Массивная метаматериальная система

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 14311 (2022) Цитировать эту статью

2807 Доступов

8 цитат

3 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой статье для приложений пятого поколения (5G) предлагается интегрированная массивная антенная система с несколькими входами и множеством выходов (mMIMO), загруженная метаматериалом (MTM). Кроме того, достижение двойных отрицательных характеристик (DNG) с использованием предлагаемого компактного комплементарного резонатора с разъемным кольцом (SRR), широкого эпсилон-отрицательного метаматериала (ENG) с полосой пропускания более 1 ГГц (BW) и почти нулевым показателем преломления (NZRI). представлены особенности. Предлагаемая антенна mMIMO состоит из восьми подрешеток с тремя уровнями, которые работают в интеллектуальном диапазоне 5G на частоте 3,5 ГГц (3,40–3,65 ГГц) с высокой развязкой портов между соседними элементами антенны по сравнению с антенной, не использующей MTM. Каждый подмассив имеет два участка на верхнем слое, а средний и нижний слои имеют две категории полного и частичного планов местности соответственно. Смоделировано, изготовлено и испытано 32 элемента общим объемом 184×340×1,575 мм3. Результаты измерений показывают, что антенна Sub-6 имеет коэффициент отражения выше 10 дБ (S11), изоляцию менее 35 дБ и пиковое усиление 10,6 дБи для каждой подрешетки. Кроме того, рекомендуемая антенна с MTM продемонстрировала хорошие характеристики MIMO с коэффициентом ECC менее 0,0001, общей эффективностью более 90%, полосой пропускания более 300 МГц и общим усилением 19,5 дБи.

В последние годы системы беспроводной связи получили экспоненциальное развитие, и этот сценарий ведет к продолжению использования высоко востребованных сложных технологий. На данный момент более высокая скорость передачи данных и меньшая задержка с увеличением пропускной способности канала являются критическими параметрами, которые необходимо значительно улучшить, чтобы удовлетворить требования будущих беспроводных систем пятого поколения (5G) средней полосы частот ниже 6 ГГц. В этом отношении технология массивного MIMO является одним из потенциальных решений1,2,3, которое может одновременно поддерживать больше пользователей, обеспечивает улучшенное разнообразие и мультиплексирование, а также позволяет значительно улучшить энергоэффективные системы. Массивная операция MIMO широко изучалась на основе однородных массивов и всенаправленных диаграмм направленности4,5,6. Однако в большинстве этих исследований игнорировалось влияние диаграммы направленности антенны на производительность системы mMIMO.

Сообщалось, что антенные системы 5G MIMO работают как в одном, так и в двух рабочих диапазонах7,8,9. Недавно проект партнерства поколений (3GPP)10 запустил три рабочих диапазона 5G New Radio (NR); эти полосы поддерживают применение средней полосы в диапазоне (3,3–3,8 ГГц), (3,3–4,2 ГГц) и (4,4–5,0 ГГц), которые представляют собой N78, N77 и N79 соответственно. Кроме того, как упоминалось выше, каждая страна может выбирать свои собственные востребованные диапазоны 5G. На данный момент официально заявлено, что Китай использует два диапазона частот (3,3–3,6 ГГц) и (4,8–5,0 ГГц)11, хотя диапазон частот от 3,4 до 3,8 ГГц был определен Европейским Союзом (ЕС) для приложений 5G12. . Следовательно, для покрытия вышеупомянутых рабочих диапазонов 5G по соображениям мобильности необходимо разработать специальную антенную систему MIMO для покрытия желаемых диапазонов 5G N77/N78/N79, что не рассматривается в конструкциях, предложенных в ссылках 13, 14.

Разработка MIMO-антенн с высокой изоляцией между элементами антенны, низкой стоимостью, меньшим потреблением энергии, небольшими размерами и малым весом часто является сложной задачей. Однако одним из недостатков характеристик антенны является узкая полоса пропускания, что ограничивает использование новых беспроводных систем. Чтобы избежать этих проблем, в последнее время было разработано несколько методов. Например, метод поверхности реактивного импеданса (RIS)15 можно использовать для улучшения характеристик излучения антенны и полосы пропускания путем настройки RIS между электрическими (PEC) и магнитными (PMC) проводниками и поверхностями. Кроме того, общий размер антенны может быть уменьшен. Характеристики антенны значительно улучшены в работе [16] за счет использования двумерной конструкции из левого метаматериала (LHM) на верхней (заплатке) и нижней (земле) сторонах диэлектрической подложки. Этот метод генерирует емкостно-индуктивные характеристики за счет связи между спроектированным патчем и конфигурацией нижней плоскости, что создает обратную бегущую волну. Однако перед испытанием на измерение температуры для пассивной антенны применяется периодическая структура на плане земли, как предложено в ссылке 17. Эти донные поверхностные слои позволяют значительно улучшить размер антенны и характеристики полосы пропускания.