この研究では、サブ 6 GHz の第 5 世代 (5G) 無線通信システム用のコンパクトな統合多入力多出力 (MIMO) メタサーフェス (MS) 広帯域アンテナを提案します。提案された MIMO システムの明らかな新規性は、その広い動作帯域幅、高利得、小さなコンポーネント間クリアランス、および MIMO コンポーネント内の優れた分離です。アンテナの放射スポットは対角線で切り詰められ、部分的に接地され、アンテナの性能を向上させるためにメタサーフェスが使用されます。提案されたプロトタイプの統合単一 MS アンテナは、0.58 λ × 0.58 λ × 0.02 λ の小型寸法を持っています。シミュレーションと測定の結果は、8 dBi の最高ゲインを含む、3.11 GHz ～ 7.67 GHz の広帯域性能を示しています。 4 素子 MIMO システムは、コンパクトなサイズと 3.2 ～ 7.6 GHz の広帯域性能を維持しながら、各アンテナが互いに直交するように設計されています。提案された MIMO プロトタイプは、低損失で 1.05 Å の小型化された寸法を備えた Rogers RT5880 基板上に設計および製造されています。 1.05? 0.02?であり、その性能は、10 x 10 の分割リングを備えた提案された正方形閉リング共振器アレイを使用して評価されます。基本的な材料は同じです。提案されたバックプレーン メタサーフェスは、アンテナの後方放射を大幅に低減し、電磁場を操作することで、MIMO コンポーネントの帯域幅、ゲイン、および分離を改善します。既存の MIMO アンテナと比較して、提案された 4 ポート MIMO アンテナは、5G サブ 6 GHz 帯域で最大 82% の平均全体効率で 8.3 dBi の高利得を達成し、測定結果とよく一致しています。さらに、開発したMIMOアンテナは、0.004未満の包絡線相関係数(ECC)、約10dB(>9.98dB)のダイバーシティゲイン(DG)、およびMIMOコンポーネント間の高い分離(>15.5dB)の点で優れた性能を示します。特徴。したがって、提案された MS ベースの MIMO アンテナは、サブ 6 GHz の 5G 通信ネットワークへの適用可能性を確認します。
5G テクノロジーはワイヤレス通信における驚くべき進歩であり、接続された数十億台のデバイスに対してより高速で安全なネットワークを可能にし、「ゼロ」遅延 (遅延が 1 ミリ秒未満) のユーザー エクスペリエンスを提供し、エレクトロニクスを含む新しいテクノロジーを導入します。医療、知育。 、スマート シティ、スマート ホーム、仮想現実 (VR)、スマート ファクトリー、および車両のインターネット (IoV) は、私たちの生活、社会、産業を変えています1、2、3。米国連邦通信委員会 (FCC) は、5G スペクトルを 4 つの周波数帯域に分割しています4。 6 GHz 未満の周波数帯域は、高いデータ レートでの長距離通信を可能にするため、研究者にとって興味深いものです 5,6。世界の 5G 通信に対するサブ 6 GHz の 5G スペクトル割り当てを図 1 に示します。これは、すべての国が 5G 通信用にサブ 6 GHz スペクトルを検討していることを示しています7、8。アンテナは 5G ネットワークの重要な部分であり、より多くの基地局とユーザー端末のアンテナが必要になります。
マイクロストリップ パッチ アンテナには、薄さと平坦な構造という利点がありますが、帯域幅と利得が制限されている 9,10 ため、アンテナの利得と帯域幅を増やすために多くの研究が行われてきました。近年、メタサーフェス (MS) は、特に利得とスループットを向上させるためにアンテナ技術で広く使用されています 11,12 が、これらのアンテナは単一ポートに限定されています。 MIMO テクノロジーは、複数のアンテナを同時に使用してデータを送信できるため、無線通信の重要な側面であり、それによってデータ レート、スペクトル効率、チャネル容量、および信頼性が向上します13、14、15。 MIMO アンテナは、追加の電力を必要とせずに複数のチャネルでデータを送受信できるため、5G アプリケーションの潜在的な候補です16、17。 MIMO コンポーネント間の相互結合効果は、MIMO 要素の位置と MIMO アンテナのゲインに依存します。これは研究者にとって大きな課題です。図 18、19、および 20 は、5G サブ 6 GHz 帯域で動作するさまざまな MIMO アンテナを示しており、すべて良好な MIMO 分離とパフォーマンスを示しています。しかし、これらの提案されたシステムの利得と動作帯域幅は低いです。
メタマテリアル (MM) は、自然界には存在しない新しい材料であり、電磁波を操作することができ、それによってアンテナの性能を向上させることができます 21、22、23、24。 MM は現在、25、26、27、28 で説明されているように、アンテナ素子と無線通信システム間の放射パターン、帯域幅、ゲイン、および分離を改善するためにアンテナ技術で広く使用されています。2029 年には、MM に基づく 4 素子 MIMO システムが登場します。メタサーフェスでは、アンテナ セクションがメタサーフェスと地面の間にエア ギャップなしで挟まれており、MIMO パフォーマンスが向上します。ただし、この設計はサイズが大きく、動作周波数が低く、構造が複雑です。提案された 2 ポート広帯域 MIMO アンテナには、MIMO30 コンポーネントの分離を改善するために、電磁バンドギャップ (EBG) とグランド ループが含まれています。設計されたアンテナは、優れた MIMO ダイバーシティ パフォーマンスと 2 つの MIMO アンテナ間の優れた分離を備えていますが、2 つの MIMO コンポーネントのみを使用すると、ゲインが低くなります。