हे काम सब-6 GHz पाचव्या पिढी (5G) वायरलेस कम्युनिकेशन सिस्टमसाठी कॉम्पॅक्ट इंटिग्रेटेड मल्टी-इनपुट मल्टी-आउटपुट (MIMO) मेटासरफेस (MS) वाइडबँड अँटेना प्रस्तावित करते. प्रस्तावित MIMO प्रणालीची स्पष्ट नवीनता म्हणजे तिची विस्तृत ऑपरेटिंग बँडविड्थ, उच्च लाभ, लहान आंतरघटक मंजुरी आणि MIMO घटकांमधील उत्कृष्ट अलगाव. अँटेनाचे रेडिएटिंग स्पॉट तिरपे, अंशतः ग्राउंड केलेले आहे आणि अँटेनाचे कार्यप्रदर्शन सुधारण्यासाठी मेटासर्फेसचा वापर केला जातो. प्रस्तावित प्रोटोटाइप इंटिग्रेटेड सिंगल एमएस अँटेनामध्ये 0.58λ × 0.58λ × 0.02λ ची सूक्ष्म परिमाणे आहेत. सिम्युलेशन आणि मापन परिणाम 3.11 GHz ते 7.67 GHz पर्यंत वाइडबँड कार्यप्रदर्शन दर्शवतात, ज्यामध्ये सर्वाधिक 8 dBi मिळवलेला लाभ आहे. फोर-एलिमेंट MIMO सिस्टीमची रचना अशा प्रकारे केली आहे की प्रत्येक अँटेना एकमेकांना ऑर्थोगोनल आहे आणि 3.2 ते 7.6 GHz पर्यंत कॉम्पॅक्ट आकार आणि वाइडबँड कार्यप्रदर्शन राखते. प्रस्तावित MIMO प्रोटोटाइप रॉजर्स RT5880 सब्सट्रेटवर कमी तोटा आणि 1.05 च्या सूक्ष्म आकारांसह डिझाइन आणि फॅब्रिकेटेड आहे? १.०५? 0.02?, आणि 10 x 10 स्प्लिट रिंगसह प्रस्तावित स्क्वेअर क्लोज्ड रिंग रेझोनेटर ॲरे वापरून त्याच्या कामगिरीचे मूल्यांकन केले जाते. मूळ साहित्य समान आहे. प्रस्तावित बॅकप्लेन मेटासरफेस ऍन्टीना बॅक रेडिएशन लक्षणीयरीत्या कमी करते आणि इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक फील्डमध्ये फेरफार करते, ज्यामुळे बँडविड्थ, वाढ आणि MIMO घटकांचे अलगाव सुधारते. विद्यमान MIMO अँटेनाच्या तुलनेत, प्रस्तावित 4-पोर्ट MIMO अँटेना 5G सब-6 GHz बँडमध्ये 82% पर्यंत सरासरी एकूण कार्यक्षमतेसह 8.3 dBi चा उच्च लाभ मिळवतो आणि मोजलेल्या परिणामांशी चांगले सहमत आहे. शिवाय, विकसित MIMO अँटेना 0.004 पेक्षा कमी लिफाफा सहसंबंध गुणांक (ECC), सुमारे 10 dB (>9.98 dB) च्या विविधता वाढ (DG) आणि MIMO घटकांमधील उच्च अलगाव (>15.5 dB) च्या बाबतीत उत्कृष्ट कार्यप्रदर्शन प्रदर्शित करते. वैशिष्ट्ये अशाप्रकारे, प्रस्तावित MS-आधारित MIMO अँटेना सब-6 GHz 5G कम्युनिकेशन नेटवर्कसाठी त्याच्या लागूतेची पुष्टी करते.
5G तंत्रज्ञान ही वायरलेस कम्युनिकेशन्समधील एक अतुलनीय प्रगती आहे जी कोट्यवधी कनेक्ट केलेल्या उपकरणांसाठी जलद आणि अधिक सुरक्षित नेटवर्क सक्षम करेल, वापरकर्त्यांना “शून्य” विलंब (1 मिलीसेकंद पेक्षा कमी विलंब) सह अनुभव प्रदान करेल आणि इलेक्ट्रॉनिक्ससह नवीन तंत्रज्ञान सादर करेल. वैद्यकीय सेवा, बौद्धिक शिक्षण. , स्मार्ट शहरे, स्मार्ट घरे, आभासी वास्तव (VR), स्मार्ट कारखाने आणि वाहनांचे इंटरनेट (IoV) आपले जीवन, समाज आणि उद्योग1,2,3 बदलत आहेत. यूएस फेडरल कम्युनिकेशन्स कमिशन (FCC) 5G स्पेक्ट्रमला चार फ्रिक्वेन्सी बँडमध्ये विभाजित करते. 6 GHz खाली वारंवारता बँड संशोधकांसाठी स्वारस्य आहे कारण ते उच्च डेटा दर 5,6 सह लांब-अंतर संप्रेषणांना अनुमती देते. जागतिक 5G संप्रेषणांसाठी सब-6 GHz 5G स्पेक्ट्रम वाटप आकृती 1 मध्ये दाखवले आहे, जे सर्व देश 5G संप्रेषणांसाठी सब-6 GHz स्पेक्ट्रम विचारात असल्याचे दर्शवितात7,8. अँटेना 5G नेटवर्कचा एक महत्त्वाचा भाग आहे आणि त्यासाठी अधिक बेस स्टेशन आणि वापरकर्ता टर्मिनल अँटेना आवश्यक आहेत.
मायक्रोस्ट्रिप पॅच अँटेनामध्ये पातळपणा आणि सपाट संरचनेचे फायदे आहेत, परंतु ते बँडविड्थ आणि गेन 9,10 मध्ये मर्यादित आहेत, अँटेनाचा फायदा आणि बँडविड्थ वाढवण्यासाठी बरेच संशोधन केले गेले आहे; अलिकडच्या वर्षांत, मेटासरफेस (एमएस) ऍन्टेना तंत्रज्ञानामध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले गेले आहेत, विशेषत: लाभ आणि थ्रूपुट 11,12 सुधारण्यासाठी, तथापि, हे अँटेना एकाच पोर्टपुरते मर्यादित आहेत; MIMO तंत्रज्ञान हे वायरलेस कम्युनिकेशन्सचे एक महत्त्वाचे पैलू आहे कारण ते डेटा प्रसारित करण्यासाठी एकाच वेळी अनेक अँटेना वापरू शकते, ज्यामुळे डेटा दर, वर्णक्रमीय कार्यक्षमता, चॅनेल क्षमता आणि विश्वसनीयता13,14,15 सुधारते. MIMO अँटेना हे 5G ऍप्लिकेशन्ससाठी संभाव्य उमेदवार आहेत कारण ते अतिरिक्त पॉवर 16,17 शिवाय एकाधिक चॅनेलवर डेटा प्रसारित आणि प्राप्त करू शकतात. MIMO घटकांमधील परस्पर जोडणीचा प्रभाव MIMO घटकांच्या स्थानावर आणि MIMO अँटेनाचा फायदा यावर अवलंबून असतो, जे संशोधकांसाठी एक मोठे आव्हान आहे. आकृती 18, 19, आणि 20 5G सब-6 GHz बँडमध्ये कार्यरत असलेले विविध MIMO अँटेना दाखवतात, सर्व चांगले MIMO अलगाव आणि कार्यप्रदर्शन दर्शवतात. तथापि, या प्रस्तावित प्रणालींचा लाभ आणि ऑपरेटिंग बँडविड्थ कमी आहे.
