Usando metassuperfícies para melhorar o ganho e o isolamento de antenas PCB de banda larga para sistemas de comunicação 5G sub-6 GHz

Este trabalho propõe uma antena de banda larga compacta integrada de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) de metassuperfície (MS) para sistemas de comunicação sem fio sub-6 GHz de quinta geração (5G). A novidade óbvia do sistema MIMO proposto é sua ampla largura de banda operacional, alto ganho, pequenas folgas entre componentes e excelente isolamento dentro dos componentes MIMO. O ponto radiante da antena é truncado diagonalmente, parcialmente aterrado, e metassuperfícies são usadas para melhorar o desempenho da antena. O protótipo de antena MS integrada integrada proposta tem dimensões em miniatura de 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Os resultados de simulação e medição demonstram desempenho de banda larga de 3,11 GHz a 7,67 GHz, incluindo o maior ganho alcançado de 8 dBi. O sistema MIMO de quatro elementos foi projetado para que cada antena seja ortogonal entre si, mantendo um tamanho compacto e desempenho de banda larga de 3,2 a 7,6 GHz. O protótipo MIMO proposto é projetado e fabricado em substrato Rogers RT5880 com baixa perda e dimensões miniaturizadas de 1,05? 1,05? 0,02?, e seu desempenho é avaliado usando o conjunto ressonador de anel quadrado fechado proposto com um anel dividido 10 x 10. O material básico é o mesmo. A metassuperfície do backplane proposta reduz significativamente a radiação traseira da antena e manipula campos eletromagnéticos, melhorando assim a largura de banda, o ganho e o isolamento dos componentes MIMO. Em comparação com as antenas MIMO existentes, a antena MIMO de 4 portas proposta atinge um alto ganho de 8,3 dBi com uma eficiência geral média de até 82% na banda 5G sub-6 GHz e está de acordo com os resultados medidos. Além disso, a antena MIMO desenvolvida apresenta excelente desempenho em termos de coeficiente de correlação de envelope (ECC) inferior a 0,004, ganho de diversidade (DG) de cerca de 10 dB (>9,98 dB) e alto isolamento entre componentes MIMO (>15,5 dB). características. Assim, a antena MIMO proposta baseada em MS confirma sua aplicabilidade para redes de comunicação 5G sub-6 GHz.
A tecnologia 5G é um avanço incrível nas comunicações sem fios que permitirá redes mais rápidas e seguras para milhares de milhões de dispositivos conectados, proporcionará experiências de utilizador com latência “zero” (latência inferior a 1 milissegundo) e introduzirá novas tecnologias, incluindo electrónica. Assistência médica, educação intelectual. , cidades inteligentes, casas inteligentes, realidade virtual (RV), fábricas inteligentes e a Internet dos Veículos (IoV) estão a mudar as nossas vidas, a sociedade e as indústrias1,2,3. A Comissão Federal de Comunicações dos EUA (FCC) divide o espectro 5G em quatro faixas de frequência4. A faixa de frequência abaixo de 6 GHz é de interesse dos pesquisadores porque permite comunicações de longa distância com altas taxas de dados5,6. A atribuição do espectro 5G sub-6 GHz para comunicações 5G globais é mostrada na Figura 1, indicando que todos os países estão a considerar o espectro sub-6 GHz para comunicações 5G7,8. As antenas são uma parte importante das redes 5G e exigirão mais estações base e antenas de terminais de usuários.
As antenas patch microfita têm as vantagens de serem finas e de estrutura plana, mas são limitadas em largura de banda e ganho9,10, muitas pesquisas foram feitas para aumentar o ganho e a largura de banda da antena; Nos últimos anos, as metassuperfícies (MS) têm sido amplamente utilizadas em tecnologias de antenas, especialmente para melhorar ganho e rendimento11,12, porém, essas antenas são limitadas a uma única porta; A tecnologia MIMO é um aspecto importante das comunicações sem fio porque pode usar múltiplas antenas simultaneamente para transmitir dados, melhorando assim as taxas de dados, a eficiência espectral, a capacidade do canal e a confiabilidade13,14,15. As antenas MIMO são candidatas potenciais para aplicações 5G porque podem transmitir e receber dados através de múltiplos canais sem necessidade de energia adicional16,17. O efeito de acoplamento mútuo entre os componentes MIMO depende da localização dos elementos MIMO e do ganho da antena MIMO, o que é um grande desafio para os pesquisadores. As Figuras 18, 19 e 20 mostram várias antenas MIMO operando na banda 5G sub-6 GHz, todas demonstrando bom isolamento e desempenho MIMO. No entanto, o ganho e a largura de banda operacional desses sistemas propostos são baixos.