さらに、in31 は超広帯域 (UWB) デュアルポート MIMO アンテナも提案し、メタマテリアルを使用してその MIMO 性能を調査しました。このアンテナは UWB 動作が可能ですが、利得が低く、2 つのアンテナ間の分離が不十分です。 in32 の研究では、利得を高めるために電磁バンドギャップ (EBG) 反射体を使用する 2 ポート MIMO システムを提案しています。開発したアンテナアレイは利得が高く、MIMOダイバーシティ性能に優れていますが、サイズが大きいため、次世代通信機器への適用が困難です。別の反射板ベースの広帯域アンテナが 33 年に開発されました。このアンテナでは、反射板が 22 mm の大きなギャップでアンテナの下に統合され、4.87 dB の低いピーク ゲインを示しました。論文 34 は、ミリ波アプリケーション用の 4 ポート MIMO アンテナを設計しており、MS 層と統合されて MIMO システムの分離と利得が向上しています。ただし、このアンテナは優れた利得と絶縁性を備えていますが、帯域幅が限られており、エア ギャップが大きいため機械的特性が劣っています。同様に、2015 年には、最大ゲイン 7.4 dBi のミリ波通信用に、3 ペア、4 ポートのボウタイ型メタサーフェス統合 MIMO アンテナが開発されました。 B36 MS は、アンテナ ゲインを高めるために 5G アンテナの背面で使用され、メタサーフェスが反射板として機能します。しかし、MS 構造は非対称であり、単位セル構造にはあまり注目されていません。
上記の分析結果によると、上記のアンテナはいずれも、高利得、優れた分離性、MIMO 性能、広帯域カバレッジを備えていません。したがって、6 GHz 未満の広範囲の 5G スペクトル周波数を高いゲインと分離でカバーできるメタサーフェス MIMO アンテナが依然として必要とされています。上述の文献の制限を考慮して、サブ６ＧＨｚ無線通信システム向けに、高利得および優れたダイバーシティ性能を備えた広帯域４素子ＭＩＭＯアンテナシステムが提案されている。さらに、提案された MIMO アンテナは、MIMO コンポーネント間の優れた分離、小さな素子ギャップ、および高い放射効率を示します。アンテナ パッチは斜めに切り取られ、12 mm のエア ギャップを持ってメタサーフェスの上に配置されます。これにより、アンテナからの放射が反射され、アンテナのゲインと指向性が向上します。さらに、提案された単一アンテナは、各アンテナを互いに直角に配置することにより、優れた MIMO パフォーマンスを備えた 4 素子 MIMO アンテナを作成するために使用されます。開発された MIMO アンテナは、銅製バックプレーンを備えた 10 × 10 MS アレイの上部に統合され、放射性能が向上しました。この設計は、広い動作範囲 (3.08 ～ 7.75 GHz)、8.3 dBi の高利得、82% の高い平均全体効率に加え、MIMO アンテナ コンポーネント間の -15.5 dB を超える優れた分離を特徴としています。開発された MS ベースの MIMO アンテナは、3D 電磁ソフトウェア パッケージ CST Studio 2019 を使用してシミュレーションされ、実験研究を通じて検証されました。
このセクションでは、提案されたアーキテクチャと単一アンテナの設計方法について詳しく説明します。さらに、散乱パラメータ、ゲイン、メタサーフェスの有無による全体的な効率など、シミュレーション結果と観察結果が詳細に説明されています。プロトタイプのアンテナは、厚さ 1.575mm、誘電率 2.2 の Rogers 5880 低損失誘電体基板上に開発されました。設計の開発とシミュレーションには、電磁シミュレータ パッケージ CST Studio 2019 が使用されました。
図 2 は、単一素子アンテナの提案されたアーキテクチャと設計モデルを示しています。確立された数学方程式 37 によれば、図 3b に示すように、アンテナは線形給電の正方形の放射スポットと銅製のグランド プレーン (手順 1 で説明したとおり) で構成され、10.8 GHz の非常に狭い帯域幅で共振します。アンテナ放射体の初期サイズは、次の数学的関係によって決定されます37。
ここで、\(P_{L}\) と \(P_{w}\) はパッチの長さと幅、c は光の速度、\(\gamma_{r}\) は基板の誘電率を表します。 。 、\(\gamma_{reff }\) は放射スポットの実効誘電率を表し、\(\Delta L\) はスポット長の変化を表します。アンテナ バックプレーンは第 2 段階で最適化され、10 dB という非常に低いインピーダンス帯域幅にもかかわらず、インピーダンス帯域幅が増加しました。第 3 段階では、フィーダの位置が右に移動され、提案されたアンテナのインピーダンス帯域幅とインピーダンス整合が改善されます 38。この段階で、アンテナは 4 GHz の優れた動作帯域幅を実証し、5G の 6 GHz 未満のスペクトルもカバーします。最終の第 4 段階では、放射スポットの対角に正方形の溝をエッチングします。このスロットは 4.56 GHz の帯域幅を大幅に拡張し、図 3b に示すように、サブ 6 GHz の 5G スペクトルを 3.11 GHz から 7.67 GHz までカバーします。提案された設計の正面および底面の斜視図を図 3a に示します。最終的に最適化された必要な設計パラメータは次のとおりです: 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) 設計された単一アンテナの上面図と背面図 (CST STUDIO SUITE 2019)。 (b) S パラメータ曲線。
