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Utilisation de métasurfaces pour améliorer le gain et l'isolation des antennes PCB à large bande pour les systèmes de communication 5G inférieurs à 6 GHz

antenne PCB large bande (1)

Ce travail propose une antenne large bande métasurface (MS) intégrée compacte à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) pour les systèmes de communication sans fil de cinquième génération (5G) inférieurs à 6 GHz. La nouveauté évidente du système MIMO proposé réside dans sa large bande passante de fonctionnement, son gain élevé, ses faibles jeux entre composants et son excellente isolation au sein des composants MIMO. Le point rayonnant de l'antenne est tronqué en diagonale, partiellement mis à la terre, et des métasurfaces sont utilisées pour améliorer les performances de l'antenne. Le prototype d'antenne MS unique intégré proposé a des dimensions miniatures de 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. Les résultats de simulation et de mesure démontrent des performances à large bande de 3,11 GHz à 7,67 GHz, y compris le gain le plus élevé atteint de 8 dBi. Le système MIMO à quatre éléments est conçu de manière à ce que chaque antenne soit orthogonale les unes aux autres tout en conservant une taille compacte et des performances à large bande de 3,2 à 7,6 GHz. Le prototype MIMO proposé est conçu et fabriqué sur un substrat Rogers RT5880 à faible perte et des dimensions miniaturisées de 1,05 ? 1.05 ? 0,02 ?, et ses performances sont évaluées à l'aide du réseau de résonateurs carrés à anneau fermé proposé avec un anneau fendu de 10 x 10. Le matériel de base est le même. La métasurface de fond de panier proposée réduit considérablement le rayonnement arrière de l'antenne et manipule les champs électromagnétiques, améliorant ainsi la bande passante, le gain et l'isolation des composants MIMO. Par rapport aux antennes MIMO existantes, l'antenne MIMO à 4 ports proposée atteint un gain élevé de 8,3 dBi avec une efficacité globale moyenne allant jusqu'à 82 % dans la bande 5G inférieure à 6 GHz et est en bon accord avec les résultats mesurés. De plus, l'antenne MIMO développée présente d'excellentes performances en termes de coefficient de corrélation d'enveloppe (ECC) inférieur à 0,004, de gain de diversité (DG) d'environ 10 dB (>9,98 dB) et d'isolation élevée entre les composants MIMO (>15,5 dB). caractéristiques. Ainsi, l'antenne MIMO basée sur MS proposée confirme son applicabilité aux réseaux de communication 5G inférieurs à 6 GHz.
La technologie 5G constitue une avancée incroyable dans les communications sans fil qui permettra des réseaux plus rapides et plus sécurisés pour des milliards d’appareils connectés, offrira aux utilisateurs des expériences avec une latence « nulle » (latence inférieure à 1 milliseconde) et introduira de nouvelles technologies, notamment l’électronique. Soins médicaux, éducation intellectuelle. , les villes intelligentes, les maisons intelligentes, la réalité virtuelle (VR), les usines intelligentes et l'Internet des véhicules (IoV) changent nos vies, notre société et nos industries1,2,3. La Federal Communications Commission (FCC) des États-Unis divise le spectre 5G en quatre bandes de fréquences4. La bande de fréquences inférieure à 6 GHz intéresse les chercheurs car elle permet des communications longue distance avec des débits de données élevés5,6. L'attribution du spectre 5G inférieur à 6 GHz pour les communications mondiales 5G est illustrée à la figure 1, indiquant que tous les pays envisagent un spectre inférieur à 6 GHz pour les communications 5G7,8. Les antennes constituent une partie importante des réseaux 5G et nécessiteront davantage d’antennes de stations de base et de terminaux utilisateurs.
Les antennes patch microruban présentent les avantages d'une finesse et d'une structure plate, mais sont limitées en termes de bande passante et de gain9,10, c'est pourquoi de nombreuses recherches ont été effectuées pour augmenter le gain et la bande passante de l'antenne ; Ces dernières années, les métasurfaces (MS) ont été largement utilisées dans les technologies d'antennes, notamment pour améliorer le gain et le débit11,12. Cependant, ces antennes sont limitées à un seul port ; La technologie MIMO est un aspect important des communications sans fil car elle peut utiliser plusieurs antennes simultanément pour transmettre des données, améliorant ainsi les débits de données, l'efficacité spectrale, la capacité des canaux et la fiabilité13,14,15. Les antennes MIMO sont des candidates potentielles pour les applications 5G car elles peuvent transmettre et recevoir des données sur plusieurs canaux sans nécessiter de puissance supplémentaire16,17. L'effet de couplage mutuel entre les composants MIMO dépend de l'emplacement des éléments MIMO et du gain de l'antenne MIMO, ce qui constitue un défi majeur pour les chercheurs. Les figures 18, 19 et 20 montrent diverses antennes MIMO fonctionnant dans la bande 5G inférieure à 6 GHz, démontrant toutes une bonne isolation et performances MIMO. Cependant, le gain et la bande passante de fonctionnement de ces systèmes proposés sont faibles.
