이 연구에서는 6GHz 미만 5세대(5G) 무선 통신 시스템을 위한 소형 통합 MIMO(다중 입력 다중 출력) MS(메타표면) 광대역 안테나를 제안합니다. 제안된 MIMO 시스템의 명백한 참신함은 넓은 작동 대역폭, 높은 이득, 작은 구성 요소 간 간격 및 MIMO 구성 요소 내 탁월한 격리입니다. 안테나의 방사 지점은 대각선으로 잘리고 부분적으로 접지되었으며 메타표면은 안테나 성능을 향상시키는 데 사용됩니다. 제안된 프로토타입 통합 단일 MS 안테나는 0.58λ × 0.58λ × 0.02λ의 소형 크기를 갖습니다. 시뮬레이션 및 측정 결과는 8dBi의 최고 이득을 포함하여 3.11GHz ~ 7.67GHz의 광대역 성능을 보여줍니다. 4요소 MIMO 시스템은 각 안테나가 서로 직교하도록 설계되었으며, 컴팩트한 크기와 3.2~7.6GHz의 광대역 성능을 유지합니다. 제안된 MIMO 프로토타입은 손실이 적고 크기가 1.05Ω의 소형화된 Rogers RT5880 기판에서 설계 및 제작되었습니다. 1.05? 0.02Ω이고 제안된 10 x 10 분할 링이 있는 사각형 폐쇄 링 공진기 어레이를 사용하여 성능을 평가합니다. 기본 재료는 동일합니다. 제안된 백플레인 메타표면은 안테나 후면 복사를 크게 줄이고 전자기장을 조작하여 MIMO 구성 요소의 대역폭, 이득 및 격리를 향상시킵니다. 기존 MIMO 안테나와 비교하여 제안된 4포트 MIMO 안테나는 5G sub-6 GHz 대역에서 8.3 dBi의 높은 이득과 최대 82%의 평균 전체 효율을 달성하며 측정 결과와 잘 일치합니다. 또한, 개발된 MIMO 안테나는 0.004 미만의 ECC(Envelope Correlation Coefficient), 약 10dB(>9.98dB)의 다이버시티 이득(DG) 및 MIMO 구성 요소 간 높은 격리(>15.5dB) 측면에서 우수한 성능을 나타냅니다. 형질. 따라서 제안된 MS 기반 MIMO 안테나는 sub-6GHz 5G 통신 네트워크에 대한 적용 가능성을 확인합니다.
5G 기술은 수십억 개의 연결된 장치에 대해 더 빠르고 안전한 네트워크를 구현하고, "제로" 대기 시간(1밀리초 미만의 대기 시간)으로 사용자 경험을 제공하며 전자 제품을 포함한 새로운 기술을 도입하는 무선 통신의 놀라운 발전입니다. 의료, 지적 교육. , 스마트 도시, 스마트 홈, 가상 현실(VR), 스마트 공장, 차량 인터넷(IoV)은 우리의 삶과 사회, 산업을 변화시키고 있습니다1,2,3. 미국 연방통신위원회(FCC)는 5G 스펙트럼을 4개의 주파수 대역으로 나눕니다4. 6GHz 미만의 주파수 대역은 높은 데이터 속도5,6로 장거리 통신을 가능하게 하기 때문에 연구자들의 관심을 끌고 있습니다. 글로벌 5G 통신을 위한 sub-6 GHz 5G 스펙트럼 할당은 그림 1에 나와 있으며, 이는 모든 국가가 5G 통신을 위해 sub-6 GHz 스펙트럼을 고려하고 있음을 나타냅니다7,8. 안테나는 5G 네트워크의 중요한 부분이며 더 많은 기지국과 사용자 단말기 안테나가 필요합니다.
마이크로스트립 패치 안테나는 얇고 편평한 구조의 장점을 가지고 있으나 대역폭과 이득9,10에 제한이 있어 안테나의 이득과 대역폭을 높이기 위한 많은 연구가 진행되어 왔다. 최근 몇 년 동안 메타표면(MS)은 특히 이득 및 처리량을 향상시키기 위해 안테나 기술에 널리 사용되었지만11,12 이러한 안테나는 단일 포트로 제한됩니다. MIMO 기술은 여러 안테나를 동시에 사용하여 데이터를 전송함으로써 데이터 속도, 스펙트럼 효율성, 채널 용량 및 신뢰성을 향상시킬 수 있기 때문에 무선 통신의 중요한 측면입니다13,14,15. MIMO 안테나는 추가 전력 없이도 여러 채널을 통해 데이터를 전송하고 수신할 수 있기 때문에 5G 애플리케이션의 잠재적인 후보입니다16,17. MIMO 구성 요소 간의 상호 결합 효과는 MIMO 요소의 위치와 MIMO 안테나의 이득에 따라 달라지며 이는 연구자에게 주요 과제입니다. 그림 18, 19, 20은 5G sub-6GHz 대역에서 작동하는 다양한 MIMO 안테나를 보여주며, 모두 우수한 MIMO 격리 및 성능을 보여줍니다. 그러나 제안된 시스템의 이득과 동작 대역폭은 낮다.