メタ表面とは、互いに一定の距離を置いて配置された単位セルの周期的配列を指す用語です。メタサーフェスは、帯域幅、ゲイン、MIMO コンポーネント間の分離などのアンテナ放射パフォーマンスを向上させる効果的な方法です。表面波伝播の影響により、メタ表面は追加の共振を生成し、アンテナ性能の向上に貢献します39。この研究では、6 GHz 未満の 5G 帯域で動作するイプシロンネガティブ メタマテリアル (MM) ユニットを提案しています。表面積8mm×8mmのMMは、誘電率2.2、厚さ1.575mmの低損失Rogers 5880基板上に開発されました。最適化された MM 共振器パッチは、図 4a に示すように、2 つの修正された外側スプリット リングに接続された内側の円形スプリット リングで構成されます。図 4a は、提案された MM セットアップの最終的に最適化されたパラメータをまとめたものです。続いて、銅バックプレーンを使用しない場合と銅バックプレーンを使用する場合の 40 × 40 mm および 80 × 80 mm のメタサーフェス層が、それぞれ 5 × 5 セル アレイおよび 10 × 10 セル アレイを使用して開発されました。提案されたMM構造は、3D電磁モデリングソフトウェア「CSTスタジオスイート2019」を使用してモデリングされました。実際の応答を分析することで CST シミュレーション結果を検証するために、提案した MM アレイ構造と測定セットアップ (デュアルポート ネットワーク アナライザ PNA および導波管ポート) の試作プロトタイプを図 4b に示します。測定セットアップでは、Agilent PNA シリーズ ネットワーク アナライザと 2 つの導波管同軸アダプタ (A-INFOMW、部品番号: 187WCAS) を組み合わせて信号を送受信しました。プロトタイプの 5×5 アレイを、同軸ケーブルで 2 ポート ネットワーク アナライザ (Agilent PNA N5227A) に接続された 2 つの導波管同軸アダプタの間に配置しました。 Agilent N4694-60001 校正キットは、パイロット プラントでネットワーク アナライザを校正するために使用されます。提案されたプロトタイプ MM アレイのシミュレーションおよび CST 観測された散乱パラメータを図 5a に示します。提案された MM 構造が 6 GHz 未満の 5G 周波数範囲で共振することがわかります。帯域幅の違いは 10 dB と小さいにもかかわらず、シミュレーション結果と実験結果は非常に似ています。図 5a に示すように、観察された共振の共振周波数、帯域幅、および振幅は、シミュレーションされた共振とはわずかに異なります。観察結果とシミュレーション結果の間のこれらの違いは、製造上の欠陥、プロトタイプと導波管ポート間の小さなクリアランス、導波管ポートとアレイコンポーネント間の結合効果、および測定公差に起因します。さらに、実験セットアップの導波管ポート間に開発されたプロトタイプを適切に配置すると、共振シフトが発生する可能性があります。さらに、校正段階で不要なノイズが観察され、数値結果と測定結果の間に不一致が生じました。ただし、これらの困難とは別に、提案された MM アレイ プロトタイプは、シミュレーションと実験の間の強い相関関係により良好に動作し、サブ 6 GHz の 5G 無線通信アプリケーションに適しています。
(a) 単位セルの形状 (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) MM 測定セットアップの写真。
(a) メタマテリアル プロトタイプの散乱パラメータ曲線のシミュレーションと検証。 (b) MM ユニットセルの誘電率曲線。
MM ユニットセルの挙動をさらに解析するために、CST 電磁シミュレータに組み込まれた後処理技術を使用して、有効誘電率、透磁率、屈折率などの関連する有効パラメータが研究されました。有効な MM パラメータは、ロバスト再構成法を使用して散乱パラメータから取得されます。次の透過率と反射係数の式: (3) と (4) を使用して、屈折率とインピーダンスを決定できます (40 を参照)。
演算子の実数部と虚数部はそれぞれ (.)' と (.)” で表され、整数値 m は実屈折率に対応します。誘電率と透磁率は、それぞれインピーダンスと屈折率に基づく式 \(\varepsilon { } = { }n/z,\) と \(\mu = nz\) によって決定されます。 MM 構造の実効誘電率曲線を図 5b に示します。共振周波数では、実効誘電率は負になります。図6a、bは、提案されたユニットセルの実効透磁率（μ）と実効屈折率（n）の抽出された値を示しています。特に、抽出された透磁率はゼロに近い正の実数値を示し、提案された MM 構造のイプシロンネガティブ (ENG) 特性が裏付けられます。さらに、図 6a に示すように、ゼロに近い透磁率での共振は共振周波数と強く関係しています。開発されたユニットセルは負の屈折率を持っています（図6b）。これは、提案されたMMを使用してアンテナ性能を改善できることを意味します21、41。