मेटामटेरिअल्स (MMs) हे नवीन साहित्य आहेत जे निसर्गात अस्तित्वात नाहीत आणि इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लाटा हाताळू शकतात, ज्यामुळे अँटेना 21,22,23,24 ची कार्यक्षमता सुधारते. 25, 26, 27, 28 मध्ये चर्चा केल्याप्रमाणे रेडिएशन पॅटर्न, बँडविड्थ, वाढणे आणि अँटेना घटक आणि वायरलेस कम्युनिकेशन सिस्टममधील अलगाव सुधारण्यासाठी MM आता ऍन्टेना तंत्रज्ञानामध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते. 2029 मध्ये, चार-घटकांवर आधारित MIMO प्रणाली मेटासरफेस, ज्यामध्ये अँटेना विभाग मेटासरफेस आणि जमिनीच्या दरम्यान हवेच्या अंतराशिवाय सँडविच केलेला असतो, ज्यामुळे MIMO कार्यप्रदर्शन सुधारते. तथापि, या डिझाइनमध्ये मोठा आकार, कमी ऑपरेटिंग वारंवारता आणि जटिल संरचना आहे. MIMO30 घटकांचे अलगाव सुधारण्यासाठी प्रस्तावित 2-पोर्ट वाइडबँड MIMO अँटेनामध्ये इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक बँडगॅप (EBG) आणि ग्राउंड लूप समाविष्ट केले आहेत. डिझाइन केलेल्या अँटेनामध्ये चांगली MIMO विविधता कार्यप्रदर्शन आणि दोन MIMO अँटेनामधील उत्कृष्ट अलगाव आहे, परंतु केवळ दोन MIMO घटक वापरल्यास, फायदा कमी होईल. याव्यतिरिक्त, in31 ने अल्ट्रा-वाइडबँड (UWB) ड्युअल-पोर्ट MIMO अँटेना देखील प्रस्तावित केला आणि मेटामटेरियल वापरून त्याच्या MIMO कार्यक्षमतेची तपासणी केली. जरी हा अँटेना UWB ऑपरेशनसाठी सक्षम असला तरी, त्याचा फायदा कमी आहे आणि दोन अँटेनामधील अलगाव खराब आहे. 32 मधील कार्य 2-पोर्ट MIMO प्रणाली प्रस्तावित करते जी लाभ वाढवण्यासाठी इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक बँडगॅप (EBG) रिफ्लेक्टर वापरते. जरी विकसित अँटेना ॲरेमध्ये उच्च लाभ आणि चांगली MIMO विविधता कार्यप्रदर्शन आहे, तरीही त्याच्या मोठ्या आकारामुळे पुढील पिढीच्या संप्रेषण उपकरणांमध्ये लागू करणे कठीण होते. आणखी एक परावर्तक-आधारित ब्रॉडबँड अँटेना 33 मध्ये विकसित करण्यात आला, जेथे परावर्तक अँटेना अंतर्गत 22 मिमी अंतरासह एकत्रित केले गेले होते, जे 4.87 dB ची कमी शिखर वाढ दर्शविते. पेपर 34 mmWave ऍप्लिकेशन्ससाठी चार-पोर्ट MIMO अँटेना डिझाइन करतो, जो MIMO प्रणालीचे अलगाव आणि फायदा सुधारण्यासाठी MS लेयरसह एकत्रित केले आहे. तथापि, हा अँटेना चांगला फायदा आणि अलगाव प्रदान करतो, परंतु मोठ्या हवेच्या अंतरामुळे मर्यादित बँडविड्थ आणि खराब यांत्रिक गुणधर्म आहेत. त्याचप्रमाणे, 2015 मध्ये, 7.4 dBi च्या कमाल वाढीसह mmWave संप्रेषणासाठी तीन-जोडी, 4-पोर्ट बोटी-आकाराचा मेटासरफेस-इंटिग्रेटेड MIMO अँटेना विकसित केला गेला. B36 MS अँटेना वाढवण्यासाठी 5G अँटेनाच्या मागील बाजूस वापरला जातो, जेथे मेटासरफेस परावर्तक म्हणून कार्य करते. तथापि, एमएस संरचना असममित आहे आणि युनिट सेलच्या संरचनेकडे कमी लक्ष दिले गेले आहे.
वरील विश्लेषण परिणामांनुसार, वरीलपैकी कोणत्याही अँटेनामध्ये उच्च लाभ, उत्कृष्ट अलगाव, MIMO कार्यप्रदर्शन आणि वाइडबँड कव्हरेज नाही. त्यामुळे, उच्च लाभ आणि अलगावसह 6 GHz पेक्षा कमी 5G स्पेक्ट्रम फ्रिक्वेन्सीची विस्तृत श्रेणी कव्हर करू शकणाऱ्या मेटासरफेस MIMO अँटेनाची अजूनही गरज आहे. उपरोक्त-उल्लेखित साहित्याच्या मर्यादा लक्षात घेऊन, उप-6 GHz वायरलेस कम्युनिकेशन सिस्टमसाठी उच्च लाभ आणि उत्कृष्ट विविधता कार्यक्षमतेसह वाइडबँड चार-घटकांची MIMO अँटेना प्रणाली प्रस्तावित आहे. याव्यतिरिक्त, प्रस्तावित MIMO अँटेना MIMO घटक, लहान घटक अंतर आणि उच्च रेडिएशन कार्यक्षमता यांच्यातील उत्कृष्ट अलगाव प्रदर्शित करते. अँटेना पॅच तिरपे कापला जातो आणि 12 मिमी एअर गॅपसह मेटासर्फेसच्या वर ठेवला जातो, जो अँटेनामधून मागील रेडिएशन परावर्तित करतो आणि अँटेना वाढणे आणि डायरेक्टिव्हिटी सुधारतो. याशिवाय, प्रस्तावित सिंगल अँटेना प्रत्येक अँटेना एकमेकांना ऑर्थोगोनली स्थान देऊन उत्कृष्ट MIMO कार्यक्षमतेसह चार-घटकांचा MIMO अँटेना तयार करण्यासाठी वापरला जातो. विकसित एमआयएमओ अँटेना नंतर उत्सर्जन कार्यप्रदर्शन सुधारण्यासाठी तांब्याच्या बॅकप्लेनसह 10 × 10 MS ॲरेच्या वर एकत्रित केले गेले. डिझाइनमध्ये विस्तृत ऑपरेटिंग श्रेणी (3.08-7.75 GHz), 8.3 dBi चा उच्च लाभ आणि 82% ची उच्च सरासरी एकूण कार्यक्षमता, तसेच MIMO अँटेना घटकांमधील −15.5 dB पेक्षा जास्त उत्कृष्ट अलगाव आहे. विकसित MS-आधारित MIMO अँटेना 3D इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक सॉफ्टवेअर पॅकेज CST स्टुडिओ 2019 वापरून नक्कल करण्यात आला आणि प्रायोगिक अभ्यासाद्वारे प्रमाणित केला गेला.
हा विभाग प्रस्तावित आर्किटेक्चर आणि सिंगल अँटेना डिझाइन पद्धतीचा तपशीलवार परिचय प्रदान करतो. याशिवाय, सिम्युलेटेड आणि निरीक्षण केलेल्या परिणामांची तपशीलवार चर्चा केली आहे, ज्यामध्ये स्कॅटरिंग पॅरामीटर्स, फायदा आणि मेटासरफेससह आणि त्याशिवाय एकूण कार्यक्षमता समाविष्ट आहे. प्रोटोटाइप अँटेना रॉजर्स 5880 लो लॉस डायलेक्ट्रिक सब्सट्रेटवर 2.2 च्या डायलेक्ट्रिक स्थिरांकासह 1.575 मिमी जाडीसह विकसित केला गेला. डिझाइन विकसित करण्यासाठी आणि त्याचे अनुकरण करण्यासाठी, इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक सिम्युलेटर पॅकेज CST स्टुडिओ 2019 वापरले गेले.
आकृती 2 एकल-घटक अँटेनाचे प्रस्तावित आर्किटेक्चर आणि डिझाइन मॉडेल दर्शवते. सु-स्थापित गणितीय समीकरणांनुसार37, अँटेनामध्ये एक रेषीय फीड स्क्वेअर रेडिएटिंग स्पॉट आणि कॉपर ग्राउंड प्लेन (पायरी 1 मध्ये वर्णन केल्याप्रमाणे) असते आणि आकृती 3b मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे 10.8 GHz वर अतिशय अरुंद बँडविड्थसह प्रतिध्वनित होते. अँटेना रेडिएटरचा प्रारंभिक आकार खालील गणितीय संबंधांद्वारे निर्धारित केला जातो37:
जेथे \(P_{L}\) आणि \(P_{w}\) पॅचची लांबी आणि रुंदी आहे, c हा प्रकाशाचा वेग दर्शवतो, \(\gamma_{r}\) हा सब्सट्रेटचा डायलेक्ट्रिक स्थिरांक आहे. . , \(\gamma_{reff }\) रेडिएशन स्पॉटचे प्रभावी डायलेक्ट्रिक मूल्य दर्शवते, \(\Delta L\) स्पॉट लांबीमधील बदल दर्शवते. अँटेना बॅकप्लेन दुसऱ्या टप्प्यात ऑप्टिमाइझ केले गेले, 10 dB ची अत्यंत कमी प्रतिबाधा बँडविड्थ असूनही प्रतिबाधा बँडविड्थ वाढवली. तिसऱ्या टप्प्यात, फीडरची स्थिती उजवीकडे हलवली जाते, ज्यामुळे प्रस्तावित अँटेना 38 चे प्रतिबाधा बँडविड्थ आणि प्रतिबाधा जुळणी सुधारते. या टप्प्यावर, अँटेना 4 GHz ची उत्कृष्ट ऑपरेटिंग बँडविड्थ प्रदर्शित करते आणि 5G मध्ये 6 GHz पेक्षा कमी स्पेक्ट्रम देखील कव्हर करते. चौथ्या आणि अंतिम टप्प्यात रेडिएशन स्पॉटच्या विरुद्ध कोपऱ्यात चौकोनी खोबणी खोदणे समाविष्ट आहे. हा स्लॉट आकृती 3b मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, 3.11 GHz ते 7.67 GHz पर्यंत सब-6 GHz 5G स्पेक्ट्रम कव्हर करण्यासाठी 4.56 GHz बँडविड्थ लक्षणीयरीत्या विस्तारतो. आकृती 3a मध्ये प्रस्तावित डिझाईनचे पुढील आणि खालचे दृष्टीकोन दर्शविले आहेत आणि अंतिम ऑप्टिमाइझ केलेले आवश्यक डिझाइन पॅरामीटर्स खालीलप्रमाणे आहेत: 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) डिझाइन केलेल्या सिंगल अँटेनाची वरची आणि मागील दृश्ये (CST स्टुडिओ सूट 2019). (b) S- पॅरामीटर वक्र.
