảng nối đa năng bằng đồng, mẫu ăng-ten MIMO được đề xuất sẽ ổn định và đơn hướng hơn so với không có MS, với thùy bên và lưng rất thấp. Bộ phản xạ mảng MM được đề xuất làm giảm các thùy phía sau và bên của ăng-ten, đồng thời cải thiện các đặc tính bức xạ bằng cách định hướng dòng điện theo hướng một chiều (Hình 21a, b), do đó làm tăng độ lợi và độ định hướng. Mẫu bức xạ đo được thu được cho cổng 1 với tải 50 ohm được kết nối với các cổng còn lại. Người ta quan sát thấy rằng mẫu bức xạ thử nghiệm gần giống với mẫu mô phỏng của CST, mặc dù có một số sai lệch do sai lệch thành phần, phản xạ từ các cổng đầu cuối và tổn thất trong kết nối cáp. Ngoài ra, một miếng đệm nylon được chèn vào giữa ăng-ten và gương phản xạ MS, đây là một vấn đề khác ảnh hưởng đến kết quả quan sát được so với kết quả dự đoán.
Mẫu bức xạ của ăng-ten MIMO được phát triển (không có MS và có MS) ở tần số 5,5 GHz đã được mô phỏng và thử nghiệm.
Điều quan trọng cần lưu ý là việc cách ly cổng và các đặc tính liên quan của nó là cần thiết khi đánh giá hiệu suất của hệ thống MIMO. Hiệu suất phân tập của hệ thống MIMO được đề xuất, bao gồm hệ số tương quan đường bao (ECC) và độ lợi phân tập (DG), được kiểm tra để minh họa độ bền của hệ thống ăng-ten MIMO được thiết kế. ECC và DG của ăng-ten MIMO có thể được sử dụng để đánh giá hiệu suất của nó vì chúng là các khía cạnh quan trọng trong hiệu suất của hệ thống MIMO. Các phần sau đây sẽ trình bày chi tiết các tính năng này của ăng-ten MIMO được đề xuất.
Hệ số tương quan đường bao (ECC). Khi xem xét bất kỳ hệ thống MIMO nào, ECC xác định mức độ mà các thành phần cấu thành tương quan với nhau về các đặc tính cụ thể của chúng. Do đó, ECC thể hiện mức độ cách ly kênh trong mạng truyền thông không dây. ECC (hệ số tương quan đường bao) của hệ thống MIMO đã phát triển có thể được xác định dựa trên các tham số S và phát xạ trường xa. Từ phương trình. (7) và (8) có thể xác định được ECC của ăng-ten MIMO 31 được đề xuất.
Hệ số phản xạ được biểu thị bằng Sii và Sij biểu thị hệ số truyền. Mẫu bức xạ ba chiều của ăng-ten thứ j và thứ i được cho bởi các biểu thức \(\vec{R__{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) và \( \vec {{R_{ i } }} Góc đặc được biểu thị bằng \left( {\theta ,\varphi } \right)\) và \({\Omega }\). Đường cong ECC của ăng-ten đề xuất được hiển thị trong Hình 22a và giá trị của nó nhỏ hơn 0,004, thấp hơn nhiều so với giá trị chấp nhận được là 0,5 đối với hệ thống không dây. Do đó, giá trị ECC giảm có nghĩa là hệ thống MIMO 4 cổng được đề xuất mang lại tính đa dạng vượt trội43.
Độ lợi phân tập (DG) DG là một thước đo hiệu suất hệ thống MIMO khác mô tả sơ đồ phân tập ảnh hưởng như thế nào đến công suất bức xạ. Mối quan hệ (9) xác định DG của hệ thống ăng ten MIMO đang được phát triển, như được mô tả trong phần 31.
Hình 22b thể hiện sơ đồ DG của hệ thống MIMO được đề xuất, trong đó giá trị DG rất gần với 10 dB. Giá trị DG của tất cả ăng-ten của hệ thống MIMO được thiết kế đều vượt quá 9,98 dB.