Les métamatériaux (MM) sont de nouveaux matériaux qui n'existent pas dans la nature et qui peuvent manipuler les ondes électromagnétiques, améliorant ainsi les performances des antennes21,22,23,24. Le MM est désormais largement utilisé dans la technologie des antennes pour améliorer le diagramme de rayonnement, la bande passante, le gain et l'isolation entre les éléments d'antenne et les systèmes de communication sans fil, comme indiqué dans 25, 26, 27, 28. En 2029, un système MIMO à quatre éléments basé sur métasurface, dans laquelle la section d'antenne est prise en sandwich entre la métasurface et le sol sans entrefer, ce qui améliore les performances MIMO. Cependant, cette conception présente une taille plus grande, une fréquence de fonctionnement plus faible et une structure complexe. Une bande interdite électromagnétique (EBG) et une boucle de masse sont incluses dans l'antenne MIMO large bande à 2 ports proposée pour améliorer l'isolation des composants MIMO30. L'antenne conçue présente de bonnes performances de diversité MIMO et une excellente isolation entre deux antennes MIMO, mais en utilisant seulement deux composants MIMO, le gain sera faible. En outre, in31 a également proposé une antenne MIMO à double port ultra-large bande (UWB) et a étudié ses performances MIMO à l'aide de métamatériaux. Bien que cette antenne soit capable de fonctionner en UWB, son gain est faible et l'isolation entre les deux antennes est mauvaise. Le travail in32 propose un système MIMO à 2 ports qui utilise des réflecteurs à bande interdite électromagnétique (EBG) pour augmenter le gain. Bien que le réseau d'antennes développé présente un gain élevé et de bonnes performances de diversité MIMO, sa grande taille rend difficile son application dans les dispositifs de communication de nouvelle génération. Une autre antenne large bande basée sur un réflecteur a été développée en 33, où le réflecteur était intégré sous l'antenne avec un espace plus grand de 22 mm, présentant un gain de crête inférieur de 4,87 dB. Paper 34 conçoit une antenne MIMO à quatre ports pour les applications mmWave, qui est intégrée à la couche MS pour améliorer l'isolation et le gain du système MIMO. Cependant, cette antenne offre un bon gain et une bonne isolation, mais a une bande passante limitée et de mauvaises propriétés mécaniques en raison de l'entrefer important. De même, en 2015, une antenne MIMO intégrée à la métasurface, à trois paires et à 4 ports en forme de nœud papillon, a été développée pour les communications mmWave avec un gain maximum de 7,4 dBi. Le B36 MS est utilisé à l’arrière d’une antenne 5G pour augmenter le gain de l’antenne, où la métasurface agit comme un réflecteur. Cependant, la structure MS est asymétrique et moins d’attention a été accordée à la structure des cellules unitaires.
Selon les résultats de l'analyse ci-dessus, aucune des antennes ci-dessus n'a un gain élevé, une excellente isolation, des performances MIMO et une couverture large bande. Par conséquent, il existe toujours un besoin pour une antenne MIMO métasurface capable de couvrir une large gamme de fréquences du spectre 5G inférieures à 6 GHz avec un gain et une isolation élevés. Compte tenu des limites de la littérature mentionnée ci-dessus, un système d'antenne MIMO à quatre éléments à large bande avec un gain élevé et d'excellentes performances en diversité est proposé pour les systèmes de communication sans fil inférieurs à 6 GHz. De plus, l'antenne MIMO proposée présente une excellente isolation entre les composants MIMO, de petits espaces entre les éléments et une efficacité de rayonnement élevée. Le patch d'antenne est tronqué en diagonale et placé au-dessus de la métasurface avec un entrefer de 12 mm, qui reflète le rayonnement arrière de l'antenne et améliore le gain et la directivité de l'antenne. De plus, l'antenne unique proposée est utilisée pour créer une antenne MIMO à quatre éléments offrant des performances MIMO supérieures en positionnant chaque antenne orthogonalement les unes par rapport aux autres. L'antenne MIMO développée a ensuite été intégrée au sommet d'un réseau 10 × 10 MS avec un fond de panier en cuivre pour améliorer les performances d'émission. La conception présente une large plage de fonctionnement (3,08-7,75 GHz), un gain élevé de 8,3 dBi et un rendement global moyen élevé de 82 %, ainsi qu'une excellente isolation supérieure à -15,5 dB entre les composants de l'antenne MIMO. L'antenne MIMO développée basée sur MS a été simulée à l'aide du progiciel électromagnétique 3D CST Studio 2019 et validée par des études expérimentales.
Cette section fournit une introduction détaillée à l'architecture proposée et à la méthodologie de conception d'antenne unique. De plus, les résultats simulés et observés sont discutés en détail, notamment les paramètres de diffusion, le gain et l'efficacité globale avec et sans métasurfaces. Le prototype d'antenne a été développé sur un substrat diélectrique à faibles pertes Rogers 5880 d'une épaisseur de 1,575 mm avec une constante diélectrique de 2,2. Pour développer et simuler la conception, le package de simulation électromagnétique CST studio 2019 a été utilisé.
La figure 2 montre l'architecture proposée et le modèle de conception d'une antenne à élément unique. Selon des équations mathématiques bien établies37, l'antenne se compose d'un spot rayonnant carré alimenté linéairement et d'un plan de masse en cuivre (comme décrit à l'étape 1) et résonne avec une bande passante très étroite à 10,8 GHz, comme le montre la figure 3b. La taille initiale du radiateur de l’antenne est déterminée par la relation mathématique suivante37 :
Où \(P_{L}\) et \(P_{w}\) sont la longueur et la largeur du patch, c représente la vitesse de la lumière, \(\gamma_{r}\) est la constante diélectrique du substrat . , \(\gamma_{reff }\) représente la valeur diélectrique effective du spot de rayonnement, \(\Delta L\) représente le changement de longueur du spot. Le fond de panier de l'antenne a été optimisé dans un deuxième temps, augmentant la bande passante d'impédance malgré la très faible bande passante d'impédance de 10 dB. Dans la troisième étape, la position du chargeur est déplacée vers la droite, ce qui améliore la bande passante d'impédance et l'adaptation d'impédance de l'antenne proposée38. A ce stade, l’antenne démontre une excellente bande passante de fonctionnement de 4 GHz et couvre également le spectre inférieur à 6 GHz en 5G. La quatrième et dernière étape consiste à graver des rainures carrées dans les coins opposés du point de rayonnement. Cet emplacement étend considérablement la bande passante de 4,56 GHz pour couvrir le spectre 5G inférieur à 6 GHz de 3,11 GHz à 7,67 GHz, comme le montre la figure 3b. Les vues en perspective avant et inférieure de la conception proposée sont présentées à la figure 3a, et les paramètres de conception requis optimisés finaux sont les suivants : 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) Vues de dessus et arrière de l'antenne unique conçue (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Courbe des paramètres S.