메타물질(MM)은 자연에 존재하지 않으며 전자기파를 조작하여 안테나의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 물질입니다. MM은 25, 26, 27, 28에서 논의된 바와 같이 안테나 요소와 무선 통신 시스템 간의 방사 패턴, 대역폭, 이득 및 격리를 개선하기 위해 안테나 기술에 널리 사용됩니다. 2029년에는 4요소 MIMO 시스템을 기반으로 합니다. 메타표면은 안테나 부분이 메타표면과 지면 사이에 공극 없이 삽입되어 MIMO 성능을 향상시킵니다. 그러나 이 설계는 크기가 더 크고 작동 주파수가 낮으며 구조가 복잡합니다. MIMO30 구성요소의 분리를 개선하기 위해 제안된 2포트 광대역 MIMO 안테나에는 EBG(전자기 밴드갭) 및 접지 루프가 포함되어 있습니다. 설계된 안테나는 MIMO 다이버시티 성능이 좋고 두 개의 MIMO 안테나 간 격리가 뛰어나지만 MIMO 구성 요소를 두 개만 사용하면 이득이 낮습니다. 또한 in31은 초광대역(UWB) 듀얼 포트 MIMO 안테나도 제안하고 메타물질을 활용한 MIMO 성능을 연구했다. 이 안테나는 UWB 작동이 가능하지만 이득이 낮고 두 안테나 사이의 격리가 좋지 않습니다. in32 연구에서는 이득을 높이기 위해 EBG(전자기 밴드갭) 반사기를 사용하는 2포트 MIMO 시스템을 제안합니다. 개발된 안테나 배열은 높은 이득과 우수한 MIMO 다이버시티 성능을 가지지만 크기가 커서 차세대 통신기기에 적용하기에는 어렵다. 또 다른 반사기 기반 광대역 안테나가 33에서 개발되었는데, 여기서 반사기는 더 큰 22mm 간격으로 안테나 아래에 통합되어 4.87dB의 더 낮은 피크 이득을 나타냅니다. 논문 34는 mmWave 애플리케이션을 위한 4포트 MIMO 안테나를 설계합니다. 이는 MIMO 시스템의 격리 및 이득을 개선하기 위해 MS 레이어와 통합됩니다. 그러나 이 안테나는 좋은 이득과 분리도를 제공하지만 넓은 공극으로 인해 대역폭이 제한되고 기계적 특성이 좋지 않습니다. 마찬가지로 2015년에는 최대 이득이 7.4dBi인 mmWave 통신용 3쌍, 4포트 나비넥타이 모양의 메타표면 통합 MIMO 안테나가 개발되었습니다. B36 MS는 5G 안테나 뒷면에 사용되어 안테나 이득을 높이는 데 메타표면이 반사판 역할을 합니다. 그러나 MS 구조가 비대칭적이어서 단위 셀 구조에 대한 관심이 덜해졌습니다.
위 분석 결과에 따르면, 위의 안테나 중 어느 것도 높은 이득, 우수한 격리도, MIMO 성능 및 광대역 커버리지를 갖지 못했습니다. 따라서 높은 이득과 격리를 통해 6GHz 미만의 광범위한 5G 스펙트럼 주파수를 포괄할 수 있는 Metasurface MIMO 안테나가 여전히 필요합니다. 위에서 언급한 문헌의 한계를 고려하여, sub-6 GHz 무선 통신 시스템을 위해 높은 이득과 우수한 다이버시티 성능을 갖는 광대역 4요소 MIMO 안테나 시스템이 제안되었습니다. 또한, 제안된 MIMO 안테나는 MIMO 구성 요소 간의 우수한 분리도, 작은 요소 간격 및 높은 방사 효율을 나타냅니다. 안테나 패치는 대각선으로 잘리고 12mm 공극이 있는 메타표면 위에 배치됩니다. 이는 안테나의 후방 복사를 반사하고 안테나 이득과 지향성을 향상시킵니다. 또한, 제안된 단일 안테나는 각 안테나를 서로 직교하게 배치하여 MIMO 성능이 우수한 4요소 MIMO 안테나를 생성하는 데 사용됩니다. 그런 다음 개발된 MIMO 안테나를 구리 백플레인이 있는 10×10 MS 어레이 위에 통합하여 방출 성능을 향상시켰습니다. 이 설계는 넓은 작동 범위(3.08~7.75GHz), 8.3dBi의 높은 이득, 82%의 높은 평균 전체 효율은 물론 MIMO 안테나 구성 요소 간 −15.5dB 이상의 탁월한 격리를 특징으로 합니다. 개발된 MS 기반 MIMO 안테나는 3D 전자기 소프트웨어 패키지 CST Studio 2019를 사용하여 시뮬레이션되었으며 실험 연구를 통해 검증되었습니다.
이 섹션에서는 제안된 아키텍처와 단일 안테나 설계 방법론을 자세히 소개합니다. 또한 산란 매개변수, 이득, 메타표면 유무에 따른 전체 효율성을 포함하여 시뮬레이션 및 관찰된 결과가 자세히 논의됩니다. 프로토타입 안테나는 유전 상수가 2.2이고 두께가 1.575mm인 Rogers 5880 저손실 유전체 기판에서 개발되었습니다. 설계를 개발하고 시뮬레이션하기 위해 전자기 시뮬레이터 패키지 CST studio 2019가 사용되었습니다.
그림 2는 제안된 단일 요소 안테나의 아키텍처와 설계 모델을 보여줍니다. 잘 확립된 수학 방정식37에 따르면 안테나는 선형 공급 사각형 방사 지점과 구리 접지면(1단계에서 설명)으로 구성되며 그림 3b와 같이 10.8GHz에서 매우 좁은 대역폭으로 공진합니다. 안테나 라디에이터의 초기 크기는 다음 수학적 관계에 의해 결정됩니다.37:
여기서 \(P_{L}\) 및 \(P_{w}\)는 패치의 길이와 너비이고, c는 빛의 속도를 나타내고, \(\gamma_{r}\)는 기판의 유전 상수입니다. . , \(\gamma_{reff }\)는 방사 스폿의 유효 유전 값을 나타내고, \(\Delta L\)은 스폿 길이의 변화를 나타냅니다. 안테나 백플레인은 두 번째 단계에서 최적화되어 10dB의 매우 낮은 임피던스 대역폭에도 불구하고 임피던스 대역폭을 높였습니다. 세 번째 단계에서는 피더 위치가 오른쪽으로 이동하여 제안된 안테나의 임피던스 대역폭과 임피던스 매칭이 향상됩니다. 이 단계에서 안테나는 4GHz의 뛰어난 작동 대역폭을 보여주고 5G에서 6GHz 미만의 스펙트럼도 포괄합니다. 네 번째이자 마지막 단계에서는 방사 지점의 반대쪽 모서리에 있는 사각형 홈을 에칭하는 작업이 포함됩니다. 이 슬롯은 그림 3b와 같이 4.56GHz 대역폭을 크게 확장하여 3.11GHz에서 7.67GHz까지 6GHz 미만의 5G 스펙트럼을 포괄합니다. 제안된 설계의 전면 및 하단 투시도는 그림 3a에 나와 있으며 최종 최적화된 필수 설계 매개변수는 SL = 40mm, Pw = 18mm, PL = 18mm, gL = 12mm, fL = 11입니다. mm, fW = 4.7mm, c1 = 2mm, c2 = 9.65mm, c3 = 1.65mm.