Metamateriais (MMs) são materiais novos que não existem na natureza e podem manipular ondas eletromagnéticas, melhorando assim o desempenho das antenas21,22,23,24. MM é agora amplamente utilizado na tecnologia de antenas para melhorar o padrão de radiação, largura de banda, ganho e isolamento entre elementos de antena e sistemas de comunicação sem fio, conforme discutido em 25, 26, 27, 28. Em 2029, um sistema MIMO de quatro elementos baseado em metassuperfície, na qual a seção da antena é imprensada entre a metassuperfície e o solo sem entreferro, o que melhora o desempenho do MIMO. Porém, este projeto possui tamanho maior, menor frequência de operação e estrutura complexa. Um bandgap eletromagnético (EBG) e um loop de terra estão incluídos na antena MIMO de banda larga de 2 portas proposta para melhorar o isolamento dos componentes MIMO30. A antena projetada possui bom desempenho de diversidade MIMO e excelente isolamento entre duas antenas MIMO, mas usando apenas dois componentes MIMO, o ganho será baixo. Além disso, in31 também propôs uma antena MIMO de banda ultralarga (UWB) de porta dupla e investigou seu desempenho MIMO usando metamateriais. Embora esta antena seja capaz de operar em UWB, seu ganho é baixo e o isolamento entre as duas antenas é ruim. O trabalho in32 propõe um sistema MIMO de 2 portas que utiliza refletores eletromagnéticos bandgap (EBG) para aumentar o ganho. Embora o conjunto de antenas desenvolvido tenha alto ganho e bom desempenho de diversidade MIMO, seu grande tamanho dificulta a aplicação em dispositivos de comunicação de próxima geração. Outra antena de banda larga baseada em refletor foi desenvolvida em 33, onde o refletor foi integrado sob a antena com um gap maior de 22 mm, exibindo um ganho de pico menor de 4,87 dB. A Paper 34 projeta uma antena MIMO de quatro portas para aplicações mmWave, que é integrada à camada MS para melhorar o isolamento e o ganho do sistema MIMO. No entanto, esta antena oferece bom ganho e isolamento, mas tem largura de banda limitada e propriedades mecânicas ruins devido ao grande entreferro. Da mesma forma, em 2015, uma antena MIMO integrada em metassuperfície de três pares e 4 portas em forma de gravata borboleta foi desenvolvida para comunicações mmWave com um ganho máximo de 7,4 dBi. O B36 MS é usado na parte traseira de uma antena 5G para aumentar o ganho da antena, onde a metassuperfície atua como um refletor. No entanto, a estrutura da MS é assimétrica e menos atenção tem sido dada à estrutura da célula unitária.
De acordo com os resultados da análise acima, nenhuma das antenas acima possui alto ganho, excelente isolamento, desempenho MIMO e cobertura de banda larga. Portanto, ainda há necessidade de uma antena MIMO de metasuperfície que possa cobrir uma ampla faixa de frequências do espectro 5G abaixo de 6 GHz com alto ganho e isolamento. Considerando as limitações da literatura acima mencionada, um sistema de antena MIMO de banda larga de quatro elementos com alto ganho e excelente desempenho de diversidade é proposto para sistemas de comunicação sem fio sub-6 GHz. Além disso, a antena MIMO proposta apresenta excelente isolamento entre componentes MIMO, pequenas lacunas entre elementos e alta eficiência de radiação. O patch da antena é truncado diagonalmente e colocado no topo da metassuperfície com um entreferro de 12 mm, que reflete a radiação reversa da antena e melhora o ganho e a diretividade da antena. Além disso, a antena única proposta é usada para criar uma antena MIMO de quatro elementos com desempenho MIMO superior, posicionando cada antena ortogonalmente entre si. A antena MIMO desenvolvida foi então integrada no topo de um array 10 × 10 MS com um backplane de cobre para melhorar o desempenho de emissão. O design apresenta uma ampla faixa operacional (3,08-7,75 GHz), alto ganho de 8,3 dBi e alta eficiência geral média de 82%, bem como excelente isolamento superior a -15,5 dB entre os componentes da antena MIMO. A antena MIMO baseada em MS desenvolvida foi simulada usando o pacote de software eletromagnético 3D CST Studio 2019 e validada através de estudos experimentais.
Esta seção fornece uma introdução detalhada à arquitetura proposta e à metodologia de projeto de antena única. Além disso, os resultados simulados e observados são discutidos detalhadamente, incluindo parâmetros de espalhamento, ganho e eficiência geral com e sem metassuperfícies. O protótipo da antena foi desenvolvido em um substrato dielétrico de baixa perda Rogers 5880 com espessura de 1,575mm e constante dielétrica de 2,2. Para desenvolver e simular o projeto foi utilizado o pacote de simulador eletromagnético CST studio 2019.
A Figura 2 mostra a arquitetura proposta e o modelo de design de uma antena de elemento único. De acordo com equações matemáticas bem estabelecidas37, a antena consiste em um ponto radiante quadrado alimentado linearmente e um plano de aterramento de cobre (conforme descrito na etapa 1) e ressoa com uma largura de banda muito estreita a 10,8 GHz, conforme mostrado na Figura 3b. O tamanho inicial do radiador da antena é determinado pela seguinte relação matemática37:
Onde \(P_{L}\) e \(P_{w}\) são o comprimento e a largura da mancha, c representa a velocidade da luz, \(\gamma_{r}\) é a constante dielétrica do substrato . , \(\gamma_{reff }\) representa o valor dielétrico efetivo do ponto de radiação, \(\Delta L\) representa a mudança no comprimento do ponto. O backplane da antena foi otimizado no segundo estágio, aumentando a largura de banda de impedância apesar da largura de banda de impedância muito baixa de 10 dB. No terceiro estágio, a posição do alimentador é movida para a direita, o que melhora a largura de banda de impedância e o casamento de impedância da antena proposta . Nesta fase, a antena demonstra uma excelente largura de banda operacional de 4 GHz e também cobre o espectro abaixo de 6 GHz em 5G. A quarta e última etapa envolve a gravação de ranhuras quadradas em cantos opostos do ponto de radiação. Este slot expande significativamente a largura de banda de 4,56 GHz para cobrir o espectro 5G sub-6 GHz de 3,11 GHz a 7,67 GHz, conforme mostrado na Figura 3b. As vistas em perspectiva frontal e inferior do projeto proposto são mostradas na Figura 3a, e os parâmetros finais de projeto otimizados necessários são os seguintes: SL = 40 mm, Pw = 18 mm, PL = 18 mm, gL = 12 mm, fL = 11. mm, fW = 4,7 mm, c1 = 2 mm, c2 = 9,65 mm, c3 = 1,65 mm.
