यस कार्यले सब-6 GHz पाँचौं पुस्ता (5G) ताररहित संचार प्रणालीहरूको लागि कम्प्याक्ट एकीकृत बहु-इनपुट बहु-आउटपुट (MIMO) मेटासर्फेस (MS) वाइडब्यान्ड एन्टेना प्रस्ताव गर्दछ। प्रस्तावित MIMO प्रणालीको स्पष्ट नवीनता यसको व्यापक अपरेटिङ ब्यान्डविथ, उच्च लाभ, सानो अन्तरकम्पोनेन्ट क्लियरेन्सहरू, र MIMO कम्पोनेन्टहरू भित्र उत्कृष्ट अलगाव हो। एन्टेनाको विकिरण स्थान विकर्ण रूपमा काटिएको छ, आंशिक रूपमा ग्राउन्ड गरिएको छ, र एन्टेनाको कार्यसम्पादन सुधार गर्न मेटासर्फेसहरू प्रयोग गरिन्छ। प्रस्तावित प्रोटोटाइप एकीकृत एकल एमएस एन्टेनाको लघु आयामहरू ०.५८λ × ०.५८λ × ०.०२λ छन्। सिमुलेशन र मापन परिणामहरूले 3.11 GHz बाट 7.67 GHz सम्मको वाइडब्यान्ड कार्यसम्पादन देखाउँछन्, जसमा 8 dBi को प्राप्त उच्चतम लाभ समावेश छ। चार-तत्व MIMO प्रणाली डिजाइन गरिएको छ कि 3.2 देखि 7.6 GHz सम्म कम्प्याक्ट साइज र वाइडब्यान्ड कार्यसम्पादन कायम राख्दा प्रत्येक एन्टेना एक अर्कामा अर्थोगोनल हुन्छ। प्रस्तावित MIMO प्रोटोटाइप रोजर्स RT5880 सब्सट्रेटमा कम नोक्सान र 1.05 को सानो आकारको साथ डिजाइन र निर्माण गरिएको छ? १.०५? 0.02?, र यसको कार्यसम्पादन 10 x 10 स्प्लिट रिंगको साथ प्रस्तावित वर्ग बन्द रिंग रिजोनेटर एरे प्रयोग गरेर मूल्याङ्कन गरिन्छ। आधारभूत सामग्री समान छ। प्रस्तावित ब्याकप्लेन मेटासर्फेसले एन्टेना ब्याक विकिरणलाई उल्लेखनीय रूपमा घटाउँछ र इलेक्ट्रोम्याग्नेटिक क्षेत्रहरूलाई हेरफेर गर्छ, जसले गर्दा ब्यान्डविथ, लाभ, र MIMO कम्पोनेन्टहरूको अलगावमा सुधार हुन्छ। अवस्थित MIMO एन्टेनाहरूसँग तुलना गर्दा, प्रस्तावित 4-पोर्ट MIMO एन्टेनाले 5G सब-6 GHz ब्यान्डमा 82% सम्मको औसत समग्र दक्षताको साथ 8.3 dBi को उच्च लाभ प्राप्त गर्दछ र मापन परिणामहरूसँग राम्रो सम्झौतामा छ। यसबाहेक, विकसित MIMO एन्टेनाले 0.004 भन्दा कमको खाम सहसंबंध गुणांक (ECC), लगभग 10 dB (>9.98 dB) को विविधता लाभ (DG) र MIMO कम्पोनेन्टहरू (> 15.5 dB) बीचको उच्च अलगावको सन्दर्भमा उत्कृष्ट प्रदर्शन प्रदर्शन गर्दछ। विशेषताहरु। तसर्थ, प्रस्तावित MS-आधारित MIMO एन्टेनाले sub-6 GHz 5G संचार सञ्जालहरूको लागि यसको लागू हुने पुष्टि गर्दछ।
5G टेक्नोलोजी ताररहित संचारमा एक अविश्वसनीय प्रगति हो जसले जोडिएका अरबौं यन्त्रहरूका लागि छिटो र अधिक सुरक्षित नेटवर्कहरू सक्षम पार्छ, प्रयोगकर्ताहरूलाई "शून्य" विलम्बता (१ मिलिसेकेन्ड भन्दा कमको विलम्बता) को साथ अनुभव प्रदान गर्दछ, र इलेक्ट्रोनिक्स सहित नयाँ प्रविधिहरू परिचय गराउँछ। चिकित्सा हेरचाह, बौद्धिक शिक्षा। , स्मार्ट शहरहरू, स्मार्ट घरहरू, भर्चुअल वास्तविकता (VR), स्मार्ट कारखानाहरू र सवारी साधनहरूको इन्टरनेट (IoV) ले हाम्रो जीवन, समाज र उद्योगहरू 1,2,3 परिवर्तन गर्दैछ। यूएस फेडरल कम्युनिकेसन्स कमिसन (FCC) ले 5G स्पेक्ट्रमलाई चार फ्रिक्वेन्सी ब्यान्डमा विभाजन गर्दछ। 6 GHz तलको फ्रिक्वेन्सी ब्यान्ड अनुसन्धानकर्ताहरूको लागि चासोको विषय हो किनभने यसले उच्च डाटा दर ५,६ सँग लामो दूरीको सञ्चारलाई अनुमति दिन्छ। विश्वव्यापी 5G संचारका लागि सब-6 GHz 5G स्पेक्ट्रम आवंटन चित्र 1 मा देखाइएको छ, यसले संकेत गर्दछ कि सबै देशहरूले 5G संचारको लागि सब-6 GHz स्पेक्ट्रम विचार गरिरहेका छन्7,8। एन्टेनाहरू 5G नेटवर्कको महत्त्वपूर्ण भाग हुन् र थप बेस स्टेशन र प्रयोगकर्ता टर्मिनल एन्टेनाहरू आवश्यक पर्दछ।
माइक्रोस्ट्रिप प्याच एन्टेनामा पातलोपन र समतल संरचनाको फाइदाहरू छन्, तर ब्यान्डविथ र गेन 9,10 मा सीमित छन्, एन्टेनाको लाभ र ब्यान्डविथ बढाउनको लागि धेरै अनुसन्धान गरिएको छ; हालका वर्षहरूमा, मेटासर्फेसहरू (एमएस) एन्टेना प्रविधिहरूमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिएको छ, विशेष गरी लाभ र थ्रुपुट ११,१२ सुधार गर्न, तथापि, यी एन्टेनाहरू एकल पोर्टमा सीमित छन्; MIMO टेक्नोलोजी वायरलेस संचारको एक महत्त्वपूर्ण पक्ष हो किनभने यसले डेटा प्रसारण गर्न एकै साथ धेरै एन्टेनाहरू प्रयोग गर्न सक्छ, जसले गर्दा डेटा दरहरू, वर्णक्रमीय दक्षता, च्यानल क्षमता, र विश्वसनीयता 13,14,15 मा सुधार हुन्छ। MIMO एन्टेनाहरू 5G अनुप्रयोगहरूका लागि सम्भावित उम्मेद्वारहरू हुन् किनभने तिनीहरूले अतिरिक्त पावर १६,१७ को आवश्यकता बिना धेरै च्यानलहरूमा डाटा पठाउन र प्राप्त गर्न सक्छन्। MIMO कम्पोनेन्टहरू बीचको पारस्परिक युग्मन प्रभाव MIMO तत्वहरूको स्थान र MIMO एन्टेनाको लाभमा निर्भर गर्दछ, जुन अनुसन्धानकर्ताहरूको लागि ठूलो चुनौती हो। फिगर 18, 19, र 20 ले 5G सब-6 GHz ब्यान्डमा सञ्चालित विभिन्न MIMO एन्टेनाहरू देखाउँछन्, सबैले राम्रो MIMO अलगाव र कार्यसम्पादन देखाउँछन्। यद्यपि, यी प्रस्तावित प्रणालीहरूको लाभ र सञ्चालन ब्यान्डविथ कम छ।
Metamaterials (MMs) नयाँ सामग्रीहरू हुन् जुन प्रकृतिमा अवस्थित छैनन् र इलेक्ट्रोम्याग्नेटिक तरंगहरू हेरफेर गर्न सक्छन्, जसले गर्दा एन्टेनाको कार्यसम्पादनमा सुधार हुन्छ 21,22,23,24। २५, २६, २७, २८ मा छलफल गरिए अनुसार विकिरण ढाँचा, ब्यान्डविथ, लाभ, र एन्टेना तत्वहरू र ताररहित सञ्चार प्रणालीहरू बीचको अलगाव सुधार गर्न MM अहिले एन्टेना प्रविधिमा व्यापक रूपमा प्रयोग भइरहेको छ। २०२९ मा चार-तत्वहरूमा आधारित MIMO प्रणाली मेटासर्फेस, जसमा एन्टेना खण्ड मेटासर्फेस र जमिनको बीचमा एयर ग्याप बिना स्यान्डविच गरिएको छ, जसले MIMO कार्यसम्पादन सुधार गर्दछ। यद्यपि, यो डिजाइनमा ठूलो आकार, कम सञ्चालन आवृत्ति र जटिल संरचना छ। प्रस्तावित 2-पोर्ट वाइडब्यान्ड MIMO एन्टेनामा MIMO30 कम्पोनेन्टहरूको अलगाव सुधार गर्न इलेक्ट्रोम्याग्नेटिक ब्यान्डग्याप (EBG) र ग्राउन्ड लूप