Massives Metamaterialsystem

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 14311 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In diesem Artikel wird ein integriertes massives Multiple-Input-Multiple-Output-Antennensystem (mMIMO) mit Metamaterial (MTM) für Anwendungen der fünften Generation (5G) vorgeschlagen. Darüber hinaus wird das Erreichen von duple-negativen (DNG)-Eigenschaften mithilfe eines vorgeschlagenen kompakten komplementären Split-Ring-Resonators (SRR), eines breiten epsilon-negativen Metamaterials (ENG) mit mehr als 1 GHz Bandbreite (BW) und einem Brechungsindex nahe Null (NZRI) erreicht. Merkmale werden vorgestellt. Die vorgeschlagene mMIMO-Antenne besteht aus acht Subarrays mit drei Schichten, die im 5G-Mind-Band bei 3,5 GHz (3,40–3,65 GHz) arbeiten und im Vergleich zu einer Antenne, die kein MTM verwendet, eine hohe Portisolation zwischen benachbarten Antennenelementen aufweisen. Jedes Subarray hat zwei Patches auf der oberen Ebene, während die mittlere und die untere Ebene zwei Kategorien von Voll- bzw. Teilgrundrissen aufweisen. Simuliert, produziert und getestet werden 32 Elemente mit einem Gesamtvolumen von 184 × 340 × 1,575 mm3. Die Messergebnisse zeigen, dass die Sub-6-Antenne einen Reflexionskoeffizienten von mehr als 10 dB (S11), eine Isolation von weniger als 35 dB und einen Spitzengewinn von 10,6 dBi für jedes Subarray aufweist. Darüber hinaus hat die empfohlene, mit MTM beladene Antenne eine gute MIMO-Leistung mit einem ECC von weniger als 0,0001, einem Gesamtwirkungsgrad von mehr als 90 %, einer Bandbreite von mehr als 300 MHz und einem Gesamtgewinn von 19,5 dBi gezeigt.

Drahtlose Kommunikationssysteme haben in den letzten Jahren eine exponentielle Entwicklung erlebt, und dieses Szenario führt dazu, dass weiterhin hochentwickelte Technologien stark nachgefragt werden. Denn eine höhere Übertragungsdatenrate und eine kürzere Latenz mit zunehmender Kanalkapazität sind die entscheidenden Parameter, die deutlich verbessert werden müssen, um den Anforderungen zukünftiger Midband-Funksysteme der fünften Generation (5G) unter 6 GHz gerecht zu werden. Hierfür ist die Massive-MIMO-Technologie eine der möglichen Lösungen1,2,3, die gleichzeitig mehr Benutzer unterstützen kann, eine verbesserte Diversität und Multiplexing bietet und eine deutliche Verbesserung energieeffizienter Systeme ermöglicht. Der Massive-MIMO-Betrieb wurde umfassend auf der Grundlage homogener Arrays und omnidirektionaler Muster untersucht4,5,6. Der Einfluss des gerichteten Antennengewinnmusters auf die Leistung des mMIMO-Systems wurde jedoch in den meisten dieser Studien vernachlässigt.

5G-MIMO-Antennensysteme wurden entweder für das einzelne oder das duale Betriebsband gemeldet7,8,9. Kürzlich wurden im Rahmen des Generation Partnership Project (3GPP)10 drei Arbeitsbänder von 5G New Radio (NR) gestartet; Diese Bänder enthalten die Mittelbandanwendung in einem Spannbereich von (3,3–3,8 GHz), (3,3–4,2 GHz) und (4,4–5,0 GHz), die N78, N77 bzw. N79 repräsentieren. Außerdem kann jedes Land, wie oben erwähnt, seine eigenen für 5G geforderten Bänder auswählen. Derzeit wurde offiziell erklärt, dass China zwei Bänder bei (3,3–3,6 GHz) und (4,8–5,0 GHz) nutzt11, obwohl das Frequenzband von 3,4 bis 3,8 GHz von der Europäischen Union (EU) für die 5G-Anwendung festgelegt wurde12 . Um die oben genannten 5G-Betriebsbänder aus Mobilitätsgründen abzudecken, muss daher ein spezielles MIMO-Antennensystem entwickelt werden, das die gewünschten 5G-N77/N78/N79-Bänder abdeckt, was in den in Ref. 13 und 14 vorgeschlagenen Designs nicht berücksichtigt wird.