(a) Vistas superior e traseira da antena única projetada (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Curva do parâmetro S.
Metasuperfície é um termo que se refere a uma matriz periódica de células unitárias localizadas a uma certa distância umas das outras. Metasuperfícies são uma forma eficaz de melhorar o desempenho da radiação da antena, incluindo largura de banda, ganho e isolamento entre componentes MIMO. Devido à influência da propagação das ondas superficiais, as metassuperfícies geram ressonâncias adicionais que contribuem para melhorar o desempenho da antena . Este trabalho propõe uma unidade de metamaterial (MM) épsilon-negativo operando na banda 5G abaixo de 6 GHz. O MM com área superficial de 8mm×8mm foi desenvolvido sobre um substrato Rogers 5880 de baixa perda com constante dielétrica de 2,2 e espessura de 1,575mm. O patch ressonador MM otimizado consiste em um anel dividido circular interno conectado a dois anéis divididos externos modificados, como mostrado na Figura 4a. A Figura 4a resume os parâmetros finais otimizados da configuração MM proposta. Posteriormente, camadas de metassuperfície de 40 × 40 mm e 80 × 80 mm foram desenvolvidas sem backplane de cobre e com backplane de cobre usando matrizes de células 5 × 5 e 10 × 10 , respectivamente. A estrutura MM proposta foi modelada usando o software de modelagem eletromagnética 3D “CST studio suite 2019”. Um protótipo fabricado da estrutura proposta do array MM e configuração de medição (analisador de rede de porta dupla PNA e porta de guia de ondas) é mostrado na Figura 4b para validar os resultados da simulação CST analisando a resposta real. A configuração de medição usou um analisador de rede Agilent série PNA em combinação com dois adaptadores coaxiais de guia de onda (A-INFOMW, número de peça: 187WCAS) para enviar e receber sinais. Um protótipo de array 5×5 foi colocado entre dois adaptadores coaxiais de guia de ondas conectados por cabo coaxial a um analisador de rede de duas portas (Agilent PNA N5227A). O kit de calibração Agilent N4694-60001 é usado para calibrar o analisador de rede em uma planta piloto. Os parâmetros de espalhamento simulados e observados pelo CST do protótipo de matriz MM proposto são mostrados na Figura 5a. Pode-se observar que a estrutura MM proposta ressoa na faixa de frequência 5G abaixo de 6 GHz. Apesar da pequena diferença na largura de banda de 10 dB, os resultados simulados e experimentais são muito semelhantes. A frequência de ressonância, largura de banda e amplitude da ressonância observada são ligeiramente diferentes das simuladas, conforme mostrado na Figura 5a. Essas diferenças entre os resultados observados e simulados são devidas a imperfeições de fabricação, pequenas folgas entre o protótipo e as portas do guia de ondas, efeitos de acoplamento entre as portas do guia de ondas e os componentes do conjunto e tolerâncias de medição. Além disso, a colocação adequada do protótipo desenvolvido entre as portas do guia de ondas na configuração experimental pode resultar numa mudança de ressonância. Além disso, ruídos indesejados foram observados durante a fase de calibração, o que levou a discrepâncias entre os resultados numéricos e medidos. No entanto, além dessas dificuldades, o protótipo de array MM proposto tem um bom desempenho devido à forte correlação entre simulação e experimento, tornando-o adequado para aplicações de comunicação sem fio 5G sub-6 GHz.
(a) Geometria da célula unitária (S1 = 8 mm, S2 = 7 mm, S3 = 5 mm, f1, f2, f4 = 0,5 mm, f3 = 0,75 mm, h1 = 0,5 mm, h2 = 1,75 mm) (CST STUDIO SUITE) ) 2019) (b) Foto do setup de medição MM.
(a) Simulação e verificação das curvas dos parâmetros de espalhamento do protótipo do metamaterial. (b) Curva da constante dielétrica de uma célula unitária MM.
Parâmetros efetivos relevantes, como constante dielétrica efetiva, permeabilidade magnética e índice de refração, foram estudados usando técnicas de pós-processamento integradas do simulador eletromagnético CST para analisar melhor o comportamento da célula unitária MM. Os parâmetros efetivos de MM são obtidos a partir dos parâmetros de espalhamento usando um método de reconstrução robusto. As seguintes equações de transmitância e coeficiente de reflexão: (3) e (4) podem ser usadas para determinar o índice de refração e a impedância (ver 40).
As partes real e imaginária do operador são representadas por (.)' e (.)” respectivamente, e o valor inteiro m corresponde ao índice de refração real. A constante dielétrica e a permeabilidade são determinadas pelas fórmulas \(\varepsilon { } = { }n/z,\) e \(\mu = nz\), que são baseadas na impedância e no índice de refração, respectivamente. A curva da constante dielétrica efetiva da estrutura MM é mostrada na Figura 5b. Na frequência de ressonância, a constante dielétrica efetiva é negativa. As Figuras 6a,b mostram os valores extraídos de permeabilidade efetiva (μ) e índice de refração efetivo (n) da célula unitária proposta. Notavelmente, as permeabilidades extraídas exibem valores reais positivos próximos de zero, o que confirma as propriedades épsilon-negativas (ENG) da estrutura MM proposta. Além disso, como mostrado na Figura 6a, a ressonância na permeabilidade próxima de zero está fortemente relacionada com a frequência de ressonância. A célula unitária desenvolvida possui índice de refração negativo (Fig. 6b), o que significa que o MM proposto pode ser utilizado para melhorar o desempenho da antena .