La métasurface est un terme qui fait référence à un réseau périodique de cellules unitaires situées à une certaine distance les unes des autres. Les métasurfaces constituent un moyen efficace d'améliorer les performances de rayonnement de l'antenne, notamment la bande passante, le gain et l'isolation entre les composants MIMO. En raison de l'influence de la propagation des ondes de surface, les métasurfaces génèrent des résonances supplémentaires qui contribuent à améliorer les performances de l'antenne39. Ce travail propose une unité de métamatériau (MM) epsilon négatif fonctionnant dans la bande 5G inférieure à 6 GHz. Le MM d'une surface de 8 mm × 8 mm a été développé sur un substrat Rogers 5880 à faibles pertes avec une constante diélectrique de 2,2 et une épaisseur de 1,575 mm. Le patch de résonateur MM optimisé se compose d'un anneau fendu circulaire intérieur connecté à deux anneaux fendus externes modifiés, comme le montre la figure 4a. La figure 4a résume les paramètres optimisés finaux de la configuration MM proposée. Par la suite, des couches métasurfaces de 40 × 40 mm et 80 × 80 mm ont été développées sans fond de panier en cuivre et avec un fond de panier en cuivre en utilisant respectivement des réseaux de 5 × 5 et 10 × 10 cellules. La structure MM proposée a été modélisée à l'aide du logiciel de modélisation électromagnétique 3D « CST studio suite 2019 ». Un prototype fabriqué de la structure de réseau MM proposée et de la configuration de mesure (analyseur de réseau à double port PNA et port de guide d'ondes) est présenté à la figure 4b pour valider les résultats de la simulation CST en analysant la réponse réelle. La configuration de mesure utilisait un analyseur de réseau Agilent série PNA en combinaison avec deux adaptateurs coaxiaux de guide d'ondes (A-INFOMW, numéro de pièce : 187WCAS) pour envoyer et recevoir des signaux. Un prototype de réseau 5 × 5 a été placé entre deux adaptateurs coaxiaux de guide d'ondes connectés par un câble coaxial à un analyseur de réseau à deux ports (Agilent PNA N5227A). Le kit d'étalonnage Agilent N4694-60001 est utilisé pour étalonner l'analyseur de réseau dans une usine pilote. Les paramètres de diffusion simulés et observés par CST du prototype de réseau MM proposé sont présentés à la figure 5a. On peut voir que la structure MM proposée résonne dans la gamme de fréquences 5G inférieure à 6 GHz. Malgré la petite différence de bande passante de 10 dB, les résultats simulés et expérimentaux sont très similaires. La fréquence de résonance, la bande passante et l'amplitude de la résonance observée sont légèrement différentes de celles simulées, comme le montre la figure 5a. Ces différences entre les résultats observés et simulés sont dues aux imperfections de fabrication, aux petits jeux entre le prototype et les ports du guide d'ondes, aux effets de couplage entre les ports du guide d'ondes et les composants du réseau et aux tolérances de mesure. De plus, un placement correct du prototype développé entre les ports du guide d'ondes dans la configuration expérimentale peut entraîner un décalage de résonance. De plus, des bruits indésirables ont été observés lors de la phase d’étalonnage, ce qui a entraîné des écarts entre les résultats numériques et mesurés. Cependant, outre ces difficultés, le prototype de réseau MM proposé fonctionne bien en raison de la forte corrélation entre simulation et expérience, ce qui le rend bien adapté aux applications de communication sans fil 5G inférieures à 6 GHz.
(a) Géométrie des cellules unitaires (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) Photo du dispositif de mesure MM.
(a) Simulation et vérification des courbes des paramètres de diffusion du prototype de métamatériau. (b) Courbe de constante diélectrique d'une cellule unitaire MM.
Les paramètres efficaces pertinents tels que la constante diélectrique effective, la perméabilité magnétique et l'indice de réfraction ont été étudiés à l'aide de techniques de post-traitement intégrées du simulateur électromagnétique CST pour analyser plus en détail le comportement de la cellule unitaire MM. Les paramètres MM effectifs sont obtenus à partir des paramètres de diffusion en utilisant une méthode de reconstruction robuste. Les équations de coefficient de transmission et de réflexion suivantes : (3) et (4) peuvent être utilisées pour déterminer l'indice de réfraction et l'impédance (voir 40).
Les parties réelle et imaginaire de l'opérateur sont représentées respectivement par (.)' et (.)'', et la valeur entière m correspond à l'indice de réfraction réel. La constante diélectrique et la perméabilité sont déterminées par les formules \(\varepsilon { } = { }n/z,\) et \(\mu = nz\), qui sont basées respectivement sur l'impédance et l'indice de réfraction. La courbe de constante diélectrique effective de la structure MM est illustrée à la figure 5b. A la fréquence de résonance, la constante diélectrique effective est négative. Les figures 6a,b montrent les valeurs extraites de perméabilité effective (μ) et d'indice de réfraction effectif (n) de la cellule unitaire proposée. Notamment, les perméabilités extraites présentent des valeurs réelles positives proches de zéro, ce qui confirme les propriétés epsilon-négatives (ENG) de la structure MM proposée. De plus, comme le montre la figure 6a, la résonance à perméabilité proche de zéro est fortement liée à la fréquence de résonance. La cellule unitaire développée a un indice de réfraction négatif (Fig. 6b), ce qui signifie que le MM proposé peut être utilisé pour améliorer les performances de l'antenne .