Das Entwerfen von MIMO-Antennen mit hoher Isolation zwischen den Antennenelementen, niedrigen Kosten, geringerem Energieverbrauch, geringer Größe und geringem Gewicht ist oft eine anspruchsvolle Aufgabe. Einer der Nachteile der Antennenleistung ist jedoch die geringe Bandbreite, die den Einsatz neuer Funksysteme einschränkt. Um diese Herausforderungen zu vermeiden, wurden in letzter Zeit mehrere Methoden entwickelt. Beispielsweise kann die Methode der reaktiven Impedanzoberfläche (RIS)15 verwendet werden, um die Strahlungs- und Bandbreiteneigenschaften der Antenne zu verbessern, indem die RIS zwischen elektrischen (PEC) und magnetischen (PMC) Leitern und Oberflächen abgestimmt wird. Darüber hinaus kann die Gesamtantennengröße reduziert werden. Die Antennenleistung wird in Ref. 16 durch die Verwendung eines zweidimensionalen linkshändigen Metamaterial-Designs (LHM) auf der Ober- (Patch) und Unterseite (Masse) des dielektrischen Substrats erheblich verbessert. Diese Methode erzeugt kapazitiv-induktive Merkmale aufgrund der Kopplung zwischen dem entworfenen Patch und der Konfiguration der unteren Ebene, wodurch eine rückwärts wandernde Welle entsteht. Bei einer passiven Antenne wird jedoch eine periodische Struktur auf dem Grundriss angewendet, bevor die Temperaturerfassung getestet wird, wie in Ref. 17 angeboten. Diese auf der Unterseite liegenden Oberflächenschichten ermöglichen eine erhebliche Verbesserung der Antennengröße und der Bandbreiteneigenschaften.

Metamaterial (MTM) weist als künstliches Medium mehrere ungewöhnliche Eigenschaften auf, wie z. B. negative Eigenschaften (Brechungsindex, Permeabilität und Permittivität), wodurch es für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist, darunter Absorber18, Biosensorik19, Mikrowellenbildgebung20, Antennen21 und Metamaterialkodierung22 , Metamateriallinsen23, Terahertz-Metamaterial24 und Mikrowellengeräte wie GPS5, WiMAX25.

In Ref.26 gibt es ein Metamaterial mit negativem Index, das aus verlängerten Balken besteht, die von einer Platte umgeben sind. In Ref. 27 wird ein dreidimensionales akustisches MTM untersucht, das zur Erzeugung einer Bandlücke an der Stelle tiefer Schalldämpfung verwendet werden kann, die als akustischer Filter zur Geräuschunterdrückung eingesetzt werden kann. Alle Merkmale dieser Metamaterialien sind in bestimmten interessierenden Frequenzbändern aufgetreten, abhängig von der geometrischen Anordnung im Array und der festen Zusammensetzung der Struktur. Infolgedessen besteht ein wachsendes Interesse an MTMs, die zahlreiche Betriebsfrequenzen betonen, die durch verschiedene Reize wie elektrische, mechanische oder optische Signale abgestimmt werden. Darüber hinaus werden in Ref.28 bestimmte MTMs und Resonatoren für verschiedene Anwendungen und Eigenschaftsanalysen beschrieben. In Ref.29 wird ein MTM auf der Basis eines hexagonalen Gap-gekoppelten Split-Ring-Resonators mit einer Größe von 10 × 10 mm2 beschrieben, der die S- und X-Bänder abdeckt. MTM mit einem konzentrischen ringbasierten Resonator hingegen wird in Ref. 30 demonstriert, das eine einzelne negative Charakteristik mit Doppelresonanzen bei 13,9 GHz und 27,5 GHz demonstriert, um die Leistung der Mikrostreifen-Übertragungsleitung zu verbessern. In Lit. 31 wird eine Dreibandreaktion für ein offenes deltaförmiges ENG-MTM berichtet. Darüber hinaus wird für Mikrowellenanwendungen im S-, C- und X-Band ein pi-förmiger komplementärer Split-Ring-Resonator (CSRR) mit Metalleinschluss erstellt und in Lit. 32 beschrieben.