O protótipo desenvolvido de uma única antena de banda larga foi fabricado para testar experimentalmente o projeto proposto. As Figuras 7a,b mostram imagens do protótipo de antena única proposto, suas partes estruturais e a configuração de medição de campo próximo (SATIMO). Para melhorar o desempenho da antena, a metassuperfície desenvolvida é colocada em camadas sob a antena, conforme mostrado na Figura 8a, com altura h. Uma única metassuperfície de camada dupla de 40 mm x 40 mm foi aplicada na parte traseira da antena única em intervalos de 12 mm. Além disso, uma metassuperfície com backplane é colocada na parte traseira da antena única a uma distância de 12 mm. Após a aplicação da metassuperfície, a antena única apresenta uma melhoria significativa no desempenho, conforme mostrado nas Figuras 1 e 2. Figuras 8 e 9. A Figura 8b mostra os gráficos de refletância simulados e medidos para a antena única sem e com metassuperfícies. É importante notar que a banda de cobertura de uma antena com metassuperfície é muito semelhante à banda de cobertura de uma antena sem metassuperfície. As Figuras 9a,b mostram uma comparação do ganho de antena única simulado e observado e da eficiência geral sem e com MS no espectro operacional. Pode-se observar que, em comparação com a antena não metasuperfície, o ganho da antena metassuperfície é significativamente melhorado, aumentando de 5,15 dBi para 8 dBi. O ganho da metassuperfície de camada única, metassuperfície de camada dupla e antena única com metassuperfície de backplane aumentou em 6 dBi, 6,9 dBi e 8 dBi, respectivamente. Em comparação com outras metassuperfícies (MCs de camada única e camada dupla), o ganho de uma única antena de metassuperfície com um backplane de cobre é de até 8 dBi. Neste caso, a metassuperfície atua como um refletor, reduzindo a radiação traseira da antena e manipulando as ondas eletromagnéticas em fase, aumentando assim a eficiência de radiação da antena e, consequentemente, o ganho. Um estudo da eficiência geral de uma única antena sem e com metassuperfícies é mostrado na Figura 9b. É importante notar que a eficiência de uma antena com e sem metassuperfície é quase a mesma. Na faixa de frequência mais baixa, a eficiência da antena diminui ligeiramente. As curvas de ganho e eficiência experimentais e simuladas estão em boa concordância. No entanto, existem pequenas diferenças entre os resultados simulados e testados devido a defeitos de fabricação, tolerâncias de medição, perda de conexão da porta SMA e perda de fio. Além disso, a antena e o refletor MS estão localizados entre os espaçadores de náilon, outro problema que afeta os resultados observados em comparação com os resultados da simulação.
A Figura (a) mostra a antena única completa e seus componentes associados. (b) Configuração de medição de campo próximo (SATIMO).
(a) Excitação da antena usando refletores de metassuperfície (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Refletâncias simuladas e experimentais de uma única antena sem e com MS.
Resultados de simulação e medição de (a) o ganho alcançado e (b) a eficiência geral da antena de efeito de metassuperfície proposta.
Análise de padrão de feixe usando MS. Medições de campo próximo de antena única foram realizadas no Ambiente Experimental de Campo Próximo SATIMO do Laboratório de Sistemas de Campo Próximo UKM SATIMO. As Figuras 10a, b mostram os padrões de radiação simulados e observados do plano E e do plano H a 5,5 GHz para a antena única proposta com e sem MS. A antena única desenvolvida (sem MS) fornece um padrão de radiação bidirecional consistente com valores de lóbulo lateral. Após a aplicação do refletor MS proposto, a antena fornece um padrão de radiação unidirecional e reduz o nível dos lóbulos posteriores, conforme mostrado nas Figuras 10a, b. É importante notar que o padrão de radiação de antena única proposto é mais estável e unidirecional com lóbulos traseiros e laterais muito baixos quando se utiliza uma metassuperfície com backplane de cobre. O refletor de matriz MM proposto reduz os lóbulos traseiro e lateral da antena, ao mesmo tempo que melhora o desempenho da radiação, direcionando a corrente em direções unidirecionais (Fig. 10a, b), aumentando assim o ganho e a diretividade. Observou-se que o padrão de radiação experimental era quase comparável ao das simulações CST, mas variou ligeiramente devido ao desalinhamento dos vários componentes montados, tolerâncias de medição e perdas de cabeamento. Além disso, um espaçador de náilon foi inserido entre a antena e o refletor MS, o que é outro problema que afeta os resultados observados em comparação com os resultados numéricos.
O padrão de radiação da antena única desenvolvida (sem MS e com MS) na frequência de 5,5 GHz foi simulado e testado.