Le prototype développé d'une seule antenne à large bande a été fabriqué pour tester expérimentalement la conception proposée. Les figures 7a, b montrent des images du prototype d'antenne unique proposé, de ses parties structurelles et de la configuration de mesure en champ proche (SATIMO). Pour améliorer les performances de l'antenne, la métasurface développée est placée en couches sous l'antenne, comme le montre la figure 8a, avec une hauteur h. Une seule métasurface double couche de 40 mm x 40 mm a été appliquée à l’arrière de l’antenne unique à des intervalles de 12 mm. De plus, une métasurface avec un fond de panier est placée sur la face arrière de l'antenne unique à une distance de 12 mm. Après application de la métasurface, l'antenne unique présente une amélioration significative des performances, comme le montrent les figures 1 et 2. Figures 8 et 9. La figure 8b montre les tracés de réflectance simulés et mesurés pour l'antenne unique sans et avec métasurfaces. Il convient de noter que la bande de couverture d’une antenne avec métasurface est très similaire à la bande de couverture d’une antenne sans métasurface. Les figures 9a et b montrent une comparaison du gain d'antenne unique simulé et observé et de l'efficacité globale sans et avec MS dans le spectre de fonctionnement. On peut constater que, par rapport à l'antenne non métasurface, le gain de l'antenne métasurface est considérablement amélioré, passant de 5,15 dBi à 8 dBi. Le gain de la métasurface monocouche, de la métasurface double couche et de l'antenne unique avec métasurface de fond de panier a augmenté respectivement de 6 dBi, 6,9 dBi et 8 dBi. Comparé à d'autres métasurfaces (MC monocouche et double couche), le gain d'une antenne métasurface unique avec un fond de panier en cuivre peut atteindre 8 dBi. Dans ce cas, la métasurface agit comme un réflecteur, réduisant le rayonnement arrière de l'antenne et manipulant les ondes électromagnétiques en phase, augmentant ainsi l'efficacité du rayonnement de l'antenne et donc le gain. Une étude de l'efficacité globale d'une antenne unique sans et avec métasurfaces est présentée à la figure 9b. Il convient de noter que l’efficacité d’une antenne avec et sans métasurface est presque la même. Dans la gamme de fréquences inférieures, l'efficacité de l'antenne diminue légèrement. Les courbes de gain et d'efficacité expérimentales et simulées sont en bon accord. Cependant, il existe de légères différences entre les résultats simulés et testés en raison de défauts de fabrication, de tolérances de mesure, de perte de connexion du port SMA et de perte de fil. De plus, l’antenne et le réflecteur MS sont situés entre les entretoises en nylon, ce qui constitue un autre problème qui affecte les résultats observés par rapport aux résultats de simulation.
La figure (a) montre l'antenne unique terminée et ses composants associés. (b) Configuration de mesure en champ proche (SATIMO).
(a) Excitation d'antenne à l'aide de réflecteurs métasurface (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Réflectances simulées et expérimentales d'une seule antenne sans et avec MS.
Résultats de simulation et de mesure de (a) le gain obtenu et (b) l'efficacité globale de l'antenne à effet métasurface proposée.
Analyse du modèle de faisceau à l'aide de MS. Des mesures en champ proche avec une seule antenne ont été effectuées dans l'environnement expérimental en champ proche SATIMO du laboratoire des systèmes en champ proche UKM SATIMO. Les figures 10a et b montrent les diagrammes de rayonnement simulés et observés dans les plans E et H à 5,5 GHz pour l'antenne unique proposée avec et sans MS. L'antenne unique développée (sans MS) fournit un diagramme de rayonnement bidirectionnel cohérent avec des valeurs de lobes latéraux. Après avoir appliqué le réflecteur MS proposé, l'antenne fournit un diagramme de rayonnement unidirectionnel et réduit le niveau des lobes arrière, comme le montrent les figures 10a et b. Il convient de noter que le diagramme de rayonnement d'antenne unique proposé est plus stable et unidirectionnel avec des lobes arrière et latéraux très bas lors de l'utilisation d'une métasurface avec un fond de panier en cuivre. Le réflecteur réseau MM proposé réduit les lobes arrière et latéraux de l'antenne tout en améliorant les performances de rayonnement en dirigeant le courant dans des directions unidirectionnelles (Fig. 10a, b), augmentant ainsi le gain et la directivité. Il a été observé que le diagramme de rayonnement expérimental était presque comparable à celui des simulations CST, mais variait légèrement en raison du désalignement des différents composants assemblés, des tolérances de mesure et des pertes de câblage. De plus, une entretoise en nylon a été insérée entre l'antenne et le réflecteur MS, ce qui constitue un autre problème affectant les résultats observés par rapport aux résultats numériques.
Le diagramme de rayonnement de l'antenne unique développée (sans MS et avec MS) à une fréquence de 5,5 GHz a été simulé et testé.
La géométrie de l'antenne MIMO proposée est illustrée à la figure 11 et comprend quatre antennes simples. Les quatre composants de l'antenne MIMO sont disposés orthogonalement les uns aux autres sur un substrat de dimensions 80 × 80 × 1,575 mm, comme le montre la figure 11. L'antenne MIMO conçue a une distance inter-éléments de 22 mm, ce qui est plus petit que la distance inter-éléments correspondante la plus proche de l'antenne. Antenne MIMO développée. De plus, une partie du plan de masse est située de la même manière qu'une seule antenne. Les valeurs de réflectance des antennes MIMO (S11, S22, S33 et S44) présentées sur la figure 12a présentent le même comportement qu'une antenne à élément unique résonnant dans la bande 3,2-7,6 GHz. Par conséquent, la bande passante d’impédance d’une antenne MIMO est exactement la même que celle d’une antenne simple. L'effet de couplage entre les composants MIMO est la principale raison de la faible perte de bande passante des antennes MIMO. La figure 12b montre l'effet de l'interconnexion sur les composants MIMO, où l'isolation optimale entre les composants MIMO a été déterminée. L'isolation entre les antennes 1 et 2 est la plus faible, à environ -13,6 dB, et l'isolation entre les antennes 1 et 4 est la plus élevée, à environ -30,4 dB. En raison de sa petite taille et de sa bande passante plus large, cette antenne MIMO a un gain et un débit inférieurs. L'isolation est faible, un renforcement et une isolation accrus sont donc nécessaires ;
Mécanisme de conception de l'antenne MIMO proposée (a) vue de dessus et (b) plan de masse. (Suite Studio CST 2019).