समावेश गरिएको छ। डिजाइन गरिएको एन्टेनामा राम्रो MIMO विविधता प्रदर्शन र दुई MIMO एन्टेनाहरू बीच उत्कृष्ट अलगाव छ, तर केवल दुई MIMO कम्पोनेन्टहरू प्रयोग गर्दा, लाभ कम हुनेछ। थप रूपमा, in31 ले अल्ट्रा-वाइडब्यान्ड (UWB) डुअल-पोर्ट MIMO एन्टेना पनि प्रस्ताव गर्यो र मेटामेटेरियलहरू प्रयोग गरेर यसको MIMO प्रदर्शनको अनुसन्धान गर्यो। यद्यपि यो एन्टेना UWB सञ्चालन गर्न सक्षम छ, यसको लाभ कम छ र दुई एन्टेना बीचको अलगाव कमजोर छ। कार्य in32 ले लाभ बढाउनको लागि इलेक्ट्रोम्याग्नेटिक ब्यान्डग्याप (EBG) रिफ्लेक्टरहरू प्रयोग गर्ने २-पोर्ट MIMO प्रणाली प्रस्ताव गर्दछ। यद्यपि विकसित एन्टेना एरेमा उच्च लाभ र राम्रो MIMO विविधता प्रदर्शन छ, यसको ठूलो आकारले यसलाई अर्को पुस्ता सञ्चार उपकरणहरूमा लागू गर्न गाह्रो बनाउँछ। अर्को रिफ्लेक्टर-आधारित ब्रॉडब्यान्ड एन्टेना 33 मा विकसित गरिएको थियो, जहाँ रिफ्लेक्टरलाई एन्टेना मुनि एक ठूलो 22 एमएम ग्यापको साथ एकीकृत गरिएको थियो, 4.87 dB को तल्लो शिखर लाभ प्रदर्शन गर्दै। पेपर 34 ले mmWave अनुप्रयोगहरूको लागि चार-पोर्ट MIMO एन्टेना डिजाइन गर्दछ, जुन MIMO प्रणालीको अलगाव र लाभ सुधार गर्न MS तहसँग एकीकृत गरिएको छ। यद्यपि, यो एन्टेनाले राम्रो लाभ र अलगाव प्रदान गर्दछ, तर सीमित ब्यान्डविथ र ठूलो हावा अन्तरको कारण कमजोर मेकानिकल गुणहरू छन्। त्यसैगरी, २०१५ मा, ३-जोडा, ४-पोर्ट बोटी-आकारको मेटासर्फेस-एकीकृत MIMO एन्टेना mmWave संचारको लागि 7.4 dBi को अधिकतम लाभको साथ विकास गरिएको थियो। B36 MS एन्टेना लाभ बढाउन 5G एन्टेनाको पछाडिको भागमा प्रयोग गरिन्छ, जहाँ मेटासर्फेसले रिफ्लेक्टरको रूपमा कार्य गर्दछ। यद्यपि, एमएस संरचना असममित छ र इकाई सेल संरचनामा कम ध्यान दिइएको छ।
माथिको विश्लेषण परिणामहरू अनुसार, माथिका एन्टेनाहरू मध्ये कुनै पनि उच्च लाभ, उत्कृष्ट अलगाव, MIMO प्रदर्शन र वाइडब्यान्ड कभरेज छैन। त्यसकारण, त्यहाँ अझै पनि मेटासर्फेस MIMO एन्टेनाको आवश्यकता छ जसले 6 GHz भन्दा कम 5G स्पेक्ट्रम फ्रिक्वेन्सीहरू उच्च लाभ र अलगावको साथ कभर गर्न सक्छ। माथि उल्लेखित साहित्यका सीमितताहरूलाई ध्यानमा राख्दै, उप-6 GHz ताररहित संचार प्रणालीहरूको लागि उच्च लाभ र उत्कृष्ट विविधता प्रदर्शनको साथ वाइडब्यान्ड चार-तत्व MIMO एन्टेना प्रणाली प्रस्ताव गरिएको छ। थप रूपमा, प्रस्तावित MIMO एन्टेनाले MIMO कम्पोनेन्टहरू, साना तत्वहरू ग्यापहरू, र उच्च विकिरण दक्षताहरू बीच उत्कृष्ट अलगाव प्रदर्शन गर्दछ। एन्टेना प्याच विकर्ण रूपमा काटिएको छ र 12mm एयर ग्यापको साथ मेटासर्फेसको शीर्षमा राखिएको छ, जसले एन्टेनाबाट पछाडिको विकिरणलाई प्रतिबिम्बित गर्दछ र एन्टेना लाभ र निर्देशन सुधार गर्दछ। थप रूपमा, प्रस्तावित एकल एन्टेना चार-तत्व MIMO एन्टेना सिर्जना गर्नको लागि प्रयोग गरिन्छ उच्च MIMO कार्यसम्पादनको साथ प्रत्येक एन्टेनालाई एक अर्कामा अर्थोगोनली स्थिति गरेर। विकसित MIMO एन्टेना त्यसपछि उत्सर्जन कार्यसम्पादन सुधार गर्न तामाको ब्याकप्लेनसँग १० × १० MS एरेको शीर्षमा एकीकृत गरियो। डिजाइनले फराकिलो अपरेटिङ दायरा (3.08-7.75 GHz), 8.3 dBi को उच्च लाभ र 82% को उच्च औसत समग्र दक्षता, साथै MIMO एन्टेना कम्पोनेन्टहरू बीच −15.5 dB भन्दा बढीको उत्कृष्ट अलगावको सुविधा दिन्छ। विकसित MS-आधारित MIMO एन्टेना 3D इलेक्ट्रोम्याग्नेटिक सफ्टवेयर प्याकेज CST स्टुडियो 2019 को प्रयोग गरेर नक्कल गरिएको थियो र प्रयोगात्मक अध्ययनहरू मार्फत प्रमाणीकरण गरिएको थियो।
यो खण्डले प्रस्तावित वास्तुकला र एकल एन्टेना डिजाइन पद्धतिको विस्तृत परिचय प्रदान गर्दछ। थप रूपमा, सिमुलेटेड र अवलोकन गरिएका नतिजाहरू विस्तारमा छलफल गरिन्छ, स्क्याटरिङ प्यारामिटरहरू, लाभ, र मेटासर्फेसहरू बिना र बिना समग्र दक्षता। प्रोटोटाइप एन्टेना रोजर्स 5880 कम हानि डाइइलेक्ट्रिक सब्सट्रेटमा 1.575mm को मोटाईको साथ 2.2 को डाइलेक्ट्रिक स्थिरताको साथ विकसित गरिएको थियो। डिजाइनको विकास र अनुकरण गर्न, विद्युत चुम्बकीय सिमुलेटर प्याकेज CST स्टुडियो 2019 प्रयोग गरिएको थियो।
चित्र २ ले एकल-तत्व एन्टेनाको प्रस्तावित वास्तुकला र डिजाइन मोडेल देखाउँछ। राम्ररी स्थापित गणितीय समीकरणहरू ३७ अनुसार, एन्टेनाले एक रैखिक रूपमा फिड स्क्वायर विकिरण स्थल र तामाको ग्राउन्ड प्लेन (चरण 1 मा वर्णन गरिए अनुसार) समावेश गर्दछ र चित्र 3b मा देखाइए अनुसार 10.8 GHz मा धेरै साँघुरो ब्यान्डविथसँग प्रतिध्वनित हुन्छ। एन्टेना रेडिएटरको प्रारम्भिक आकार निम्न गणितीय सम्बन्ध द्वारा निर्धारण गरिन्छ37:
जहाँ \(P_{L}\) र \(P_{w}\) प्याचको लम्बाइ र चौडाइ हो, c ले प्रकाशको गतिलाई जनाउँछ, \(\gamma_{r}\) सब्सट्रेटको डाइइलेक्ट्रिक स्थिरता हो। । , \(\gamma_{reff }\) विकिरण स्थानको प्रभावकारी डाइलेक्ट्रिक मान प्रतिनिधित्व गर्दछ, \(\Delta L\) स्पट लम्बाइमा परिवर्तन प्रतिनिधित्व गर्दछ। एन्टेना ब्याकप्लेन दोस्रो चरणमा अप्टिमाइज गरिएको थियो, 10 dB को धेरै कम प्रतिबाधा ब्यान्डविथको बावजुद प्रतिबाधा ब्यान्डविथ बढाउँदै। तेस्रो चरणमा, फिडर स्थिति दायाँतिर सारियो, जसले प्रस्तावित एन्टेना ३८ को प्रतिबाधा ब्यान्डविथ र प्रतिबाधा मिलान सुधार गर्दछ। यस चरणमा, एन्टेनाले 4 GHz को उत्कृष्ट अपरेटिङ ब्यान्डविथ देखाउँछ र 5G मा 6 GHz भन्दा कम स्पेक्ट्रमलाई पनि समेट्छ। चौथो र अन्तिम चरणमा विकिरण स्थानको विपरित कुनाहरूमा स्क्वायर ग्रूभहरू नक्काशी गर्ने समावेश छ। यस स्लटले चित्र 3b मा देखाइए अनुसार, 3.11 GHz बाट 7.67 GHz मा सब-6 GHz 5G स्पेक्ट्रम कभर गर्न 4.56 GHz ब्यान्डविथलाई उल्लेखनीय रूपमा विस्तार गर्दछ। प्रस्तावित डिजाइनको अगाडि र तल्लो परिप्रेक्ष्य दृश्यहरू चित्र 3a मा देखाइएको छ, र अन्तिम अनुकूलित आवश्यक डिजाइन प्यारामिटरहरू निम्नानुसार छन्: SL = 40 मिमी, Pw = 18 मिमी, PL = 18 मिमी, gL = 12 मिमी, fL = 11। मिमी, fW = 4.7 मिमी, c1 = 2 मिमी, c2 = 9.65 मिमी, c3 = 1.65 मिमी।