(a) 설계된 단일 안테나의 상단 및 후면도(CST STUDIO SUITE 2019). (b) S-파라미터 곡선.
메타표면(Metasurface)은 서로 일정 거리를 두고 위치한 단위 셀의 주기적인 배열을 가리키는 용어이다. Metasurfaces는 대역폭, 이득, MIMO 구성 요소 간의 격리를 포함하여 안테나 방사 성능을 향상시키는 효과적인 방법입니다. 표면파 전파의 영향으로 인해 메타표면은 안테나 성능 향상에 기여하는 추가 공진을 생성합니다. 이 연구에서는 6GHz 이하의 5G 대역에서 작동하는 엡실론 음성 메타물질(MM) 장치를 제안합니다. 표면적 8mm×8mm의 MM은 유전율 2.2, 두께 1.575mm의 저손실 Rogers 5880 기판에서 개발되었습니다. 최적화된 MM 공진기 패치는 그림 4a와 같이 두 개의 수정된 외부 분할 링에 연결된 내부 원형 분할 링으로 구성됩니다. 그림 4a는 제안된 MM 설정의 최종 최적화 매개변수를 요약합니다. 그 후, 각각 5×5 및 10×10 셀 어레이를 사용하여 구리 백플레인 없이 및 구리 백플레인을 사용하여 40×40mm 및 80×80mm 메타표면 층을 개발했습니다. 제안된 MM 구조는 3차원 전자기 모델링 소프트웨어인 “CST studio suite 2019”를 사용하여 모델링되었습니다. 실제 응답을 분석하여 CST 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 제안된 MM 어레이 구조 및 측정 설정(이중 포트 네트워크 분석기 PNA 및 도파관 포트)의 제작된 프로토타입이 그림 4b에 표시되어 있습니다. 측정 설정에서는 두 개의 도파관 동축 어댑터(A-INFOMW, 부품 번호: 187WCAS)와 함께 Agilent PNA 시리즈 네트워크 분석기를 사용하여 신호를 보내고 받았습니다. 프로토타입 5×5 어레이는 동축 케이블로 2포트 네트워크 분석기(Agilent PNA N5227A)에 연결된 2개의 도파관 동축 어댑터 사이에 배치되었습니다. Agilent N4694-60001 교정 키트는 파일럿 플랜트에서 네트워크 분석기를 교정하는 데 사용됩니다. 제안된 프로토타입 MM 배열의 시뮬레이션 및 CST 관찰 산란 매개변수가 그림 5a에 나와 있습니다. 제안된 MM 구조는 6GHz 이하의 5G 주파수 범위에서 공진하는 것을 볼 수 있습니다. 10dB의 작은 대역폭 차이에도 불구하고 시뮬레이션 결과와 실험 결과는 매우 유사합니다. 그림 5a에 표시된 것처럼 관찰된 공진의 공진 주파수, 대역폭 및 진폭은 시뮬레이션된 공진과 약간 다릅니다. 관찰된 결과와 시뮬레이션된 결과 간의 이러한 차이는 제조 결함, 프로토타입과 도파관 포트 사이의 작은 간격, 도파관 포트와 어레이 구성 요소 사이의 결합 효과, 측정 허용 오차로 인해 발생합니다. 또한 실험 설정에서 도파관 포트 사이에 개발된 프로토타입을 적절하게 배치하면 공진 이동이 발생할 수 있습니다. 또한 교정 단계에서 원치 않는 소음이 관찰되어 수치 결과와 측정 결과 사이에 불일치가 발생했습니다. 그러나 이러한 어려움 외에도 제안된 MM 어레이 프로토타입은 시뮬레이션과 실험 사이의 강한 상관 관계로 인해 잘 작동하므로 sub-6GHz 5G 무선 통신 애플리케이션에 매우 적합합니다.
(a) 단위 셀 형상(S1 = 8mm, S2 = 7mm, S3 = 5mm, f1, f2, f4 = 0.5mm, f3 = 0.75mm, h1 = 0.5mm, h2 = 1.75mm)(CST) STUDIO SUITE) ) 2019) (b) MM 측정 설정 사진.
(a) 메타물질 프로토타입의 산란 매개변수 곡선의 시뮬레이션 및 검증. (b) MM 단위 셀의 유전 상수 곡선.
MM 단위 셀의 동작을 추가로 분석하기 위해 CST 전자기 시뮬레이터에 내장된 후처리 기술을 사용하여 유효 유전 상수, 투자율 및 굴절률과 같은 관련 유효 매개변수를 연구했습니다. 효과적인 MM 매개변수는 강력한 재구성 방법을 사용하여 산란 매개변수로부터 얻어집니다. 다음 투과율 및 반사 계수 방정식: (3)과 (4)는 굴절률과 임피던스를 결정하는 데 사용할 수 있습니다(40 참조).
연산자의 실수부와 허수부는 각각 (.)', (.)”로 표시되며 정수값 m은 실수굴절률에 해당한다. 유전 상수와 투자율은 각각 임피던스와 굴절률을 기반으로 하는 공식 \(\varepsilon { } = { }n/z,\) 및 \(\mu = nz\)에 의해 결정됩니다. MM 구조의 유효 유전 상수 곡선은 그림 5b에 나와 있습니다. 공진 주파수에서 유효 유전 상수는 음수입니다. 그림 6a,b는 제안된 단위 셀의 유효 투자율(μ)과 유효 굴절률(n)의 추출된 값을 보여준다. 특히, 추출된 투자율은 0에 가까운 양의 실수 값을 나타내며, 이는 제안된 MM 구조의 입실론 음수(ENG) 특성을 확인합니다. 더욱이 그림 6a에서 볼 수 있듯이 0에 가까운 투자율에서의 공진은 공진 주파수와 밀접한 관련이 있습니다. 개발된 단위 셀은 음의 굴절률을 가지며(그림 6b), 이는 제안된 MM이 안테나 성능을 향상시키는 데 사용될 수 있음을 의미합니다.