La disposition géométrique et la méthode d'excitation de l'antenne métasurface MIMO proposée sont illustrées à la figure 13a. Une matrice de 10 x 10 mm avec des dimensions de 80 x 80 x 1,575 mm est conçue pour la face arrière d'une antenne MIMO de 12 mm de haut, comme le montre la figure 13a. De plus, les métasurfaces dotées de fonds de panier en cuivre sont destinées à être utilisées dans les antennes MIMO pour améliorer leurs performances. La distance entre la métasurface et l'antenne MIMO est essentielle pour obtenir un gain élevé tout en permettant une interférence constructive entre les ondes générées par l'antenne et celles réfléchies par la métasurface. Une modélisation approfondie a été réalisée pour optimiser la hauteur entre l'antenne et la métasurface tout en maintenant les normes quart d'onde pour un gain et une isolation maximaux entre les éléments MIMO. Les améliorations significatives des performances de l'antenne MIMO obtenues grâce à l'utilisation de métasurfaces avec fond de panier par rapport aux métasurfaces sans fond de panier seront démontrées dans les chapitres suivants.
(a) Configuration de simulation CST de l'antenne MIMO proposée utilisant MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Courbes de réflectance du système MIMO développé sans MS et avec MS.
Les réflectances des antennes MIMO avec et sans métasurfaces sont illustrées à la figure 13b, où S11 et S44 sont présentées en raison du comportement presque identique de toutes les antennes du système MIMO. Il convient de noter que la bande passante d'impédance de -10 dB d'une antenne MIMO sans et avec une seule métasurface est presque la même. En revanche, la bande passante d'impédance de l'antenne MIMO proposée est améliorée par le MS double couche et le MS fond de panier. Il convient de noter que sans MS, l'antenne MIMO fournit une bande passante fractionnaire de 81,5 % (3,2-7,6 GHz) par rapport à la fréquence centrale. L'intégration du MS au fond de panier augmente la bande passante d'impédance de l'antenne MIMO proposée à 86,3 % (3,08 à 7,75 GHz). Bien que le MS double couche augmente le débit, l'amélioration est inférieure à celle du MS avec fond de panier en cuivre. De plus, un MC double couche augmente la taille de l’antenne, augmente son coût et limite sa portée. L'antenne MIMO et le réflecteur métasurface conçus sont fabriqués et vérifiés pour valider les résultats de la simulation et évaluer les performances réelles. La figure 14a montre la couche MS fabriquée et l'antenne MIMO avec divers composants assemblés, tandis que la figure 14b montre une photographie du système MIMO développé. L'antenne MIMO est montée au-dessus de la métasurface à l'aide de quatre entretoises en nylon, comme le montre la figure 14b. La figure 15a montre un instantané de la configuration expérimentale en champ proche du système d'antenne MIMO développé. Un analyseur de réseau PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) a été utilisé pour estimer les paramètres de diffusion et pour évaluer et caractériser les caractéristiques d'émission en champ proche dans le laboratoire des systèmes en champ proche de l'UKM SATIMO.
(a) Photos de mesures SATIMO en champ proche (b) Courbes simulées et expérimentales de l'antenne S11 MIMO avec et sans MS.
Cette section présente une étude comparative des paramètres S simulés et observés de l'antenne 5G MIMO proposée. La figure 15b montre le tracé expérimental de réflectance de l'antenne MIMO MS intégrée à 4 éléments et le compare aux résultats de la simulation CST. Les réflectances expérimentales se sont révélées identiques à celles des calculs CST, mais légèrement différentes en raison de défauts de fabrication et de tolérances expérimentales. De plus, la réflectance observée du prototype MIMO basé sur MS proposé couvre le spectre 5G inférieur à 6 GHz avec une bande passante d'impédance de 4,8 GHz, ce qui signifie que les applications 5G sont possibles. Cependant, la fréquence de résonance, la bande passante et l'amplitude mesurées diffèrent légèrement des résultats de la simulation CST. Les défauts de fabrication, les pertes de couplage coaxial-SMA et les configurations de mesure en extérieur peuvent entraîner des différences entre les résultats mesurés et simulés. Cependant, malgré ces défauts, le MIMO proposé fonctionne bien, offrant un fort accord entre les simulations et les mesures, ce qui le rend bien adapté aux applications sans fil 5G inférieures à 6 GHz.
Les courbes de gain d'antenne MIMO simulées et observées sont représentées sur les figures 2 et 2. Comme le montrent respectivement les figures 16a, b et 17a, b, l'interaction mutuelle des composants MIMO est illustrée. Lorsque des métasurfaces sont appliquées aux antennes MIMO, l'isolation entre les antennes MIMO est considérablement améliorée. Les tracés d'isolation entre les éléments d'antenne adjacents S12, S14, S23 et S34 montrent des courbes similaires, tandis que les antennes diagonales MIMO S13 et S42 présentent une isolation tout aussi élevée en raison de la plus grande distance qui les sépare. Les caractéristiques de transmission simulées des antennes adjacentes sont représentées sur la figure 16a. Il convient de noter que dans le spectre de fonctionnement 5G inférieur à 6 GHz, l'isolation minimale d'une antenne MIMO sans métasurface est de -13,6 dB, et pour une métasurface avec fond de panier – de 15,5 dB. Le tracé de gain (Figure 16a) montre que la métasurface du fond de panier améliore considérablement l'isolation entre les éléments d'antenne MIMO par rapport aux métasurfaces à une et deux couches. Sur les éléments d'antenne adjacents, les métasurfaces à une et deux couches offrent une isolation minimale d'environ -13,68 dB et -14,78 dB, et la métasurface du fond de panier en cuivre fournit environ -15,5 dB.