(a) डिजाइन गरिएको एकल एन्टेनाको शीर्ष र पछाडिका दृश्यहरू (CST स्टुडियो सुइट २०१९)। (b) S- प्यारामिटर वक्र।
मेटासर्फेस एक शब्द हो जसले एक अर्काबाट निश्चित दूरीमा अवस्थित एकाइ कक्षहरूको आवधिक एरेलाई जनाउँछ। मेटासर्फेसहरू ब्यान्डविथ, लाभ, र MIMO कम्पोनेन्टहरू बीचको अलगाव सहित एन्टेना विकिरण प्रदर्शन सुधार गर्ने प्रभावकारी तरिका हो। सतह तरंग प्रसारको प्रभावको कारण, मेटासर्फेसहरूले थप अनुनादहरू उत्पन्न गर्दछ जसले एन्टेना प्रदर्शन सुधार गर्न योगदान गर्दछ। यस कार्यले 6 GHz तलको 5G ब्यान्डमा सञ्चालन गर्ने एप्सिलोन-नेगेटिभ मेटामेटरियल (MM) एकाइ प्रस्ताव गर्दछ। 8mm × 8mm को सतह क्षेत्र भएको MM कम नोक्सान रोजर्स 5880 सब्सट्रेटमा 2.2 को डाइलेक्ट्रिक स्थिरता र 1.575mm को मोटाईको साथ विकसित गरिएको थियो। अनुकूलित MM रेजोनेटर प्याचमा चित्र 4a मा देखाइए अनुसार, दुई परिमार्जित बाहिरी स्प्लिट रिङ्हरूमा जडान गरिएको भित्री गोलाकार स्प्लिट रिङ हुन्छ। चित्र 4a ले प्रस्तावित MM सेटअपको अन्तिम अनुकूलित प्यारामिटरहरूको सारांश दिन्छ। पछि, 40 × 40 मिमी र 80 × 80 मिमी मेटासर्फेस तहहरू तामाको ब्याकप्लेन बिना र 5 × 5 र 10 × 10 सेल एरेहरू प्रयोग गरेर तामाको ब्याकप्लेनको साथ विकास गरियो। प्रस्तावित एमएम संरचना थ्रीडी इलेक्ट्रोम्याग्नेटिक मोडलिङ सफ्टवेयर "CST स्टुडियो सुइट 2019" को प्रयोग गरेर मोडेल गरिएको थियो। प्रस्तावित MM एरे संरचना र मापन सेटअप (डुअल-पोर्ट नेटवर्क विश्लेषक PNA र वेभगाइड पोर्ट) को एक निर्मित प्रोटोटाइप वास्तविक प्रतिक्रिया विश्लेषण गरेर CST सिमुलेशन परिणामहरू मान्य गर्न चित्र 4b मा देखाइएको छ। मापन सेटअपले सिग्नलहरू पठाउन र प्राप्त गर्न दुई वेभगाइड कोएक्सियल एडेप्टरहरू (A-INFOMW, भाग नम्बर: 187WCAS) सँग संयोजनमा Agilent PNA श्रृंखला नेटवर्क विश्लेषक प्रयोग गर्यो। एक प्रोटोटाइप 5 × 5 एरे दुई-पोर्ट नेटवर्क विश्लेषक (Agilent PNA N5227A) मा समाक्षीय केबल द्वारा जोडिएको दुई वेभगाइड समाक्षीय एडेप्टरहरू बीच राखिएको थियो। Agilent N4694-60001 क्यालिब्रेसन किटलाई पाइलट प्लान्टमा नेटवर्क विश्लेषकलाई क्यालिब्रेट गर्न प्रयोग गरिन्छ। प्रस्तावित प्रोटोटाइप MM एरेको सिमुलेटेड र CST अवलोकन गरिएको स्क्याटरिङ प्यारामिटरहरू चित्र 5a मा देखाइएको छ। यो देख्न सकिन्छ कि प्रस्तावित MM संरचना 6 GHz तल 5G फ्रिक्वेन्सी दायरामा प्रतिध्वनित हुन्छ। 10 dB को ब्यान्डविथ मा सानो भिन्नता को बावजूद, नक्कल र प्रयोगात्मक परिणाम धेरै समान छन्। अनुनाद फ्रिक्वेन्सी, ब्यान्डविथ, र अवलोकन गरिएको अनुनादको आयाम सिमुलेटेडहरू भन्दा अलि फरक छन्, चित्र 5a मा देखाइएको छ। अवलोकन र नक्कल परिणामहरू बीचको यी भिन्नताहरू निर्माण त्रुटिहरू, प्रोटोटाइप र वेभगाइड पोर्टहरू बीचको सानो क्लियरेन्सहरू, वेभगाइड पोर्टहरू र एरे कम्पोनेन्टहरू बीचको युग्मन प्रभावहरू, र मापन सहिष्णुताहरूका कारण हुन्। थप रूपमा, प्रयोगात्मक सेटअपमा वेभगाइड पोर्टहरू बीच विकसित प्रोटोटाइपको उचित स्थानले अनुनाद शिफ्टको परिणाम हुन सक्छ। थप रूपमा, क्यालिब्रेसन चरणको समयमा अवांछित आवाज अवलोकन गरिएको थियो, जसले संख्यात्मक र मापन परिणामहरू बीच विसंगति निम्त्यायो। यद्यपि, यी कठिनाइहरू बाहेक, प्रस्तावित MM एरे प्रोटोटाइपले सिमुलेशन र प्रयोग बीचको बलियो सम्बन्धको कारणले राम्रो प्रदर्शन गर्दछ, यसलाई सब-6 GHz 5G वायरलेस संचार अनुप्रयोगहरूको लागि राम्रोसँग उपयुक्त बनाउँदै।
(a) एकाइ कक्ष ज्यामिति (S1 = 8 मिमी, S2 = 7 मिमी, S3 = 5 मिमी, f1, f2, f4 = 0.5 मिमी, f3 = 0.75 मिमी, h1 = 0.5 मिमी, h2 = 1.75 मिमी) (CST स्टुडियो सुइट) ) 2019) (b) MM मापन सेटअपको फोटो।
(a) मेटामेटरियल प्रोटोटाइपको स्क्याटरिङ प्यारामिटर कर्भहरूको सिमुलेशन र प्रमाणिकरण। (b) MM एकाइ सेलको डाइलेक्ट्रिक स्थिर वक्र।
प्रभावकारी डाइलेक्ट्रिक स्थिरता, चुम्बकीय पारगम्यता, र अपवर्तक सूचकांक जस्ता सान्दर्भिक प्रभावकारी प्यारामिटरहरू एमएम इकाई सेलको व्यवहारलाई थप विश्लेषण गर्न CST इलेक्ट्रोमैग्नेटिक सिम्युलेटरको बिल्ट-इन पोस्ट-प्रोसेसिङ प्रविधिहरू प्रयोग गरेर अध्ययन गरियो। प्रभावकारी एमएम प्यारामिटरहरू एक बलियो पुनर्निर्माण विधि प्रयोग गरेर स्क्याटरिङ प्यारामिटरहरूबाट प्राप्त गरिन्छ। निम्न ट्रान्समिटन्स र प्रतिबिम्ब गुणांक समीकरणहरू: (3) र (4) अपवर्तक सूचकांक र प्रतिबाधा निर्धारण गर्न प्रयोग गर्न सकिन्छ (हेर्नुहोस् 40)।
अपरेटरको वास्तविक र काल्पनिक भागहरू क्रमशः (.)' र (.)" द्वारा प्रतिनिधित्व गरिन्छ, र पूर्णांक मान m वास्तविक अपवर्तक सूचकांकसँग मेल खान्छ। डाइलेक्ट्रिक स्थिरता र पारगम्यता सूत्रहरू द्वारा निर्धारण गरिन्छ \(\varepsilon { } = { }n/z,\) र \(\mu = nz\), जुन क्रमशः प्रतिबाधा र अपवर्तक सूचकांकमा आधारित हुन्छन्। एमएम संरचनाको प्रभावकारी डाइलेक्ट्रिक स्थिर वक्र चित्र 5b मा देखाइएको छ। रेसोनन्ट फ्रिक्वेन्सीमा, प्रभावकारी डाइलेक्ट्रिक स्थिरता नकारात्मक हुन्छ। आंकडा 6a,b ले प्रस्तावित इकाई सेलको प्रभावकारी पारगम्यता (μ) र प्रभावकारी अपवर्तक सूचकांक (n) को निकालिएको मानहरू देखाउँछ। विशेष रूपमा, निकालिएको पारगम्यताहरूले शून्यको नजिक सकारात्मक वास्तविक मानहरू प्रदर्शन गर्दछ, जसले प्रस्तावित एमएम संरचनाको एप्सिलोन-नेगेटिभ (ENG) गुणहरू पुष्टि गर्दछ। यसबाहेक, चित्र 6a मा देखाइए अनुसार, शून्यको नजिक पारगम्यतामा अनुनाद रेजोनन्ट फ्रिक्वेन्सीसँग कडा रूपमा सम्बन्धित छ। विकसित एकाइ सेलसँग नकारात्मक अपवर्तक अनुक्रमणिका छ (चित्र 6b), जसको मतलब प्रस्तावित MM एन्टेना प्रदर्शन सुधार गर्न प्रयोग गर्न सकिन्छ 21,41।