मेटासर्फेस हा एक शब्द आहे जो एकमेकांपासून विशिष्ट अंतरावर स्थित युनिट सेलच्या नियतकालिक ॲरेचा संदर्भ देतो. बँडविड्थ, लाभ आणि MIMO घटकांमधील अलगाव यासह अँटेना रेडिएशन कार्यप्रदर्शन सुधारण्यासाठी मेटासर्फेस एक प्रभावी मार्ग आहे. पृष्ठभाग लहरी प्रसाराच्या प्रभावामुळे, मेटासर्फेस अतिरिक्त अनुनाद निर्माण करतात जे सुधारित अँटेना कार्यक्षमतेत योगदान देतात39. हे काम 6 GHz खाली 5G बँडमध्ये कार्यरत एप्सिलॉन-नकारात्मक मेटामटेरियल (MM) युनिटचा प्रस्ताव देते. 8 मिमी × 8 मिमी पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ असलेले एमएम कमी नुकसान असलेल्या रॉजर्स 5880 सब्सट्रेटवर 2.2 डायलेक्ट्रिक स्थिरांक आणि 1.575 मिमी जाडीसह विकसित केले गेले. ऑप्टिमाइझ केलेल्या MM रेझोनेटर पॅचमध्ये आकृती 4a मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, दोन सुधारित बाह्य स्प्लिट रिंगशी जोडलेली अंतर्गत वर्तुळाकार स्प्लिट रिंग असते. आकृती 4a प्रस्तावित MM सेटअपच्या अंतिम ऑप्टिमाइझ केलेल्या पॅरामीटर्सचा सारांश देते. त्यानंतर, 40 × 40 मिमी आणि 80 × 80 मिमी मेटासरफेस स्तर अनुक्रमे 5 × 5 आणि 10 × 10 सेल ॲरे वापरून कॉपर बॅकप्लेनशिवाय आणि कॉपर बॅकप्लेनसह विकसित केले गेले. प्रस्तावित MM रचना 3D इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक मॉडेलिंग सॉफ्टवेअर “CST स्टुडिओ सूट 2019” वापरून तयार करण्यात आली होती. वास्तविक प्रतिसादाचे विश्लेषण करून CST सिम्युलेशन परिणाम प्रमाणित करण्यासाठी प्रस्तावित MM ॲरे स्ट्रक्चर आणि मापन सेटअप (ड्युअल-पोर्ट नेटवर्क विश्लेषक PNA आणि वेव्हगाइड पोर्ट) चे बनावट प्रोटोटाइप आकृती 4b मध्ये दाखवले आहे. मापन सेटअपने सिग्नल पाठवण्यासाठी आणि प्राप्त करण्यासाठी दोन वेव्हगाइड कोएक्सियल ॲडॉप्टर (A-INFOMW, भाग क्रमांक: 187WCAS) सह एकत्रितपणे Agilent PNA मालिका नेटवर्क विश्लेषक वापरले. दोन-पोर्ट नेटवर्क विश्लेषक (Agilent PNA N5227A) शी कोएक्सियल केबलद्वारे जोडलेल्या दोन वेव्हगाइड कोएक्सियल अडॅप्टर्समध्ये एक प्रोटोटाइप 5×5 ॲरे ठेवण्यात आला होता. Agilent N4694-60001 कॅलिब्रेशन किटचा वापर पायलट प्लांटमध्ये नेटवर्क विश्लेषक कॅलिब्रेट करण्यासाठी केला जातो. प्रस्तावित प्रोटोटाइप MM ॲरेचे सिम्युलेटेड आणि CST निरीक्षण केलेले स्कॅटरिंग पॅरामीटर्स आकृती 5a मध्ये दर्शविले आहेत. हे पाहिले जाऊ शकते की प्रस्तावित MM रचना 6 GHz च्या खाली 5G वारंवारता श्रेणीमध्ये प्रतिध्वनी करते. 10 dB च्या बँडविड्थमध्ये लहान फरक असूनही, सिम्युलेटेड आणि प्रायोगिक परिणाम खूप समान आहेत. आकृती 5a मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, निरीक्षण केलेल्या रेझोनान्सची रेझोनंट वारंवारता, बँडविड्थ आणि मोठेपणा सिम्युलेटेडपेक्षा थोडे वेगळे आहेत. निरीक्षण केलेल्या आणि सिम्युलेटेड परिणामांमधील हे फरक मॅन्युफॅक्चरिंग अपूर्णता, प्रोटोटाइप आणि वेव्हगाइड पोर्टमधील लहान क्लिअरन्स, वेव्हगाइड पोर्ट आणि ॲरे घटकांमधील कपलिंग इफेक्ट्स आणि मापन सहनशीलतेमुळे आहेत. याव्यतिरिक्त, प्रायोगिक सेटअपमध्ये वेव्हगाइड पोर्ट्स दरम्यान विकसित प्रोटोटाइपचे योग्य स्थान केल्याने अनुनाद शिफ्ट होऊ शकते. याव्यतिरिक्त, कॅलिब्रेशन टप्प्यात अवांछित आवाज दिसून आला, ज्यामुळे संख्यात्मक आणि मोजलेल्या परिणामांमध्ये विसंगती निर्माण झाली. तथापि, या अडचणींव्यतिरिक्त, प्रस्तावित MM ॲरे प्रोटोटाइप सिम्युलेशन आणि प्रयोग यांच्यातील मजबूत सहसंबंधामुळे चांगली कामगिरी करतो, ज्यामुळे ते सब-6 GHz 5G वायरलेस कम्युनिकेशन ऍप्लिकेशन्ससाठी योग्य आहे.
(a) युनिट सेल भूमिती (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 स्टुडिओ सुइट) ) 2019) (ब) MM मापन सेटअपचा फोटो.
(a) मेटामटेरियल प्रोटोटाइपच्या स्कॅटरिंग पॅरामीटर वक्रांचे अनुकरण आणि सत्यापन. (b) MM युनिट सेलचा डायलेक्ट्रिक स्थिर वक्र.
MM युनिट सेलच्या वर्तनाचे अधिक विश्लेषण करण्यासाठी CST इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक सिम्युलेटरच्या बिल्ट-इन पोस्ट-प्रोसेसिंग तंत्रांचा वापर करून प्रभावी डायलेक्ट्रिक स्थिरता, चुंबकीय पारगम्यता आणि अपवर्तक निर्देशांक यासारख्या प्रभावी मापदंडांचा अभ्यास केला गेला. प्रभावी MM पॅरामीटर्स एक मजबूत पुनर्रचना पद्धत वापरून स्कॅटरिंग पॅरामीटर्समधून मिळवले जातात. खालील संप्रेषण आणि परावर्तन गुणांक समीकरणे: (३) आणि (४) अपवर्तक निर्देशांक आणि प्रतिबाधा निर्धारित करण्यासाठी वापरली जाऊ शकतात (४० पहा).
ऑपरेटरचे वास्तविक आणि काल्पनिक भाग अनुक्रमे (.)' आणि (.)” द्वारे दर्शविले जातात आणि पूर्णांक मूल्य m वास्तविक अपवर्तक निर्देशांकाशी संबंधित आहे. डायलेक्ट्रिक स्थिरांक आणि पारगम्यता हे अनुक्रमे प्रतिबाधा आणि अपवर्तक निर्देशांकावर आधारित \(\varepsilon { } = { }n/z,\) आणि \(\mu = nz\) सूत्रांद्वारे निर्धारित केले जातात. MM संरचनेचा प्रभावी डायलेक्ट्रिक स्थिर वक्र आकृती 5b मध्ये दर्शविला आहे. रेझोनंट फ्रिक्वेंसीवर, प्रभावी डायलेक्ट्रिक स्थिरांक नकारात्मक असतो. आकृती 6a,b प्रस्तावित युनिट सेलची प्रभावी पारगम्यता (μ) आणि प्रभावी अपवर्तक निर्देशांक (n) ची काढलेली मूल्ये दर्शविते. विशेष म्हणजे, काढलेल्या पारगम्यता शून्याच्या जवळ सकारात्मक वास्तविक मूल्ये प्रदर्शित करतात, जे प्रस्तावित एमएम संरचनेच्या एप्सिलॉन-नकारात्मक (ENG) गुणधर्मांची पुष्टी करतात. शिवाय, आकृती 6a मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, शून्याच्या जवळ असलेल्या पारगम्यतेवरील अनुनाद रेझोनंट वारंवारतेशी जोरदारपणे संबंधित आहे. विकसित युनिट सेलमध्ये नकारात्मक अपवर्तक निर्देशांक (Fig. 6b) आहे, ज्याचा अर्थ असा आहे की प्रस्तावित MM ऍन्टीनाची कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी वापरली जाऊ शकते21,41.