Courbes d'isolement simulées d'éléments MIMO sans couche MS et avec couche MS : (a) S12, S14, S34 et S32 et (b) S13 et S24.
Courbes de gain expérimentales des antennes MIMO basées sur MS proposées sans et avec : (a) S12, S14, S34 et S32 et (b) S13 et S24.
Les tracés de gain d'antenne diagonale MIMO avant et après l'ajout de la couche MS sont illustrés à la figure 16b. Il convient de noter que l’isolation minimale entre les antennes diagonales sans métasurface (antennes 1 et 3) est de – 15,6 dB sur tout le spectre de fonctionnement, et qu’une métasurface avec fond de panier est de – 18 dB. L'approche métasurface réduit considérablement les effets de couplage entre les antennes MIMO diagonales. L'isolation maximale pour une métasurface monocouche est de -37 dB, tandis que pour une métasurface double couche, cette valeur chute à -47 dB. L'isolation maximale de la métasurface avec un fond de panier en cuivre est de -36,2 dB, qui diminue avec l'augmentation de la plage de fréquences. Par rapport aux métasurfaces à une ou deux couches sans fond de panier, les métasurfaces avec fond de panier offrent une isolation supérieure sur toute la plage de fréquences de fonctionnement requise, en particulier dans la plage 5G inférieure à 6 GHz, comme le montrent les figures 16a et b. Dans la bande 5G la plus populaire et la plus utilisée en dessous de 6 GHz (3,5 GHz), les métasurfaces à une et deux couches présentent une isolation plus faible entre les composants MIMO que les métasurfaces avec des fonds de panier en cuivre (presque pas de MS) (voir Figure 16a), b) . Les mesures de gain sont représentées sur les figures 17a, b, montrant l'isolation des antennes adjacentes (S12, S14, S34 et S32) et des antennes diagonales (S24 et S13), respectivement. Comme le montrent ces figures (Fig. 17a, b), l'isolement expérimental entre les composants MIMO concorde bien avec l'isolement simulé. Bien qu'il existe des différences mineures entre les valeurs CST simulées et mesurées en raison de défauts de fabrication, de connexions des ports SMA et de pertes de fils. De plus, l’antenne et le réflecteur MS sont situés entre les entretoises en nylon, ce qui constitue un autre problème qui affecte les résultats observés par rapport aux résultats de simulation.
ont étudié la distribution du courant de surface à 5,5 GHz pour rationaliser le rôle des métasurfaces dans la réduction du couplage mutuel grâce à la suppression des ondes de surface42. La distribution du courant de surface de l'antenne MIMO proposée est illustrée à la figure 18, où l'antenne 1 est pilotée et le reste de l'antenne se termine par une charge de 50 ohms. Lorsque l'antenne 1 est alimentée, des courants de couplage mutuel importants apparaîtront au niveau des antennes adjacentes à 5,5 GHz en l'absence de métasurface, comme le montre la figure 18a. Au contraire, grâce à l'utilisation de métasurfaces, comme le montre les figures 18b à d, l'isolation entre les antennes adjacentes est améliorée. Il convient de noter que l'effet du couplage mutuel de champs adjacents peut être minimisé en propageant le courant de couplage vers des anneaux adjacents de cellules unitaires et des cellules unitaires MS adjacentes le long de la couche MS dans des directions antiparallèles. L'injection de courant depuis des antennes distribuées vers des unités MS est une méthode clé pour améliorer l'isolation entre les composants MIMO. En conséquence, le courant de couplage entre les composants MIMO est considérablement réduit et l'isolation est également grandement améliorée. Étant donné que le champ de couplage est largement distribué dans l'élément, la métasurface du fond de panier en cuivre isole beaucoup plus l'ensemble d'antenne MIMO que les métasurfaces à une ou deux couches (Figure 18d). De plus, l'antenne MIMO développée a une très faible rétropropagation et propagation latérale, produisant un diagramme de rayonnement unidirectionnel, augmentant ainsi le gain de l'antenne MIMO proposée.
Modèles de courant de surface de l'antenne MIMO proposée à 5,5 GHz (a) sans MC, (b) MC monocouche, (c) MC double couche et (d) MC monocouche avec fond de panier en cuivre. (Suite Studio CST 2019).