एकल ब्रोडब्यान्ड एन्टेनाको विकसित प्रोटोटाइप प्रयोगात्मक रूपमा प्रस्तावित डिजाइनको परीक्षण गर्न निर्माण गरिएको थियो। फिगर 7a,b ले प्रस्तावित प्रोटोटाइप एकल एन्टेना, यसको संरचनात्मक भागहरू र नजिकको-फिल्ड मापन सेटअप (SATIMO) को छविहरू देखाउँदछ। एन्टेना कार्यसम्पादन सुधार गर्न, विकसित मेटासर्फेसलाई एन्टेना मुनि तहहरूमा राखिएको छ, चित्र 8a मा देखाइएको छ, उचाइ h संग। एकल 40mm x 40mm डबल-लेयर मेटासर्फेस 12mm अन्तरालहरूमा एकल एन्टेनाको पछाडि लागू गरिएको थियो। थप रूपमा, ब्याकप्लेनको साथ एक मेटासर्फेस एकल एन्टेनाको पछाडि 12 मिमीको दूरीमा राखिएको छ। मेटासर्फेस लागू गरेपछि, एकल एन्टेनाले कार्यसम्पादनमा उल्लेखनीय सुधार देखाउँछ, जस्तै चित्र 1 र 2 मा देखाइएको छ। चित्र 8 र 9। चित्र 8b ले मेटासर्फेस बिना र बिना एकल एन्टेनाको लागि सिमुलेटेड र मापन गरिएको प्रतिबिम्ब प्लटहरू देखाउँछ। यो ध्यान दिन लायक छ कि मेटासर्फेस भएको एन्टेनाको कभरेज ब्यान्ड मेटासर्फेस बिनाको एन्टेनाको कभरेज ब्यान्डसँग मिल्दोजुल्दो छ। फिगर 9a,b ले अपरेटिङ स्पेक्ट्रममा MS बिना र सँग सिमुलेटेड र अवलोकन गरिएको एकल एन्टेना लाभ र समग्र दक्षताको तुलना देखाउँछ। यो देख्न सकिन्छ कि, गैर-मेटासर्फेस एन्टेनाको तुलनामा, मेटासर्फेस एन्टेनाको लाभ उल्लेखनीय रूपमा सुधारिएको छ, 5.15 dBi बाट 8 dBi मा बढ्दै। एकल-तह मेटासर्फेस, डुअल-लेयर मेटासर्फेस, र ब्याकप्लेन मेटासर्फेसको साथ एकल एन्टेनाको लाभ क्रमशः 6 dBi, 6.9 dBi, र 8 dBi ले बढ्यो। अन्य मेटासर्फेसहरू (एकल-तह र डबल-लेयर MCs) सँग तुलना गर्दा, तामाको ब्याकप्लेनको साथ एकल मेटासर्फेस एन्टेनाको लाभ 8 dBi सम्म हुन्छ। यस अवस्थामा, मेटासर्फेसले परावर्तकको रूपमा कार्य गर्दछ, एन्टेनाको पछाडिको विकिरणलाई घटाउँछ र इलेक्ट्रोम्याग्नेटिक तरंगहरूलाई इन-फेजमा हेरफेर गर्छ, जसले एन्टेनाको विकिरण दक्षता बढाउँछ र यसैले लाभ हुन्छ। मेटासर्फेस बिना र बिना एकल एन्टेनाको समग्र दक्षताको अध्ययन चित्र 9b मा देखाइएको छ। यो ध्यान दिन लायक छ कि मेटासर्फेस संग र बिना एन्टेना को दक्षता लगभग समान छ। तल्लो आवृत्ति दायरामा, एन्टेना दक्षता थोरै घट्छ। प्रयोगात्मक र सिमुलेटेड लाभ र दक्षता वक्रहरू राम्रो सम्झौतामा छन्। यद्यपि, निर्माण त्रुटिहरू, मापन सहिष्णुताहरू, SMA पोर्ट जडान हानि, र तार हानिको कारणले सिमुलेटेड र परीक्षण परिणामहरू बीच थोरै भिन्नताहरू छन्। थप रूपमा, एन्टेना र एमएस रिफ्लेक्टर नायलन स्पेसरहरू बीच अवस्थित छन्, जुन अर्को मुद्दा हो जसले सिमुलेशन परिणामहरूको तुलनामा अवलोकन परिणामहरूलाई असर गर्छ।
चित्र (a) ले पूरा भएको एकल एन्टेना र यससँग सम्बन्धित कम्पोनेन्टहरू देखाउँछ। (b) नजिकको क्षेत्र मापन सेटअप (SATIMO)।
(a) मेटासर्फेस रिफ्लेक्टरहरू प्रयोग गरेर एन्टेना उत्तेजना (CST स्टुडियो सुइट 2019)। (b) MS बिना र साथमा एकल एन्टेनाको सिमुलेटेड र प्रयोगात्मक प्रतिबिम्ब।
सिमुलेशन र मापन परिणामहरू (a) प्राप्त लाभ र (b) प्रस्तावित मेटासर्फेस प्रभाव एन्टेनाको समग्र दक्षता।
एमएस प्रयोग गरेर बीम ढाँचा विश्लेषण। एकल-एन्टेना नजिक-फिल्ड मापन UKM SATIMO नजिकको-फिल्ड प्रणाली प्रयोगशालाको SATIMO नजिकको-क्षेत्र प्रयोगात्मक वातावरणमा गरिएको थियो। आंकडा 10a, b ले MS सँग र बिना प्रस्तावित एकल एन्टेनाको लागि 5.5 GHz मा सिमुलेटेड र अवलोकन गरिएको ई-प्लेन र H-प्लेन विकिरण ढाँचाहरू देखाउँदछ। विकसित एकल एन्टेना (MS बिना) ले साइड लोब मानहरूको साथ एक सुसंगत द्विदिशात्मक विकिरण ढाँचा प्रदान गर्दछ। प्रस्तावित एमएस रिफ्लेक्टर लागू गरेपछि, एन्टेनाले एक दिशात्मक विकिरण ढाँचा प्रदान गर्दछ र ब्याक लोबको स्तर घटाउँछ, जस्तै चित्र 10a, b मा देखाइएको छ। यो ध्यान दिन लायक छ कि प्रस्तावित एकल एन्टेना विकिरण ढाँचा तामा ब्याकप्लेन संग मेटासर्फेस प्रयोग गर्दा धेरै कम ब्याक र साइड लोब संग अधिक स्थिर र दिशाहीन छ। प्रस्तावित एमएम एरे रिफ्लेक्टरले एन्टिनाको पछाडि र छेउको लोबहरू घटाउँछ जबकि विकिरण कार्यसम्पादनलाई एकदिशात्मक दिशामा (चित्र 10a, b) निर्देशित गरेर सुधार गर्दछ, जसले गर्दा लाभ र निर्देशन बढ्छ। यो अवलोकन गरिएको थियो कि प्रयोगात्मक विकिरण ढाँचा लगभग CST सिमुलेशनको तुलनामा तुलनात्मक थियो, तर विभिन्न एसेम्बल कम्पोनेन्टहरू, मापन सहनशीलता, र केबल घाटाहरूको गलत अलाइनमेन्टको कारणले थोरै फरक भयो। थप रूपमा, एन्टेना र एमएस रिफ्लेक्टरको बीचमा एक नायलन स्पेसर सम्मिलित गरिएको थियो, जुन संख्यात्मक परिणामहरूको तुलनामा अवलोकन परिणामहरूलाई असर गर्ने अर्को मुद्दा हो।
5.5 GHz को फ्रिक्वेन्सीमा विकसित एकल एन्टेना (MS बिना र MS संग) को विकिरण ढाँचा सिमुलेट र परीक्षण गरिएको थियो।
प्रस्तावित MIMO एन्टेना ज्यामिति चित्र 11 मा देखाइएको छ र चार एकल एन्टेना समावेश गर्दछ। MIMO एन्टेनाका चारवटा कम्पोनेन्टहरू 80 × 80 × 1.575 मिमी आयामहरूको सब्सट्रेटमा एक अर्कामा अर्थोगोनली रूपमा व्यवस्थित छन्, चित्र 11 मा देखाइए अनुसार। डिजाइन गरिएको MIMO एन्टेनाको अन्तर-तत्वको दूरी 22 मिमी छ, जुन भन्दा सानो छ। एन्टेनाको निकटतम सम्बन्धित अन्तर-तत्व दूरी। MIMO एन्टेना विकसित भयो। थप रूपमा, ग्राउन्ड प्लेनको भाग एकल एन्टेनाको रूपमा अवस्थित छ। चित्र 12a मा देखाइएको MIMO एन्टेना (S11, S22, S33, र S44) को प्रतिबिम्ब मानहरू 3.2-7.6 GHz ब्यान्डमा एकल-तत्व एन्टेना प्रतिध्वनि जस्तै व्यवहार प्रदर्शन गर्दछ। त्यसकारण, MIMO एन्टेनाको प्रतिबाधा ब्यान्डविथ एकल एन्टेनाको जस्तै हो। MIMO कम्पोनेन्टहरू बीचको युग्मन प्रभाव MIMO एन्टेनाको सानो ब्यान्डविथ हानिको मुख्य कारण हो। चित्र 12b ले MIMO कम्पोनेन्टहरूमा अन्तरसम्बन्धको प्रभाव देखाउँछ, जहाँ MIMO कम्पोनेन्टहरू बीचको इष्टतम अलगाव निर्धारण गरिएको थियो। एन्टेना 1 र 2 बीचको अलगाव लगभग -13.6 dB मा सबैभन्दा कम छ, र एन्टेना 1 र 4 बीचको अलगाव लगभग -30.4 dB मा उच्चतम छ। यसको सानो आकार र फराकिलो ब्यान्डविथको कारण, यो MIMO एन्टेना कम लाभ र कम थ्रुपुट छ। इन्सुलेशन कम छ, त्यसैले बढेको सुदृढीकरण र इन्सुलेशन आवश्यक छ;