단일 광대역 안테나의 개발된 프로토타입은 제안된 설계를 실험적으로 테스트하기 위해 제작되었습니다. 그림 7a,b는 제안된 프로토타입 단일 안테나, 구조 부품 및 근거리 측정 설정(SATIMO)의 이미지를 보여줍니다. 안테나 성능을 향상시키기 위해 개발된 메타표면은 그림 8a와 같이 높이 h로 안테나 아래의 레이어에 배치됩니다. 단일 40mm x 40mm 이중층 메타표면이 단일 안테나 후면에 12mm 간격으로 적용되었습니다. 또한 백플레인이 있는 메타표면은 단일 안테나의 후면에 12mm 거리에 배치됩니다. 메타표면을 적용한 후 단일 안테나는 그림 1과 2에 표시된 것처럼 성능이 크게 향상되었습니다. 그림 8과 9. 그림 8b는 메타표면이 있거나 없는 단일 안테나에 대한 시뮬레이션 및 측정된 반사율 플롯을 보여줍니다. 메타표면이 있는 안테나의 커버리지 대역은 메타표면이 없는 안테나의 커버리지 대역과 매우 유사하다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 그림 9a,b는 작동 스펙트럼에서 MS가 있거나 없는 시뮬레이션 및 관찰된 단일 안테나 이득과 전체 효율을 비교한 것입니다. 비메타표면 안테나와 비교하여 메타표면 안테나의 이득이 5.15dBi에서 8dBi로 크게 향상되었음을 알 수 있습니다. 단일 레이어 메타표면, 이중 레이어 메타표면 및 백플레인 메타표면이 있는 단일 안테나의 이득은 각각 6dBi, 6.9dBi 및 8dBi 증가했습니다. 다른 메타표면(단일층 및 이중층 MC)과 비교하여 구리 백플레인이 있는 단일 메타표면 안테나의 이득은 최대 8dBi입니다. 이 경우, 메타표면은 반사체 역할을 하여 안테나의 후면 복사를 줄이고 전자기파를 동위상으로 조작하여 안테나의 복사 효율과 이득을 높입니다. 메타표면이 있거나 없는 단일 안테나의 전체 효율성에 대한 연구는 그림 9b에 나와 있습니다. 메타표면이 있는 안테나와 없는 안테나의 효율성은 거의 동일하다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 낮은 주파수 범위에서는 안테나 효율이 약간 감소합니다. 실험적, 시뮬레이션된 이득 및 효율성 곡선은 잘 일치합니다. 그러나 제조 결함, 측정 허용 오차, SMA 포트 연결 손실 및 와이어 손실로 인해 시뮬레이션 결과와 테스트 결과 간에 약간의 차이가 있습니다. 또한, 안테나와 MS 반사경이 나일론 스페이서 사이에 위치하는데, 이는 시뮬레이션 결과와 비교하여 관찰된 결과에 영향을 미치는 또 다른 문제입니다.
그림 (a)는 완성된 단일 안테나와 관련 구성 요소를 보여줍니다. (b) 근거리 측정 설정(SATIMO).
(a) 메타표면 반사기를 사용한 안테나 여기(CST STUDIO SUITE 2019). (b) MS가 있거나 없는 단일 안테나의 시뮬레이션 및 실험적 반사율.
(a) 달성된 이득과 (b) 제안된 메타표면 효과 안테나의 전체 효율에 대한 시뮬레이션 및 측정 결과.
MS를 이용한 빔 패턴 분석. 단일 안테나 근거리 측정은 UKM SATIMO 근거리 시스템 연구소의 SATIMO 근거리 실험 환경에서 수행되었습니다. 그림 10a, b는 MS가 있거나 없는 제안된 단일 안테나에 대해 5.5GHz에서 시뮬레이션되고 관찰된 E-평면 및 H-평면 방사 패턴을 보여줍니다. 개발된 단일 안테나(MS 없음)는 사이드 로브 값과 함께 일관된 양방향 방사 패턴을 제공합니다. 제안된 MS 반사기를 적용한 후, 안테나는 그림 10a, b에 표시된 것처럼 단방향 방사 패턴을 제공하고 후엽의 레벨을 감소시킵니다. 구리 백플레인이 있는 메타표면을 사용할 때 제안된 단일 안테나 방사 패턴이 매우 낮은 백 로브와 사이드 로브를 통해 더 안정적이고 단방향이라는 점은 주목할 가치가 있습니다. 제안된 MM 어레이 반사체는 안테나의 후면 및 측면 로브를 줄이면서 전류를 단방향으로 지향시켜 방사 성능을 향상시키며(그림 10a, b) 이득과 지향성을 증가시킨다. 실험적 방사 패턴은 CST 시뮬레이션의 패턴과 거의 비슷했지만, 조립된 다양한 구성 요소의 정렬 불량, 측정 공차 및 케이블 손실로 인해 약간 달랐다는 것이 관찰되었습니다. 또한, 안테나와 MS 반사경 사이에 나일론 스페이서가 삽입되었는데, 이는 수치 결과와 비교하여 관찰 결과에 영향을 미치는 또 다른 문제입니다.
5.5 GHz 주파수에서 개발된 단일 안테나(MS 없음 및 MS 포함)의 방사 패턴을 시뮬레이션하고 테스트했습니다.
제안된 MIMO 안테나 구조는 그림 11에 나와 있으며 4개의 단일 안테나를 포함합니다. MIMO 안테나의 4개 구성 요소는 그림 11과 같이 80 × 80 × 1.575mm 크기의 기판에 서로 직교하게 배열됩니다. 설계된 MIMO 안테나는 요소 간 거리가 22mm로 기존 MIMO 안테나보다 작습니다. 안테나의 가장 가까운 해당 요소 간 거리. MIMO 안테나 개발. 또한 접지면의 일부는 단일 안테나와 동일한 방식으로 위치합니다. 그림 12a에 표시된 MIMO 안테나(S11, S22, S33, S44)의 반사율 값은 3.2~7.6GHz 대역에서 공진하는 단일 요소 안테나와 동일한 동작을 나타냅니다. 따라서 MIMO 안테나의 임피던스 대역폭은 단일 안테나의 임피던스 대역폭과 정확히 동일합니다. MIMO 구성 요소 간의 결합 효과는 MIMO 안테나의 대역폭 손실이 작은 주된 이유입니다. 그림 12b는 MIMO 구성 요소 간의 최적의 격리가 결정된 MIMO 구성 요소에 대한 상호 연결의 효과를 보여줍니다. 안테나 1과 2 사이의 격리도는 약 -13.6dB로 가장 낮고, 안테나 1과 4 사이의 격리도는 약 -30.4dB로 가장 높습니다. 이 MIMO 안테나는 크기가 작고 대역폭이 넓기 때문에 이득과 처리량이 더 낮습니다. 단열성이 낮으므로 강화된 보강 및 단열이 필요합니다.