Es wurde nachgewiesen, dass die MTM-Einheitszelle die Leistung der Antennen in Bezug auf Gewinn, Isolation, Bandbreite, Strahlungsmuster usw. steigert. aufgrund seiner Fähigkeit, das Stromverteilungsfeld zusammen mit dem Antennenstrahler zu stören. Im Gegensatz dazu sind beim erreichten Brechungsindex (NRI) sowie bei der Permeabilität (µ) und der Permittivität (ɛ) negative Realwerteigenschaften aufgetreten33,34. Es wurde jedoch untersucht, ob ein MTM mit einer Brechungsindexcharakteristik nahe Null (NZRI) die Gesamtleistung der Antenne in bestimmten Bändern, einschließlich S-, C- und X-Bändern, verbessern kann35. Darüber hinaus werden verschiedene Arten von MTMs verwendet, um die Kopplung zwischen Array-Elementen zu minimieren36,37. Die zuvor vorgeschlagenen Entkopplungsansätze lassen sich jedoch nur schwer auf miniaturisierten MIMO-Antennenelementen aufbauen und betreiben. Im Gegensatz zu herkömmlichen Antennenarrays verwendet diese Forschung eine Reihe kleiner Split-Ring-Resonatoren (SRRs) als Resonatoren und zur Erhöhung der Isolation zwischen den Antennenelementen.

Nur wenige Arbeiten boten eine MIMO-Konfiguration ohne Array-Modus durch Verwendung von Multimode an jedem Element (Beamsteering). Reference38 verteilte 108 Elemente entlang eines neunseitigen Polyederrings, der mit 2,4 GHz betrieben wurde. Dies wurde erreicht, indem ein entwickelter Patch verwendet wurde, um drei Modi pro Element zu erzeugen: Der erste Modus (Bandbreite 238 MHz), der zweite Modus (254 MHz) haben eine Verstärkung von etwa 6,5 dBi, während der dritte Modus mit einer Bandbreite von 102 MHz eine Verstärkung von 1,21 dBi aufweist. Manteuffel und Martens39 hingegen wählten ein Blatt zur Aufnahme von vier Moden, das ein breites Spektrum von 6 bis 8,5 GHz abdeckte, sowie ein 11 × 11-Array. Bei einem sehr niedrigen Hüllkurvenkorrelationskoeffizienten betrug die Portisolation mehr als 20 dB.

In diesem Artikel wird eine massive MIMO-Antenne mit recht hoher Isolierung und 32 Elementen vorgeschlagen, die 3400–3650 MHz abdecken kann, für eine zukünftige 5G-Basisstation mit einer gemessenen Bandbreite von 250 MHz. Darüber hinaus wird eine Analyse einer einzigartigen Elementarzelle aus ENG/NZRI/DNG-Metamaterial durchgeführt, um das Funktionsprinzip des vorgeschlagenen Designs zu unterstützen, das auf den Eigenschaften des Epsilon-negativen Brechungsindex und des Brechungsindex nahe Null basiert, die gleichzeitig die Isolierung verbessern sollen und Gesamtleistung des MIMO-Antennensystems. Vier kompakte quadratische Spritzteile bilden das vorgeschlagene MTM. Im Gegensatz zu herkömmlichen Isolationslösungen ermöglicht die vorgeschlagene MTM-basierte Technologie eine erhebliche Entkopplung von bis zu 32 dB zwischen den vorgeschlagenen strahlenden MIMO-Antennenelementen und kleinen Array-Elementen mit ECC 0,0001. Die experimentellen Daten und die Ergebnisse des CST-Mikrowellenstudios wurden verglichen und weisen eine große Übereinstimmung auf, was die Präzision der vorgeschlagenen MTM-, Subarray- und MIMO-Antennen zeigt. Die vorgeschlagene Antenne hat einen Bruchteil der Bandbreite von etwa 7,1 % und weist eine vernachlässigbare gegenseitige Kopplung auf. Tabelle 1 vergleicht die vorgeschlagene MIMO-Antenne, die mit dem vorgeschlagenen einzigartigen MTM ausgestattet ist, mit anderen Antennen, über die zuvor in der Literatur berichtet wurde.

