ఈ పని సబ్-6 GHz ఐదవ తరం (5G) వైర్‌లెస్ కమ్యూనికేషన్ సిస్టమ్‌ల కోసం కాంపాక్ట్ ఇంటిగ్రేటెడ్ మల్టీ-ఇన్‌పుట్ మల్టీ-అవుట్‌పుట్ (MIMO) మెటాసర్‌ఫేస్ (MS) వైడ్‌బ్యాండ్ యాంటెన్నాను ప్రతిపాదిస్తుంది. ప్రతిపాదిత MIMO సిస్టమ్ యొక్క స్పష్టమైన కొత్తదనం దాని విస్తృత ఆపరేటింగ్ బ్యాండ్‌విడ్త్, అధిక లాభం, చిన్న ఇంటర్‌కంపోనెంట్ క్లియరెన్స్‌లు మరియు MIMO భాగాలలో అద్భుతమైన ఐసోలేషన్. యాంటెన్నా యొక్క రేడియేటింగ్ స్పాట్ వికర్ణంగా కత్తిరించబడింది, పాక్షికంగా గ్రౌన్దేడ్ చేయబడింది మరియు యాంటెన్నా పనితీరును మెరుగుపరచడానికి మెటాసర్‌ఫేస్‌లు ఉపయోగించబడతాయి. ప్రతిపాదిత ప్రోటోటైప్ ఇంటిగ్రేటెడ్ సింగిల్ MS యాంటెన్నా 0.58λ × 0.58λ × 0.02λ సూక్ష్మ కొలతలు కలిగి ఉంది. అనుకరణ మరియు కొలత ఫలితాలు 3.11 GHz నుండి 7.67 GHz వరకు వైడ్‌బ్యాండ్ పనితీరును ప్రదర్శిస్తాయి, 8 dBi సాధించిన అత్యధిక లాభంతో సహా. 3.2 నుండి 7.6 GHz వరకు కాంపాక్ట్ సైజు మరియు వైడ్‌బ్యాండ్ పనితీరును కొనసాగిస్తూ ప్రతి యాంటెన్నా ఒకదానికొకటి ఆర్తోగోనల్‌గా ఉండేలా నాలుగు-మూలకాల MIMO సిస్టమ్ రూపొందించబడింది. ప్రతిపాదిత MIMO ప్రోటోటైప్ రోజర్స్ RT5880 సబ్‌స్ట్రేట్‌పై తక్కువ నష్టంతో మరియు సూక్ష్మీకరించిన 1.05 కొలతలతో రూపొందించబడింది మరియు రూపొందించబడింది? 1.05? 0.02?, మరియు దాని పనితీరు 10 x 10 స్ప్లిట్ రింగ్‌తో ప్రతిపాదిత స్క్వేర్ క్లోజ్డ్ రింగ్ రెసొనేటర్ అర్రేని ఉపయోగించి అంచనా వేయబడుతుంది. ప్రాథమిక పదార్థం అదే. ప్రతిపాదిత బ్యాక్‌ప్లేన్ మెటాసర్‌ఫేస్ యాంటెన్నా బ్యాక్ రేడియేషన్‌ను గణనీయంగా తగ్గిస్తుంది మరియు విద్యుదయస్కాంత క్షేత్రాలను తారుమారు చేస్తుంది, తద్వారా MIMO భాగాల బ్యాండ్‌విడ్త్, లాభం మరియు ఐసోలేషన్‌ను మెరుగుపరుస్తుంది. ఇప్పటికే ఉన్న MIMO యాంటెన్నాలతో పోలిస్తే, ప్రతిపాదిత 4-పోర్ట్ MIMO యాంటెన్నా 5G సబ్-6 GHz బ్యాండ్‌లో సగటు మొత్తం సామర్థ్యంతో 82% వరకు 8.3 dBi అధిక లాభం పొందింది మరియు కొలిచిన ఫలితాలతో మంచి ఒప్పందంలో ఉంది. అంతేకాకుండా, అభివృద్ధి చెందిన MIMO యాంటెన్నా 0.004 కంటే తక్కువ ఎన్వలప్ కోరిలేషన్ కోఎఫీషియంట్ (ECC), సుమారు 10 dB (> 9.98 dB) యొక్క వైవిధ్య లాభం (DG) మరియు MIMO భాగాల మధ్య అధిక ఐసోలేషన్ (>15.5 dB ) పరంగా అద్భుతమైన పనితీరును ప్రదర్శిస్తుంది. లక్షణాలు. అందువలన, ప్రతిపాదిత MS-ఆధారిత MIMO యాంటెన్నా ఉప-6 GHz 5G కమ్యూనికేషన్ నెట్‌వర్క్‌లకు దాని వర్తింపును నిర్ధారిస్తుంది.