प्रस्तावित MIMO एन्टेनाको डिजाइन संयन्त्र (a) शीर्ष दृश्य र (b) ग्राउन्ड प्लेन। (CST स्टुडियो सुइट 2019)।
प्रस्तावित मेटासर्फेस MIMO एन्टेनाको ज्यामितीय व्यवस्था र उत्तेजना विधि चित्र 13a मा देखाइएको छ। 80x80x1.575mm को आयाम भएको 10x10mm म्याट्रिक्स 12mm उच्च MIMO एन्टेनाको पछाडिको लागि डिजाइन गरिएको छ, चित्र 13a मा देखाइएको छ। थप रूपमा, तामाको ब्याकप्लेनहरू भएका मेटासर्फेसहरू तिनीहरूको कार्यसम्पादन सुधार गर्न MIMO एन्टेनाहरूमा प्रयोगको लागि हो। मेटासर्फेस र MIMO एन्टेना बीचको दूरी एन्टेना र मेटासर्फेसबाट प्रतिबिम्बित तरंगहरू बीच रचनात्मक हस्तक्षेपलाई अनुमति दिँदै उच्च लाभ प्राप्त गर्न महत्त्वपूर्ण छ। MIMO तत्वहरू बीच अधिकतम लाभ र अलगावको लागि क्वार्टर-वेभ मापदण्डहरू कायम राख्दै एन्टेना र मेटासर्फेस बीचको उचाइलाई अनुकूलन गर्न विस्तृत मोडलिङ प्रदर्शन गरिएको थियो। ब्याकप्लेन बिनाको मेटासर्फेसको तुलनामा ब्याकप्लेनहरूसँग मेटासर्फेसहरू प्रयोग गरेर हासिल गरिएको MIMO एन्टेना कार्यसम्पादनमा उल्लेखनीय सुधारहरू पछिल्ला अध्यायहरूमा प्रदर्शन गरिनेछ।
(a) MS (CST STUDIO SUITE 2019) को प्रयोग गरी प्रस्तावित MIMO एन्टेनाको CST सिमुलेशन सेटअप, (b) MS बिना र MS को साथ विकसित MIMO प्रणालीको रिफ्लेकन्स कर्भहरू।
MIMO एन्टेनाको प्रतिबिम्ब मेटासर्फेसहरू सहित र बिना चित्र 13b मा देखाइएको छ, जहाँ S11 र S44 MIMO प्रणालीमा सबै एन्टेनाहरूको लगभग समान व्यवहारको कारणले प्रस्तुत गरिएको छ। यो ध्यान दिन लायक छ कि एकल मेटासर्फेस बिना र बिना MIMO एन्टेनाको -10 dB प्रतिबाधा ब्यान्डविथ लगभग समान छ। यसको विपरित, प्रस्तावित MIMO एन्टेनाको प्रतिबाधा ब्यान्डविथ डुअल-लेयर MS र ब्याकप्लेन MS द्वारा सुधारिएको छ। यो ध्यान दिन लायक छ कि MS बिना, MIMO एन्टेनाले केन्द्र आवृत्तिको सापेक्ष 81.5% (3.2-7.6 GHz) को भिन्नात्मक ब्यान्डविथ प्रदान गर्दछ। MS लाई ब्याकप्लेनसँग एकीकृत गर्दा प्रस्तावित MIMO एन्टेनाको प्रतिबाधा ब्यान्डविथ 86.3% (3.08–7.75 GHz) मा बढ्छ। यद्यपि डुअल-लेयर एमएसले थ्रुपुट बढाउँछ, सुधार तामा ब्याकप्लेनको साथ एमएसको भन्दा कम छ। यसबाहेक, डुअल-लेयर MC ले एन्टेनाको साइज बढाउँछ, यसको लागत बढाउँछ, र यसको दायरा सीमित गर्दछ। डिजाइन गरिएको MIMO एन्टेना र मेटासर्फेस रिफ्लेक्टर सिमुलेशन नतिजाहरू प्रमाणित गर्न र वास्तविक कार्यसम्पादन मूल्याङ्कन गर्नका लागि बनाइएको र प्रमाणित गरिएको छ। चित्र 14a ले निर्मित MS लेयर र MIMO एन्टेना विभिन्न कम्पोनेन्टहरू भेला भएको देखाउँछ, जबकि चित्र 14b ले विकसित MIMO प्रणालीको फोटो देखाउँछ। चित्र 14b मा देखाइए अनुसार MIMO एन्टेना चार नायलन स्पेसरहरू प्रयोग गरेर मेटासर्फेसको शीर्षमा माउन्ट गरिएको छ। चित्र 15a ले विकसित MIMO एन्टेना प्रणालीको नजिकको क्षेत्र प्रयोगात्मक सेटअपको स्न्यापसट देखाउँछ। एक PNA नेटवर्क विश्लेषक (Agilent Technologies PNA N5227A) स्क्याटरिङ प्यारामिटरहरू अनुमान गर्न र UKM SATIMO नजिकको-फिल्ड प्रणाली प्रयोगशालामा नजिकको क्षेत्र उत्सर्जन विशेषताहरूको मूल्याङ्कन गर्न र विशेषताहरू गर्न प्रयोग गरिएको थियो।
(a) SATIMO नजिकको फिल्ड मापनका तस्बिरहरू (b) MS सँग र बिना S11 MIMO एन्टेनाको सिमुलेटेड र प्रयोगात्मक वक्रहरू।
यस खण्डले प्रस्तावित 5G MIMO एन्टेनाको सिमुलेटेड र अवलोकन गरिएको S- प्यारामिटरहरूको तुलनात्मक अध्ययन प्रस्तुत गर्दछ। चित्र 15b ले एकीकृत 4-तत्व MIMO MS एन्टेनाको प्रयोगात्मक प्रतिबिम्ब प्लट देखाउँछ र यसलाई CST सिमुलेशन परिणामहरूसँग तुलना गर्दछ। प्रयोगात्मक प्रतिबिम्बहरू CST गणनाहरू जस्तै भेट्टाए, तर निर्माण त्रुटिहरू र प्रयोगात्मक सहिष्णुताका कारण थोरै फरक थिए। थप रूपमा, प्रस्तावित MS-आधारित MIMO प्रोटोटाइपको अवलोकन गरिएको प्रतिबिम्बले 4.8 GHz को प्रतिबाधा ब्यान्डविथको साथ 6 GHz मुनि 5G स्पेक्ट्रम कभर गर्दछ, जसको मतलब 5G अनुप्रयोगहरू सम्भव छन्। यद्यपि, मापन गरिएको रेसोनन्ट फ्रिक्वेन्सी, ब्यान्डविथ, र एम्प्लिच्युड CST सिमुलेशन परिणामहरूबाट थोरै फरक छ। निर्माण त्रुटिहरू, कोक्स-टू-SMA युग्मन घाटा, र बाहिरी मापन सेटअपहरूले मापन र नक्कल परिणामहरू बीच भिन्नता ल्याउन सक्छ। यद्यपि, यी कमजोरीहरूको बावजुद, प्रस्तावित MIMO ले राम्रो प्रदर्शन गर्दछ, सिमुलेशन र मापनहरू बीच बलियो सम्झौता प्रदान गर्दै, यसलाई सब-6 GHz 5G वायरलेस अनुप्रयोगहरूको लागि राम्रोसँग उपयुक्त बनाउँदै।