제안된 MIMO 안테나의 설계 메커니즘은 (a) 평면도와 (b) 접지면이다. (CST 스튜디오 스위트 2019).
제안된 Metasurface MIMO 안테나의 기하학적 배열과 여기 방법은 그림 13a에 나와 있습니다. 그림 13a에 표시된 것처럼 80x80x1.575mm 크기의 10x10mm 매트릭스는 12mm 높이 MIMO 안테나의 뒷면용으로 설계되었습니다. 또한 구리 백플레인이 있는 메타표면은 성능을 향상시키기 위해 MIMO 안테나에 사용하도록 고안되었습니다. 메타표면과 MIMO 안테나 사이의 거리는 높은 이득을 달성하는 동시에 안테나에서 생성된 파동과 메타표면에서 반사된 파동 사이에 보강 간섭을 허용하는 데 중요합니다. MIMO 요소 간의 최대 이득 및 격리를 위해 1/4파 표준을 유지하면서 안테나와 메타표면 사이의 높이를 최적화하기 위해 광범위한 모델링이 수행되었습니다. 백플레인이 없는 메타표면과 비교하여 백플레인이 있는 메타표면을 사용하여 달성한 MIMO 안테나 성능의 상당한 향상은 다음 장에서 설명됩니다.
(a) MS를 사용하여 제안된 MIMO 안테나의 CST 시뮬레이션 설정(CST STUDIO SUITE 2019), (b) MS가 없고 MS가 있는 개발된 MIMO 시스템의 반사율 곡선.
메타표면이 있거나 없는 MIMO 안테나의 반사율은 그림 13b에 나와 있습니다. 여기서 S11과 S44는 MIMO 시스템의 모든 안테나의 거의 동일한 동작으로 인해 표시됩니다. 단일 메타표면이 없는 MIMO 안테나와 단일 메타표면이 있는 MIMO 안테나의 -10dB 임피던스 대역폭은 거의 동일하다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 이에 비해 제안된 MIMO 안테나의 임피던스 대역폭은 이중층 MS와 백플레인 MS에 의해 향상되었다. MS가 없으면 MIMO 안테나는 중심 주파수에 비해 81.5%(3.2-7.6GHz)의 부분 대역폭을 제공한다는 점에 주목할 가치가 있습니다. MS를 백플레인과 통합하면 제안된 MIMO 안테나의 임피던스 대역폭이 86.3%(3.08~7.75GHz)로 증가합니다. 이중 레이어 MS는 처리량을 증가시키지만 구리 백플레인을 사용하는 MS에 비해 개선 효과가 적습니다. 더욱이 이중 레이어 MC는 안테나 크기를 늘리고 비용을 늘리며 범위를 제한합니다. 시뮬레이션 결과를 검증하고 실제 성능을 평가하기 위해 설계된 MIMO 안테나와 메타표면 반사경을 제작하고 검증했습니다. 그림 14a는 제작된 MS 레이어와 다양한 부품이 조립된 MIMO 안테나를 보여주고, 그림 14b는 개발된 MIMO 시스템의 사진을 보여줍니다. MIMO 안테나는 그림 14b와 같이 4개의 나일론 스페이서를 사용하여 메타표면 위에 장착됩니다. 그림 15a는 개발된 MIMO 안테나 시스템의 근거리장 실험 설정의 스냅샷을 보여줍니다. PNA 네트워크 분석기(Agilent Technologies PNA N5227A)는 UKM SATIMO 근거리 시스템 연구소에서 산란 매개변수를 추정하고 근거리 방출 특성을 평가 및 특성화하는 데 사용되었습니다.
(a) SATIMO 근거리 측정 사진 (b) MS가 있거나 없는 S11 MIMO 안테나의 시뮬레이션 및 실험 곡선.
이 섹션에서는 제안된 5G MIMO 안테나의 시뮬레이션 및 관찰된 S-파라미터에 대한 비교 연구를 제시합니다. 그림 15b는 통합 4요소 MIMO MS 안테나의 실험적 반사율 플롯을 보여주고 이를 CST 시뮬레이션 결과와 비교합니다. 실험 반사율은 CST 계산과 동일한 것으로 나타났지만 제조 결함 및 실험 허용 오차로 인해 약간 달랐습니다. 또한 제안된 MS 기반 MIMO 프로토타입의 관측된 반사율은 4.8GHz의 임피던스 대역폭으로 6GHz 이하의 5G 스펙트럼을 포괄하므로 5G 응용이 가능함을 의미합니다. 그러나 측정된 공진 주파수, 대역폭 및 진폭은 CST 시뮬레이션 결과와 약간 다릅니다. 제조 결함, 동축-SMA 커플링 손실 및 실외 측정 설정으로 인해 측정된 결과와 시뮬레이션된 결과 간에 차이가 발생할 수 있습니다. 그러나 이러한 단점에도 불구하고 제안된 MIMO는 잘 작동하여 시뮬레이션과 측정 간의 강력한 일치를 제공하므로 6GHz 미만 5G 무선 애플리케이션에 매우 적합합니다.
시뮬레이션 및 관찰된 MIMO 안테나 이득 곡선은 그림 2와 2에 나와 있습니다. 그림 16a,b 및 17a,b에는 각각 MIMO 구성 요소의 상호 상호 작용이 나와 있습니다. MIMO 안테나에 메타표면을 적용하면 MIMO 안테나 간의 격리가 크게 향상됩니다. 인접한 안테나 요소 S12, S14, S23 및 S34 사이의 격리 플롯은 유사한 곡선을 보이는 반면, 대각선 MIMO 안테나 S13 및 S42는 그들 사이의 거리가 더 멀기 때문에 유사하게 높은 격리를 나타냅니다. 인접한 안테나의 시뮬레이션된 전송 특성은 그림 16a에 나와 있습니다. 6GHz 미만의 5G 작동 스펙트럼에서 메타표면이 없는 MIMO 안테나의 최소 격리는 -13.6dB이고 백플레인이 있는 메타표면의 경우 - 15.5dB라는 점은 주목할 가치가 있습니다. 이득 플롯(그림 16a)은 백플레인 메타표면이 단일 및 이중 레이어 메타표면에 비해 MIMO 안테나 요소 간의 격리를 크게 향상시킨다는 것을 보여줍니다. 인접한 안테나 요소에서 단일 및 이중 레이어 메타표면은 약 -13.68dB 및 -14.78dB의 최소 격리를 제공하고 구리 백플레인 메타표면은 약 -15.5dB를 제공합니다.