एकल ब्रॉडबँड अँटेनाचा विकसित प्रोटोटाइप प्रस्तावित डिझाइनची प्रायोगिकरित्या चाचणी करण्यासाठी तयार करण्यात आला होता. आकृती 7a,b प्रस्तावित प्रोटोटाइप सिंगल अँटेना, त्याचे स्ट्रक्चरल भाग आणि जवळ-क्षेत्र मापन सेटअप (SATIMO) च्या प्रतिमा दर्शविते. अँटेना कार्यप्रदर्शन सुधारण्यासाठी, विकसित मेटासर्फेस अँटेना अंतर्गत स्तरांमध्ये ठेवले आहे, आकृती 8a मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, उंची h सह. सिंगल अँटेनाच्या मागील बाजूस 12 मिमी अंतराने सिंगल 40 मिमी x 40 मिमी डबल-लेयर मेटासरफेस लागू करण्यात आला. याव्यतिरिक्त, बॅकप्लेनसह एक मेटासरफेस सिंगल अँटेनाच्या मागील बाजूस 12 मिमी अंतरावर ठेवलेला आहे. मेटासरफेस लागू केल्यानंतर, एकल अँटेना कार्यक्षमतेत लक्षणीय सुधारणा दर्शविते, आकृती 1 आणि 2 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे. आकृती 8 आणि 9. आकृती 8b मेटासरफेसशिवाय आणि त्यासह सिंगल अँटेनासाठी सिम्युलेटेड आणि मापन केलेले परावर्तक प्लॉट दाखवते. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की मेटासरफेस असलेल्या अँटेनाचा कव्हरेज बँड मेटासरफेसशिवाय अँटेनाच्या कव्हरेज बँडसारखाच असतो. आकृती 9a,b ऑपरेटिंग स्पेक्ट्रममधील MS शिवाय आणि सोबत सिम्युलेटेड आणि निरीक्षण केलेल्या सिंगल अँटेना वाढीची आणि एकूण कार्यक्षमतेची तुलना दर्शविते. हे पाहिले जाऊ शकते की, नॉन-मेटासर्फेस ऍन्टीनाच्या तुलनेत, मेटासरफेस ऍन्टीनाचा लाभ लक्षणीयरीत्या सुधारला आहे, 5.15 dBi वरून 8 dBi पर्यंत वाढला आहे. सिंगल-लेयर मेटासरफेस, ड्युअल-लेयर मेटासरफेस आणि बॅकप्लेन मेटासरफेससह सिंगल अँटेनाचा फायदा अनुक्रमे 6 dBi, 6.9 dBi आणि 8 dBi ने वाढला. इतर मेटासरफेस (सिंगल-लेयर आणि डबल-लेयर MC) च्या तुलनेत, कॉपर बॅकप्लेनसह सिंगल मेटासरफेस अँटेनाचा फायदा 8 dBi पर्यंत आहे. या प्रकरणात, मेटासर्फेस एक परावर्तक म्हणून कार्य करते, ऍन्टीनाच्या मागील किरणोत्सर्ग कमी करते आणि इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लाटा इन-फेजमध्ये हाताळते, ज्यामुळे ऍन्टीनाची रेडिएशन कार्यक्षमता वाढते आणि त्यामुळे फायदा होतो. मेटासर्फेसशिवाय आणि त्यासह एकाच अँटेनाच्या एकूण कार्यक्षमतेचा अभ्यास आकृती 9b मध्ये दर्शविला आहे. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की मेटासरफेससह आणि त्याशिवाय अँटेनाची कार्यक्षमता जवळजवळ समान आहे. कमी वारंवारता श्रेणीमध्ये, ऍन्टीनाची कार्यक्षमता किंचित कमी होते. प्रायोगिक आणि सिम्युलेटेड लाभ आणि कार्यक्षमता वक्र चांगले करार आहेत. तथापि, मॅन्युफॅक्चरिंग दोष, मापन सहनशीलता, SMA पोर्ट कनेक्शन तोटा आणि वायर तोटा यामुळे सिम्युलेटेड आणि चाचणी केलेल्या परिणामांमध्ये थोडा फरक आहे. याव्यतिरिक्त, ऍन्टीना आणि एमएस रिफ्लेक्टर नायलॉन स्पेसर्स दरम्यान स्थित आहेत, ही दुसरी समस्या आहे जी सिम्युलेशन परिणामांच्या तुलनेत निरीक्षण केलेल्या परिणामांवर परिणाम करते.
आकृती (a) पूर्ण झालेला सिंगल अँटेना आणि त्याच्याशी संबंधित घटक दाखवते. (b) नियर-फील्ड मापन सेटअप (SATIMO).
(a) मेटासरफेस रिफ्लेक्टर वापरून अँटेना उत्तेजना (CST स्टुडिओ सूट 2019). (b) एमएस शिवाय आणि सह एकाच अँटेनाचे नक्कल केलेले आणि प्रायोगिक प्रतिबिंब.
सिम्युलेशन आणि मापन परिणाम (a) प्राप्त झालेला फायदा आणि (b) प्रस्तावित मेटासरफेस प्रभाव अँटेनाची एकूण कार्यक्षमता.
एमएस वापरून बीम नमुना विश्लेषण. UKM SATIMO नियर-फील्ड सिस्टम्स प्रयोगशाळेच्या SATIMO नियर-फील्ड प्रायोगिक वातावरणात एकल-अँटेना जवळ-क्षेत्र मोजमाप केले गेले. आकृती 10a, b MS सह आणि शिवाय प्रस्तावित सिंगल अँटेनासाठी 5.5 GHz वर सिम्युलेटेड आणि निरीक्षण केलेले ई-प्लेन आणि H-प्लेन रेडिएशन पॅटर्न दाखवतात. विकसित सिंगल अँटेना (MS शिवाय) साइड लोब व्हॅल्यूसह सुसंगत द्विदिशात्मक रेडिएशन पॅटर्न प्रदान करते. प्रस्तावित एमएस रिफ्लेक्टर लागू केल्यानंतर, अँटेना एक दिशाहीन रेडिएशन पॅटर्न प्रदान करतो आणि आकृती 10a, b मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, बॅक लोबची पातळी कमी करतो. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की तांबे बॅकप्लेनसह मेटासरफेस वापरताना प्रस्तावित सिंगल अँटेना रेडिएशन पॅटर्न अधिक स्थिर आणि एकदिशात्मक आहे आणि खूप कमी पाठीमागे आणि बाजूला लोब आहे. प्रस्तावित एमएम ॲरे रिफ्लेक्टर अँटेनाच्या मागील आणि बाजूच्या लोबला कमी करतो आणि विकिरण कार्यप्रदर्शन सुधारत असताना एकदिशात्मक दिशानिर्देश (चित्र 10a, b) मध्ये करंट निर्देशित करतो, ज्यामुळे लाभ आणि डायरेक्टिव्हिटी वाढते. असे आढळून आले की प्रायोगिक रेडिएशन पॅटर्न सीएसटी सिम्युलेशनशी जवळजवळ तुलना करता येण्याजोगा होता, परंतु विविध असेंबल केलेले घटक, मोजमाप सहनशीलता आणि केबल तोटा यांच्या चुकीच्या संरेखनामुळे थोडासा बदल झाला. याव्यतिरिक्त, अँटेना आणि एमएस रिफ्लेक्टर दरम्यान नायलॉन स्पेसर घातला गेला, जो संख्यात्मक परिणामांच्या तुलनेत निरीक्षण केलेल्या परिणामांवर परिणाम करणारा आणखी एक मुद्दा आहे.
5.5 GHz च्या वारंवारतेवर विकसित सिंगल अँटेना (MS शिवाय आणि MS सह) च्या रेडिएशन पॅटर्नचे नक्कल आणि चाचणी करण्यात आली.
प्रस्तावित MIMO अँटेना भूमिती आकृती 11 मध्ये दर्शविली आहे आणि त्यात चार सिंगल अँटेना समाविष्ट आहेत. MIMO अँटेनाचे चार घटक आकृती 11 मध्ये दाखवल्याप्रमाणे 80 × 80 × 1.575 मिमी परिमाणांच्या सब्सट्रेटवर एकमेकांशी ऑर्थोगोनी पद्धतीने मांडलेले आहेत. डिझाइन केलेल्या MIMO अँटेनाचे अंतर-घटक अंतर 22 मिमी आहे, जे यापेक्षा लहान आहे. अँटेनाचे जवळचे संबंधित आंतर-घटक अंतर. MIMO अँटेना विकसित झाला. याव्यतिरिक्त, ग्राउंड प्लेनचा भाग एकाच अँटेना प्रमाणेच स्थित आहे. आकृती 12a मध्ये दर्शविलेल्या MIMO अँटेना (S11, S22, S33, आणि S44) ची परावर्तक मूल्ये 3.2–7.6 GHz बँडमध्ये प्रतिध्वनी करणाऱ्या सिंगल-एलिमेंट अँटेनाप्रमाणेच वर्तन प्रदर्शित करतात. म्हणून, MIMO अँटेनाची प्रतिबाधा बँडविड्थ एकाच अँटेना सारखीच असते. MIMO घटकांमधील कपलिंग इफेक्ट हे MIMO अँटेनाच्या लहान बँडविड्थ कमी होण्याचे मुख्य कारण आहे. आकृती 12b MIMO घटकांवर आंतरकनेक्शनचा प्रभाव दर्शविते, जेथे MIMO घटकांमधील इष्टतम अलगाव निर्धारित केला गेला होता. अँटेना 1 आणि 2 मधील पृथक्करण सर्वात कमी -13.6 dB आहे आणि अँटेना 1 आणि 4 मधील पृथक्करण सर्वात जास्त आहे -30.4 dB. त्याच्या लहान आकारामुळे आणि विस्तृत बँडविड्थमुळे, या MIMO अँटेनामध्ये कमी लाभ आणि कमी थ्रुपुट आहे. इन्सुलेशन कमी आहे, म्हणून वाढीव मजबुतीकरण आणि इन्सुलेशन आवश्यक आहे;
प्रस्तावित MIMO अँटेना (a) शीर्ष दृश्य आणि (b) ग्राउंड प्लेनची डिझाइन यंत्रणा. (CST स्टुडिओ सूट 2019).