A geometria da antena MIMO proposta é mostrada na Figura 11 e inclui quatro antenas individuais. Os quatro componentes da antena MIMO estão dispostos ortogonalmente entre si em um substrato de dimensões 80 × 80 × 1,575 mm, conforme mostrado na Figura 11. A antena MIMO projetada possui uma distância entre elementos de 22 mm, que é menor que a distância entre elementos correspondente mais próxima da antena. Antena MIMO desenvolvida. Além disso, parte do plano de terra está localizada da mesma forma que uma única antena. Os valores de refletância das antenas MIMO (S11, S22, S33 e S44) mostrados na Figura 12a exibem o mesmo comportamento de uma antena de elemento único ressonando na banda de 3,2–7,6 GHz. Portanto, a largura de banda de impedância de uma antena MIMO é exatamente igual à de uma única antena. O efeito de acoplamento entre os componentes MIMO é a principal razão para a pequena perda de largura de banda das antenas MIMO. A Figura 12b mostra o efeito da interconexão nos componentes MIMO, onde foi determinado o isolamento ideal entre os componentes MIMO. O isolamento entre as antenas 1 e 2 é o mais baixo, cerca de -13,6 dB, e o isolamento entre as antenas 1 e 4 é o mais alto, cerca de -30,4 dB. Devido ao seu pequeno tamanho e maior largura de banda, esta antena MIMO tem menor ganho e menor rendimento. O isolamento é baixo, portanto é necessário maior reforço e isolamento;
Mecanismo de projeto da antena MIMO proposta (a) vista superior e (b) plano de terra. (Suíte Estúdio CST 2019).
O arranjo geométrico e o método de excitação da antena MIMO de metassuperfície proposta são mostrados na Figura 13a. Uma matriz de 10x10mm com dimensões de 80x80x1.575mm é projetada para a parte traseira de uma antena MIMO de 12mm de altura, conforme mostrado na Figura 13a. Além disso, metassuperfícies com backplanes de cobre são destinadas ao uso em antenas MIMO para melhorar seu desempenho. A distância entre a metassuperfície e a antena MIMO é crítica para obter alto ganho e, ao mesmo tempo, permitir interferência construtiva entre as ondas geradas pela antena e aquelas refletidas pela metassuperfície. Modelagem extensiva foi realizada para otimizar a altura entre a antena e a metassuperfície, mantendo os padrões de quarto de onda para máximo ganho e isolamento entre os elementos MIMO. As melhorias significativas no desempenho da antena MIMO alcançadas usando metassuperfícies com backplanes em comparação com metassuperfícies sem backplanes serão demonstradas nos capítulos subsequentes.
(a) Configuração de simulação CST da antena MIMO proposta usando MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Curvas de refletância do sistema MIMO desenvolvido sem MS e com MS.
As refletâncias das antenas MIMO com e sem metassuperfícies são mostradas na Figura 13b, onde S11 e S44 são apresentadas devido ao comportamento quase idêntico de todas as antenas do sistema MIMO. É importante notar que a largura de banda de impedância de -10 dB de uma antena MIMO sem e com uma única metassuperfície é quase a mesma. Em contraste, a largura de banda de impedância da antena MIMO proposta é melhorada por MS de camada dupla e MS de backplane. Vale a pena notar que sem MS, a antena MIMO fornece uma largura de banda fracionada de 81,5% (3,2-7,6 GHz) em relação à frequência central. A integração do MS com o backplane aumenta a largura de banda de impedância da antena MIMO proposta para 86,3% (3,08–7,75 GHz). Embora o MS de camada dupla aumente o rendimento, a melhoria é menor do que a do MS com backplane de cobre. Além disso, um MC de camada dupla aumenta o tamanho da antena, aumenta o seu custo e limita o seu alcance. A antena MIMO projetada e o refletor de metassuperfície são fabricados e verificados para validar os resultados da simulação e avaliar o desempenho real. A Figura 14a mostra a camada MS fabricada e a antena MIMO com vários componentes montados, enquanto a Figura 14b mostra uma fotografia do sistema MIMO desenvolvido. A antena MIMO é montada no topo da metassuperfície usando quatro espaçadores de náilon, conforme mostrado na Figura 14b. A Figura 15a mostra um instantâneo da configuração experimental de campo próximo do sistema de antena MIMO desenvolvido. Um analisador de rede PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) foi utilizado para estimar os parâmetros de espalhamento e para avaliar e caracterizar as características de emissão de campo próximo no Laboratório de Sistemas de Campo Próximo UKM SATIMO.
(a) Fotos de medições de campo próximo SATIMO (b) Curvas simuladas e experimentais da antena S11 MIMO com e sem MS.
Esta seção apresenta um estudo comparativo dos parâmetros S simulados e observados da antena 5G MIMO proposta. A Figura 15b mostra o gráfico de refletância experimental da antena MIMO MS integrada de 4 elementos e compara-o com os resultados da simulação CST. As refletâncias experimentais foram iguais aos cálculos do CST, mas foram ligeiramente diferentes devido a defeitos de fabricação e tolerâncias experimentais. Além disso, a refletância observada do protótipo MIMO proposto baseado em MS cobre o espectro 5G abaixo de 6 GHz com uma largura de banda de impedância de 4,8 GHz, o que significa que aplicações 5G são possíveis. No entanto, a frequência ressonante medida, largura de banda e amplitude diferem ligeiramente dos resultados da simulação CST. Defeitos de fabricação, perdas de acoplamento coaxial para SMA e configurações de medição externas podem causar diferenças entre os resultados medidos e simulados. No entanto, apesar destas deficiências, o MIMO proposto tem um bom desempenho, proporcionando uma forte concordância entre simulações e medições, tornando-o adequado para aplicações sem fios 5G sub-6 GHz.