MS 레이어가 없고 MS 레이어가 있는 MIMO 요소의 시뮬레이션된 격리 곡선: (a) S12, S14, S34 및 S32 및 (b) S13 및 S24.
(a) S12, S14, S34 및 S32 및 (b) S13 및 S24가 있거나 없는 제안된 MS 기반 MIMO 안테나의 실험적 이득 곡선.
MS 레이어를 추가하기 전과 후의 MIMO 대각선 안테나 이득 플롯이 그림 16b에 나와 있습니다. 메타표면이 없는 대각선 안테나(안테나 1 및 3) 사이의 최소 격리는 작동 스펙트럼 전체에서 – 15.6dB이고 백플레인이 있는 메타표면은 – 18dB라는 점은 주목할 가치가 있습니다. Metasurface 접근 방식은 대각선 MIMO 안테나 간의 결합 효과를 크게 줄입니다. 단일 레이어 메타표면의 최대 절연은 -37dB인 반면, 이중 레이어 메타표면의 경우 이 값은 -47dB로 떨어집니다. 구리 백플레인이 있는 메타표면의 최대 격리는 -36.2dB이며 이는 주파수 범위가 증가함에 따라 감소합니다. 백플레인이 없는 단일 및 이중 레이어 메타표면과 비교하여 백플레인이 있는 메타표면은 그림 16a, b에 표시된 것처럼 특히 6GHz 미만의 5G 범위에서 필요한 전체 작동 주파수 범위에 걸쳐 탁월한 격리를 제공합니다. 6GHz(3.5GHz) 미만의 가장 인기 있고 널리 사용되는 5G 대역에서 단일 및 이중 레이어 메타표면은 구리 백플레인이 있는 메타표면(MS가 거의 없음)보다 MIMO 구성 요소 간 격리가 낮습니다(그림 16a 참조), b). 이득 측정은 그림 17a, b에 표시되어 있으며 각각 인접한 안테나(S12, S14, S34 및 S32)와 대각선 안테나(S24 및 S13)의 격리를 보여줍니다. 이 그림(그림 17a, b)에서 볼 수 있듯이 MIMO 구성 요소 간의 실험적 격리는 시뮬레이션된 격리와 잘 일치합니다. 제조 결함, SMA 포트 연결 및 와이어 손실로 인해 시뮬레이션된 CST 값과 측정된 CST 값 간에 약간의 차이가 있습니다. 또한 안테나와 MS 반사경이 나일론 스페이서 사이에 위치하는데 이는 시뮬레이션 결과와 비교하여 관찰된 결과에 영향을 미치는 또 다른 문제입니다.
표면파 억제를 통해 상호 결합을 줄이는 메타표면의 역할을 합리화하기 위해 5.5GHz에서 표면 전류 분포를 연구했습니다. 제안된 MIMO 안테나의 표면 전류 분포는 그림 18에 나와 있습니다. 여기서 안테나 1은 구동되고 안테나의 나머지 부분은 50ohm 부하로 종단됩니다. 안테나 1에 전원이 공급되면 그림 18a에 표시된 것처럼 메타표면이 없는 경우 5.5GHz에서 인접한 안테나에 상당한 상호 결합 전류가 나타납니다. 반대로, 그림 18b-d와 같이 메타표면을 사용하면 인접한 안테나 간의 격리가 향상됩니다. MS 층을 따라 단위 셀의 인접 링과 인접 MS 단위 셀에 결합 전류를 역평행 방향으로 전파함으로써 인접 필드의 상호 결합 효과를 최소화할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 분산 안테나에서 MS 장치로 전류를 주입하는 것은 MIMO 구성요소 간의 분리를 향상시키는 핵심 방법입니다. 결과적으로 MIMO 구성 요소 간의 결합 전류가 크게 감소하고 격리도 크게 향상됩니다. 커플링 필드가 요소에 널리 분산되어 있기 때문에 구리 백플레인 메타표면은 단일 및 이중 레이어 메타표면보다 훨씬 더 MIMO 안테나 어셈블리를 격리합니다(그림 18d). 또한, 개발된 MIMO 안테나는 역전파와 측면 전파가 매우 낮아 단방향 방사 패턴을 생성하여 제안된 MIMO 안테나의 이득을 증가시킨다.
(a) MC가 없는 5.5GHz에서 제안된 MIMO 안테나의 표면 전류 패턴, (b) 단일 레이어 MC, (c) 이중 레이어 MC, (d) 구리 백플레인이 있는 단일 레이어 MC. (CST 스튜디오 스위트 2019).