प्रस्तावित मेटासरफेस MIMO अँटेनाची भौमितीय व्यवस्था आणि उत्तेजनाची पद्धत आकृती 13a मध्ये दर्शविली आहे. 80x80x1.575mm परिमाण असलेले 10x10mm मॅट्रिक्स आकृती 13a मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे 12mm उंच MIMO अँटेनाच्या मागील बाजूसाठी डिझाइन केले आहे. याव्यतिरिक्त, तांबे बॅकप्लेनसह मेटासरफेस MIMO अँटेनामध्ये त्यांची कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी वापरण्यासाठी आहेत. मेटासर्फेस आणि MIMO अँटेना मधील अंतर उच्च लाभ मिळविण्यासाठी महत्त्वपूर्ण आहे आणि अँटेनाद्वारे निर्माण होणाऱ्या लहरी आणि मेटासर्फेसमधून परावर्तित होणाऱ्या लहरींमध्ये रचनात्मक हस्तक्षेप करण्यास परवानगी देते. MIMO घटकांमधील कमाल लाभ आणि अलगावसाठी क्वार्टर-वेव्ह मानके राखून अँटेना आणि मेटासरफेसमधील उंची अनुकूल करण्यासाठी विस्तृत मॉडेलिंग केले गेले. बॅकप्लेनशिवाय मेटासर्फेसच्या तुलनेत बॅकप्लेनसह मेटासरफेस वापरून MIMO अँटेना कार्यक्षमतेतील लक्षणीय सुधारणा पुढील अध्यायांमध्ये प्रदर्शित केल्या जातील.
(a) MS (CST स्टुडिओ सूट 2019) वापरून प्रस्तावित MIMO अँटेनाचा CST सिम्युलेशन सेटअप, (b) MS शिवाय आणि MS सह विकसित MIMO प्रणालीचे परावर्तन वक्र.
मेटासरफेससह आणि त्याशिवाय MIMO अँटेनाचे प्रतिबिंब आकृती 13b मध्ये दर्शविले आहे, जेथे MIMO प्रणालीमधील सर्व ऍन्टीनांच्या जवळजवळ समान वर्तनामुळे S11 आणि S44 सादर केले आहेत. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की MIMO अँटेनाची -10 dB प्रतिबाधा बँडविड्थ एकाच मेटासरफेसशिवाय आणि त्यासह जवळजवळ समान आहे. याउलट, प्रस्तावित MIMO अँटेनाची प्रतिबाधा बँडविड्थ ड्युअल-लेयर MS आणि बॅकप्लेन MS द्वारे सुधारली आहे. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की MS शिवाय, MIMO अँटेना मध्यवर्ती वारंवारतेच्या तुलनेत 81.5% (3.2-7.6 GHz) ची फ्रॅक्शनल बँडविड्थ प्रदान करते. MS ला बॅकप्लेनसह एकत्रित केल्याने प्रस्तावित MIMO अँटेनाची प्रतिबाधा बँडविड्थ 86.3% (3.08–7.75 GHz) पर्यंत वाढते. जरी ड्युअल-लेयर MS थ्रुपुट वाढवत असले तरी, सुधारणा तांबे बॅकप्लेनसह MS पेक्षा कमी आहे. शिवाय, ड्युअल-लेयर एमसी ऍन्टीनाचा आकार वाढवते, त्याची किंमत वाढवते आणि त्याची श्रेणी मर्यादित करते. डिझाइन केलेले MIMO अँटेना आणि मेटासरफेस रिफ्लेक्टर सिम्युलेशन परिणाम प्रमाणित करण्यासाठी आणि वास्तविक कार्यप्रदर्शनाचे मूल्यमापन करण्यासाठी बनावट आणि सत्यापित केले आहेत. आकृती 14a विविध घटक एकत्र केलेले फॅब्रिकेटेड MS लेयर आणि MIMO अँटेना दाखवते, तर आकृती 14b विकसित MIMO प्रणालीचे छायाचित्र दाखवते. आकृती 14b मध्ये दाखवल्याप्रमाणे MIMO अँटेना चार नायलॉन स्पेसर वापरून मेटासरफेसच्या वर बसवलेले आहे. आकृती 15a विकसित MIMO अँटेना प्रणालीच्या जवळ-क्षेत्र प्रायोगिक सेटअपचा स्नॅपशॉट दाखवते. PNA नेटवर्क विश्लेषक (Agilent Technologies PNA N5227A) चा वापर स्कॅटरिंग पॅरामीटर्सचा अंदाज घेण्यासाठी आणि UKM SATIMO नियर-फील्ड सिस्टम्स प्रयोगशाळेत जवळ-क्षेत्र उत्सर्जन वैशिष्ट्यांचे मूल्यांकन करण्यासाठी आणि वैशिष्ट्यीकृत करण्यासाठी केला गेला.
(a) SATIMO जवळील फील्ड मोजमापांचे फोटो (b) MS सह आणि शिवाय S11 MIMO अँटेनाचे सिम्युलेटेड आणि प्रायोगिक वक्र.
हा विभाग प्रस्तावित 5G MIMO अँटेनाच्या सिम्युलेटेड आणि निरीक्षण केलेल्या S-पॅरामीटर्सचा तुलनात्मक अभ्यास सादर करतो. आकृती 15b एकात्मिक 4-घटक MIMO MS अँटेनाचा प्रायोगिक परावर्तक प्लॉट दाखवते आणि त्याची CST सिम्युलेशन परिणामांशी तुलना करते. प्रायोगिक प्रतिबिंब CST गणनेप्रमाणेच असल्याचे आढळले, परंतु उत्पादनातील दोष आणि प्रायोगिक सहनशीलतेमुळे ते थोडे वेगळे होते. याव्यतिरिक्त, प्रस्तावित MS-आधारित MIMO प्रोटोटाइपचे निरीक्षण केलेले प्रतिबिंब 4.8 GHz च्या प्रतिबाधा बँडविड्थसह 6 GHz खाली 5G स्पेक्ट्रम कव्हर करते, याचा अर्थ 5G अनुप्रयोग शक्य आहेत. तथापि, मोजलेली रेझोनंट वारंवारता, बँडविड्थ आणि मोठेपणा CST सिम्युलेशन परिणामांपेक्षा थोडे वेगळे आहेत. मॅन्युफॅक्चरिंग दोष, कोक्स-टू-एसएमए कपलिंग लॉस आणि आउटडोअर मापन सेटअपमुळे मोजलेल्या आणि सिम्युलेटेड परिणामांमध्ये फरक होऊ शकतो. तथापि, या उणिवा असूनही, प्रस्तावित MIMO चांगले कार्य करते, सिम्युलेशन आणि मोजमापांमध्ये मजबूत करार प्रदान करते, ज्यामुळे ते सब-6 GHz 5G वायरलेस ऍप्लिकेशन्ससाठी योग्य बनते.
सिम्युलेटेड आणि निरीक्षण केलेले MIMO अँटेना गेन वक्र आकृती 2 आणि 2 मध्ये दर्शविले आहेत. आकृती 16a,b आणि 17a,b मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, अनुक्रमे, MIMO घटकांचा परस्पर संवाद दर्शविला आहे. जेव्हा MIMO अँटेनावर मेटासरफेस लागू केले जातात, तेव्हा MIMO अँटेनामधील अलगाव लक्षणीयरीत्या सुधारला जातो. S12, S14, S23 आणि S34 या समीप असलेल्या अँटेना घटकांमधील अलगाव प्लॉट समान वक्र दाखवतात, तर कर्ण MIMO अँटेना S13 आणि S42 त्यांच्यामधील जास्त अंतरामुळे सारखेच उच्च अलगाव दर्शवतात. समीप अँटेनाची सिम्युलेटेड ट्रान्समिशन वैशिष्ट्ये आकृती 16a मध्ये दर्शविली आहेत. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की 6 GHz पेक्षा कमी 5G ऑपरेटिंग स्पेक्ट्रममध्ये, मेटासर्फेसशिवाय MIMO अँटेनाचे किमान पृथक्करण -13.6 dB आहे आणि बॅकप्लेनसह मेटासर्फेससाठी - 15.5 dB आहे. लाभ प्लॉट (आकृती 16a) दर्शविते की बॅकप्लेन मेटासरफेस सिंगल- आणि डबल-लेयर मेटासरफेसच्या तुलनेत MIMO अँटेना घटकांमधील अलगावमध्ये लक्षणीय सुधारणा करते. लगतच्या अँटेना घटकांवर, सिंगल- आणि डबल-लेयर मेटासरफेस अंदाजे -13.68 dB आणि -14.78 dB चे किमान अलगाव प्रदान करतात आणि कॉपर बॅकप्लेन मेटासरफेस अंदाजे -15.5 dB प्रदान करतात.