提案された設計を実験的にテストするために、単一の広帯域アンテナの開発されたプロトタイプが製造されました。図7a、bは、提案されたプロトタイプの単一アンテナ、その構造部品、および近接場測定セットアップ（SATIMO）の画像を示しています。アンテナのパフォーマンスを向上させるために、図 8a に示すように、開発したメタサーフェスを高さ h でアンテナの下の層に配置します。単一の 40 mm x 40 mm の二重層メタサーフェスが、単一アンテナの背面に 12 mm 間隔で適用されました。さらに、バックプレーンを備えたメタサーフェスが、12 mm の距離で単一アンテナの背面に配置されます。メタサーフェスを適用した後、図 1 と図 2、図 8 と図 9 に示すように、単一アンテナの性能が大幅に向上しました。図 8b は、メタサーフェスを使用しない場合と使用した場合の単一アンテナのシミュレーションおよび測定された反射率プロットを示しています。メタサーフェスのあるアンテナのカバレージ帯域は、メタサーフェスのないアンテナのカバレージ帯域と非常に似ていることに注目する価値があります。図 9a、b は、動作スペクトルにおける MS なしの場合と MS ありの場合の、シミュレーションおよび観察された単一アンテナの利得と全体効率の比較を示しています。非メタ表面アンテナと比較して、メタ表面アンテナの利得が大幅に改善され、5.15 dBi から 8 dBi に増加していることがわかります。単層メタサーフェス、二層メタサーフェス、バックプレーン メタサーフェスを備えた単一アンテナのゲインは、それぞれ 6 dBi、6.9 dBi、8 dBi 増加しました。他のメタサーフェス (単層および二層 MC) と比較して、銅バックプレーンを備えた単一のメタサーフェス アンテナのゲインは最大 8 dBi です。この場合、メタサーフェスは反射板として機能し、アンテナの後方放射を低減し、電磁波を同位相で操作することにより、アンテナの放射効率が向上し、ゲインが向上します。メタサーフェスの有無にかかわらず単一アンテナの全体的な効率を調べた結果を図 9b に示します。メタサーフェスがある場合とない場合のアンテナの効率がほぼ同じであることは注目に値します。低い周波数範囲では、アンテナ効率がわずかに低下します。実験とシミュレーションのゲインと効率の曲線は良く一致しています。ただし、製造上の欠陥、測定公差、SMA ポートの接続損失、およびワイヤ損失により、シミュレーション結果とテスト結果の間にはわずかな違いがあります。さらに、アンテナと MS リフレクタはナイロン スペーサの間に配置されており、これもシミュレーション結果と比較して観測結果に影響を及ぼすもう 1 つの問題です。
図 (a) は、完成した単一アンテナとそれに関連するコンポーネントを示しています。 (b) 近接場測定セットアップ (SATIMO)。
(a) メタサーフェス反射体を使用したアンテナ励起 (CST STUDIO SUITE 2019)。 (b) MS を使用しない場合と使用する場合の単一アンテナのシミュレーションおよび実験による反射率。
提案されたメタ表面効果アンテナの (a) 達成された利得と (b) 全体の効率のシミュレーションと測定の結果。
MSを用いたビームパターン解析。シングルアンテナ近接場測定は、UKM SATIMO 近接場システム研究所の SATIMO 近接場実験環境で実行されました。図 10a、b は、提案された単一アンテナで MS を使用した場合と使用しない場合の 5.5 GHz での E 面および H 面放射パターンのシミュレーションおよび観察を示しています。開発された単一アンテナ (MS なし) は、サイド ローブ値を持つ一貫した双方向放射パターンを提供します。提案された MS リフレクタを適用すると、図 10a、b に示すように、アンテナは単一指向性の放射パターンを提供し、バック ローブのレベルを低減します。銅バックプレーンを備えたメタサーフェスを使用すると、提案された単一アンテナの放射パターンがより安定し、非常に低いバック ローブとサイド ローブを備えた単一指向性になることは注目に値します。提案されたMMアレイ反射器は、電流を一方向に向けることによって放射性能を向上させながら、アンテナのバックローブとサイドローブを低減し（図10a、b）、それによって利得と指向性を高めます。実験的な放射パターンは CST シミュレーションの放射パターンとほぼ同等ですが、組み立てられたさまざまなコンポーネントの位置ずれ、測定公差、ケーブル損失によりわずかに変化することが観察されました。さらに、アンテナと MS 反射板の間にナイロン製のスペーサーが挿入されており、これも数値結果と比較して観測結果に影響を及ぼすもう 1 つの問題です。
開発された単一アンテナ (MS なしおよび MS あり) の周波数 5.5 GHz での放射パターンがシミュレーションおよびテストされました。
提案された MIMO アンテナの形状は図 11 に示されており、4 つの単一アンテナが含まれています。図 11 に示すように、MIMO アンテナの 4 つのコンポーネントは、寸法 80 × 80 × 1.575 mm の基板上に互いに直交して配置されています。設計された MIMO アンテナの素子間距離は 22 mm であり、これは従来の MIMO アンテナよりも小さいです。最も近い対応するアンテナの素子間距離。 MIMOアンテナを開発。また、グランドプレーンの一部は単一アンテナと同様に配置されています。図 12a に示す MIMO アンテナ (S11、S22、S33、および S44) の反射率値は、3.2 ～ 7.6 GHz 帯域で共振する単一素子アンテナと同じ動作を示します。したがって、MIMO アンテナのインピーダンス帯域幅は、単一アンテナのインピーダンス帯域幅とまったく同じです。 MIMO コンポーネント間の結合効果が、MIMO アンテナの帯域幅損失が小さい主な理由です。図 12b は、MIMO コンポーネント間の相互接続の影響を示しており、MIMO コンポーネント間の最適な分離が決定されています。アンテナ 1 と 2 の間のアイソレーションは約 -13.6 dB で最も低く、アンテナ 1 と 4 の間のアイソレーションは約 -30.4 dB で最も高くなります。この MIMO アンテナは、サイズが小さく帯域幅が広いため、ゲインとスループットが低くなります。断熱性が低いため、補強と断熱を強化する必要があります。
提案された MIMO アンテナの設計メカニズム (a) 上面図と (b) グランド プレーン。 (CST スタジオスイート 2019)。