Dans la fréquence de fonctionnement, la figure 19a montre les gains simulés et observés de l'antenne MIMO conçue sans et avec métasurfaces. Le gain simulé obtenu de l'antenne MIMO sans métasurface est de 5,4 dBi, comme le montre la figure 19a. En raison de l'effet de couplage mutuel entre les composants MIMO, l'antenne MIMO proposée atteint en fait un gain 0,25 dBi supérieur à celui d'une antenne unique. L'ajout de métasurfaces peut apporter des gains et une isolation significatifs entre les composants MIMO. Ainsi, l’antenne métasurface MIMO proposée peut atteindre un gain réalisé élevé allant jusqu’à 8,3 dBi. Comme le montre la figure 19a, lorsqu'une seule métasurface est utilisée à l'arrière de l'antenne MIMO, le gain augmente de 1,4 dBi. Lorsque la métasurface est doublée, le gain augmente de 2,1 dBi, comme le montre la figure 19a. Cependant, le gain maximum attendu de 8,3 dBi est atteint lors de l'utilisation de la métasurface avec un fond de panier en cuivre. Notamment, le gain maximum obtenu pour les métasurfaces à une seule couche et à double couche est respectivement de 6,8 dBi et 7,5 dBi, tandis que le gain maximum obtenu pour la métasurface de la couche inférieure est de 8,3 dBi. La couche métasurface située à l'arrière de l'antenne agit comme un réflecteur, réfléchissant le rayonnement de l'arrière de l'antenne et améliorant le rapport avant/arrière (F/B) de l'antenne MIMO conçue. De plus, le réflecteur MS à haute impédance manipule les ondes électromagnétiques en phase, créant ainsi une résonance supplémentaire et améliorant les performances de rayonnement de l'antenne MIMO proposée. Le réflecteur MS installé derrière l'antenne MIMO peut augmenter considérablement le gain obtenu, ce qui est confirmé par les résultats expérimentaux. Les gains observés et simulés du prototype d'antenne MIMO développé sont presque les mêmes, cependant, à certaines fréquences, le gain mesuré est supérieur au gain simulé, en particulier pour le MIMO sans MS ; Ces variations du gain expérimental sont dues aux tolérances de mesure des coussinets en nylon, aux pertes dans les câbles et au couplage dans le système d'antenne. Le gain maximal mesuré de l'antenne MIMO sans métasurface est de 5,8 dBi, tandis que celui de la métasurface avec un fond de panier en cuivre est de 8,5 dBi. Il convient de noter que le système d'antenne MIMO complet à 4 ports proposé avec réflecteur MS présente un gain élevé dans des conditions expérimentales et numériques.
Résultats de simulation et expérimentaux de (a) le gain obtenu et (b) les performances globales de l'antenne MIMO proposée avec effet métasurface.
La figure 19b montre les performances globales du système MIMO proposé sans et avec réflecteurs métasurface. Dans la figure 19b, le rendement le plus faible en utilisant MS avec fond de panier était supérieur à 73 % (jusqu'à 84 %). L'efficacité globale des antennes MIMO développées sans MC et avec MC est presque la même avec des différences mineures par rapport aux valeurs simulées. Les raisons en sont les tolérances de mesure et l'utilisation d'entretoises entre l'antenne et le réflecteur MS. Le gain obtenu et l'efficacité globale mesurés sur l'ensemble de la fréquence sont presque similaires aux résultats de simulation, ce qui indique que les performances du prototype MIMO proposé sont conformes aux attentes et que l'antenne MIMO basée sur MS recommandée est adaptée aux communications 5G. En raison d'erreurs dans les études expérimentales, des différences existent entre les résultats globaux des expériences en laboratoire et les résultats des simulations. Les performances du prototype proposé sont affectées par l'inadéquation d'impédance entre l'antenne et le connecteur SMA, les pertes d'épissure du câble coaxial, les effets de soudure et la proximité de divers appareils électroniques avec la configuration expérimentale.
La figure 20 décrit l'avancement de la conception et de l'optimisation de ladite antenne sous la forme d'un schéma bloc. Ce schéma fonctionnel fournit une description étape par étape des principes de conception d'antenne MIMO proposés, ainsi que des paramètres qui jouent un rôle clé dans l'optimisation de l'antenne afin d'obtenir le gain élevé et l'isolation élevée requis sur une large fréquence de fonctionnement.
Les mesures de l'antenne MIMO en champ proche ont été mesurées dans l'environnement expérimental en champ proche SATIMO du laboratoire des systèmes en champ proche UKM SATIMO. Les figures 21a et b représentent les diagrammes de rayonnement simulés et observés dans les plans E et H de l'antenne MIMO revendiquée avec et sans MS à une fréquence de fonctionnement de 5,5 GHz. Dans la plage de fréquences de fonctionnement de 5,5 GHz, l'antenne MIMO non MS développée fournit un diagramme de rayonnement bidirectionnel cohérent avec des valeurs de lobes latéraux. Après avoir appliqué le réflecteur MS, l'antenne fournit un diagramme de rayonnement unidirectionnel et réduit le niveau des lobes arrière, comme le montrent les figures 21a et b. Il convient de noter qu’en utilisant une métasurface avec un fond de panier en cuivre, le diagramme d’antenne MIMO proposé est plus stable et unidirectionnel que sans MS, avec des lobes arrière et latéraux très bas. Le réflecteur réseau MM proposé réduit les lobes arrière et latéraux de l'antenne et améliore également les caractéristiques de rayonnement en dirigeant le courant dans une direction unidirectionnelle (Fig. 21a, b), augmentant ainsi le gain et la directivité. Le diagramme de rayonnement mesuré a été obtenu pour le port 1 avec une charge de 50 ohms connectée aux ports restants. Il a été observé que le diagramme de rayonnement expérimental était presque identique à celui simulé par CST, bien qu'il y ait quelques écarts dus au désalignement des composants, aux réflexions des ports terminaux et aux pertes dans les connexions des câbles. De plus, une entretoise en nylon a été insérée entre l'antenne et le réflecteur MS, ce qui constitue un autre problème affectant les résultats observés par rapport aux résultats prédits.
Le diagramme de rayonnement de l'antenne MIMO développée (sans MS et avec MS) à une fréquence de 5,5 GHz a été simulé et testé.
Il est important de noter que l'isolation des ports et ses caractéristiques associées sont essentielles lors de l'évaluation des performances des systèmes MIMO. Les performances de diversité du système MIMO proposé, y compris le coefficient de corrélation d'enveloppe (ECC) et le gain de diversité (DG), sont examinées pour illustrer la robustesse du système d'antenne MIMO conçu. L'ECC et le DG d'une antenne MIMO peuvent être utilisés pour évaluer ses performances car ce sont des aspects importants des performances d'un système MIMO. Les sections suivantes détailleront ces caractéristiques de l’antenne MIMO proposée.