MS लेयरशिवाय आणि MS लेयरसह MIMO घटकांचे सिम्युलेटेड अलगाव वक्र: (a) S12, S14, S34 आणि S32 आणि (b) S13 आणि S24.
प्रस्तावित MS-आधारित MIMO अँटेनाचे प्रायोगिक लाभ वक्र: (a) S12, S14, S34 आणि S32 आणि (b) S13 आणि S24.
एमआयएमओ डायगोनल अँटेना MS लेयर जोडण्यापूर्वी आणि नंतर मिळवलेले प्लॉट आकृती 16b मध्ये दाखवले आहेत. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की मेटासर्फेस (अँटेना 1 आणि 3) शिवाय कर्ण एंटेनामधील किमान अलगाव - ऑपरेटिंग स्पेक्ट्रममध्ये 15.6 dB आहे आणि बॅकप्लेनसह मेटासरफेस - 18 dB आहे. मेटासरफेस दृष्टीकोन कर्ण MIMO अँटेना दरम्यान जोडणी प्रभाव लक्षणीयपणे कमी करते. सिंगल-लेयर मेटासरफेससाठी कमाल इन्सुलेशन -37 dB आहे, तर दुहेरी-लेयर मेटासरफेससाठी हे मूल्य -47 dB पर्यंत घसरते. कॉपर बॅकप्लेनसह मेटासर्फेसचे कमाल अलगाव −36.2 dB आहे, जे वाढत्या वारंवारता श्रेणीसह कमी होते. बॅकप्लेनशिवाय सिंगल- आणि डबल-लेयर मेटासरफेसच्या तुलनेत, बॅकप्लेनसह मेटासरफेस संपूर्ण आवश्यक ऑपरेटिंग फ्रिक्वेन्सी श्रेणीमध्ये उत्कृष्ट अलगाव प्रदान करतात, विशेषत: 6 GHz खाली 5G श्रेणीमध्ये, आकृती 16a, b मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे. 6 GHz (3.5 GHz) खाली सर्वात लोकप्रिय आणि व्यापकपणे वापरल्या जाणाऱ्या 5G बँडमध्ये, सिंगल- आणि ड्युअल-लेयर मेटासरफेसमध्ये तांबे बॅकप्लेन (जवळजवळ MS नाही) असलेल्या मेटासरफेसेसपेक्षा MIMO घटकांमध्ये कमी अलगाव असतो (चित्र 16a पहा), b). लाभ मोजमाप आकृती 17a, b मध्ये दर्शविले आहेत, अनुक्रमे समीप अँटेना (S12, S14, S34 आणि S32) आणि कर्ण एंटेना (S24 आणि S13) यांचे अलगाव दर्शवित आहेत. या आकृत्यांमधून (चित्र 17a, b) पाहिले जाऊ शकते, MIMO घटकांमधील प्रायोगिक अलगाव सिम्युलेटेड पृथक्करणाशी चांगले सहमत आहे. मॅन्युफॅक्चरिंग दोष, SMA पोर्ट कनेक्शन आणि वायर तोटा यांमुळे सिम्युलेटेड आणि मापन केलेल्या CST मूल्यांमध्ये किरकोळ फरक असला तरी. याव्यतिरिक्त, ऍन्टीना आणि एमएस रिफ्लेक्टर नायलॉन स्पेसर्स दरम्यान स्थित आहेत, ही दुसरी समस्या आहे जी सिम्युलेशन परिणामांच्या तुलनेत निरीक्षण केलेल्या परिणामांवर परिणाम करते.
5.5 GHz वर पृष्ठभागाच्या वर्तमान वितरणाचा अभ्यास केला ज्यामुळे पृष्ठभागाच्या लहरी सप्रेशन 42 द्वारे परस्पर जोडणी कमी करण्यात मेटासरफेसची भूमिका तर्कसंगत केली गेली. प्रस्तावित एमआयएमओ अँटेनाचे पृष्ठभाग वर्तमान वितरण आकृती 18 मध्ये दर्शविले आहे, जेथे अँटेना 1 चालविला जातो आणि उर्वरित अँटेना 50 ओम लोडसह समाप्त केला जातो. जेव्हा ऍन्टेना 1 ऊर्जावान होतो, तेव्हा आकृती 18a मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, मेटासर्फेसच्या अनुपस्थितीत 5.5 GHz जवळच्या ऍन्टीनामध्ये महत्त्वपूर्ण परस्पर जोड प्रवाह दिसून येतील. याउलट, आकृती 18b–d मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, मेटासर्फेसच्या वापराद्वारे, लगतच्या अँटेनामधील अलगाव सुधारला जातो. हे लक्षात घेतले पाहिजे की समीपच्या क्षेत्रांच्या परस्पर जोडणीचा प्रभाव समांतर दिशांमध्ये एमएस लेयरच्या बाजूने युनिट सेलच्या समीप रिंग आणि समीप एमएस युनिट सेलमध्ये जोडणी करंटचा प्रसार करून कमी केला जाऊ शकतो. एमआयएमओ घटकांमधील पृथक्करण सुधारण्यासाठी वितरित अँटेनापासून एमएस युनिट्समध्ये करंट इंजेक्ट करणे ही एक प्रमुख पद्धत आहे. परिणामी, MIMO घटकांमधील कपलिंग करंट मोठ्या प्रमाणात कमी झाला आहे, आणि अलगाव देखील मोठ्या प्रमाणात सुधारला आहे. घटकामध्ये कपलिंग फील्ड मोठ्या प्रमाणावर वितरित केल्यामुळे, कॉपर बॅकप्लेन मेटासरफेस MIMO अँटेना असेंब्लीला सिंगल- आणि डबल-लेयर मेटासरफेस (आकृती 18d) पेक्षा लक्षणीयरीत्या वेगळे करते. शिवाय, विकसित एमआयएमओ अँटेनामध्ये बॅकप्रोपेगेशन आणि साइड प्रोपॅगेशन खूपच कमी आहे, ज्यामुळे एक दिशाहीन रेडिएशन पॅटर्न तयार होतो, ज्यामुळे प्रस्तावित एमआयएमओ अँटेनाचा फायदा वाढतो.
5.5 GHz (a) MC शिवाय, (b) सिंगल-लेयर MC, (c) डबल-लेयर MC, आणि (d) कॉपर बॅकप्लेनसह सिंगल-लेयर MC वर प्रस्तावित MIMO अँटेनाचे पृष्ठभाग चालू नमुने. (CST स्टुडिओ सूट 2019).