提案されたメタサーフェス MIMO アンテナの幾何学的配置と励振方法を図 13a に示します。図 13a に示すように、80x80x1.575mm の寸法を持つ 10x10mm のマトリックスが、高さ 12mm の MIMO アンテナの背面用に設計されています。さらに、銅バックプレーンを備えたメタサーフェスは、パフォーマンスを向上させるために MIMO アンテナで使用することを目的としています。メタサーフェスと MIMO アンテナの間の距離は、アンテナによって生成された波とメタサーフェスから反射された波の間の建設的な干渉を許容しながら、高利得を達成するために重要です。広範なモデリングが実行され、最大ゲインと MIMO 要素間の分離のための 4 分の 1 波長標準を維持しながら、アンテナとメタサーフェス間の高さを最適化しました。バックプレーンのないメタサーフェスと比較して、バックプレーンのあるメタサーフェスを使用することによって達成される MIMO アンテナのパフォーマンスの大幅な向上については、後続の章で説明します。
(a) MS を使用した提案された MIMO アンテナの CST シミュレーション セットアップ (CST STUDIO SUITE 2019)、(b) MS を使用しない場合と MS を使用した場合の開発された MIMO システムの反射率曲線。
メタサーフェスがある場合とない場合の MIMO アンテナの反射率を図 13b に示します。MIMO システム内のすべてのアンテナの動作がほぼ同じであるため、S11 と S44 が示されています。単一のメタサーフェスを使用しない場合と使用する場合の MIMO アンテナの -10 dB インピーダンス帯域幅がほぼ同じであることは注目に値します。対照的に、提案された MIMO アンテナのインピーダンス帯域幅は、二重層 MS とバックプレーン MS によって改善されます。 MS がない場合、MIMO アンテナは中心周波数に対して 81.5% (3.2 ～ 7.6 GHz) の部分帯域幅を提供することに注目してください。 MS をバックプレーンと統合することで、提案された MIMO アンテナのインピーダンス帯域幅が 86.3% (3.08 ～ 7.75 GHz) に増加します。二重層 MS はスループットを向上させますが、その向上は銅バックプレーンを備えた MS よりも劣ります。さらに、二重層 MC はアンテナのサイズを増大させ、コストを増加させ、通信範囲を制限します。設計された MIMO アンテナとメタサーフェス リフレクターは、シミュレーション結果を検証し、実際のパフォーマンスを評価するために製造および検証されます。図 14a は、組み立てられた MS 層とさまざまなコンポーネントを備えた MIMO アンテナを示し、図 14b は開発された MIMO システムの写真を示します。 MIMO アンテナは、図 14b に示すように、4 つのナイロン スペーサーを使用してメタサーフェスの上部に取り付けられます。図 15a は、開発された MIMO アンテナ システムの近接場実験セットアップのスナップショットを示しています。 UKM SATIMO 近接場システム研究所では、PNA ネットワーク アナライザ (Agilent Technologies PNA N5227A) を使用して散乱パラメータを推定し、近接場放射特性を評価および特性評価しました。
(a) SATIMO 近接場測定の写真 (b) MS を使用した場合と使用しない場合の S11 MIMO アンテナのシミュレーション曲線と実験曲線。
このセクションでは、提案された 5G MIMO アンテナのシミュレーションと観測された S パラメータの比較研究を示します。図 15b は、統合された 4 素子 MIMO MS アンテナの実験的な反射率プロットを示し、それを CST シミュレーション結果と比較しています。実験的な反射率は CST 計算と同じであることがわかりましたが、製造上の欠陥や実験的な許容誤差によりわずかに異なりました。さらに、提案された MS ベース MIMO プロトタイプで観察された反射率は、4.8 GHz のインピーダンス帯域幅で 6 GHz 未満の 5G スペクトルをカバーしており、5G アプリケーションが可能であることを意味します。ただし、測定された共振周波数、帯域幅、および振幅は、CST シミュレーションの結果とはわずかに異なります。製造上の欠陥、同軸と SMA 間の結合損失、屋外での測定設定により、測定結果とシミュレーション結果に差異が生じる可能性があります。ただし、これらの欠点にもかかわらず、提案された MIMO は良好なパフォーマンスを示し、シミュレーションと測定の間に強い一致が得られるため、サブ 6 GHz の 5G ワイヤレス アプリケーションに適しています。
シミュレーションおよび観測された MIMO アンテナの利得曲線を図 2 および図 2 に示します。図 16a、b および図 17a、b にそれぞれ示すように、MIMO コンポーネントの相互作用が示されています。メタサーフェスを MIMO アンテナに適用すると、MIMO アンテナ間の分離が大幅に改善されます。隣接するアンテナ要素 S12、S14、S23、および S34 間の分離プロットは同様の曲線を示しますが、対角線 MIMO アンテナ S13 と S42 は、それらの間の距離が大きいため同様に高い分離を示します。隣接するアンテナのシミュレートされた送信特性を図 16a に示します。 6 GHz 未満の 5G 動作スペクトルでは、メタサーフェスのない MIMO アンテナの最小分離は -13.6 dB、バックプレーンのあるメタサーフェスの場合は 15.5 dB であることに注目してください。ゲイン プロット (図 16a) は、バックプレーン メタサーフェスが単層および二層メタサーフェスと比較して MIMO アンテナ要素間の分離を大幅に改善していることを示しています。隣接するアンテナ要素では、単層および二重層メタサーフェスは約 -13.68 dB および -14.78 dB の最小分離を提供し、銅バックプレーン メタサーフェスは約 -15.5 dB を提供します。