5G టెక్నాలజీ అనేది వైర్‌లెస్ కమ్యూనికేషన్‌లలో అద్భుతమైన పురోగతి, ఇది బిలియన్ల కొద్దీ కనెక్ట్ చేయబడిన పరికరాల కోసం వేగవంతమైన మరియు మరింత సురక్షితమైన నెట్‌వర్క్‌లను ప్రారంభిస్తుంది, వినియోగదారు అనుభవాలను "సున్నా" జాప్యం (1 మిల్లీసెకన్ల కంటే తక్కువ జాప్యం)తో అందిస్తుంది మరియు ఎలక్ట్రానిక్స్‌తో సహా కొత్త సాంకేతికతలను పరిచయం చేస్తుంది. వైద్య సంరక్షణ, మేధో విద్య. , స్మార్ట్ సిటీలు, స్మార్ట్ హోమ్‌లు, వర్చువల్ రియాలిటీ (VR), స్మార్ట్ ఫ్యాక్టరీలు మరియు ఇంటర్నెట్ ఆఫ్ వెహికల్స్ (IoV) మన జీవితాలను, సమాజాన్ని మరియు పరిశ్రమలను మారుస్తున్నాయి1,2,3. US ఫెడరల్ కమ్యూనికేషన్స్ కమిషన్ (FCC) 5G స్పెక్ట్రమ్‌ను నాలుగు ఫ్రీక్వెన్సీ బ్యాండ్‌లుగా విభజిస్తుంది4. 6 GHz కంటే తక్కువ ఫ్రీక్వెన్సీ బ్యాండ్ పరిశోధకులకు ఆసక్తిని కలిగిస్తుంది ఎందుకంటే ఇది అధిక డేటా రేట్లు5,6తో సుదూర కమ్యూనికేషన్‌లను అనుమతిస్తుంది. గ్లోబల్ 5G కమ్యూనికేషన్ల కోసం సబ్-6 GHz 5G స్పెక్ట్రమ్ కేటాయింపు మూర్తి 1లో చూపబడింది, అన్ని దేశాలు 5G కమ్యూనికేషన్స్7,8 కోసం సబ్-6 GHz స్పెక్ట్రమ్‌ను పరిశీలిస్తున్నాయని సూచిస్తుంది. యాంటెనాలు 5G నెట్‌వర్క్‌లలో ముఖ్యమైన భాగం మరియు మరిన్ని బేస్ స్టేషన్ మరియు యూజర్ టెర్మినల్ యాంటెన్నాలు అవసరం.
మైక్రోస్ట్రిప్ ప్యాచ్ యాంటెన్నాలు సన్నబడటం మరియు ఫ్లాట్ స్ట్రక్చర్ యొక్క ప్రయోజనాలను కలిగి ఉంటాయి, కానీ బ్యాండ్‌విడ్త్ మరియు గెయిన్9,10లో పరిమితం చేయబడ్డాయి, యాంటెన్నా యొక్క లాభం మరియు బ్యాండ్‌విడ్త్‌ను పెంచడానికి చాలా పరిశోధనలు జరిగాయి; ఇటీవలి సంవత్సరాలలో, మెటాసర్‌ఫేస్‌లు (MS) యాంటెన్నా సాంకేతికతలలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి, ప్రత్యేకించి లాభం మరియు నిర్గమాంశను మెరుగుపరచడానికి 11,12, అయితే, ఈ యాంటెనాలు ఒకే పోర్ట్‌కు పరిమితం చేయబడ్డాయి; MIMO సాంకేతికత వైర్‌లెస్ కమ్యూనికేషన్‌లలో ఒక ముఖ్యమైన అంశం, ఎందుకంటే ఇది డేటాను ప్రసారం చేయడానికి ఏకకాలంలో బహుళ యాంటెన్నాలను ఉపయోగించవచ్చు, తద్వారా డేటా రేట్లు, స్పెక్ట్రల్ సామర్థ్యం, ఛానెల్ సామర్థ్యం మరియు విశ్వసనీయత మెరుగుపడుతుంది13,14,15. MIMO యాంటెన్నాలు 5G అప్లికేషన్‌లకు సంభావ్య అభ్యర్థులు ఎందుకంటే అవి అదనపు శక్తి అవసరం లేకుండా బహుళ ఛానెల్‌ల ద్వారా డేటాను ప్రసారం చేయగలవు మరియు స్వీకరించగలవు16,17. MIMO భాగాల మధ్య పరస్పర కలపడం ప్రభావం MIMO మూలకాల స్థానం మరియు MIMO యాంటెన్నా యొక్క లాభంపై ఆధారపడి ఉంటుంది, ఇది పరిశోధకులకు ప్రధాన సవాలు. గణాంకాలు 18, 19 మరియు 20 5G సబ్-6 GHz బ్యాండ్‌లో పనిచేసే వివిధ MIMO యాంటెన్నాలను చూపుతాయి, అన్నీ మంచి MIMO ఐసోలేషన్ మరియు పనితీరును ప్రదర్శిస్తాయి. అయితే, ఈ ప్రతిపాదిత సిస్టమ్‌ల లాభం మరియు ఆపరేటింగ్ బ్యాండ్‌విడ్త్ తక్కువగా ఉన్నాయి.