ऑपरेटिंग फ्रिक्वेन्सीमध्ये, आकृती 19a मेटासरफेसशिवाय आणि सह डिझाइन केलेल्या MIMO अँटेनाचे नक्कल केलेले आणि निरीक्षण केलेले नफा दाखवते. आकृती 19a मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, मेटासरफेसशिवाय MIMO अँटेनाचा नक्कल केलेला लाभ 5.4 dBi आहे. MIMO घटकांमधील परस्पर जोडणीच्या प्रभावामुळे, प्रस्तावित MIMO अँटेना प्रत्यक्षात एका अँटेनापेक्षा 0.25 dBi जास्त फायदा मिळवतो. मेटासर्फेसची जोडणी MIMO घटकांमधील लक्षणीय लाभ आणि अलगाव प्रदान करू शकते. अशाप्रकारे, प्रस्तावित मेटासरफेस MIMO अँटेना 8.3 dBi पर्यंत उच्च प्राप्ती प्राप्त करू शकते. आकृती 19a मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, जेव्हा MIMO अँटेनाच्या मागील बाजूस एकच मेटासरफेस वापरला जातो तेव्हा फायदा 1.4 dBi ने वाढतो. जेव्हा मेटासर्फेस दुप्पट होते, तेव्हा आकृती 19a मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे लाभ 2.1 dBi ने वाढतो. तथापि, तांबे बॅकप्लेनसह मेटासरफेस वापरताना 8.3 dBi चा अपेक्षित कमाल लाभ प्राप्त होतो. उल्लेखनीय म्हणजे, सिंगल-लेयर आणि डबल-लेयर मेटासरफेससाठी कमाल प्राप्त केलेली वाढ अनुक्रमे 6.8 dBi आणि 7.5 dBi आहे, तर तळ-लेयर मेटासरफेससाठी कमाल प्राप्त केलेली वाढ 8.3 dBi आहे. ऍन्टीनाच्या मागील बाजूस असलेला मेटासरफेस लेयर रिफ्लेक्टर म्हणून काम करतो, ऍन्टीनाच्या मागील बाजूपासून रेडिएशन परावर्तित करतो आणि डिझाइन केलेल्या MIMO ऍन्टीनाचे फ्रंट-टू- बॅक (F/B) गुणोत्तर सुधारतो. याव्यतिरिक्त, उच्च-प्रतिबाधा MS परावर्तक इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लहरींमध्ये फेज फेरफार करतो, ज्यामुळे अतिरिक्त अनुनाद निर्माण होतो आणि प्रस्तावित MIMO अँटेनाच्या रेडिएशन कार्यक्षमतेत सुधारणा होते. एमआयएमओ अँटेनाच्या मागे स्थापित केलेला एमएस रिफ्लेक्टर प्राप्त नफ्यात लक्षणीय वाढ करू शकतो, ज्याची प्रायोगिक परिणामांद्वारे पुष्टी केली जाते. विकसित प्रोटोटाइप एमआयएमओ अँटेनाचे निरीक्षण केलेले आणि सिम्युलेटेड नफा जवळजवळ समान आहेत, तथापि, काही फ्रिक्वेन्सीवर मोजलेले नफा सिम्युलेटेड गेनपेक्षा जास्त आहे, विशेषत: एमआयएमओसाठी एमएस शिवाय; प्रायोगिक फायद्यातील ही तफावत नायलॉन पॅडची मोजमाप सहनशीलता, केबलचे नुकसान आणि अँटेना प्रणालीमधील कपलिंगमुळे होते. मेटासर्फेस शिवाय MIMO अँटेनाचा कमाल मोजलेला फायदा 5.8 dBi आहे, तर कॉपर बॅकप्लेनसह मेटासर्फेस 8.5 dBi आहे. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की प्रस्तावित संपूर्ण 4-पोर्ट MIMO अँटेना MS रिफ्लेक्टरसह प्रायोगिक आणि संख्यात्मक परिस्थितीत उच्च लाभ दर्शवते.
सिम्युलेशन आणि प्रायोगिक परिणाम (a) मिळवलेला फायदा आणि (b) मेटासरफेस प्रभावासह प्रस्तावित MIMO अँटेनाची एकूण कामगिरी.
आकृती 19b मेटासरफेस रिफ्लेक्टरशिवाय आणि त्यासह प्रस्तावित MIMO प्रणालीची एकूण कामगिरी दर्शवते. आकृती 19b मध्ये, बॅकप्लेनसह एमएस वापरण्याची सर्वात कमी कार्यक्षमता 73% पेक्षा जास्त होती (84% पर्यंत खाली). MC शिवाय आणि MC सह विकसित MIMO अँटेनाची एकूण कार्यक्षमता सिम्युलेटेड मूल्यांच्या तुलनेत किरकोळ फरकांसह जवळजवळ समान आहे. याची कारणे म्हणजे मोजमाप सहनशीलता आणि अँटेना आणि एमएस रिफ्लेक्टरमधील स्पेसरचा वापर. संपूर्ण फ्रिक्वेन्सीमध्ये मोजलेले प्राप्त केलेले लाभ आणि एकूण कार्यक्षमता जवळजवळ सिम्युलेशन परिणामांसारखीच आहे, हे सूचित करते की प्रस्तावित MIMO प्रोटोटाइपची कामगिरी अपेक्षेप्रमाणे आहे आणि शिफारस केलेला MS-आधारित MIMO अँटेना 5G संप्रेषणांसाठी योग्य आहे. प्रायोगिक अभ्यासांमधील त्रुटींमुळे, प्रयोगशाळेतील प्रयोगांचे एकूण परिणाम आणि सिम्युलेशनच्या परिणामांमध्ये फरक आहे. प्रस्तावित प्रोटोटाइपच्या कार्यप्रदर्शनावर अँटेना आणि SMA कनेक्टरमधील प्रतिबाधा जुळत नसणे, कोएक्सियल केबल स्प्लिस लॉस, सोल्डरिंग इफेक्ट्स आणि प्रायोगिक सेटअपच्या विविध इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या समीपतेमुळे प्रभावित होते.
आकृती 20 ब्लॉक आकृतीच्या स्वरूपात उक्त अँटेनाच्या डिझाइन आणि ऑप्टिमायझेशन प्रगतीचे वर्णन करते. हा ब्लॉक आकृती प्रस्तावित MIMO अँटेना डिझाइन तत्त्वांचे चरण-दर-चरण वर्णन प्रदान करते, तसेच विस्तृत ऑपरेटिंग फ्रिक्वेंसीवर आवश्यक उच्च लाभ आणि उच्च अलगाव प्राप्त करण्यासाठी अँटेना ऑप्टिमाइझ करण्यात महत्त्वाची भूमिका बजावणारे पॅरामीटर्स प्रदान करते.
UKM SATIMO नियर-फील्ड सिस्टम्स प्रयोगशाळेतील SATIMO नियर-फील्ड प्रायोगिक वातावरणात जवळ-क्षेत्र MIMO अँटेना मोजमाप केले गेले. आकृती 21a,b 5.5 GHz च्या ऑपरेटिंग फ्रिक्वेंसीवर MS सह आणि शिवाय दावा केलेल्या MIMO अँटेनाचे सिम्युलेटेड आणि निरीक्षण केलेले ई-प्लेन आणि H-प्लेन रेडिएशन पॅटर्नचे चित्रण करतात. 5.5 GHz च्या ऑपरेटिंग फ्रिक्वेंसी रेंजमध्ये, विकसित नॉन-MS MIMO अँटेना साइड लोब व्हॅल्यूसह एकसंध द्विदिशात्मक रेडिएशन पॅटर्न प्रदान करते. एमएस रिफ्लेक्टर लागू केल्यानंतर, अँटेना एक दिशात्मक रेडिएशन पॅटर्न प्रदान करतो आणि आकृती 21a, b मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, बॅक लोबची पातळी कमी करतो. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की कॉपर बॅकप्लेनसह मेटासरफेस वापरून, प्रस्तावित MIMO अँटेना पॅटर्न MS शिवाय, अगदी कमी पाठीमागे आणि बाजूच्या लोबसह अधिक स्थिर आणि दिशाहीन आहे. प्रस्तावित एमएम ॲरे रिफ्लेक्टर अँटेनाच्या मागील आणि बाजूच्या लोबला कमी करतो आणि विद्युत् प्रवाह एका दिशाहीन दिशेने निर्देशित करून रेडिएशन वैशिष्ट्ये सुधारतो (चित्र 21a, b), ज्यामुळे लाभ आणि दिशात्मकता वाढते. उर्वरित पोर्टशी जोडलेल्या 50 ओम लोडसह पोर्ट 1 साठी मोजलेले रेडिएशन पॅटर्न प्राप्त केले गेले. असे आढळून आले की प्रायोगिक रेडिएशन पॅटर्न जवळजवळ CST द्वारे नक्कल केलेल्या सारखाच होता, जरी घटक चुकीचे संरेखन, टर्मिनल पोर्ट्समधून प्रतिबिंब आणि केबल कनेक्शनमधील नुकसान यामुळे काही विचलन होते. याव्यतिरिक्त, अँटेना आणि एमएस रिफ्लेक्टर दरम्यान नायलॉन स्पेसर घातला गेला, जो अंदाजित परिणामांच्या तुलनेत निरीक्षण केलेल्या परिणामांवर परिणाम करणारा आणखी एक समस्या आहे.
5.5 GHz च्या वारंवारतेवर विकसित MIMO अँटेना (MS शिवाय आणि MS सह) च्या रेडिएशन पॅटर्नचे नक्कल आणि चाचणी करण्यात आली.
हे लक्षात घेणे महत्त्वाचे आहे की MIMO प्रणालीच्या कार्यक्षमतेचे मूल्यमापन करताना पोर्ट अलगाव आणि त्याच्याशी संबंधित वैशिष्ट्ये आवश्यक आहेत. लिफाफा सहसंबंध गुणांक (ECC) आणि विविधता लाभ (DG) सह प्रस्तावित MIMO प्रणालीची विविधता कार्यप्रदर्शन डिझाइन केलेल्या MIMO अँटेना प्रणालीची मजबूती स्पष्ट करण्यासाठी तपासली जाते. MIMO अँटेनाचे ECC आणि DG त्याच्या कार्यक्षमतेचे मूल्यमापन करण्यासाठी वापरले जाऊ शकतात कारण ते MIMO प्रणालीच्या कार्यक्षमतेचे महत्त्वाचे पैलू आहेत. पुढील विभाग प्रस्तावित MIMO अँटेनाच्या या वैशिष्ट्यांचा तपशील देतील.