Coefficient de corrélation d'enveloppe (ECC). Lors de l'examen d'un système MIMO, ECC détermine le degré de corrélation entre les éléments constitutifs en ce qui concerne leurs propriétés spécifiques. Ainsi, ECC démontre le degré d’isolation des canaux dans un réseau de communication sans fil. L'ECC (coefficient de corrélation d'enveloppe) du système MIMO développé peut être déterminé sur la base des paramètres S et de l'émission en champ lointain. De l'équation. (7) et (8) l'ECC de l'antenne MIMO 31 proposée peut être déterminée.
Le coefficient de réflexion est représenté par Sii et Sij représente le coefficient de transmission. Les diagrammes de rayonnement tridimensionnels des j-ème et i-ème antennes sont donnés par les expressions \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) et \( \vec {{R_{ i } }} Angle solide représenté par \left( {\theta ,\varphi } \right)\) et \({\Omega }\). La courbe ECC de l'antenne proposée est représentée sur la figure 22a et sa valeur est inférieure à 0,004, ce qui est bien en dessous de la valeur acceptable de 0,5 pour un système sans fil. Par conséquent, la valeur ECC réduite signifie que le système MIMO à 4 ports proposé offre une diversité supérieure43.
Gain de diversité (DG) DG est une autre mesure de performance du système MIMO qui décrit comment le schéma de diversité affecte la puissance rayonnée. La relation (9) détermine le DG du système d'antenne MIMO en cours de développement, comme décrit en 31.
La figure 22b montre le diagramme DG du système MIMO proposé, où la valeur DG est très proche de 10 dB. Les valeurs DG de toutes les antennes du système MIMO conçu dépassent 9,98 dB.
Le tableau 1 compare l'antenne MIMO métasurface proposée avec des systèmes MIMO similaires récemment développés. La comparaison prend en compte divers paramètres de performances, notamment la bande passante, le gain, l'isolation maximale, l'efficacité globale et les performances de diversité. Les chercheurs ont présenté divers prototypes d'antennes MIMO avec des techniques d'amélioration du gain et de l'isolation dans 5, 44, 45, 46, 47. Par rapport aux travaux publiés précédemment, le système MIMO proposé avec des réflecteurs métasurface les surpasse en termes de bande passante, de gain et d'isolation. De plus, par rapport aux antennes similaires signalées, le système MIMO développé présente des performances de diversité supérieures et une efficacité globale dans une taille plus petite. Bien que les antennes décrites dans la section 5.46 aient une isolation plus élevée que nos antennes proposées, ces antennes souffrent d'une grande taille, d'un faible gain, d'une bande passante étroite et de mauvaises performances MIMO. L'antenne MIMO à 4 ports proposée dans 45 présente un gain et une efficacité élevés, mais sa conception présente une faible isolation, une grande taille et de mauvaises performances en diversité. D'autre part, le système d'antenne de petite taille proposé dans 47 a un gain et une bande passante de fonctionnement très faibles, tandis que notre système MIMO à 4 ports basé sur MS proposé présente une petite taille, un gain élevé, une isolation élevée et de meilleures performances MIMO. Ainsi, l’antenne métasurface MIMO proposée peut devenir un concurrent majeur pour les systèmes de communication 5G inférieurs à 6 GHz.
Une antenne MIMO large bande basée sur un réflecteur métasurface à quatre ports avec un gain et une isolation élevés est proposée pour prendre en charge les applications 5G inférieures à 6 GHz. La ligne microruban alimente une section rayonnante carrée, tronquée par un carré aux coins diagonaux. Le MS et l'émetteur d'antenne proposés sont mis en œuvre sur des matériaux de substrat similaires au Rogers RT5880 pour obtenir d'excellentes performances dans les systèmes de communication 5G à haut débit. L'antenne MIMO offre une large portée et un gain élevé, et offre une isolation acoustique entre les composants MIMO et une excellente efficacité. L'antenne unique développée a des dimensions miniatures de 0,58 ? 0,58 ? 0,02 ? avec un réseau métasurface 5×5, offre une large bande passante de fonctionnement de 4,56 GHz, un gain de crête de 8 dBi et une efficacité mesurée supérieure. L'antenne MIMO à quatre ports proposée (réseau 2 × 2) est conçue en alignant orthogonalement chaque antenne unique proposée avec une autre antenne de dimensions 1,05λ × 1,05λ × 0,02λ. Il est recommandé d'assembler un réseau de 10 × 10 MM sous une antenne MIMO de 12 mm de haut, ce qui peut réduire le rayonnement arrière et le couplage mutuel entre les composants MIMO, améliorant ainsi le gain et l'isolation. Les résultats expérimentaux et de simulation montrent que le prototype MIMO développé peut fonctionner dans une large gamme de fréquences de 3,08 à 7,75 GHz, couvrant le spectre 5G inférieur à 6 GHz. De plus, l'antenne MIMO basée sur MS proposée améliore son gain de 2,9 dBi, atteignant un gain maximum de 8,3 dBi, et offre une excellente isolation (> 15,5 dB) entre les composants MIMO, validant ainsi la contribution de MS. De plus, l'antenne MIMO proposée présente un rendement global moyen élevé de 82 % et une faible distance inter-éléments de 22 mm. L'antenne présente d'excellentes performances de diversité MIMO, notamment un DG très élevé (plus de 9,98 dB), un ECC très faible (moins de 0,004) et un diagramme de rayonnement unidirectionnel. Les résultats de mesure sont très similaires aux résultats de simulation. Ces caractéristiques confirment que le système d'antenne MIMO à quatre ports développé peut être un choix viable pour les systèmes de communication 5G dans la gamme de fréquences inférieure à 6 GHz.
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Heure de publication : 10 octobre 2024