మెటామెటీరియల్స్ (MM లు) అనేది ప్రకృతిలో లేని కొత్త పదార్థాలు మరియు విద్యుదయస్కాంత తరంగాలను మార్చగలవు, తద్వారా యాంటెన్నాలు21,22,23,24 పనితీరును మెరుగుపరుస్తాయి. 25, 26, 27, 28లో చర్చించినట్లుగా, యాంటెన్నా మూలకాలు మరియు వైర్‌లెస్ కమ్యూనికేషన్ సిస్టమ్‌ల మధ్య రేడియేషన్ నమూనా, బ్యాండ్‌విడ్త్, లాభం మరియు ఐసోలేషన్‌ను మెరుగుపరచడానికి MM ఇప్పుడు యాంటెన్నా టెక్నాలజీలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతోంది. 2029లో, నాలుగు-మూలకాల MIMO వ్యవస్థ ఆధారంగా మెటాసర్‌ఫేస్, దీనిలో యాంటెన్నా విభాగం మెటాసర్‌ఫేస్ మరియు భూమి మధ్య గాలి ఖాళీ లేకుండా శాండ్‌విచ్ చేయబడింది, ఇది MIMO పనితీరును మెరుగుపరుస్తుంది. అయితే, ఈ డిజైన్ పెద్ద పరిమాణం, తక్కువ ఆపరేటింగ్ ఫ్రీక్వెన్సీ మరియు సంక్లిష్ట నిర్మాణాన్ని కలిగి ఉంది. MIMO30 భాగాల ఐసోలేషన్‌ను మెరుగుపరచడానికి ప్రతిపాదిత 2-పోర్ట్ వైడ్‌బ్యాండ్ MIMO యాంటెన్నాలో విద్యుదయస్కాంత బ్యాండ్‌గ్యాప్ (EBG) మరియు గ్రౌండ్ లూప్ చేర్చబడ్డాయి. డిజైన్ చేయబడిన యాంటెన్నా మంచి MIMO వైవిధ్య పనితీరును కలిగి ఉంది మరియు రెండు MIMO యాంటెన్నాల మధ్య అద్భుతమైన ఐసోలేషన్‌ను కలిగి ఉంది, అయితే కేవలం రెండు MIMO భాగాలను మాత్రమే ఉపయోగిస్తే, లాభం తక్కువగా ఉంటుంది. అదనంగా, in31 అల్ట్రా-వైడ్‌బ్యాండ్ (UWB) డ్యూయల్-పోర్ట్ MIMO యాంటెన్నాను కూడా ప్రతిపాదించింది మరియు మెటామెటీరియల్‌లను ఉపయోగించి దాని MIMO పనితీరును పరిశోధించింది. ఈ యాంటెన్నా UWB ఆపరేషన్ చేయగలిగినప్పటికీ, దాని లాభం తక్కువగా ఉంటుంది మరియు రెండు యాంటెన్నాల మధ్య ఐసోలేషన్ తక్కువగా ఉంటుంది. పని in32 లాభం పెంచడానికి విద్యుదయస్కాంత బ్యాండ్‌గ్యాప్ (EBG) రిఫ్లెక్టర్‌లను ఉపయోగించే 2-పోర్ట్ MIMO సిస్టమ్‌ను ప్రతిపాదిస్తుంది. అభివృద్ధి చెందిన యాంటెన్నా శ్రేణి అధిక లాభం మరియు మంచి MIMO వైవిధ్య పనితీరును కలిగి ఉన్నప్పటికీ, దాని పెద్ద పరిమాణం తదుపరి తరం కమ్యూనికేషన్ పరికరాలలో వర్తింపజేయడం కష్టతరం చేస్తుంది. మరొక రిఫ్లెక్టర్-ఆధారిత బ్రాడ్‌బ్యాండ్ యాంటెన్నా 33లో అభివృద్ధి చేయబడింది, ఇక్కడ రిఫ్లెక్టర్ యాంటెన్నా కింద పెద్ద 22 mm గ్యాప్‌తో ఏకీకృతం చేయబడింది, ఇది 4.87 dB యొక్క తక్కువ గరిష్ట లాభాలను ప్రదర్శిస్తుంది. పేపర్ 34 mmWave అప్లికేషన్‌ల కోసం నాలుగు-పోర్ట్ MIMO యాంటెన్నాను డిజైన్ చేస్తుంది, ఇది MIMO సిస్టమ్ యొక్క ఐసోలేషన్ మరియు లాభాన్ని మెరుగుపరచడానికి MS లేయర్‌తో అనుసంధానించబడింది. అయితే, ఈ యాంటెన్నా మంచి లాభం మరియు ఐసోలేషన్‌ను అందిస్తుంది, కానీ పెద్ద గాలి అంతరం కారణంగా పరిమిత బ్యాండ్‌విడ్త్ మరియు పేలవమైన యాంత్రిక లక్షణాలను కలిగి ఉంది. అదేవిధంగా, 2015లో, గరిష్టంగా 7.4 dBi లాభంతో mmWave కమ్యూనికేషన్ల కోసం మూడు-జత, 4-పోర్ట్ బౌటీ-ఆకారపు మెటాసర్‌ఫేస్-ఇంటిగ్రేటెడ్ MIMO యాంటెన్నా అభివృద్ధి చేయబడింది. B36 MS యాంటెన్నా గెయిన్‌ని పెంచడానికి 5G యాంటెన్నా వెనుక భాగంలో ఉపయోగించబడుతుంది, ఇక్కడ మెటాసర్‌ఫేస్ రిఫ్లెక్టర్‌గా పనిచేస్తుంది. అయినప్పటికీ, MS నిర్మాణం అసమానమైనది మరియు యూనిట్ సెల్ నిర్మాణంపై తక్కువ శ్రద్ధ చూపబడింది.