लिफाफा सहसंबंध गुणांक (ECC). कोणत्याही MIMO प्रणालीचा विचार करताना, ECC घटक घटक त्यांच्या विशिष्ट गुणधर्मांबाबत एकमेकांशी किती प्रमाणात संबंध ठेवतात हे निर्धारित करते. अशा प्रकारे, ECC वायरलेस कम्युनिकेशन नेटवर्कमध्ये चॅनेल अलगावची डिग्री प्रदर्शित करते. विकसित एमआयएमओ प्रणालीचे ECC (लिफाफा सहसंबंध गुणांक) S- मापदंड आणि दूर-क्षेत्र उत्सर्जनाच्या आधारे निर्धारित केले जाऊ शकते. Eq पासून. (7) आणि (8) प्रस्तावित MIMO अँटेना 31 चे ECC निर्धारित केले जाऊ शकते.
परावर्तन गुणांक Sii द्वारे दर्शविला जातो आणि Sij प्रेषण गुणांक दर्शवतो. j-th आणि i-th अँटेनाचे त्रिमितीय रेडिएशन पॅटर्न \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) आणि \( \vec {{R_{ i } }} ठोस कोन \left( {\theta ,\varphi } \right)\) आणि \({\Omega }\) द्वारे दर्शविला जातो. प्रस्तावित अँटेनाचा ECC वक्र आकृती 22a मध्ये दर्शविला आहे आणि त्याचे मूल्य 0.004 पेक्षा कमी आहे, जे वायरलेस प्रणालीसाठी 0.5 च्या स्वीकार्य मूल्यापेक्षा कमी आहे. त्यामुळे, कमी झालेल्या ECC मूल्याचा अर्थ असा आहे की प्रस्तावित 4-पोर्ट MIMO प्रणाली उत्कृष्ट विविधता प्रदान करते43.
डायव्हर्सिटी गेन (DG) DG हे आणखी एक MIMO सिस्टीम कार्यप्रदर्शन मेट्रिक आहे जे विविधता योजना विकिरणित शक्तीवर कसा परिणाम करते याचे वर्णन करते. रिलेशन (9) 31 मध्ये वर्णन केल्याप्रमाणे विकसित होत असलेल्या MIMO अँटेना सिस्टमचा DG निर्धारित करते.
आकृती 22b प्रस्तावित MIMO प्रणालीचा DG आकृती दर्शविते, जेथे DG मूल्य 10 dB च्या अगदी जवळ आहे. डिझाइन केलेल्या एमआयएमओ सिस्टमच्या सर्व अँटेनांची डीजी मूल्ये 9.98 डीबी पेक्षा जास्त आहेत.
टेबल 1 प्रस्तावित मेटासरफेस एमआयएमओ अँटेनाची अलीकडे विकसित केलेल्या तत्सम MIMO प्रणालीशी तुलना करते. तुलना बँडविड्थ, लाभ, कमाल अलगाव, एकूण कार्यक्षमता आणि विविधता कार्यप्रदर्शनासह विविध कार्यप्रदर्शन मापदंड विचारात घेते. संशोधकांनी 5, 44, 45, 46, 47 मध्ये गेन आणि आयसोलेशन एन्हांसमेंट तंत्रांसह विविध MIMO अँटेना प्रोटोटाइप सादर केले आहेत. पूर्वी प्रकाशित केलेल्या कामांच्या तुलनेत, मेटासरफेस रिफ्लेक्टरसह प्रस्तावित MIMO सिस्टीम बँडविड्थ, फायदा आणि अलगावच्या बाबतीत त्यांना मागे टाकते. याव्यतिरिक्त, नोंदवलेल्या समान अँटेनाच्या तुलनेत, विकसित MIMO सिस्टीम लहान आकारात उत्कृष्ट विविधता आणि एकूण कार्यक्षमता प्रदर्शित करते. जरी विभाग 5.46 मध्ये वर्णन केलेल्या अँटेनामध्ये आमच्या प्रस्तावित अँटेनापेक्षा जास्त अलगाव आहे, तरीही हे अँटेना मोठा आकार, कमी वाढ, अरुंद बँडविड्थ आणि खराब MIMO कार्यक्षमतेने ग्रस्त आहेत. 45 मध्ये प्रस्तावित 4-पोर्ट MIMO अँटेना उच्च लाभ आणि कार्यक्षमता प्रदर्शित करते, परंतु त्याच्या डिझाइनमध्ये कमी अलगाव, मोठा आकार आणि खराब विविधता कार्यप्रदर्शन आहे. दुसरीकडे, 47 मध्ये प्रस्तावित लहान आकाराच्या अँटेना प्रणालीमध्ये खूपच कमी लाभ आणि ऑपरेटिंग बँडविड्थ आहे, तर आमची प्रस्तावित MS आधारित 4-पोर्ट MIMO सिस्टीम लहान आकार, उच्च लाभ, उच्च अलगाव आणि चांगली कामगिरी MIMO प्रदर्शित करते. अशाप्रकारे, प्रस्तावित मेटासरफेस MIMO अँटेना सब-6 GHz 5G कम्युनिकेशन सिस्टमसाठी प्रमुख दावेदार बनू शकतो.
चार-पोर्ट मेटासरफेस रिफ्लेक्टर-आधारित वाइडबँड MIMO अँटेना उच्च लाभ आणि अलगावसह 6 GHz पेक्षा कमी 5G अनुप्रयोगांना समर्थन देण्यासाठी प्रस्तावित आहे. मायक्रोस्ट्रिप लाइन एक चौरस रेडिएटिंग विभाग फीड करते, ज्याला कर्ण कोपऱ्यांवर चौरसाने कापले जाते. हाय-स्पीड 5G कम्युनिकेशन सिस्टीममध्ये उत्कृष्ट कार्यप्रदर्शन साध्य करण्यासाठी प्रस्तावित एमएस आणि अँटेना एमिटर रॉजर्स RT5880 सारख्या सब्सट्रेट सामग्रीवर लागू केले आहेत. MIMO अँटेनामध्ये विस्तृत श्रेणी आणि उच्च लाभ आहे आणि MIMO घटक आणि उत्कृष्ट कार्यक्षमतेमध्ये आवाज अलगाव प्रदान करते. विकसित सिंगल अँटेनामध्ये 0.58?0.58?0.02 चे सूक्ष्म परिमाण आहेत? 5×5 मेटासरफेस ॲरेसह, विस्तृत 4.56 GHz ऑपरेटिंग बँडविड्थ, 8 dBi पीक गेन आणि उत्कृष्ट मापन कार्यक्षमता प्रदान करते. प्रस्तावित चार-पोर्ट MIMO अँटेना (2 × 2 ॲरे) प्रत्येक प्रस्तावित सिंगल अँटेनाला 1.05λ × 1.05λ × 0.02λ च्या परिमाणांसह दुसऱ्या अँटेनासह ऑर्थोगोनली संरेखित करून डिझाइन केले आहे. 12 मिमी उंच MIMO अँटेना अंतर्गत 10×10 MM ॲरे एकत्र करण्याची शिफारस केली जाते, जे बॅक-रेडिएशन कमी करू शकते आणि MIMO घटकांमधील परस्पर जोड कमी करू शकते, ज्यामुळे फायदा आणि अलगाव सुधारतो. प्रायोगिक आणि सिम्युलेशन परिणाम दर्शवितात की विकसित MIMO प्रोटोटाइप 3.08-7.75 GHz च्या विस्तृत वारंवारता श्रेणीमध्ये कार्य करू शकतो, 5G स्पेक्ट्रम 6 GHz पेक्षा कमी आहे. याव्यतिरिक्त, प्रस्तावित MS-आधारित MIMO अँटेना 2.9 dBi ने त्याचा फायदा सुधारतो, जास्तीत जास्त 8.3 dBi चा फायदा मिळवतो आणि MIMO घटकांमधील उत्कृष्ट अलगाव (>15.5 dB) प्रदान करतो, MS चे योगदान प्रमाणित करतो. याव्यतिरिक्त, प्रस्तावित MIMO अँटेनाची उच्च सरासरी एकूण कार्यक्षमता 82% आणि कमी अंतर-घटक अंतर 22 मिमी आहे. अँटेना अतिशय उच्च DG (9.98 dB पेक्षा जास्त), खूप कमी ECC (0.004 पेक्षा कमी) आणि दिशाहीन रेडिएशन पॅटर्नसह उत्कृष्ट MIMO विविधता कार्यप्रदर्शन प्रदर्शित करते. मापन परिणाम सिम्युलेशन परिणामांसारखेच असतात. ही वैशिष्ट्ये पुष्टी करतात की विकसित फोर-पोर्ट MIMO अँटेना सिस्टीम सब-6 GHz फ्रिक्वेन्सी रेंजमधील 5G कम्युनिकेशन सिस्टमसाठी एक व्यवहार्य पर्याय असू शकते.
Cowin 400-6000MHz वाइडबँड PCB अँटेना प्रदान करू शकते आणि आपल्या आवश्यकतेनुसार नवीन अँटेना डिझाइन करण्यासाठी समर्थन देऊ शकते, कृपया आपल्याला कोणतीही विनंती असल्यास संकोच न करता आमच्याशी संपर्क साधा.
पोस्ट वेळ: ऑक्टोबर-10-2024