As curvas de ganho da antena MIMO simuladas e observadas são mostradas nas Figuras 2 e 2. Conforme mostrado nas Figuras 16a,b e 17a,b, respectivamente, a interação mútua dos componentes MIMO é mostrada. Quando metassuperfícies são aplicadas a antenas MIMO, o isolamento entre antenas MIMO é significativamente melhorado. Os gráficos de isolamento entre os elementos de antena adjacentes S12, S14, S23 e S34 mostram curvas semelhantes, enquanto as antenas MIMO diagonais S13 e S42 mostram um isolamento igualmente alto devido à maior distância entre elas. As características de transmissão simuladas de antenas adjacentes são mostradas na Figura 16a. É importante notar que no espectro operacional 5G abaixo de 6 GHz, o isolamento mínimo de uma antena MIMO sem metassuperfície é de -13,6 dB, e para uma metassuperfície com backplane – 15,5 dB. O gráfico de ganho (Figura 16a) mostra que a metassuperfície do backplane melhora significativamente o isolamento entre os elementos da antena MIMO em comparação com as metasuperfícies de camada única e dupla. Em elementos de antena adjacentes, metassuperfícies de camada única e dupla fornecem isolamento mínimo de aproximadamente -13,68 dB e -14,78 dB, e a metassuperfície de backplane de cobre fornece aproximadamente -15,5 dB.
Curvas de isolamento simuladas de elementos MIMO sem camada MS e com camada MS: (a) S12, S14, S34 e S32 e (b) S13 e S24.
Curvas de ganho experimentais das antenas MIMO baseadas em MS propostas sem e com: (a) S12, S14, S34 e S32 e (b) S13 e S24.
Os gráficos de ganho diagonal da antena MIMO antes e depois da adição da camada MS são mostrados na Figura 16b. É importante notar que o isolamento mínimo entre antenas diagonais sem metassuperfície (antenas 1 e 3) é – 15,6 dB em todo o espectro operacional, e uma metassuperfície com backplane é – 18 dB. A abordagem de metassuperfície reduz significativamente os efeitos de acoplamento entre antenas MIMO diagonais. O isolamento máximo para uma metassuperfície de camada única é de -37 dB, enquanto para uma metassuperfície de camada dupla esse valor cai para -47 dB. O isolamento máximo da metassuperfície com um backplane de cobre é de -36,2 dB, que diminui com o aumento da faixa de frequência. Em comparação com metassuperfícies de camada única e dupla sem backplane, as metassuperfícies com backplane fornecem isolamento superior em toda a faixa de frequência operacional necessária, especialmente na faixa 5G abaixo de 6 GHz, conforme mostrado nas Figuras 16a, b. Na banda 5G mais popular e amplamente usada abaixo de 6 GHz (3,5 GHz), as metassuperfícies de camada única e dupla têm menor isolamento entre os componentes MIMO do que as metasuperfícies com backplanes de cobre (quase nenhum MS) (ver Figura 16a), b). As medidas de ganho são mostradas nas Figuras 17a, b, mostrando o isolamento das antenas adjacentes (S12, S14, S34 e S32) e das antenas diagonais (S24 e S13), respectivamente. Como pode ser visto nestas figuras (Fig. 17a, b), o isolamento experimental entre os componentes MIMO concorda bem com o isolamento simulado. Embora existam pequenas diferenças entre os valores CST simulados e medidos devido a defeitos de fabricação, conexões de porta SMA e perdas de fio. Além disso, a antena e o refletor MS estão localizados entre os espaçadores de náilon, outro problema que afeta os resultados observados em comparação com os resultados da simulação.
estudaram a distribuição da corrente de superfície em 5,5 GHz para racionalizar o papel das metassuperfícies na redução do acoplamento mútuo através da supressão de ondas de superfície . A distribuição da corrente de superfície da antena MIMO proposta é mostrada na Figura 18, onde a antena 1 é acionada e o restante da antena termina com uma carga de 50 ohms. Quando a antena 1 é energizada, correntes de acoplamento mútuo significativas aparecerão em antenas adjacentes a 5,5 GHz na ausência de uma metassuperfície, conforme mostrado na Figura 18a. Pelo contrário, através do uso de metassuperfícies, como mostrado na Fig. 18b-d, o isolamento entre antenas adjacentes é melhorado. Deve-se notar que o efeito do acoplamento mútuo de campos adjacentes pode ser minimizado pela propagação da corrente de acoplamento para anéis adjacentes de células unitárias e células unitárias MS adjacentes ao longo da camada MS em direções antiparalelas. A injeção de corrente de antenas distribuídas em unidades MS é um método chave para melhorar o isolamento entre componentes MIMO. Como resultado, a corrente de acoplamento entre os componentes MIMO é bastante reduzida e o isolamento também é bastante melhorado. Como o campo de acoplamento é amplamente distribuído no elemento, a metassuperfície do backplane de cobre isola o conjunto da antena MIMO significativamente mais do que as metasuperfícies de camada única e dupla (Figura 18d). Além disso, a antena MIMO desenvolvida possui retropropagação e propagação lateral muito baixas, produzindo um padrão de radiação unidirecional, aumentando assim o ganho da antena MIMO proposta.
Padrões de corrente de superfície da antena MIMO proposta em 5,5 GHz (a) sem MC, (b) MC de camada única, (c) MC de camada dupla e (d) MC de camada única com backplane de cobre. (Suíte Estúdio CST 2019).