పై విశ్లేషణ ఫలితాల ప్రకారం, పై యాంటెన్నాలలో ఏదీ అధిక లాభం, అద్భుతమైన ఐసోలేషన్, MIMO పనితీరు మరియు వైడ్‌బ్యాండ్ కవరేజీని కలిగి ఉండదు. అందువల్ల, అధిక లాభం మరియు ఐసోలేషన్‌తో 6 GHz కంటే తక్కువ 5G స్పెక్ట్రమ్ ఫ్రీక్వెన్సీల విస్తృత శ్రేణిని కవర్ చేయగల మెటాసర్‌ఫేస్ MIMO యాంటెన్నా అవసరం ఇప్పటికీ ఉంది. పైన పేర్కొన్న సాహిత్యం యొక్క పరిమితులను పరిగణనలోకి తీసుకుంటే, ఉప-6 GHz వైర్‌లెస్ కమ్యూనికేషన్ సిస్టమ్‌ల కోసం అధిక లాభం మరియు అద్భుతమైన వైవిధ్య పనితీరుతో వైడ్‌బ్యాండ్ ఫోర్-ఎలిమెంట్ MIMO యాంటెన్నా సిస్టమ్ ప్రతిపాదించబడింది. అదనంగా, ప్రతిపాదిత MIMO యాంటెన్నా MIMO భాగాలు, చిన్న మూలకాల ఖాళీలు మరియు అధిక రేడియేషన్ సామర్థ్యం మధ్య అద్భుతమైన ఐసోలేషన్‌ను ప్రదర్శిస్తుంది. యాంటెన్నా ప్యాచ్ వికర్ణంగా కత్తిరించబడింది మరియు 12 మిమీ ఎయిర్ గ్యాప్‌తో మెటాసర్‌ఫేస్ పైన ఉంచబడుతుంది, ఇది యాంటెన్నా నుండి వచ్చే రేడియేషన్‌ను ప్రతిబింబిస్తుంది మరియు యాంటెన్నా లాభం మరియు డైరెక్టివిటీని మెరుగుపరుస్తుంది. అదనంగా, ప్రతి యాంటెన్నాను ఒకదానికొకటి ఆర్తోగోనల్‌గా ఉంచడం ద్వారా ఉన్నతమైన MIMO పనితీరుతో నాలుగు-మూలకాల MIMO యాంటెన్నాను రూపొందించడానికి ప్రతిపాదిత సింగిల్ యాంటెన్నా ఉపయోగించబడుతుంది. అభివృద్ధి చెందిన MIMO యాంటెన్నా ఉద్గార పనితీరును మెరుగుపరచడానికి రాగి బ్యాక్‌ప్లేన్‌తో 10 × 10 MS శ్రేణి పైన ఏకీకృతం చేయబడింది. డిజైన్ విస్తృత ఆపరేటింగ్ శ్రేణి (3.08-7.75 GHz), 8.3 dBi యొక్క అధిక లాభం మరియు 82% యొక్క అధిక సగటు మొత్తం సామర్థ్యం, అలాగే MIMO యాంటెన్నా భాగాల మధ్య −15.5 dB కంటే ఎక్కువ అద్భుతమైన ఐసోలేషన్‌ను కలిగి ఉంది. అభివృద్ధి చేయబడిన MS-ఆధారిత MIMO యాంటెన్నా 3D విద్యుదయస్కాంత సాఫ్ట్‌వేర్ ప్యాకేజీ CST స్టూడియో 2019ని ఉపయోగించి అనుకరించబడింది మరియు ప్రయోగాత్మక అధ్యయనాల ద్వారా ధృవీకరించబడింది.
ఈ విభాగం ప్రతిపాదిత ఆర్కిటెక్చర్ మరియు సింగిల్ యాంటెన్నా డిజైన్ మెథడాలజీకి వివరణాత్మక పరిచయాన్ని అందిస్తుంది. అదనంగా, స్కాటరింగ్ పారామితులు, లాభం మరియు మెటాసర్‌ఫేస్‌లతో మరియు లేకుండా మొత్తం సామర్థ్యంతో సహా అనుకరణ మరియు గమనించిన ఫలితాలు వివరంగా చర్చించబడ్డాయి. ప్రోటోటైప్ యాంటెన్నా 2.2 విద్యుద్వాహక స్థిరాంకంతో 1.575mm మందంతో రోజర్స్ 5880 తక్కువ నష్టం విద్యుద్వాహక ఉపరితలంపై అభివృద్ధి చేయబడింది. డిజైన్‌ను అభివృద్ధి చేయడానికి మరియు అనుకరించడానికి, ఎలక్ట్రోమాగ్నెటిక్ సిమ్యులేటర్ ప్యాకేజీ CST స్టూడియో 2019 ఉపయోగించబడింది.