सिमुलेटेड र अवलोकन गरिएको MIMO एन्टेना लाभ कर्भहरू चित्र 2 र 2 मा देखाइएको छ। चित्र 16a,b र 17a,b मा देखाइए अनुसार क्रमशः, MIMO कम्पोनेन्टहरूको आपसी अन्तरक्रिया देखाइएको छ। जब मेटासर्फेसहरू MIMO एन्टेनाहरूमा लागू गरिन्छ, MIMO एन्टेनाहरू बीचको अलगाव उल्लेखनीय रूपमा सुधारिएको छ। छेउछाउको एन्टेना तत्वहरू S12, S14, S23 र S34 बीचको आइसोलेसन प्लटहरूले समान वक्रहरू देखाउँछन्, जबकि विकर्ण MIMO एन्टेनाहरू S13 र S42 तिनीहरू बीचको ठूलो दूरीको कारणले समान रूपमा उच्च अलगाव देखाउँछन्। छेउछाउको एन्टेनाको सिमुलेटेड ट्रान्समिशन विशेषताहरू चित्र 16a मा देखाइएको छ। यो ध्यान दिन लायक छ कि 6 GHz भन्दा कम 5G अपरेटिङ स्पेक्ट्रममा, मेटासर्फेस बिना MIMO एन्टेनाको न्यूनतम अलगाव -13.6 dB, र ब्याकप्लेन भएको मेटासर्फेसको लागि - 15.5 dB। लाभ प्लट (चित्र 16a) ले देखाउँदछ कि ब्याकप्लेन मेटासर्फेसले एकल- र डबल-लेयर मेटासर्फेसहरूको तुलनामा MIMO एन्टेना तत्वहरू बीचको अलगावलाई उल्लेखनीय रूपमा सुधार गर्दछ। छेउछाउको एन्टेना तत्वहरूमा, एकल- र डबल-लेयर मेटासर्फेसहरूले लगभग -13.68 dB र -14.78 dB को न्यूनतम अलगाव प्रदान गर्दछ, र तामा ब्याकप्लेन मेटासर्फेसले लगभग -15.5 dB प्रदान गर्दछ।
MS लेयर बिना र MS लेयर सहित MIMO तत्वहरूको सिमुलेटेड आइसोलेसन कर्भहरू: (a) S12, S14, S34 र S32 र (b) S13 र S24।
प्रस्तावित MS-आधारित MIMO एन्टेनाको प्रयोगात्मक लाभ वक्रहरू बिना र यससँग: (a) S12, S14, S34 र S32 र (b) S13 र S24।
MIMO विकर्ण एन्टेनाले एमएस तह थप्नु अघि र पछि प्लटहरू प्राप्त गर्दछ चित्र 16b मा देखाइएको छ। यो ध्यान दिन लायक छ कि मेटासर्फेस (एन्टेना 1 र 3) बिना विकर्ण एन्टेनाहरू बीचको न्यूनतम अलगाव - 15.6 dB अपरेटिङ स्पेक्ट्रममा छ, र ब्याकप्लेन भएको मेटासर्फेस - 18 dB हो। मेटासर्फेस दृष्टिकोणले विकर्ण MIMO एन्टेनाहरू बीचको युग्मन प्रभावहरूलाई उल्लेखनीय रूपमा कम गर्छ। एकल-तह मेटासर्फेसको लागि अधिकतम इन्सुलेशन -37 dB हो, जबकि डबल-लेयर मेटासर्फेसको लागि यो मान -47 dB मा झर्छ। तामाको ब्याकप्लेनको साथ मेटासर्फेसको अधिकतम अलगाव −36.2 dB हो, जुन बढ्दो आवृत्ति दायरा संग घट्छ। ब्याकप्लेन बिना एकल- र डबल-लेयर मेटासर्फेसहरूको तुलनामा, ब्याकप्लेनका साथ मेटासर्फेसहरूले सम्पूर्ण आवश्यक अपरेटिङ फ्रिक्वेन्सी दायरामा उत्कृष्ट अलगाव प्रदान गर्दछ, विशेष गरी 6 GHz मुनिको 5G दायरामा, चित्र 16a, b मा देखाइएको छ। 6 GHz (3.5 GHz) मुनि सबैभन्दा लोकप्रिय र व्यापक रूपमा प्रयोग गरिएको 5G ब्यान्डमा, एकल- र दोहोरो-तह मेटासर्फेसहरूमा तांबे ब्याकप्लेनहरू (लगभग कुनै MS छैन) भएको मेटासर्फेसहरू भन्दा MIMO कम्पोनेन्टहरू बीच कम अलगाव हुन्छ (चित्र 16a हेर्नुहोस्), b)। लाभ मापन चित्र 17a, b मा देखाइएको छ, क्रमशः छेउछाउको एन्टेना (S12, S14, S34 र S32) र विकर्ण एन्टेना (S24 र S13) को अलगाव देखाउँदै। यी तथ्याङ्कहरूबाट देख्न सकिन्छ (चित्र 17a, b), MIMO कम्पोनेन्टहरू बीचको प्रयोगात्मक अलगाव सिमुलेटेड अलगावसँग राम्रोसँग सहमत छ। यद्यपि निर्माण दोषहरू, SMA पोर्ट जडानहरू र तार हानिहरूको कारणले गर्दा सिमुलेटेड र मापन गरिएको CST मानहरू बीच सानो भिन्नताहरू छन्। थप रूपमा, एन्टेना र एमएस रिफ्लेक्टर नायलन स्पेसरहरू बीच अवस्थित छन्, जुन अर्को मुद्दा हो जसले सिमुलेशन परिणामहरूको तुलनामा अवलोकन परिणामहरूलाई असर गर्छ।
सतह तरंग दमन मार्फत पारस्परिक युग्मन कम गर्न मेटासर्फेसको भूमिकालाई तर्कसंगत बनाउन 5.5 GHz मा सतहको वर्तमान वितरण अध्ययन गरियो। प्रस्तावित MIMO एन्टेनाको सतहको वर्तमान वितरण चित्र 18 मा देखाइएको छ, जहाँ एन्टेना 1 चलाइएको छ र बाँकी एन्टेना 50 ओम लोडको साथ समाप्त हुन्छ। जब एन्टेना 1 सक्रिय हुन्छ, चित्र 18a मा देखाइए अनुसार, मेटासर्फेसको अनुपस्थितिमा 5.5 GHz नजिकैको एन्टेनाहरूमा महत्त्वपूर्ण पारस्परिक युग्मन प्रवाहहरू देखा पर्नेछ। यसको विपरित, मेटासर्फेसहरूको प्रयोगद्वारा, चित्र 18b–d मा देखाइए अनुसार, छेउछाउको एन्टेनाहरू बीचको अलगाव सुधारिएको छ। यो ध्यान दिनु पर्छ कि छेउछाउको क्षेत्रहरूको पारस्परिक युग्मनको प्रभावलाई एकाइ कक्षहरूको छेउछाउको छल्ले र MS तहको छेउछाउको MS इकाई कक्षहरूमा एन्टिसमानान्तर दिशाहरूमा प्रचार गरेर कम गर्न सकिन्छ। MIMO कम्पोनेन्टहरू बीचको अलगाव सुधार गर्न वितरित एन्टेनाबाट MS एकाइहरूमा करेन्ट इन्जेक्सन गर्नु एक प्रमुख विधि हो। नतिजाको रूपमा, MIMO कम्पोनेन्टहरू बीचको युग्मन वर्तमान धेरै कम भएको छ, र अलगाव पनि धेरै सुधारिएको छ। किनभने युग्मन क्षेत्र तत्वमा व्यापक रूपमा वितरण गरिएको छ, तामा ब्याकप्लेन मेटासर्फेसले MIMO एन्टेना एसेम्बलीलाई एकल- र डबल-लेयर मेटासर्फेसहरू (चित्र 18d) भन्दा महत्त्वपूर्ण रूपमा अलग गर्दछ। यसबाहेक, विकसित MIMO एन्टेनासँग धेरै कम ब्याकप्रोपेगेसन र साइड प्रोपेगेशन छ, जसले एक दिशाहीन विकिरण ढाँचा उत्पादन गर्दछ, जसले प्रस्तावित MIMO एन्टेनाको लाभ बढाउँछ।
5.5 GHz (a) बिना MC, (b) एकल-तह MC, (c) डबल-लेयर MC, र (d) तांबे ब्याकप्लेनको साथ एकल-तह MC मा प्रस्तावित MIMO एन्टेनाको सतह वर्तमान ढाँचाहरू। (CST स्टुडियो सुइट 2019)।
अपरेटिङ फ्रिक्वेन्सी भित्र, चित्र 19a ले मेटासर्फेस बिना र बिना डिजाइन गरिएको MIMO एन्टेनाको सिमुलेटेड र अवलोकन लाभहरू देखाउँछ। मेटासर्फेस बिना MIMO एन्टेनाको सिमुलेटेड प्राप्त लाभ 5.4 dBi हो, चित्र 19a मा देखाइएको छ। MIMO कम्पोनेन्टहरू बीचको पारस्परिक युग्मन प्रभावको कारण, प्रस्तावित MIMO एन्टेनाले वास्तवमा एकल एन्टेना भन्दा 0.25 dBi उच्च लाभ प्राप्त गर्दछ। मेटासर्फेसहरूको थपले MIMO कम्पोनेन्टहरू बीच महत्त्वपूर्ण लाभ र अलगाव प्रदान गर्न सक्छ। यसरी, प्रस्तावित मेटासर्फेस MIMO एन्टेनाले 8.3 dBi सम्मको उच्च प्राप्त लाभ प्राप्त गर्न सक्छ। चित्र 19a मा देखाइएको छ, जब MIMO एन्टेनाको पछाडि एकल मेटासर्फेस प्रयोग गरिन्छ, लाभ 1.4 dBi ले बढ्छ। जब मेटासर्फेस दोब्बर हुन्छ, लाभ 2.1 dBi ले बढ्छ, चित्र 19a मा देखाइएको छ। यद्यपि, तामाको ब्याकप्लेनसँग मेटासर्फेस प्रयोग गर्दा 8.3 dBi को अपेक्षित अधिकतम लाभ प्राप्त हुन्छ। उल्लेखनीय रूपमा, एकल-तह र डबल-लेयर मेटासर्फेसहरूको लागि