MS 層なしおよび MS 層ありの MIMO 素子のシミュレートされた絶縁曲線: (a) S12、S14、S34、および S32、(b) S13、および S24。
提案された MS ベース MIMO アンテナの実験的利得曲線 (a) S12、S14、S34、および S32、および (b) S13、および S24。
MS 層を追加する前後の MIMO 対角アンテナ ゲイン プロットを図 16b に示します。メタサーフェスのない対角アンテナ (アンテナ 1 と 3) 間の最小分離は、動作スペクトル全体で - 15.6 dB であり、バックプレーンのあるメタサーフェスでは - 18 dB であることに注意してください。メタサーフェス アプローチにより、対角線上の MIMO アンテナ間の結合効果が大幅に低減されます。単層メタサーフェスの最大絶縁性は -37 dB ですが、二層メタサーフェスの場合、この値は -47 dB に低下します。銅バックプレーンを備えたメタサーフェスの最大分離は -36.2 dB であり、周波数範囲が増加するにつれて減少します。図 16a、b に示すように、バックプレーンのない単層および二層のメタサーフェスと比較して、バックプレーンのあるメタサーフェスは、必要な動作周波数範囲全体、特に 6 GHz 未満の 5G 範囲にわたって優れた分離を提供します。最も一般的で広く使用されている 6 GHz (3.5 GHz) 未満の 5G 帯域では、単層および二重層のメタサーフェスは、銅バックプレーンを備えた (MS がほとんどない) メタサーフェスよりも MIMO コンポーネント間の分離が低くなります (図 16a)、b) 。利得測定値は図 17a、b に示されており、それぞれ隣接するアンテナ (S12、S14、S34、および S32) と対角アンテナ (S24 および S13) の分離を示しています。これらの図 (図 17a、b) からわかるように、MIMO コンポーネント間の実験的な分離は、シミュレートされた分離とよく一致しています。製造上の欠陥、SMA ポート接続、およびワイヤ損失により、シミュレーションされた CST 値と測定された CST 値の間にはわずかな違いがあります。さらに、アンテナと MS リフレクタはナイロン スペーサの間に配置されており、これもシミュレーション結果と比較して観測結果に影響を及ぼすもう 1 つの問題です。
は、表面波抑制による相互結合の低減におけるメタ表面の役割を合理化するために、5.5 GHz での表面電流分布を研究しました42。提案された MIMO アンテナの表面電流分布を図 18 に示します。ここでは、アンテナ 1 が駆動され、アンテナの残りの部分は 50 オームの負荷で終端されています。アンテナ 1 が通電されると、図 18a に示すように、メタサーフェスがない場合、5.5 GHz で隣接するアンテナに大きな相互結合電流が発生します。逆に、図 18b ～ d に示すように、メタサーフェスを使用すると、隣接するアンテナ間の分離が改善されます。隣接フィールドの相互結合の影響は、ＭＳ層に沿って隣接するユニットセルのリングおよび隣接するＭＳユニットセルに逆平行方向に結合電流を伝播することによって最小限に抑えることができることに留意されたい。分散アンテナから MS ユニットに電流を注入することは、MIMO コンポーネント間の分離を改善するための重要な方法です。その結果、MIMOコンポーネント間の結合電流が大幅に減少し、アイソレーションも大幅に向上します。結合磁界は素子内に広く分布しているため、銅バックプレーンのメタサーフェスは、単層および二層のメタサーフェスよりも大幅に MIMO アンテナ アセンブリを分離します (図 18d)。さらに、開発された MIMO アンテナは逆伝播と側方伝播が非常に低く、単一方向の放射パターンを生成するため、提案された MIMO アンテナの利得が増加します。
5.5 GHz での提案された MIMO アンテナの表面電流パターン (a) MC なし、(b) 単層 MC、(c) 二重層 MC、(d) 銅バックプレーン付き単層 MC。 (CST スタジオスイート 2019)。
動作周波数内で、図 19a は、メタサーフェスの有無にかかわらず、設計された MIMO アンテナのシミュレーションおよび観測されたゲインを示しています。図 19a に示すように、メタサーフェスを使用しない MIMO アンテナのシミュレートされた達成利得は 5.4 dBi です。 MIMO コンポーネント間の相互結合効果により、提案された MIMO アンテナは実際に単一アンテナよりも 0.25 dBi 高い利得を達成します。メタサーフェスを追加すると、MIMO コンポーネント間の大幅な利得と分離が実現します。したがって、提案されたメタサーフェス MIMO アンテナは、最大 8.3 dBi の高い実現利得を達成できます。図 19a に示すように、単一のメタサーフェスが MIMO アンテナの背面で使用される場合、ゲインは 1.4 dBi 増加します。図 19a に示すように、メタサーフェスが 2 倍になると、ゲインは 2.1 dBi 増加します。ただし、銅バックプレーンを備えたメタサーフェスを使用すると、予想される最大ゲイン 8.3 dBi が達成されます。特に、単層メタサーフェスと二層メタサーフェスの最大達成ゲインはそれぞれ 6.8 dBi と 7.5 dBi ですが、最下層メタサーフェスの最大達成ゲインは 8.3 dBi です。