సింగిల్-ఎలిమెంట్ యాంటెన్నా యొక్క ప్రతిపాదిత ఆర్కిటెక్చర్ మరియు డిజైన్ మోడల్‌ను మూర్తి 2 చూపిస్తుంది. బాగా స్థిరపడిన గణిత సమీకరణాల ప్రకారం37, యాంటెన్నాలో సరళంగా ఫీడ్ స్క్వేర్ రేడియేటింగ్ స్పాట్ మరియు రాగి గ్రౌండ్ ప్లేన్ (దశ 1లో వివరించినట్లు) ఉంటాయి మరియు మూర్తి 3bలో చూపిన విధంగా 10.8 GHz వద్ద చాలా ఇరుకైన బ్యాండ్‌విడ్త్‌తో ప్రతిధ్వనిస్తుంది. యాంటెన్నా రేడియేటర్ యొక్క ప్రారంభ పరిమాణం క్రింది గణిత సంబంధం ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది37:
ఎక్కడ \(P_{L}\) మరియు \(P_{w}\) ప్యాచ్ యొక్క పొడవు మరియు వెడల్పు, c కాంతి వేగాన్ని సూచిస్తుంది, \(\gamma_{r}\) అనేది సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం. . , \(\gamma_{ref }\) అనేది రేడియేషన్ స్పాట్ యొక్క ప్రభావవంతమైన విద్యుద్వాహక విలువను సూచిస్తుంది, \(\Delta L\) స్పాట్ పొడవులో మార్పును సూచిస్తుంది. యాంటెన్నా బ్యాక్‌ప్లేన్ రెండవ దశలో ఆప్టిమైజ్ చేయబడింది, 10 dB చాలా తక్కువ ఇంపెడెన్స్ బ్యాండ్‌విడ్త్ ఉన్నప్పటికీ ఇంపెడెన్స్ బ్యాండ్‌విడ్త్‌ను పెంచుతుంది. మూడవ దశలో, ఫీడర్ స్థానం కుడివైపుకి తరలించబడుతుంది, ఇది ప్రతిపాదిత యాంటెన్నా యొక్క ఇంపెడెన్స్ బ్యాండ్‌విడ్త్ మరియు ఇంపెడెన్స్ మ్యాచింగ్‌ను మెరుగుపరుస్తుంది38. ఈ దశలో, యాంటెన్నా 4 GHz యొక్క అద్భుతమైన ఆపరేటింగ్ బ్యాండ్‌విడ్త్‌ను ప్రదర్శిస్తుంది మరియు 5Gలో 6 GHz కంటే తక్కువ స్పెక్ట్రమ్‌ను కూడా కవర్ చేస్తుంది. నాల్గవ మరియు చివరి దశలో రేడియేషన్ స్పాట్ యొక్క వ్యతిరేక మూలల్లో చదరపు పొడవైన కమ్మీలను చెక్కడం ఉంటుంది. ఈ స్లాట్ మూర్తి 3bలో చూపిన విధంగా సబ్-6 GHz 5G స్పెక్ట్రమ్‌ను 3.11 GHz నుండి 7.67 GHzకి కవర్ చేయడానికి 4.56 GHz బ్యాండ్‌విడ్త్‌ను గణనీయంగా విస్తరిస్తుంది. ప్రతిపాదిత డిజైన్ యొక్క ముందు మరియు దిగువ దృక్కోణ వీక్షణలు మూర్తి 3aలో చూపబడ్డాయి మరియు తుది ఆప్టిమైజ్ చేయబడిన అవసరమైన డిజైన్ పారామితులు క్రింది విధంగా ఉన్నాయి: 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.
(ఎ) రూపొందించిన సింగిల్ యాంటెన్నా (CST STUDIO SUITE 2019) యొక్క ఎగువ మరియు వెనుక వీక్షణలు. (బి) S-పారామితి వక్రరేఖ.
మెటాసర్‌ఫేస్ అనేది ఒకదానికొకటి కొంత దూరంలో ఉన్న యూనిట్ కణాల ఆవర్తన శ్రేణిని సూచించే పదం. MIMO భాగాల మధ్య బ్యాండ్‌విడ్త్, లాభం మరియు ఐసోలేషన్‌తో సహా యాంటెన్నా రేడియేషన్ పనితీరును మెరుగుపరచడానికి మెటాసర్‌ఫేస్‌లు ఒక ప్రభావవంతమైన మార్గం. ఉపరితల తరంగ ప్రచారం ప్రభావం కారణంగా, మెటాసర్‌ఫేస్‌లు మెరుగైన యాంటెన్నా పనితీరుకు దోహదపడే అదనపు ప్రతిధ్వనిని ఉత్పత్తి చేస్తాయి. ఈ పని 6 GHz కంటే తక్కువ 5G బ్యాండ్‌లో పనిచేసే ఎప్సిలాన్-నెగటివ్ మెటామెటీరియల్ (MM) యూనిట్‌ను ప్రతిపాదిస్తుంది. 8mm×8mm ఉపరితల వైశాల్యం కలిగిన MM తక్కువ నష్టం రోజర్స్ 5880 సబ్‌స్ట్రేట్‌లో 2.2 విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం మరియు 1.575mm మందంతో అభివృద్ధి చేయబడింది. ఆప్టిమైజ్ చేయబడిన MM రెసొనేటర్ ప్యాచ్ మూర్తి 4aలో చూపిన విధంగా రెండు సవరించిన బాహ్య స్ప్లిట్ రింగ్‌లకు అనుసంధానించబడిన అంతర్గత వృత్తాకార స్ప్లిట్ రింగ్‌ను కలిగి ఉంటుంది. ప్రతిపాదిత MM సెటప్ యొక్క తుది ఆప్టిమైజ్ చేసిన పారామితులను మూర్తి 4a సంగ్రహిస్తుంది. తదనంతరం, 40 × 40 మిమీ మరియు 80 × 80 మిమీ మెటాసర్‌ఫేస్ పొరలు రాగి బ్యాక్‌ప్లేన్ లేకుండా మరియు రాగి బ్యాక్‌ప్లేన్‌తో వరుసగా 5 × 5 మరియు 10 × 10 సెల్ శ్రేణులను ఉపయోగించి అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి. ప్రతిపాదిత MM నిర్మాణం 3D విద్యుదయస్కాంత మోడలింగ్ సాఫ్ట్‌వేర్ “CST స్టూడియో సూట్ 2019”ని ఉపయోగించి రూపొందించబడింది. ప్రతిపాదిత MM శ్రేణి నిర్మాణం మరియు కొలత సెటప్ (డ్యూయల్-పోర్ట్ నెట్‌వర్క్ ఎనలైజర్ PNA మరియు వేవ్‌గైడ్ పోర్ట్) యొక్క కల్పిత నమూనా వాస్తవ ప్రతిస్పందనను విశ్లేషించడం ద్వారా CST అనుకరణ ఫలితాలను ధృవీకరించడానికి మూర్తి 4bలో చూపబడింది. కొలత సెటప్ సిగ్నల్‌లను పంపడానికి మరియు స్వీకరించడానికి రెండు వేవ్‌గైడ్ కోక్సియల్ ఎడాప్టర్‌లతో (A-INFOMW, పార్ట్ నంబర్: 187WCAS) కలిపి ఎజిలెంట్ PNA సిరీస్ నెట్‌వర్క్ ఎనలైజర్‌ను ఉపయోగించింది. రెండు-పోర్ట్ నెట్‌వర్క్ ఎనలైజర్ (ఎజిలెంట్ PNA N5227A)కి ఏకాక్షక కేబుల్ ద్వారా అనుసంధానించబడిన రెండు వేవ్‌గైడ్ కోక్సియల్ ఎడాప్టర్‌ల మధ్య ఒక నమూనా 5×5 శ్రేణి ఉంచబడింది. పైలట్ ప్లాంట్‌లో నెట్‌వర్క్ ఎనలైజర్‌ను క్రమాంకనం చేయడానికి ఎజిలెంట్ N4694-60001 కాలిబ్రేషన్ కిట్ ఉపయోగించబడుతుంది. ప్రతిపాదిత ప్రోటోటైప్ MM శ్రేణి యొక్క అనుకరణ మరియు CST గమనించిన స్కాటరింగ్ పారామితులు మూర్తి 5aలో చూపబడ్డాయి. ప్రతిపాదిత MM నిర్మాణం 6 GHz కంటే తక్కువ 5G ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో ప్రతిధ్వనిస్తుందని చూడవచ్చు. 10 dB బ్యాండ్‌విడ్త్‌లో చిన్న వ్యత్యాసం ఉన్నప్పటికీ, అనుకరణ మరియు ప్రయోగాత్మక ఫలితాలు చాలా పోలి ఉంటాయి. గమనించిన ప్రతిధ్వని యొక్క ప్రతిధ్వని ఫ్రీక్వెన్సీ, బ్యాండ్‌విడ్త్ మరియు వ్యాప్తి మూర్తి 5aలో చూపిన విధంగా అనుకరణ చేసిన వాటి నుండి కొద్దిగా భిన్నంగా ఉంటాయి. గమనించిన మరియు అనుకరణ ఫలితాల మధ్య ఈ వ్యత్యాసాలు తయారీ లోపాలు, ప్రోటోటైప్ మరియు వేవ్‌గైడ్ పోర్ట్‌ల మధ్య చిన్న క్లియరెన్స్‌లు, వేవ్‌గైడ్ పోర్ట్‌లు మరియు అర్రే కాంపోనెంట్‌ల మధ్య కలపడం ప్రభావాలు మరియు కొలత టాలరెన్స్‌ల కారణంగా ఉన్నాయి. అదనంగా, ప్రయోగాత్మక సెటప్‌లో వేవ్‌గైడ్ పోర్ట్‌ల మధ్య అభివృద్ధి చెందిన ప్రోటోటైప్ యొక్క సరైన ప్లేస్‌మెంట్ ప్రతిధ్వని మార్పుకు దారితీయవచ్చు. అదనంగా, అమరిక దశలో అవాంఛిత శబ్దం గమనించబడింది, ఇది సంఖ్యా మరియు కొలిచిన ఫలితాల మధ్య వ్యత్యాసాలకు దారితీసింది. అయితే, ఈ ఇబ్బందులు కాకుండా, ప్రతిపాదిత MM అర్రే ప్రోటోటైప్ అనుకరణ మరియు ప్రయోగాల మధ్య బలమైన సహసంబంధం కారణంగా బాగా పని చేస్తుంది, ఇది ఉప-6 GHz 5G వైర్‌లెస్ కమ్యూనికేషన్ అప్లికేషన్‌లకు బాగా సరిపోతుంది.
(a) యూనిట్ సెల్ జ్యామితి (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 కొలిచే సెటప్ ఫోటో.
(ఎ) మెటామెటీరియల్ ప్రోటోటైప్ యొక్క స్కాటరింగ్ పరామితి వక్రరేఖల అనుకరణ మరియు ధృవీకరణ. (బి) MM యూనిట్ సెల్ యొక్క విద్యుద్వాహక స్థిరమైన వక్రత.
MM యూనిట్ సెల్ యొక్క ప్రవర్తనను మరింత విశ్లేషించడానికి CST విద్యుదయస్కాంత సిమ్యులేటర్ యొక్క అంతర్నిర్మిత పోస్ట్-ప్రాసెసింగ్ పద్ధతులను ఉపయోగించి సమర్థవంతమైన విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం, అయస్కాంత పారగమ్యత మరియు వక్రీభవన సూచిక వంటి సంబంధిత ప్రభావవంతమైన పారామితులు అధ్యయనం చేయబడ్డాయి. ప్రభావవంతమైన MM పారామితులు ఒక బలమైన పునర్నిర్మాణ పద్ధతిని ఉపయోగించి స్కాటరింగ్ పారామితుల నుండి పొందబడతాయి. కింది ట్రాన్స్‌మిటెన్స్ మరియు రిఫ్లెక్షన్ కోఎఫీషియంట్ సమీకరణాలు: (3) మరియు (4) రిఫ్రాక్టివ్ ఇండెక్స్ మరియు ఇంపెడెన్స్‌ను నిర్ణయించడానికి ఉపయోగించవచ్చు (40 చూడండి).