अधिकतम प्राप्त लाभ क्रमशः 6.8 dBi र 7.5 dBi हो, जबकि तल-तह मेटासर्फेसको लागि अधिकतम प्राप्त लाभ 8.3 dBi हो। एन्टेनाको पछाडिपट्टि रहेको मेटासर्फेस लेयरले एन्टेनाको पछाडिको छेउबाट विकिरणलाई प्रतिबिम्बित गर्ने र डिजाइन गरिएको MIMO एन्टेनाको अगाडि-देखि-पछाडि (F/B) अनुपातमा सुधार गर्ने रिफ्लेक्टरको रूपमा कार्य गर्दछ। थप रूपमा, उच्च प्रतिबाधा एमएस रिफ्लेक्टरले इलेक्ट्रोम्याग्नेटिक तरंगहरू इन-फेजमा हेरफेर गर्दछ, जसले थप अनुनाद सिर्जना गर्दछ र प्रस्तावित MIMO एन्टेनाको विकिरण कार्यसम्पादनमा सुधार गर्दछ। MIMO एन्टेना पछाडि स्थापित MS रिफ्लेक्टरले प्राप्त लाभलाई उल्लेखनीय रूपमा बढाउन सक्छ, जुन प्रयोगात्मक परिणामहरूद्वारा पुष्टि हुन्छ। विकसित प्रोटोटाइप MIMO एन्टेनाको अवलोकन र नक्कल लाभहरू लगभग समान छन्, तथापि, केही फ्रिक्वेन्सीहरूमा मापन गरिएको लाभ सिमुलेटेड लाभ भन्दा बढी हुन्छ, विशेष गरी MS बिना MIMO को लागि; प्रयोगात्मक लाभमा यी भिन्नताहरू नायलन प्याडहरूको मापन सहिष्णुता, केबल हानि, र एन्टेना प्रणालीमा युग्मनका कारण हुन्। मेटासर्फेस बिना MIMO एन्टेनाको शिखर मापन गरिएको लाभ 5.8 dBi हो, जबकि तामाको ब्याकप्लेनको साथ मेटासर्फेस 8.5 dBi हो। यो ध्यान दिन लायक छ कि प्रस्तावित पूर्ण 4-पोर्ट MIMO एन्टेना प्रणाली एमएस रिफ्लेक्टरको साथ प्रयोगात्मक र संख्यात्मक अवस्थाहरूमा उच्च लाभ प्रदर्शन गर्दछ।
सिमुलेशन र प्रयोगात्मक परिणामहरू (a) प्राप्त लाभ र (b) metasurface प्रभावको साथ प्रस्तावित MIMO एन्टेनाको समग्र प्रदर्शन।
चित्र 19b ले मेटासर्फेस रिफ्लेक्टर बिना र बिना प्रस्तावित MIMO प्रणालीको समग्र प्रदर्शन देखाउँछ। चित्र 19b मा, ब्याकप्लेनसँग एमएस प्रयोग गर्ने सबैभन्दा कम दक्षता 73% भन्दा बढी थियो (84% सम्म)। MC बिना र MC सँग विकसित MIMO एन्टेनाहरूको समग्र दक्षता सिमुलेटेड मानहरूको तुलनामा सानो भिन्नताहरूसँग लगभग समान छ। यसका कारणहरू मापन सहिष्णुता र एन्टेना र एमएस रिफ्लेक्टर बीचको स्पेसरहरूको प्रयोग हो। मापन प्राप्त लाभ र सम्पूर्ण फ्रिक्वेन्सीमा समग्र दक्षता लगभग सिमुलेशन नतिजाहरूसँग मिल्दोजुल्दो छ, जसले प्रस्तावित MIMO प्रोटोटाइपको कार्यसम्पादन अपेक्षित रूपमा छ र सिफारिस गरिएको MS-आधारित MIMO एन्टेना 5G संचारका लागि उपयुक्त छ भनी संकेत गर्दछ। प्रयोगात्मक अध्ययनहरूमा त्रुटिहरूको कारण, प्रयोगशाला प्रयोगहरूको समग्र नतिजा र सिमुलेशनको नतिजाहरू बीच भिन्नताहरू अवस्थित छन्। प्रस्तावित प्रोटोटाइपको कार्यसम्पादन एन्टेना र SMA कनेक्टर बीचको प्रतिबाधा बेमेल, समाक्षीय केबल स्प्लिस हानि, सोल्डरिंग प्रभावहरू, र प्रयोगात्मक सेटअपमा विभिन्न इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूको निकटताबाट प्रभावित हुन्छ।
चित्र 20 ले ब्लक रेखाचित्रको रूपमा उक्त एन्टेनाको डिजाइन र अनुकूलन प्रगति वर्णन गर्दछ। यस ब्लक रेखाचित्रले प्रस्तावित MIMO एन्टेना डिजाइन सिद्धान्तहरूको चरण-दर-चरण विवरण प्रदान गर्दछ, साथै आवश्यक उच्च लाभ र व्यापक अपरेटिङ फ्रिक्वेन्सीमा उच्च अलगाव प्राप्त गर्न एन्टेनालाई अप्टिमाइज गर्नमा मुख्य भूमिका खेल्ने प्यारामिटरहरू।
निकट-क्षेत्र MIMO एन्टेना मापन UKM SATIMO नजिकको-फिल्ड प्रणाली प्रयोगशालामा SATIMO नजिक-फिल्ड प्रायोगिक वातावरणमा मापन गरियो। चित्र 21a,b ले 5.5 GHz को अपरेटिङ फ्रिक्वेन्सीमा MS सँग र बिना दाबी गरिएको MIMO एन्टेनाको सिमुलेटेड र अवलोकन गरिएको ई-प्लेन र H-प्लेन विकिरण ढाँचाहरू चित्रण गर्दछ। 5.5 GHz को अपरेटिङ फ्रिक्वेन्सी दायरामा, विकसित गैर-MS MIMO एन्टेनाले साइड लोब मानहरूको साथ एक सुसंगत द्विदिशात्मक विकिरण ढाँचा प्रदान गर्दछ। एमएस रिफ्लेक्टर लागू गरेपछि, एन्टेनाले एक दिशात्मक विकिरण ढाँचा प्रदान गर्दछ र ब्याक लोबको स्तर घटाउँछ, जस्तै चित्र 21a, b मा देखाइएको छ। यो ध्यान दिन लायक छ कि तामाको ब्याकप्लेनको साथ मेटासर्फेस प्रयोग गरेर, प्रस्तावित MIMO एन्टेना ढाँचा MS बिना भन्दा धेरै स्थिर र दिशाहीन छ, धेरै कम ब्याक र साइड लोबहरू सहित। प्रस्तावित एमएम एरे रिफ्लेक्टरले एन्टेनाको पछाडि र छेउको लोबहरू घटाउँछ र विकिरण विशेषताहरूलाई पनि एक दिशाहीन दिशामा (चित्र 21a, b) निर्देशित गरेर विकिरण विशेषताहरूलाई सुधार गर्दछ, जसले गर्दा लाभ र निर्देशन बढ्छ। मापन गरिएको विकिरण ढाँचा पोर्ट 1 को लागि 50 ओम लोड बाँकी पोर्टहरूसँग जोडिएको थियो। यो देखियो कि प्रायोगिक विकिरण ढाँचा CST द्वारा सिमुलेट गरिएको जस्तै लगभग समान थियो, यद्यपि त्यहाँ कम्पोनेन्ट मिसलाइनमेन्ट, टर्मिनल पोर्टहरूबाट प्रतिबिम्ब, र केबल जडानहरूमा हानिका कारण केही विचलनहरू थिए। थप रूपमा, एन्टेना र एमएस रिफ्लेक्टरको बीचमा एक नायलन स्पेसर सम्मिलित गरिएको थियो, जुन भविष्यवाणी गरिएका परिणामहरूको तुलनामा अवलोकन परिणामहरूलाई असर गर्ने अर्को मुद्दा हो।
5.5 GHz को फ्रिक्वेन्सीमा विकसित MIMO एन्टेना (MS बिना र MS संग) को विकिरण ढाँचा सिमुलेट र परीक्षण गरिएको थियो।
MIMO प्रणालीहरूको कार्यसम्पादन मूल्याङ्कन गर्दा पोर्ट आइसोलेसन र यससँग सम्बन्धित विशेषताहरू आवश्यक छन् भनी नोट गर्न महत्त्वपूर्ण छ। खाम सहसंबंध गुणांक (ECC) र विविधता लाभ (DG) सहित प्रस्तावित MIMO प्रणालीको विविधता प्रदर्शन डिजाइन गरिएको MIMO एन्टेना प्रणालीको सुदृढता चित्रण गर्न जाँच गरिएको छ। MIMO एन्टेनाको ECC र DG यसको कार्यसम्पादन मूल्याङ्कन गर्न प्रयोग गर्न सकिन्छ किनभने तिनीहरू MIMO प्रणालीको कार्यसम्पादनका महत्त्वपूर्ण पक्षहरू हुन्। निम्न खण्डहरूले प्रस्तावित MIMO एन्टेनाका यी सुविधाहरूको विस्तार गर्नेछ।