Dentro da frequência de operação, a Figura 19a mostra os ganhos simulados e observados da antena MIMO projetada sem e com metassuperfícies. O ganho simulado alcançado da antena MIMO sem metassuperfície é de 5,4 dBi, conforme mostrado na Figura 19a. Devido ao efeito de acoplamento mútuo entre os componentes MIMO, a antena MIMO proposta atinge na verdade um ganho 0,25 dBi maior do que uma única antena. A adição de metassuperfícies pode proporcionar ganhos significativos e isolamento entre componentes MIMO. Assim, a antena MIMO de metassuperfície proposta pode atingir um alto ganho realizado de até 8,3 dBi. Conforme mostrado na Figura 19a, quando uma única metassuperfície é usada na parte traseira da antena MIMO, o ganho aumenta em 1,4 dBi. Quando a metassuperfície é duplicada, o ganho aumenta em 2,1 dBi, conforme mostrado na Figura 19a. No entanto, o ganho máximo esperado de 8,3 dBi é alcançado ao usar a metassuperfície com backplane de cobre. Notavelmente, o ganho máximo alcançado para as metassuperfícies de camada única e dupla é de 6,8 dBi e 7,5 dBi, respectivamente, enquanto o ganho máximo alcançado para a metassuperfície de camada inferior é de 8,3 dBi. A camada de metassuperfície na parte traseira da antena atua como um refletor, refletindo a radiação da parte traseira da antena e melhorando a relação frente-trás (F/B) da antena MIMO projetada. Além disso, o refletor MS de alta impedância manipula ondas eletromagnéticas em fase, criando assim ressonância adicional e melhorando o desempenho de radiação da antena MIMO proposta. O refletor MS instalado atrás da antena MIMO pode aumentar significativamente o ganho alcançado, o que é confirmado por resultados experimentais. Os ganhos observados e simulados do protótipo de antena MIMO desenvolvido são quase os mesmos, porém, em algumas frequências o ganho medido é superior ao ganho simulado, principalmente para MIMO sem MS; Essas variações no ganho experimental são devidas às tolerâncias de medição das almofadas de náilon, às perdas nos cabos e ao acoplamento no sistema de antena. O pico de ganho medido da antena MIMO sem a metassuperfície é de 5,8 dBi, enquanto a metassuperfície com backplane de cobre é de 8,5 dBi. É importante notar que o sistema completo de antena MIMO de 4 portas proposto com refletor MS exibe alto ganho sob condições experimentais e numéricas.
Simulação e resultados experimentais de (a) o ganho alcançado e (b) o desempenho geral da antena MIMO proposta com efeito de metassuperfície.
A Figura 19b mostra o desempenho geral do sistema MIMO proposto sem e com refletores de metassuperfície. Na Figura 19b, a eficiência mais baixa usando MS com backplane foi superior a 73% (até 84%). A eficiência global das antenas MIMO desenvolvidas sem MC e com MC é quase a mesma com pequenas diferenças em comparação com os valores simulados. As razões para isto são as tolerâncias de medição e o uso de espaçadores entre a antena e o refletor MS. O ganho alcançado medido e a eficiência geral em toda a frequência são quase semelhantes aos resultados da simulação, indicando que o desempenho do protótipo MIMO proposto é o esperado e que a antena MIMO baseada em MS recomendada é adequada para comunicações 5G. Devido a erros em estudos experimentais, existem diferenças entre os resultados globais dos experimentos de laboratório e os resultados das simulações. O desempenho do protótipo proposto é afetado pela incompatibilidade de impedância entre a antena e o conector SMA, perdas na emenda do cabo coaxial, efeitos de soldagem e proximidade de vários dispositivos eletrônicos da configuração experimental.
A Figura 20 descreve o progresso do projeto e otimização da referida antena na forma de um diagrama de blocos. Este diagrama de blocos fornece uma descrição passo a passo dos princípios de projeto de antena MIMO propostos, bem como dos parâmetros que desempenham um papel fundamental na otimização da antena para atingir o alto ganho e o alto isolamento necessários em uma ampla frequência operacional.
As medições da antena MIMO de campo próximo foram medidas no Ambiente Experimental de Campo Próximo SATIMO no Laboratório de Sistemas de Campo Próximo UKM SATIMO. As Figuras 21a,b representam os padrões de radiação simulados e observados do plano E e do plano H da antena MIMO reivindicada com e sem MS a uma frequência operacional de 5,5 GHz. Na faixa de frequência operacional de 5,5 GHz, a antena MIMO não-MS desenvolvida fornece um padrão de radiação bidirecional consistente com valores de lóbulo lateral. Após a aplicação do refletor MS, a antena fornece um padrão de radiação unidirecional e reduz o nível dos lóbulos posteriores, conforme mostrado nas Figuras 21a, b. É importante notar que ao usar uma metassuperfície com backplane de cobre, o padrão de antena MIMO proposto é mais estável e unidirecional do que sem MS, com lóbulos traseiros e laterais muito baixos. O refletor de matriz MM proposto reduz os lóbulos traseiro e lateral da antena e também melhora as características da radiação direcionando a corrente em uma direção unidirecional (Fig. 21a, b), aumentando assim o ganho e a diretividade. O padrão de radiação medido foi obtido para a porta 1 com uma carga de 50 ohms conectada às demais portas. Observou-se que o padrão de radiação experimental era quase idêntico ao simulado pelo CST, embora houvesse alguns desvios devido ao desalinhamento dos componentes, reflexões das portas terminais e perdas nas conexões dos cabos. Além disso, um espaçador de náilon foi inserido entre a antena e o refletor MS, o que é outro problema que afeta os resultados observados em comparação com os resultados previstos.
O padrão de radiação da antena MIMO desenvolvida (sem MS e com MS) na frequência de 5,5 GHz foi simulado e testado.
É importante observar que o isolamento da porta e suas características associadas são essenciais na avaliação do desempenho de sistemas MIMO. O desempenho de diversidade do sistema MIMO proposto, incluindo coeficiente de correlação de envelope (ECC) e ganho de diversidade (DG), é examinado para ilustrar a robustez do sistema de antena MIMO projetado. O ECC e o DG de uma antena MIMO podem ser usados ​​para avaliar seu desempenho, pois são aspectos importantes do desempenho de um sistema MIMO. As seções a seguir detalharão esses recursos da antena MIMO proposta.