Abbildung 1a zeigt die schematische Ansicht der vorgeschlagenen ENG-Metamaterial-Elementarzelle zusammen mit ihren geometrischen Konfigurationsparametern. Es besteht aus vier quadratischen Split-Ring-Resonatoren (SSRR) mit niedrigem Profil, die durch eine elektrische Platte mit einer Breite von 0,5 mm verbunden und auf der Vorderseite eines Rogers 5880-Substrats mit einer Dicke von 1,575 mm, einer Dielektrizitätskonstante εr von 2,2 und einem Verlustfaktor δ aufgedruckt sind von 0,0009. Das vorgeschlagene ENG-Metamaterial umfasst zwei symmetrische halbmondförmige SSRR mit einem mittleren geteilten Teil an den Oberarmen, während die anderen beiden an der Ecke des rechten oder linken SSRR-Arms geteilt sind. Ein Array-Prototyp von 1 × 3 Elementarzellen ist in Abb. 1b dargestellt. Es wird auf demselben Substrat in vertikaler x-Achsenrichtung mit einem Abstand von 0,5 mm zwischen den beiden Einheiten erstellt. Abbildung 1c charakterisiert die elektromagnetische simulierte Wellenausbreitung des vorgeschlagenen ENG-DNG-Metamaterialdesigns in Z-Richtung, wo immer es zwischen zwei Wellenleiteranschlüssen positioniert war. Sowohl die Randbedingungen für perfekte elektrische als auch für perfekte magnetische Leiter (PEC, PMC) wurden auf die x- bzw. y-Achse angewendet. Darüber hinaus wird auch die x-Richtung gewählt, um das vorgeschlagene MTM zu simulieren, während PEC- und PMC-Randbedingungen auf der z- bzw. y-Achse verwendet wurden, wie in Abb. 1d gezeigt.

Die vorgeschlagene Metamaterial-Elementarzellenstruktur: (a) Elementarzellengeometrie, (b) 3 × 1 MTM-Elementarzellenarray, (c), Simulationsaufbau auf der z-Achse, (d) Simulationsaufbau auf der x-Achse.

Unter Verwendung der Normalinzidenzdaten der Streuparameter wird ein robuster Ansatz verwendet, um die wertvollen Metamaterialparameter zu erhalten46. Die Transmissions- (S21) und Reflexionskoeffizienten (S11) der entworfenen MTM-Einheitszelle werden zunächst mithilfe von Simulationen im Frequenzbereich von 2 bis 4 GHz bewertet. Unter Verwendung eines Agilent N5227 PNA Microwave Network Analyzer mit Wellenleitern zu koaxialen Adaptern werden die S-Parameter der vorgeschlagenen MTM-Elementarzelle extrahiert. Für den entsprechenden Frequenzbereich wurde ein Wellenleiter SAR-1834031432-KF-S2-DR (1–18 GHz) verwendet, und der von MTM hergestellte Prototyp wurde zu Messzwecken zwischen zwei Wellenleitern in z-Achsenrichtung angeordnet, wie in Abb . 2.

Metamaterial-Versuchsaufbau: (a) Messung der MTM-S-Parameter, (b) Elementarzelle mit Hornantenne.