Bảng 1 so sánh ăng-ten MIMO metasurface được đề xuất với các hệ thống MIMO tương tự được phát triển gần đây. Việc so sánh tính đến các thông số hiệu suất khác nhau, bao gồm băng thông, mức tăng, mức cách ly tối đa, hiệu suất tổng thể và hiệu suất phân tập. Các nhà nghiên cứu đã trình bày nhiều nguyên mẫu ăng-ten MIMO khác nhau với các kỹ thuật tăng cường độ khuếch đại và cách ly trong 5, 44, 45, 46, 47. So với các công trình đã được công bố trước đây, hệ thống MIMO được đề xuất với các bộ phản xạ metasurface vượt trội hơn chúng về băng thông, độ lợi và khả năng cách ly. Ngoài ra, so với các ăng-ten tương tự được báo cáo, hệ thống MIMO được phát triển thể hiện hiệu suất đa dạng vượt trội và hiệu quả tổng thể ở kích thước nhỏ hơn. Mặc dù các ăng-ten được mô tả trong Phần 5.46 có độ cách ly cao hơn các ăng-ten được đề xuất của chúng tôi, nhưng các ăng-ten này có kích thước lớn, độ lợi thấp, băng thông hẹp và hiệu suất MIMO kém. Ăng-ten MIMO 4 cổng được đề xuất trong 45 cho thấy mức tăng và hiệu quả cao, nhưng thiết kế của nó có độ cách ly thấp, kích thước lớn và hiệu suất phân tập kém. Mặt khác, hệ thống ăng-ten kích thước nhỏ được đề xuất trong 47 có độ lợi và băng thông hoạt động rất thấp, trong khi hệ thống MIMO 4 cổng dựa trên MS được đề xuất của chúng tôi có kích thước nhỏ, độ lợi cao, độ cách ly cao và MIMO hiệu suất tốt hơn. Do đó, ăng-ten MIMO metasurface được đề xuất có thể trở thành đối thủ chính cho các hệ thống truyền thông 5G dưới 6 GHz.
Một ăng-ten MIMO băng rộng dựa trên phản xạ metasurface bốn cổng có mức tăng và cách ly cao được đề xuất để hỗ trợ các ứng dụng 5G dưới 6 GHz. Đường microstrip cung cấp một phần bức xạ hình vuông, được cắt ngắn bởi một hình vuông ở các góc chéo. MS và bộ phát ăng-ten đề xuất được triển khai trên các vật liệu nền tương tự như Rogers RT5880 để đạt được hiệu suất tuyệt vời trong hệ thống truyền thông 5G tốc độ cao. Ăng-ten MIMO có phạm vi rộng và mức tăng cao, đồng thời cung cấp khả năng cách ly âm thanh giữa các thành phần MIMO và mang lại hiệu quả tuyệt vời. Ăng-ten đơn được phát triển có kích thước thu nhỏ 0,58?0,58?0,02? với mảng metasurface 5 × 5, cung cấp băng thông hoạt động rộng 4,56 GHz, mức tăng cực đại 8 dBi và hiệu suất đo vượt trội. Ăng-ten MIMO bốn cổng được đề xuất (mảng 2 × 2) được thiết kế bằng cách căn chỉnh trực giao từng ăng-ten đơn được đề xuất với một ăng-ten khác có kích thước 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Nên lắp ráp mảng 10 × 10 MM dưới ăng-ten MIMO cao 12 mm, điều này có thể làm giảm bức xạ ngược và giảm sự ghép nối lẫn nhau giữa các thành phần MIMO, từ đó cải thiện mức tăng và cách ly. Kết quả thử nghiệm và mô phỏng cho thấy nguyên mẫu MIMO được phát triển có thể hoạt động ở dải tần rộng 3,08–7,75 GHz, bao phủ phổ 5G dưới 6 GHz. Ngoài ra, ăng-ten MIMO dựa trên MS được đề xuất cải thiện mức tăng thêm 2,9 dBi, đạt mức tăng tối đa 8,3 dBi và cung cấp khả năng cách ly tuyệt vời (>15,5 dB) giữa các thành phần MIMO, xác nhận sự đóng góp của MS. Ngoài ra, ăng-ten MIMO được đề xuất có hiệu suất tổng thể trung bình cao là 82% và khoảng cách giữa các phần tử thấp là 22 mm. Ăng-ten thể hiện hiệu suất đa dạng MIMO tuyệt vời bao gồm DG rất cao (trên 9,98 dB), ECC rất thấp (dưới 0,004) và mẫu bức xạ một chiều. Kết quả đo rất giống với kết quả mô phỏng. Những đặc điểm này xác nhận rằng hệ thống ăng-ten MIMO bốn cổng được phát triển có thể là lựa chọn khả thi cho các hệ thống liên lạc 5G ở dải tần dưới 6 GHz.
Cowin có thể cung cấp ăng-ten PCB băng rộng 400-6000 MHz và hỗ trợ thiết kế ăng-ten mới theo yêu cầu của bạn, vui lòng liên hệ với chúng tôi mà không do dự nếu bạn có bất kỳ yêu cầu nào.