खाम सहसंबंध गुणांक (ECC)। कुनै पनि MIMO प्रणालीलाई विचार गर्दा, ECC ले आफ्नो विशिष्ट गुणहरूको सन्दर्भमा घटक तत्वहरू एकअर्कासँग सम्बन्धित हुने डिग्री निर्धारण गर्दछ। यसरी, ECC ताररहित संचार नेटवर्कमा च्यानल अलगाव को डिग्री देखाउँछ। विकसित MIMO प्रणालीको ECC (खाम सहसंबंध गुणांक) S- प्यारामिटरहरू र टाढा-क्षेत्र उत्सर्जनको आधारमा निर्धारण गर्न सकिन्छ। Eq बाट। (7) र (8) प्रस्तावित MIMO एन्टेना 31 को ECC निर्धारण गर्न सकिन्छ।
प्रतिबिम्ब गुणांक Sii द्वारा प्रतिनिधित्व गरिन्छ र Sij ले प्रसारण गुणांक प्रतिनिधित्व गर्दछ। j-th र i-th एन्टेनाहरूको त्रि-आयामी विकिरण ढाँचाहरू अभिव्यक्तिहरूद्वारा दिइन्छ \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) र \( \vec {{R_{ i } }} ठोस कोण \left( {\theta ,\varphi } \right)\) र \({\Omega }\) द्वारा प्रतिनिधित्व गर्दछ। प्रस्तावित एन्टेनाको ECC वक्र चित्र 22a मा देखाइएको छ र यसको मान 0.004 भन्दा कम छ, जुन वायरलेस प्रणालीको लागि 0.5 को स्वीकार्य मान भन्दा तल छ। त्यसकारण, घटाइएको ECC मानको अर्थ प्रस्तावित 4-पोर्ट MIMO प्रणालीले उत्कृष्ट विविधता प्रदान गर्दछ।
विविधता लाभ (DG) DG अर्को MIMO प्रणाली प्रदर्शन मेट्रिक हो जसले विविधता योजनाले विकिरण गरिएको शक्तिलाई कसरी असर गर्छ भनेर वर्णन गर्दछ। सम्बन्ध (9) ले 31 मा वर्णन गरिए अनुसार विकास भइरहेको MIMO एन्टेना प्रणालीको DG निर्धारण गर्दछ।
चित्र 22b ले प्रस्तावित MIMO प्रणालीको DG रेखाचित्र देखाउँछ, जहाँ DG मान 10 dB को धेरै नजिक छ। डिजाइन गरिएको MIMO प्रणालीका सबै एन्टेनाहरूको DG मानहरू 9.98 dB भन्दा बढी छन्।
तालिका १ ले प्रस्तावित मेटासर्फेस MIMO एन्टेनालाई हालै विकसित समान MIMO प्रणालीहरूसँग तुलना गर्दछ। तुलनाले ब्यान्डविथ, लाभ, अधिकतम अलगाव, समग्र दक्षता, र विविधता प्रदर्शन सहित विभिन्न कार्यसम्पादन प्यारामिटरहरूलाई ध्यानमा राख्छ। अन्वेषकहरूले 5, 44, 45, 46, 47 मा लाभ र पृथक वृद्धि प्रविधिहरू सहित विभिन्न MIMO एन्टेना प्रोटोटाइपहरू प्रस्तुत गरेका छन्। पहिले प्रकाशित कार्यहरूको तुलनामा, प्रस्तावित MIMO प्रणालीले मेटासर्फेस रिफ्लेक्टरहरू ब्यान्डविथ, लाभ, र अलगावको सन्दर्भमा तिनीहरूलाई उत्कृष्ट गर्छ। थप रूपमा, रिपोर्ट गरिएको समान एन्टेनाहरूको तुलनामा, विकसित MIMO प्रणालीले सानो आकारमा उत्कृष्ट विविधता प्रदर्शन र समग्र दक्षता प्रदर्शन गर्दछ। यद्यपि सेक्सन 5.46 मा वर्णन गरिएको एन्टेनाहरूमा हाम्रो प्रस्तावित एन्टेनाहरू भन्दा उच्च अलगाव छ, यी एन्टेनाहरू ठूलो आकार, कम लाभ, साँघुरो ब्यान्डविथ, र खराब MIMO प्रदर्शनबाट पीडित छन्। 45 मा प्रस्तावित 4-पोर्ट MIMO एन्टेनाले उच्च लाभ र दक्षता प्रदर्शन गर्दछ, तर यसको डिजाइनमा कम अलगाव, ठूलो आकार, र खराब विविधता प्रदर्शन छ। अर्कोतर्फ, 47 मा प्रस्तावित सानो आकारको एन्टेना प्रणालीमा धेरै कम लाभ र सञ्चालन ब्यान्डविथ छ, जबकि हाम्रो प्रस्तावित MS आधारित 4-पोर्ट MIMO प्रणालीले सानो आकार, उच्च लाभ, उच्च अलगाव र राम्रो प्रदर्शन MIMO प्रदर्शन गर्दछ। तसर्थ, प्रस्तावित मेटासर्फेस MIMO एन्टेना सब-6 GHz 5G संचार प्रणालीहरूको लागि प्रमुख दावेदार बन्न सक्छ।
उच्च लाभ र अलगावको साथ चार-पोर्ट मेटासर्फेस रिफ्लेक्टर-आधारित वाइडब्यान्ड MIMO एन्टेना 6 GHz मुनि 5G अनुप्रयोगहरूलाई समर्थन गर्न प्रस्ताव गरिएको छ। माइक्रोस्ट्रिप रेखाले वर्गाकार विकिरण खण्डलाई फिड गर्छ, जुन विकर्ण कुनाहरूमा वर्गद्वारा काटिएको हुन्छ। प्रस्तावित MS र एन्टेना एमिटर उच्च-गति 5G संचार प्रणालीहरूमा उत्कृष्ट प्रदर्शन प्राप्त गर्न रोजर्स RT5880 जस्तै सब्सट्रेट सामग्रीहरूमा लागू गरिन्छ। MIMO एन्टेनाले फराकिलो दायरा र उच्च लाभ प्रदान गर्दछ, र MIMO कम्पोनेन्टहरू र उत्कृष्ट दक्षताहरू बीच ध्वनि अलगाव प्रदान गर्दछ। विकसित एकल एन्टेनाको लघु आयाम ०.५८?०.५८?०.०२ छ? 5×5 मेटासर्फेस एरेको साथ, चौडा 4.56 GHz अपरेटिङ ब्यान्डविथ, 8 dBi शिखर लाभ र उच्च मापन दक्षता प्रदान गर्दछ। प्रस्तावित चार-पोर्ट MIMO एन्टेना (2 × 2 array) प्रत्येक प्रस्तावित एकल एन्टेनालाई 1.05λ × 1.05λ × 0.02λ को आयाम भएको अर्को एन्टेनासँग अर्थोगोनली पङ्क्तिबद्ध गरेर डिजाइन गरिएको हो। 12mm उच्च MIMO एन्टेना अन्तर्गत 10×10 MM एरे जम्मा गर्न सिफारिस गरिन्छ, जसले ब्याक-रेडिएसन कम गर्न सक्छ र MIMO कम्पोनेन्टहरू बीच आपसी युग्मन कम गर्न सक्छ, जसले गर्दा लाभ र अलगावमा सुधार हुन्छ। प्रयोगात्मक र सिमुलेशन परिणामहरूले देखाउँछ कि विकसित MIMO प्रोटोटाइपले 3.08-7.75 GHz को फराकिलो फ्रिक्वेन्सी दायरामा काम गर्न सक्छ, 5G स्पेक्ट्रम 6 GHz भन्दा कम छ। थप रूपमा, प्रस्तावित MS-आधारित MIMO एन्टेनाले यसको लाभलाई 2.9 dBi ले सुधार गर्दछ, 8.3 dBi को अधिकतम लाभ प्राप्त गर्दछ, र MS को योगदानलाई मान्य गर्दै MIMO घटकहरू बीच उत्कृष्ट अलगाव (>15.5 dB) प्रदान गर्दछ। थप रूपमा, प्रस्तावित MIMO एन्टेनाको 82% को उच्च औसत समग्र दक्षता र 22 मिमीको कम अन्तर-तत्व दूरी छ। एन्टेनाले उत्कृष्ट MIMO विविधता प्रदर्शन प्रदर्शन गर्दछ जसमा धेरै उच्च DG (9.98 dB माथि), धेरै कम ECC (0.004 भन्दा कम) र एक दिशात्मक विकिरण ढाँचा समावेश छ। मापन परिणामहरू सिमुलेशन परिणामहरूसँग धेरै समान छन्। यी विशेषताहरूले पुष्टि गर्दछ कि विकसित चार-पोर्ट MIMO एन्टेना प्रणाली उप-6 GHz फ्रिक्वेन्सी दायरामा 5G संचार प्रणालीहरूको लागि एक व्यवहार्य विकल्प हुन सक्छ।
Cowin ले 400-6000MHz वाइडब्यान्ड PCB एन्टेना प्रदान गर्न सक्छ, र तपाईंको आवश्यकता अनुसार नयाँ एन्टेना डिजाइन गर्न समर्थन गर्दछ, यदि तपाईंसँग कुनै अनुरोध छ भने कृपया हामीलाई बिना हिचकिचाहट सम्पर्क गर्नुहोस्।
पोस्ट समय: अक्टोबर-10-2024