Für ein besseres Verständnis der physikalischen MTM-Phänomene sowohl in elektrischen als auch magnetischen Feldzonen wird die Oberflächenstromverteilung zweier ausgewählter Frequenzen untersucht. Abbildung 3a und b veranschaulichen die vorgeschlagenen MTM-Oberflächenstromverteilungen der Einheitszelle bei 3,4 bzw. 3,5 GHz. Die Oberflächenstromdichte wird durch Farben angegeben, während die Pfeile die Richtung der Oberflächenstromverteilung angeben.

Stromverteilung auf der Oberfläche der Elementarzelle bei (a) 3,4 GHz, (b) 3,5 GHz.

Bei 3,4 GHz ist ein spürbarer Oberflächenstrom zu erkennen, wie in Abb. 3a dargestellt. Am inneren Rand des linken unteren quadratischen Teils ist die Oberflächenströmung jedoch noch stärker und intensiver. Darüber hinaus stört die gesamte MTM-Elementarzellenstruktur den Oberflächenstrom. Sobald jedoch der Strom fließt, sind entgegengesetzte Seitenausrichtungen der erkennbaren Stromverteilung der MTM-förmigen Ätzstreifen zu erkennen, die den Strom aufheben und ein Stoppband bilden. Allerdings ist in Abb. 3b bei 3,5 GHz deutlich ein konzentrierterer Oberflächenstrom zu erkennen, insbesondere rund um den SSR-Übergang, der die Gesamtstruktur der Elementarzelle störte. Die gemessenen Ergebnisse der S-Parameter (S21 und S11) sowie die simulierten Ergebnisse in Z-Richtung sind in Abb. 4 dargestellt. Die Abbildungen zeigen, dass das Frequenzband im Bereich von (3,4–3,65 GHz) Teil der ist S-Band und deckt das Mittelband der 5G-Anwendung ab. Alle geteilten quadratischen Resonatoren, die in die Streifenleitungsarme integriert sind, werden als geeignete Ursache für das realisierte Sperrband-Betriebsband angesehen.

S-Parameter des Metamaterials (MTM) auf der z-Achse: gemessen und simuliert.

Abbildung 5 zeigt die vorgeschlagenen effektiven Parameterwerte von MTM. Für verschiedene MTM-Einheitszellen- und Array-Konfigurationen umfassen diese Eigenschaften effektive Realwerte und Imaginärteile der realisierten Permeabilität, des Brechungsindex, der Impedanz und der Permittivität. Der negativ indizierte Bereich für Epsilon-negatives Metamaterial (ENG) und Metamaterial mit einem Brechungsindex nahe Null (NZRI) ist in allen Diagrammen hellgrün hervorgehoben. Bei mehr als 1 GHz Bandbreite wird ein weitgehend negativer Realwert der Permittivität erreicht, wie in Abb. 5a dargestellt. Dennoch liegt eine NZRI-Eigenschaft im Bereich von (3,1–4,2 GHz) bei der Wellenausbreitung in der z-Achse, wie in Abb. 5c dargestellt. Daher kann dieses Frequenzresonanzband für elektromagnetische Tarnung, hohe Isolation und Antennendesign mit hohem Gewinn verwendet werden.

MTM, simulierte Ergebnisse auf der z-Achse einer 1 × 1-Elementarzelle: (a) Permittivität, (b) Permeabilität, (c) Brechungsindex, (d) Impedanz.

In z-Richtung zeigt Abb. 6 die simulierte relative Permittivität und den Brechungsindex für die verschiedenen MTM der 1 × 1- und 1 × 3-Array-Strukturen. Mit einer oder drei Array-Elementarzellen wurden ähnliche Ergebnisse über einen weiten Frequenzbereich von 3–4,2 GHz erzielt. Andererseits wurde ein doppelt negativer Brechungsindex (DNG) zusammen mit der x-Achse im Frequenzband (3,49–3,62 GHz) erreicht, wie in Abb. 7 dargestellt.

MTM, simulierte Ergebnisse einer 3 × 3-Elementarzelle: (a) Brechungsindex, (b) Permittivität.