アンテナの背面のメタ表面層は反射板として機能し、アンテナの背面からの放射を反射し、設計された MIMO アンテナの前後 (F/B) 比を向上させます。さらに、高インピーダンス MS リフレクターは電磁波を同相で操作するため、追加の共振が発生し、提案された MIMO アンテナの放射性能が向上します。 MIMO アンテナの後ろに MS 反射板を設置すると、達成される利得が大幅に増加することがあり、これは実験結果によって確認されています。開発されたプロトタイプ MIMO アンテナの観測利得とシミュレーション利得はほぼ同じですが、一部の周波数では、特に MS を使用しない MIMO の場合、測定利得がシミュレーション利得よりも高くなります。実験的ゲインのこれらの変動は、ナイロン パッドの測定公差、ケーブル損失、アンテナ システムの結合によるものです。メタサーフェスのない MIMO アンテナのピーク測定ゲインは 5.8 dBi ですが、銅バックプレーンを備えたメタサーフェスでは 8.5 dBi です。 MS リフレクタを備えた提案された完全な 4 ポート MIMO アンテナ システムが実験条件および数値条件下で高い利得を示すことは注目に値します。
(a) 達成されたゲインと (b) メタサーフェス効果を備えた提案された MIMO アンテナの全体的なパフォーマンスのシミュレーションと実験の結果。
図 19b は、メタサーフェス反射器を使用しない場合と使用する場合の、提案された MIMO システムの全体的なパフォーマンスを示しています。図 19b では、バックプレーンを備えた MS を使用した場合の最低効率は 73% 以上でした (84% まで低下)。開発した MIMO アンテナの MC なしと MC ありの全体効率は、シミュレーション値と比較するとわずかな違いはあるものの、ほぼ同じです。その理由は、測定公差と、アンテナと MS リフレクタ間のスペーサーの使用です。測定された周波数全体にわたる達成ゲインと全体効率はシミュレーション結果とほぼ同様であり、提案された MIMO プロトタイプの性能が期待どおりであり、推奨される MS ベース MIMO アンテナが 5G 通信に適していることを示しています。実験研究の誤差により、室内実験の全体的な結果とシミュレーションの結果の間には差異が存在します。提案されたプロトタイプの性能は、アンテナと SMA コネクタ間のインピーダンスの不整合、同軸ケーブルの接続損失、はんだ付けの影響、および実験セットアップへのさまざまな電子デバイスの近さによって影響を受けます。
図 20 は、上記アンテナの設計と最適化の進行状況をブロック図の形式で示しています。このブロック図では、提案されている MIMO アンテナの設計原理と、広い動作周波数にわたって必要な高利得と高分離を達成するためにアンテナを最適化する際に重要な役割を果たすパラメーターを段階的に説明します。
近接場 MIMO アンテナの測定は、UKM SATIMO 近接場システム研究所の SATIMO 近接場実験環境で測定されました。図２１ａ、ｂは、５．５ＧＨｚの動作周波数でＭＳを有する場合と有しない場合の、請求項に記載のＭＩＭＯアンテナのＥ面およびＨ面の放射パターンをシミュレーションおよび観察したものである。 5.5 GHz の動作周波数範囲では、開発された非 MS MIMO アンテナは、サイド ローブ値を持つ一貫した双方向放射パターンを提供します。 MS リフレクタを適用した後、図 21a、b に示すように、アンテナは単一指向性の放射パターンを提供し、バック ローブのレベルを低減します。銅バックプレーンを備えたメタサーフェスを使用することにより、提案された MIMO アンテナ パターンは、MS を使用しない場合よりも安定しており、非常に低いバック ローブとサイド ローブを備えた単一指向性であることは注目に値します。提案されたMMアレイ反射器は、アンテナのバックローブとサイドローブを低減し、電流を一方向に向けることによって放射特性も改善し（図21a、b）、それによって利得と指向性が増加します。測定された放射パターンは、残りのポートに 50 オームの負荷が接続されたポート 1 で得られました。コンポーネントの位置ずれ、端子ポートからの反射、ケーブル接続の損失などによる多少の誤差はありましたが、実験的な放射パターンは CST でシミュレーションした放射パターンとほぼ同じであることが観察されました。さらに、アンテナと MS 反射板の間にナイロン製のスペーサーが挿入されていますが、これも予測結果と比較して観測結果に影響を及ぼすもう 1 つの問題です。
開発した MIMO アンテナ (MS なしおよび MS あり) の周波数 5.5 GHz での放射パターンがシミュレーションおよびテストされました。
MIMO システムのパフォーマンスを評価する際には、ポートの分離とそれに関連する特性が不可欠であることに注意することが重要です。設計された MIMO アンテナ システムの堅牢性を示すために、包絡線相関係数 (ECC) およびダイバーシティ ゲイン (DG) を含む、提案された MIMO システムのダイバーシティ パフォーマンスが検査されます。 MIMO アンテナの ECC と DG は、MIMO システムのパフォーマンスの重要な側面であるため、そのパフォーマンスを評価するために使用できます。次のセクションでは、提案された MIMO アンテナのこれらの機能について詳しく説明します。
エンベロープ相関係数 (ECC)。 MIMO システムを検討する場合、ECC は構成要素がその特定の特性に関して相互にどの程度相関しているかを決定します。したがって、ECC は、無線通信ネットワークにおけるチャネル分離の程度を示します。開発された MIMO システムの ECC (包絡線相関係数) は、S パラメータと遠方界放射に基づいて決定できます。式から（７）および（８）提案されたＭＩＭＯアンテナ３１のＥＣＣを決定することができる。