ఆపరేటర్ యొక్క వాస్తవ మరియు ఊహాత్మక భాగాలు వరుసగా (.)' మరియు (.)” ద్వారా సూచించబడతాయి మరియు పూర్ణాంక విలువ m వాస్తవ వక్రీభవన సూచికకు అనుగుణంగా ఉంటుంది. విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం మరియు పారగమ్యత సూత్రాలు \(\varepsilon { } = {}n/z,\) మరియు \(\mu = nz\) ద్వారా నిర్ణయించబడతాయి, ఇవి వరుసగా ఇంపెడెన్స్ మరియు రిఫ్రాక్టివ్ ఇండెక్స్ ఆధారంగా ఉంటాయి. MM నిర్మాణం యొక్క ప్రభావవంతమైన విద్యుద్వాహక స్థిరమైన వక్రత మూర్తి 5bలో చూపబడింది. ప్రతిధ్వని ఫ్రీక్వెన్సీ వద్ద, ప్రభావవంతమైన విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం ప్రతికూలంగా ఉంటుంది. గణాంకాలు 6a,b ప్రతిపాదిత యూనిట్ సెల్ యొక్క ప్రభావవంతమైన పారగమ్యత (μ) మరియు ప్రభావవంతమైన వక్రీభవన సూచిక (n) యొక్క సంగ్రహించబడిన విలువలను చూపుతాయి. ముఖ్యంగా, సంగ్రహించబడిన పారగమ్యతలు సున్నాకి దగ్గరగా సానుకూల వాస్తవ విలువలను ప్రదర్శిస్తాయి, ఇది ప్రతిపాదిత MM నిర్మాణం యొక్క ఎప్సిలాన్-నెగటివ్ (ENG) లక్షణాలను నిర్ధారిస్తుంది. అంతేకాకుండా, మూర్తి 6aలో చూపినట్లుగా, సున్నాకి దగ్గరగా ఉన్న పారగమ్యత వద్ద ప్రతిధ్వని ప్రతిధ్వని పౌనఃపున్యంతో బలంగా సంబంధం కలిగి ఉంటుంది. అభివృద్ధి చెందిన యూనిట్ సెల్ ప్రతికూల వక్రీభవన సూచిక (Fig. 6b) కలిగి ఉంది, అంటే ప్రతిపాదిత MM యాంటెన్నా పనితీరును మెరుగుపరచడానికి 21,41 ఉపయోగించవచ్చు.
ప్రతిపాదిత డిజైన్‌ను ప్రయోగాత్మకంగా పరీక్షించడానికి ఒకే బ్రాడ్‌బ్యాండ్ యాంటెన్నా అభివృద్ధి చెందిన నమూనా రూపొందించబడింది. బొమ్మలు 7a,b ప్రతిపాదిత ప్రోటోటైప్ సింగిల్ యాంటెన్నా, దాని నిర్మాణ భాగాలు మరియు సమీప-క్షేత్ర కొలత సెటప్ (SATIMO) చిత్రాలను చూపుతాయి. యాంటెన్నా పనితీరును మెరుగుపరచడానికి, అభివృద్ధి చెందిన మెటాసర్‌ఫేస్ మూర్తి 8aలో చూపిన విధంగా, ఎత్తు hతో యాంటెన్నా కింద పొరలలో ఉంచబడుతుంది. సింగిల్ యాంటెన్నా వెనుక భాగంలో 12mm వ్యవధిలో ఒకే 40mm x 40mm డబుల్-లేయర్ మెటాసర్‌ఫేస్ వర్తించబడింది. అదనంగా, బ్యాక్‌ప్లేన్‌తో కూడిన మెటాసర్‌ఫేస్ 12 మిమీ దూరంలో సింగిల్ యాంటెన్నా వెనుక వైపున ఉంచబడుతుంది. మెటాసర్‌ఫేస్‌ను వర్తింపజేసిన తర్వాత, ఫిగర్స్ 1 మరియు 2లో చూపిన విధంగా సింగిల్ యాంటెన్నా పనితీరులో గణనీయమైన మెరుగుదలను చూపుతుంది. గణాంకాలు 8 మరియు 9. మెటాసర్‌ఫేస్‌లు లేకుండా మరియు వాటితో ఒకే యాంటెన్నా కోసం అనుకరణ మరియు కొలిచిన ప్రతిబింబ ప్లాట్‌లను మూర్తి 8b చూపుతుంది. మెటాసర్‌ఫేస్‌తో కూడిన యాంటెన్నా యొక్క కవరేజ్ బ్యాండ్ మెటాసర్‌ఫేస్ లేని యాంటెన్నా యొక్క కవరేజ్ బ్యాండ్‌తో చాలా పోలి ఉంటుందని గమనించాలి. గణాంకాలు 9a,b ఆపరేటింగ్ స్పెక్ట్రమ్‌లో MS లేకుండా మరియు దానితో అనుకరణ మరియు గమనించిన సింగిల్ యాంటెన్నా లాభం మరియు మొత్తం సామర్థ్యం యొక్క పోలికను చూపుతాయి. నాన్-మెటాసర్‌ఫేస్ యాంటెన్నాతో పోలిస్తే, మెటాసర్‌ఫేస్ యాంటెన్నా యొక్క లాభం గణనీయంగా మెరుగుపడి, 5.15 dBi నుండి 8 dBiకి