MTM, simulierte Ergebnisse auf der x-Achse einer 1 × 1-Elementarzelle: (a) Permittivität, (b) Permeabilität, (c) Brechungsindex, (d) Impedanz.

Eine als Subarray konzipierte Konfiguration besteht aus 2 × 2 Patches, die über einen einzelnen Port gespeist werden, der auf zwei dielektrischen Schichten der Leiterplatte (PCB) aufgebaut ist, einschließlich drei kupferkaschierter Laminatschichten. Die oberste Schicht wird für die gedruckten Patch-Elemente verwendet. Das ausgebaute Futternetz (FN) befindet sich in der untersten Schicht mit kleinem Teilgrund. Die mittlere Schicht dient als umfassende Referenz sowohl für das Speisenetzwerk als auch für die Antennen-Patches. Darüber hinaus werden Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von 1,28 mm als Sondenzuführung zwischen FN- und Strahlerelementen sowie zur Verbindung von Teil- und Vollmasseebenen verwendet. Die verwendeten Substrate sind Rogers 5880 mit einer Dielektrizitätskonstante von 2,2, einer Dicke von 1,575 mm und einem Verlustfaktor von 0,0009. Abbildung 8 zeigt den Aufbau des Platinendesigns. Abbildung 9a,b veranschaulichen die obere und untere Schicht des Single-Port-Subarrays.

Stapelung des PCB-Board-Designs mit Darstellung der Schichten.

Einzelner Port (Subarray), (a) obere Schicht mit 2 × 2 Patches, (b) untere Schicht mit Speisenetzwerk (alle Abmessungen sind in mm).

Die Breitbandseite des mit MTM beladenen mMIMO-Antennensystems mit 8 Ports (32 Elementen) ist in Abb. 10 dargestellt. Darüber hinaus wird ein mMIMO-Antennenprototyp mit 32 Elementen hergestellt, wie in Abb. 11 gezeigt.

(a) Draufsicht auf ein einseitiges Array, (b) untere Schicht eines einseitigen Arrays.

(a) Draufsicht, (b) Unteransicht des hergestellten einseitigen Prototyps.

Abbildung 12 zeigt den S-Parameter-Messaufbau der gefertigten Platine. Die Abbildungen 13a,b zeigen die gemessenen und simulierten Reflexionskoeffizienten (Sii) an jedem Port, wobei (i = 1,2,3,4,…, 8). Das simulierte erreichte Band für jedes Subarray beträgt 250 MHz im Frequenzbereich von 3,40–3,65 GHz. Zwischen den gemessenen und den simulierten Ergebnissen wurde eine Abweichung von etwa 50 MHz beobachtet, da in der Simulation eine etwas größere Bodenfläche verwendet wurde und weil es schwierig war, zwei Schichten zu verkleben. Neben einem großen BW wird eine hohe Isolation für alle zwei benachbarten Ports erreicht, wie in Abb. 14 gezeigt, während die minimale Kopplung zwischen den Ports im interessierenden Band aufgrund der Entkopplungswirkung des MTM, also der Strahlungsenergie, −32 dB beträgt von je zwei nahestehenden Elementen ist sehr schwach gekoppelt. Dadurch sind die benachbarten Subarrays im interessierenden Band gut entkoppelt. Die zwischen 3 und 4 GHz aufgezeichneten Kreuzbandkopplungskoeffizienten werden ebenfalls angezeigt.

Aufbau zur Vermessung des herzustellenden Prototyps.

Reflexionskoeffizient für verschiedene Ports: simuliert und gemessen, (a) Port 1–4, (b) Port 5–8.

Simulierte und gemessene Kopplung zwischen jedem benachbarten Port.