反射係数はＳｉｉで表され、Ｓｉｊは透過係数を表す。 j 番目と i 番目のアンテナの 3 次元放射パターンは、式 \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) および \( \vec {{R_{ i } }} 立体角は \left( {\theta ,\varphi } \right)\) と \({\Omega }\) で表されます。提案されたアンテナの ECC 曲線は図 22a に示されており、その値は 0.004 未満であり、ワイヤレス システムの許容値である 0.5 を大幅に下回っています。したがって、ECC 値の減少は、提案された 4 ポート MIMO システムが優れたダイバーシティを提供することを意味します43。
ダイバーシティ ゲイン (DG) DG は、ダイバーシティ スキームが放射電力にどのような影響を与えるかを説明するもう 1 つの MIMO システム パフォーマンス メトリックです。関係式 (9) は、31 で説明したように、開発中の MIMO アンテナ システムの DG を決定します。
図 22b は、提案された MIMO システムの DG ダイアグラムを示しています。DG 値は 10 dB に非常に近いです。設計された MIMO システムのすべてのアンテナの DG 値は 9.98 dB を超えています。
表 1 は、提案されたメタサーフェス MIMO アンテナと最近開発された同様の MIMO システムを比較しています。比較では、帯域幅、ゲイン、最大分離、全体の効率、ダイバーシティ性能などのさまざまな性能パラメータが考慮されます。研究者らは、利得および分離強化技術を備えたさまざまな MIMO アンテナ プロトタイプを、5、44、45、46、47 で発表しました。以前に公開された研究と比較して、メタサーフェス反射板を備えた提案された MIMO システムは、帯域幅、利得、および分離の点で優れています。さらに、報告されている同様のアンテナと比較して、開発された MIMO システムは、より小さなサイズで優れたダイバーシティ性能と全体的な効率を示します。セクション 5.46 で説明したアンテナは、私たちが提案するアンテナよりも高い分離性を持っていますが、これらのアンテナは、サイズが大きく、ゲインが低く、帯域幅が狭く、MIMO パフォーマンスが低いという問題があります。 45 で提案された 4 ポート MIMO アンテナは、高い利得と効率を示しますが、その設計は分離が低く、サイズが大きく、ダイバーシティ性能が劣っています。一方、47 で提案された小型アンテナ システムは利得と動作帯域幅が非常に低いのに対し、我々が提案した MS ベースの 4 ポート MIMO システムは小型、高利得、高分離性、および優れたパフォーマンスの MIMO を示します。したがって、提案されたメタサーフェス MIMO アンテナは、サブ 6 GHz 5G 通信システムの主要な候補になる可能性があります。
6 GHz 未満の 5G アプリケーションをサポートするために、高利得と分離性を備えた 4 ポート メタサーフェス リフレクター ベースの広帯域 MIMO アンテナが提案されています。マイクロストリップ ラインは、対角の角が正方形で切り取られた正方形の放射セクションに給電します。提案された MS とアンテナ エミッターは、Rogers RT5880 と同様の基板材料上に実装され、高速 5G 通信システムで優れたパフォーマンスを実現します。 MIMO アンテナは広範囲と高利得を特徴とし、MIMO コンポーネント間の遮音性と優れた効率を実現します。開発したシングルアンテナの寸法は0.58?0.58?0.02?と小型です。 5×5 メタサーフェス アレイを備え、4.56 GHz の広い動作帯域幅、8 dBi のピーク ゲイン、および優れた測定効率を提供します。提案された 4 ポート MIMO アンテナ (2 × 2 アレイ) は、提案された各単一アンテナを 1.05 λ × 1.05 λ × 0.02 λ の寸法の別のアンテナと直交して配置することによって設計されます。高さ 12 mm の MIMO アンテナの下に 10×10 MM アレイを組み立てることをお勧めします。これにより、後方放射が減少し、MIMO コンポーネント間の相互結合が減少し、ゲインと分離が改善されます。実験とシミュレーションの結果は、開発された MIMO プロトタイプが 3.08 ～ 7.75 GHz の広い周波数範囲で動作し、6 GHz 未満の 5G スペクトルをカバーできることを示しています。さらに、提案された MS ベースの MIMO アンテナは利得を 2.9 dBi 改善し、最大利得 8.3 dBi を達成し、MIMO コンポーネント間に優れた分離 (>15.5 dB) を提供し、MS の貢献を検証します。さらに、提案された MIMO アンテナは、平均全体効率が 82% と高く、素子間距離が 22 mm と短いです。このアンテナは、非常に高い DG (9.98 dB 以上)、非常に低い ECC (0.004 未満)、単方向放射パターンなど、優れた MIMO ダイバーシティ パフォーマンスを示します。測定結果はシミュレーション結果と非常によく似ています。これらの特性は、開発された 4 ポート MIMO アンテナ システムが、6 GHz 未満の周波数範囲の 5G 通信システムにとって実行可能な選択肢であることを裏付けています。
Cowin は 400 ～ 6000MHz の広帯域 PCB アンテナを提供し、お客様の要件に応じて新しいアンテナの設計をサポートします。ご要望がございましたら、お気軽にお問い合わせください。
投稿日時: 2024 年 10 月 10 日