Coeficiente de Correlação Envelope (ECC). Ao considerar qualquer sistema MIMO, o ECC determina o grau em que os elementos constituintes se correlacionam entre si em relação às suas propriedades específicas. Assim, o ECC demonstra o grau de isolamento do canal em uma rede de comunicação sem fio. O ECC (coeficiente de correlação de envelope) do sistema MIMO desenvolvido pode ser determinado com base em parâmetros S e emissão de campo distante. Da Eq. (7) e (8) o ECC da antena MIMO 31 proposta pode ser determinado.
O coeficiente de reflexão é representado por Sii e ​​Sij representa o coeficiente de transmissão. Os padrões de radiação tridimensionais das j-ésima e i-ésima antenas são dados pelas expressões \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) e \( \vec {{R_{ i } }} Ângulo sólido representado por \left( {\theta ,\varphi } \right)\) e \({\Omega }\). A curva ECC da antena proposta é mostrada na Figura 22a e seu valor é inferior a 0,004, o que está bem abaixo do valor aceitável de 0,5 para um sistema sem fio. Portanto, o valor ECC reduzido significa que o sistema MIMO de 4 portas proposto oferece diversidade superior .
Ganho de Diversidade (DG) DG é outra métrica de desempenho do sistema MIMO que descreve como o esquema de diversidade afeta a potência irradiada. A relação (9) determina o GD do sistema de antenas MIMO que está sendo desenvolvido, conforme descrito em 31.
A Figura 22b mostra o diagrama DG do sistema MIMO proposto, onde o valor DG está muito próximo de 10 dB. Os valores DG de todas as antenas do sistema MIMO projetado excedem 9,98 dB.
A Tabela 1 compara a antena MIMO de metassuperfície proposta com sistemas MIMO semelhantes recentemente desenvolvidos. A comparação leva em consideração vários parâmetros de desempenho, incluindo largura de banda, ganho, isolamento máximo, eficiência geral e desempenho de diversidade. Os pesquisadores apresentaram vários protótipos de antenas MIMO com técnicas de aprimoramento de ganho e isolamento em 5, 44, 45, 46, 47. Comparado com trabalhos publicados anteriormente, o sistema MIMO proposto com refletores de metassuperfície os supera em termos de largura de banda, ganho e isolamento. Além disso, em comparação com antenas semelhantes relatadas, o sistema MIMO desenvolvido apresenta desempenho de diversidade superior e eficiência geral em um tamanho menor. Embora as antenas descritas na Seção 5.46 tenham maior isolamento do que as antenas propostas, essas antenas apresentam tamanho grande, baixo ganho, largura de banda estreita e baixo desempenho MIMO. A antena MIMO de 4 portas proposta em 45 apresenta alto ganho e eficiência, mas seu design possui baixo isolamento, tamanho grande e baixo desempenho de diversidade. Por outro lado, o sistema de antena de pequeno tamanho proposto em 47 tem ganho e largura de banda operacional muito baixos, enquanto nosso sistema MIMO de 4 portas baseado em MS proposto exibe tamanho pequeno, alto ganho, alto isolamento e melhor desempenho MIMO. Assim, a antena MIMO de metasuperfície proposta pode se tornar um importante concorrente para sistemas de comunicação 5G sub-6 GHz.
Uma antena MIMO de banda larga baseada em refletor de metasuperfície de quatro portas com alto ganho e isolamento é proposta para suportar aplicações 5G abaixo de 6 GHz. A linha de microfita alimenta uma seção radiante quadrada, que é truncada por um quadrado nos cantos diagonais. O MS proposto e o emissor de antena são implementados em materiais de substrato semelhantes ao Rogers RT5880 para alcançar excelente desempenho em sistemas de comunicação 5G de alta velocidade. A antena MIMO apresenta amplo alcance e alto ganho, além de proporcionar isolamento acústico entre componentes MIMO e excelente eficiência. A antena única desenvolvida possui dimensões em miniatura de 0,58×0,58×0,02? com um array de metassuperfície 5×5, fornece uma ampla largura de banda operacional de 4,56 GHz, ganho de pico de 8 dBi e eficiência medida superior. A antena MIMO de quatro portas proposta (matriz 2 × 2) é projetada alinhando ortogonalmente cada antena proposta com outra antena com dimensões de 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Recomenda-se montar um array 10×10 MM sob uma antena MIMO de 12 mm de altura, o que pode reduzir a retroradiação e o acoplamento mútuo entre os componentes MIMO, melhorando assim o ganho e o isolamento. Resultados experimentais e de simulação mostram que o protótipo MIMO desenvolvido pode operar em uma ampla faixa de frequência de 3,08–7,75 GHz, cobrindo o espectro 5G abaixo de 6 GHz. Além disso, a antena MIMO baseada em MS proposta melhora seu ganho em 2,9 dBi, alcançando um ganho máximo de 8,3 dBi, e fornece excelente isolamento (>15,5 dB) entre componentes MIMO, validando a contribuição do MS. Além disso, a antena MIMO proposta tem uma eficiência geral média elevada de 82% e uma distância entre elementos baixa de 22 mm. A antena exibe excelente desempenho de diversidade MIMO, incluindo DG muito alto (acima de 9,98 dB), ECC muito baixo (menos de 0,004) e padrão de radiação unidirecional. Os resultados da medição são muito semelhantes aos resultados da simulação. Estas características confirmam que o sistema de antena MIMO de quatro portas desenvolvido pode ser uma escolha viável para sistemas de comunicação 5G na faixa de frequência sub-6 GHz.
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