Der Hüllkurvenkorrelationskoeffizient wird zur Bewertung der MIMO-Diversity-Leistung (ECC) der vorgeschlagenen Antenne verwendet. Um den Betrieb im MIMO-Array-Modus sicherzustellen, sollten die Strahlungsmuster der Ports orthogonal oder halborthogonal zueinander sein. Der ECC49 ist die grundlegende Metrik zur Bestimmung des Korrelationsgrads zwischen verschiedenen Ports. Der ECC wurde zwischen benachbarten Unterarrays mithilfe der erfassten Formel und der komplexen elektrischen Feldmuster geschätzt.

wobei \({\overrightarrow{F}}_{i}\left(\theta ,\phi \right)\) und \({\overrightarrow{F}}_{j}\left(\theta ,\phi \ rechts)\) sind 2 betrachtete strahlende Elemente der Antenne in der Fernfeldcharakteristik bezüglich θ.

Der berechnete ECC des vorgeschlagenen MIMO-Antennenarrays in der Sub-6-GHz-Bandbreite für 5G bei 3,5 GHz beträgt weniger als 0,0001, wie in Abb. 15 dargestellt. Das oben genannte Ergebnis zeigt daher, dass jeder der beiden Antennenanschlüsse einen Tiefpunkt aufweist Korrelation, was auf eine hervorragende Diversitätsleistung hinweist. Alle ECCs liegen unter 0,0001, was aufgrund der hohen Port-zu-Port-Isolierung und des kontinuierlichen Strahlungsmusters den Standardbedingungen entspricht, dass der ECC bei Basisstationstechniken 0,3 beträgt. Darüber hinaus zeigt Abb. 15c, d die Wirkung von MTM auf die ECC-Ergebnisse.

Der Hüllkurvenkorrelationskoeffizient (ECC) der vorgeschlagenen mMIMO-Antenne: (a,b) Port 1, 2, 3, 4, 5, 6, (c,d) Prot 1, 2, 4 mit und ohne MTM.

Der Diversity-Gewinn kann mit \(DG= 10 \times \sqrt{1- {ECC}^{2}}\ berechnet werden, und der signifikante Wert des erreichten Diversity-Gewinns beträgt 9,95 dB, wie in Abb. 16a für Port dargestellt 1 bis 4 und Abb. 16b für Port 5 bis 8. Für eine optimale Leistung der mMIMO-Antenne muss der Diversity-Gewinn bei etwa 10 dB liegen. Für verschiedene Subarray-Ports wird ermittelt, dass der gemessene realisierte Gewinn innerhalb des interessierenden Bandes zwischen 9,0 und 11,2 dBi liegt, wie in Abb. 17 dargestellt, was die funktionalen Anforderungen der Basisstationsanwendung erfüllt und die vorgeschlagene Antenne für die 5G-Kommunikation einsetzbar macht. Neben der hohen Verstärkung für jedes Subarray beträgt die realisierte Breitseitenverstärkung 19,5 dBi.

Diversitätsgewinn der vorgeschlagenen mMIMO-Antenne, (a) Port 1, 2, 3, 4, 5, 6, (b) Prot 1, 2, 3, 4.

Gewinn der mMIMO-Antenne: gemessen.

Abbildung 18 zeigt die normalisierten 3,5-GHz-Strahlungsmuster der vorgeschlagenen Antennenelemente für jeden angeregten Port. Die Kopolarisationskomponenten sind aufgrund des Isolationseffekts recht stabil und es gibt keine sichtbaren Wellen im gesamten Betriebsfrequenzband bei 3,5 GHz. Wie in Abb. 18 dargestellt, werden die 2D-Strahlungsmuster der vorgeschlagenen mMIMO-Antenne in der E-Ebene bei yz innerhalb von \(\mathrm{\varnothing }= 90^\circ\) gemessen und simuliert, während \(\uptheta = 90). ^\circ\) in der xy-Richtung (H-Ebene). Die Fernfeldeigenschaften deuten auf einen hervorragenden gerichteten breitseitigen Hauptstrahl auf yz-Ebenen für Port 1–8 hin; Wenn Port 1 erregt wird, werden die anderen Subarray-Ports zu Reflektoren. In der xy-Ebene tritt jedoch eine nahezu omnidirektionale Ausrichtung auf. Darüber hinaus ist eine gute Übereinstimmung der Simulations- und Messergebnisse erkennbar. Abbildung 19 zeigt den Mustermessaufbau in der Ankerkammer.