동작 주파수 내에서 그림 19a는 메타표면이 있거나 없는 설계된 MIMO 안테나의 시뮬레이션 및 관찰된 이득을 보여줍니다. 그림 19a에 표시된 것처럼 메타표면이 없는 MIMO 안테나의 시뮬레이션된 달성 이득은 5.4dBi입니다. MIMO 구성 요소 간의 상호 결합 효과로 인해 제안된 MIMO 안테나는 실제로 단일 안테나보다 0.25dBi 더 높은 이득을 달성합니다. 메타표면을 추가하면 MIMO 구성 요소 간에 상당한 이득과 격리를 제공할 수 있습니다. 따라서 제안된 메타표면 MIMO 안테나는 최대 8.3dBi의 높은 실현 이득을 달성할 수 있다. 그림 19a에 표시된 것처럼 MIMO 안테나 후면에 단일 메타표면을 사용하면 이득이 1.4dBi 증가합니다. 메타표면이 두 배가 되면 그림 19a와 같이 이득이 2.1dBi 증가합니다. 그러나 구리 백플레인과 함께 메타표면을 사용할 때 예상되는 최대 이득인 8.3dBi가 달성됩니다. 특히, 단일 레이어 및 이중 레이어 메타표면에 대해 달성된 최대 이득은 각각 6.8dBi 및 7.5dBi이고, 하단 레이어 메타표면에 대해 달성된 최대 이득은 8.3dBi입니다. 안테나 뒷면의 메타표면층은 반사판 역할을 하여 안테나 뒷면의 방사선을 반사하고 설계된 MIMO 안테나의 F/B(전면 대 후면) 비율을 향상시킵니다. 또한, 고임피던스 MS 반사체는 전자기파를 동상으로 조작함으로써 추가적인 공진을 생성하고 제안된 MIMO 안테나의 방사 성능을 향상시킨다. MIMO 안테나 뒤에 설치된 MS 반사기는 달성된 이득을 크게 증가시킬 수 있으며 이는 실험 결과로 확인됩니다. 개발된 프로토타입 MIMO 안테나의 관찰 이득과 시뮬레이션 이득은 거의 동일합니다. 그러나 일부 주파수에서는 측정 이득이 시뮬레이션 이득보다 높으며, 특히 MS가 없는 MIMO의 경우 더욱 그렇습니다. 실험적 이득의 이러한 변화는 나일론 패드의 측정 허용 오차, 케이블 손실 및 안테나 시스템의 결합으로 인해 발생합니다. 메타표면이 없는 MIMO 안테나의 최대 측정 이득은 5.8dBi인 반면, 구리 백플레인이 있는 메타표면은 8.5dBi입니다. MS 반사기를 갖춘 제안된 완전한 4포트 MIMO 안테나 시스템은 실험적 및 수치적 조건에서 높은 이득을 나타냄을 주목할 가치가 있습니다.
(a) 달성된 이득과 (b) 메타표면 효과를 갖는 제안된 MIMO 안테나의 전체 성능에 대한 시뮬레이션 및 실험 결과.
그림 19b는 제안된 MIMO 시스템의 전체 성능을 메타표면 반사기가 있는 경우와 없는 경우를 보여줍니다. 그림 19b에서는 백플레인이 포함된 MS를 사용한 최저 효율이 73%를 넘었습니다(84%까지 감소). MC가 없는 경우와 MC가 있는 경우의 개발된 MIMO 안테나의 전체 효율은 시뮬레이션된 값과 약간의 차이를 제외하고 거의 동일합니다. 그 이유는 측정 허용 오차와 안테나와 MS 반사기 사이의 스페이서 사용 때문입니다. 전체 주파수에 걸쳐 측정된 달성 이득과 전체 효율은 시뮬레이션 결과와 거의 유사하며, 이는 제안된 MIMO 프로토타입의 성능이 예상한 대로이며 권장되는 MS 기반 MIMO 안테나가 5G 통신에 적합함을 나타냅니다. 실험 연구의 오류로 인해 실험실 실험의 전체 결과와 시뮬레이션 결과 사이에 차이가 존재합니다. 제안된 프로토타입의 성능은 안테나와 SMA 커넥터 간의 임피던스 불일치, 동축 케이블 접속 손실, 납땜 효과 및 실험 설정에 대한 다양한 전자 장치의 근접성에 의해 영향을 받습니다.
그림 20은 해당 안테나의 설계 및 최적화 진행 과정을 블록 다이어그램 형식으로 설명합니다. 이 블록 다이어그램은 제안된 MIMO 안테나 설계 원리에 대한 단계별 설명뿐만 아니라 넓은 작동 주파수에 걸쳐 필요한 높은 이득과 높은 격리를 달성하기 위해 안테나를 최적화하는 데 중요한 역할을 하는 매개변수를 제공합니다.
근거리 MIMO 안테나 측정은 UKM SATIMO 근거리 시스템 연구소의 SATIMO 근거리 실험 환경에서 측정되었습니다. 그림 21a,b는 5.5GHz의 작동 주파수에서 MS가 있거나 없는 청구된 MIMO 안테나의 시뮬레이션되고 관찰된 E-평면 및 H-평면 방사 패턴을 나타냅니다. 5.5GHz의 작동 주파수 범위에서 개발된 non-MS MIMO 안테나는 사이드 로브 값과 함께 일관된 양방향 방사 패턴을 제공합니다. MS 반사기를 적용한 후 안테나는 단방향 방사 패턴을 제공하고 그림 21a, b에 표시된 것처럼 후엽의 레벨을 줄입니다. 구리 백플레인이 있는 메타표면을 사용함으로써 제안된 MIMO 안테나 패턴은 MS가 없는 것보다 더 안정적이고 단방향이며 백 로브와 사이드 로브가 매우 낮다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 제안된 MM 어레이 반사경은 안테나의 후면 및 측면 로브를 줄이고 전류를 단방향으로 지향시켜 방사 특성을 향상시키며(그림 21a, b) 이득과 지향성을 증가시킨다. 측정된 방사 패턴은 나머지 포트에 50Ω 부하가 연결된 포트 1에 대해 얻어졌습니다. 실험적인 방사 패턴은 CST에 의해 시뮬레이션된 것과 거의 동일하다는 것이 관찰되었지만 구성 요소 정렬 불량, 터미널 포트의 반사 및 케이블 연결 손실로 인해 약간의 편차가 있었습니다. 또한 안테나와 MS 반사경 사이에 나일론 스페이서가 삽입되었는데, 이는 예측 결과와 비교하여 관찰된 결과에 영향을 미치는 또 다른 문제입니다.
5.5 GHz 주파수에서 개발된 MIMO 안테나(MS 없음 및 MS 포함)의 방사 패턴을 시뮬레이션하고 테스트했습니다.
MIMO 시스템의 성능을 평가할 때 포트 격리 및 관련 특성이 필수적이라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 설계된 MIMO 안테나 시스템의 견고성을 설명하기 위해 제안된 MIMO 시스템의 ECC(포락선 상관 계수) 및 DG(다양성 이득)를 포함한 다이버시티 성능을 검토합니다. MIMO 안테나의 ECC와 DG는 MIMO 시스템 성능의 중요한 측면이므로 성능을 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 다음 섹션에서는 제안된 MIMO 안테나의 이러한 기능을 자세히 설명합니다.
엔벨로프 상관 계수(ECC). MIMO 시스템을 고려할 때 ECC는 구성 요소가 특정 속성과 관련하여 서로 상관되는 정도를 결정합니다. 따라서 ECC는 무선 통신 네트워크에서 채널 격리 정도를 보여줍니다. 개발된 MIMO 시스템의 ECC(엔벨로프 상관 계수)는 S-파라미터와 원거리 방출을 기반으로 결정할 수 있습니다. 식에서. (7) 및 (8) 제안된 MIMO 안테나(31)의 ECC를 결정할 수 있다.
반사계수는 Sii로 표현되고, Sij는 투과계수로 표현된다. j번째 및 i번째 안테나의 3차원 방사 패턴은 \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) 및 \( \vec {{R_{ i } }} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) 및 \({\Omega }\)로 표현되는 입체각. 제안된 안테나의 ECC 곡선은 그림 22a에 나와 있으며 그 값은 0.004보다 작으며 이는 무선 시스템에 허용되는 값인 0.5보다 훨씬 낮습니다. 따라서 ECC 값이 감소한다는 것은 제안하는 4-포트 MIMO 시스템이 우수한 다양성을 제공한다는 것을 의미한다43.
다이버시티 게인(DG) DG는 다이버시티 체계가 방사 전력에 어떻게 영향을 미치는지 설명하는 또 다른 MIMO 시스템 성능 메트릭입니다. 관계식 (9)는 31에 설명된 대로 개발 중인 MIMO 안테나 시스템의 DG를 결정합니다.
그림 22b는 제안된 MIMO 시스템의 DG 다이어그램을 보여줍니다. 여기서 DG 값은 10dB에 매우 가깝습니다. 설계된 MIMO 시스템의 모든 안테나의 DG 값은 9.98dB를 초과한다.
표 1은 제안된 메타표면 MIMO 안테나를 최근 개발된 유사한 MIMO 시스템과 비교합니다. 비교에는 대역폭, 이득, 최대 격리, 전체 효율성 및 다양성 성능을 포함한 다양한 성능 매개변수가 고려됩니다. 연구원들은 5, 44, 45, 46, 47에서 이득 및 격리 향상 기술을 갖춘 다양한 MIMO 안테나 프로토타입을 제시했습니다. 이전에 발표된 연구와 비교하여 제안된 메타표면 반사기를 갖춘 MIMO 시스템은 대역폭, 이득 및 격리 측면에서 성능이 뛰어납니다. 또한, 개발된 MIMO 시스템은 보고된 유사한 안테나와 비교하여 더 작은 크기에서 우수한 다이버시티 성능과 전체 효율성을 나타냅니다. 5.46절에 설명된 안테나는 제안된 안테나보다 격리가 높지만 이러한 안테나는 큰 크기, 낮은 이득, 좁은 대역폭 및 열악한 MIMO 성능으로 인해 어려움을 겪습니다. 45에서 제안된 4-port MIMO 안테나는 높은 이득과 효율을 나타내지만, 그 설계는 낮은 격리도, 큰 크기 및 열악한 다이버시티 성능을 보인다. 반면, 47에서 제안한 소형 안테나 시스템은 매우 낮은 이득과 동작 대역폭을 갖는 반면, 제안된 MS 기반 4포트 MIMO 시스템은 작은 크기, 높은 이득, 높은 격리 및 더 나은 성능의 MIMO를 나타냅니다. 따라서 제안된 메타표면 MIMO 안테나는 6GHz 이하 5G 통신 시스템의 주요 경쟁자가 될 수 있습니다.
6GHz 이하의 5G 애플리케이션을 지원하기 위해 높은 이득과 격리를 갖춘 4포트 메타표면 반사기 기반 광대역 MIMO 안테나가 제안되었습니다. 마이크로스트립 라인은 대각선 모서리가 정사각형으로 잘린 정사각형 방사 부분에 공급됩니다. 제안된 MS 및 안테나 이미터는 Rogers RT5880과 유사한 기판 재료에 구현되어 고속 5G 통신 시스템에서 탁월한 성능을 발휘합니다. MIMO 안테나는 넓은 범위와 높은 이득을 특징으로 하며 MIMO 구성 요소 간의 사운드 격리와 탁월한 효율성을 제공합니다. 개발된 단일 안테나는 0.58?0.58?0.02?의 소형 크기를 갖습니다. 5×5 메타표면 어레이를 통해 4.56GHz의 넓은 작동 대역폭, 8dBi의 피크 이득 및 우수한 측정 효율을 제공합니다. 제안된 4포트 MIMO 안테나(2×2 어레이)는 제안된 각 단일 안테나를 1.05λ × 1.05λ × 0.02λ 크기의 다른 안테나와 직교 정렬하여 설계되었습니다. 12mm 높이의 MIMO 안테나 아래에 10×10MM 어레이를 조립하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 역방사를 줄이고 MIMO 구성 요소 간의 상호 결합을 줄여 이득과 격리를 향상시킬 수 있습니다. 실험 및 시뮬레이션 결과는 개발된 MIMO 프로토타입이 6GHz 이하의 5G 스펙트럼을 포괄하는 3.08~7.75GHz의 넓은 주파수 범위에서 작동할 수 있음을 보여줍니다. 또한, 제안된 MS 기반 MIMO 안테나는 이득을 2.9dBi 향상시켜 최대 8.3dBi의 이득을 달성하고, MIMO 구성요소 간 우수한 분리도(>15.5dB)를 제공하여 MS의 기여도를 검증합니다. 또한 제안된 MIMO 안테나는 82%의 높은 평균 전체 효율과 22mm의 낮은 요소 간 거리를 갖는다. 안테나는 매우 높은 DG(9.98dB 이상), 매우 낮은 ECC(0.004 미만) 및 단방향 방사 패턴을 포함하여 탁월한 MIMO 다이버시티 성능을 나타냅니다. 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 매우 유사합니다. 이러한 특성은 개발된 4포트 MIMO 안테나 시스템이 6GHz 미만 주파수 범위의 5G 통신 시스템에 적합한 선택이 될 수 있음을 확인시켜 줍니다.
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게시 시간: 2024년 10월 10일