Normalisierte Strahlungsmuster bei 3,5 GHz für vorgeschlagene Ebenen bei (a,c) YZ (Ø = \(90^\circ\)), (b,d) XY (θ = \(90^\circ\)): Simuliert und gemessen.

Einrichtung des Strahlungsmusters für die Messung.

In diesem Artikel wird ein auf 32 Elementen basierendes mMIMO-Antennensystem für 5G-Basisstationen vorgestellt, das in eine Reihe von ENG/DNG-Metamaterialien integriert ist. Die SSRR-Metamaterial-Elementarzelle ist eine einzigartige symmetrische Split-Ring-Resonator (SSRR)-Metamaterial-Elementarzelle. Es hat einen großen negativen Index mit einer Bandbreite von mehr als 1 GHz für Epsilon-negatives Metamaterial (ENG) und die negative Realwerteigenschaft eines Brechungsindex nahe Null (NZRI) im Bereich von 3,1 GHz bis 4,2 GHz für Epsilon-negatives Metamaterial ( ENG).

Acht Subarrays werden auf einer einzigen Seitenwand mit Voll- und Teilflächen platziert, die jeweils in der Mitte und auf der Rückseite von zwei Schichten platziert werden. Die minimal gemessene Bandbreite wird mit 250 MHz erreicht, während der minimal gemessene Gewinn im interessierenden Band bei 3,5 GHz 9 dBi beträgt. Als realisierter Wirkungsgrad gelten jedoch 90 %. Selbst wenn die beiden Antennen recht nahe beieinander liegen, kann eine hohe Isolation erreicht werden, während die maximale ECC-Leistung zwischen den Ports 0,0001 beträgt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das vorgeschlagene mMIMO-Array (mit 32 kompakten Elementen) eine gute Isolation und Gesamtleistung gezeigt hat, was es zu einem geeigneten Kandidaten für 5G-Basisstationsanwendungen unter 6 GHz macht.

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Diese Arbeit wurde vom Fundamental Research Grant Scheme (FRGS) des Bildungsministeriums (MOE), Malaysia, unterstützt. Fördernummer: FRGS/1/2021/TK0/UKM/02/1.

Diese Autoren trugen gleichermaßen bei: Md Shabiul Islam, Mandeep Jit Singh und H. Alsaif.

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Samir Salem Al-Bawri und Mandeep Jit Singh

Abteilung für Elektrotechnik, Elektronik und Systemtechnik, Fakultät für Ingenieurwesen und gebaute Umwelt, Universiti Kebangsaan Malaysia, UKM, 43600, Bangi, Selangor, Malaysia

Mohammad Tariqul Islam und Mandeep Jit Singh

Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Multimedia University, Persiaran Multimedia, 63100, Cyberjaya, Selangor, Malaysia

Md Shabiul Islam

Fakultät für Elektrotechnik, College of Engineering, Universität Ha'il, Ha'il, 81481, Saudi-Arabien

Haitham Alsaif

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Konzeptualisierung, SSA-B.; Formale Analyse, SSA-B.; Finanzierungsakquise, MTI und MSI-Methodik, SSA-B.; Ressourcen, Schreiben – Originalentwurf, SSA-B.; Überprüfung und Bearbeitung, SSA-B., MTI, MSI, MJ und HA

Korrespondenz mit Samir Salem Al-Bawri oder Mohammad Tariqul Islam.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Al-Bawri, SS, Islam, MT, Islam, MS et al. Riesiges, mit Metamaterial ausgestattetes MIMO-Antennenarray für 5G-Basisstationen. Sci Rep 12, 14311 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18329-y

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Eingegangen: 27. Februar 2022

Angenommen: 09. August 2022

Veröffentlicht: 22. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18329-y

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