పెరుగుతోందని చూడవచ్చు. బ్యాక్‌ప్లేన్ మెటాసర్‌ఫేస్‌తో సింగిల్-లేయర్ మెటాసర్‌ఫేస్, డ్యూయల్-లేయర్ మెటాసర్‌ఫేస్ మరియు సింగిల్ యాంటెన్నా యొక్క లాభం వరుసగా 6 dBi, 6.9 dBi మరియు 8 dBi పెరిగింది. ఇతర మెటాసర్‌ఫేస్‌లతో (సింగిల్-లేయర్ మరియు డబుల్-లేయర్ MCలు) పోల్చితే, రాగి బ్యాక్‌ప్లేన్‌తో ఒకే మెటాసర్‌ఫేస్ యాంటెన్నా యొక్క లాభం 8 dBi వరకు ఉంటుంది. ఈ సందర్భంలో, మెటాసర్‌ఫేస్ రిఫ్లెక్టర్‌గా పనిచేస్తుంది, యాంటెన్నా వెనుక రేడియేషన్‌ను తగ్గిస్తుంది మరియు విద్యుదయస్కాంత తరంగాలను దశలవారీగా తారుమారు చేస్తుంది, తద్వారా యాంటెన్నా యొక్క రేడియేషన్ సామర్థ్యాన్ని పెంచుతుంది మరియు తద్వారా లాభం పెరుగుతుంది. మెటాసర్‌ఫేస్‌లు లేకుండా మరియు లేకుండా ఒకే యాంటెన్నా యొక్క మొత్తం సామర్థ్యంపై అధ్యయనం మూర్తి 9bలో చూపబడింది. మెటాసర్‌ఫేస్‌తో మరియు లేకుండా యాంటెన్నా యొక్క సామర్థ్యం దాదాపు ఒకే విధంగా ఉంటుందని గమనించాలి. తక్కువ ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో, యాంటెన్నా సామర్థ్యం కొద్దిగా తగ్గుతుంది. ప్రయోగాత్మక మరియు అనుకరణ లాభం మరియు సమర్థత వక్రతలు మంచి ఒప్పందంలో ఉన్నాయి. అయినప్పటికీ, తయారీ లోపాలు, కొలత సహనం, SMA పోర్ట్ కనెక్షన్ నష్టం మరియు వైర్ నష్టం కారణంగా అనుకరణ మరియు పరీక్షించిన ఫలితాల మధ్య స్వల్ప వ్యత్యాసాలు ఉన్నాయి. అదనంగా, యాంటెన్నా మరియు MS రిఫ్లెక్టర్ నైలాన్ స్పేసర్ల మధ్య ఉన్నాయి, ఇది అనుకరణ ఫలితాలతో పోలిస్తే గమనించిన ఫలితాలను ప్రభావితం చేసే మరొక సమస్య.
ఫిగర్ (ఎ) పూర్తయిన సింగిల్ యాంటెన్నా మరియు దాని అనుబంధ భాగాలను చూపుతుంది. (బి) నియర్-ఫీల్డ్ కొలత సెటప్ (SATIMO).
(ఎ) మెటాసర్‌ఫేస్ రిఫ్లెక్టర్‌లను ఉపయోగించి యాంటెన్నా ఉత్తేజితం (CST STUDIO SUITE 2019). (బి) MS లేకుండా మరియు లేకుండా ఒకే యాంటెన్నా యొక్క అనుకరణ మరియు ప్రయోగాత్మక ప్రతిబింబాలు.
(ఎ) సాధించిన లాభం మరియు (బి) ప్రతిపాదిత మెటాసర్‌ఫేస్ ఎఫెక్ట్ యాంటెన్నా యొక్క మొత్తం సామర్థ్యం యొక్క అనుకరణ మరియు కొలత ఫలితాలు.
MS ఉపయోగించి బీమ్ నమూనా విశ్లేషణ. UKM SATIMO నియర్-ఫీల్డ్ సిస్టమ్స్ లాబొరేటరీ యొక్క SATIMO నియర్-ఫీల్డ్ ఎక్స్‌పెరిమెంటల్ ఎన్విరాన్‌మెంట్‌లో సింగిల్-యాంటెన్నా సమీప-క్షేత్ర కొలతలు నిర్వహించబడ్డాయి. MSతో మరియు లేకుండా ప్రతిపాదిత సింగిల్ యాంటెన్నా కోసం 5.5 GHz వద్ద అనుకరణ మరియు గమనించిన E-ప్లేన్ మరియు H-ప్లేన్ రేడియేషన్ నమూనాలను గణాంకాలు 10a, b చూపుతాయి. అభివృద్ధి చెందిన సింగిల్ యాంటెన్నా (MS లేకుండా) సైడ్ లోబ్ విలువలతో స్థిరమైన ద్వి దిశాత్మక రేడియేషన్ నమూనాను అందిస్తుంది. ప్రతిపాదిత MS రిఫ్లెక్టర్‌ను వర్తింపజేసిన తర్వాత, యాంటెన్నా ఏకదిశాత్మక రేడియేషన్ నమూనాను అందిస్తుంది మరియు గణాంకాలు 10a, bలో చూపిన విధంగా వెనుక లోబ్‌ల స్థాయిని తగ్గిస్తుంది. ప్రతిపాదిత సింగిల్ యాంటెన్నా రేడియేషన్ నమూనా రాగి బ్యాక్‌ప్లేన్‌తో మెటాసర్‌ఫేస్‌ను ఉపయోగిస్తున్నప్పుడు చాలా తక్కువ వెనుక మరియు సైడ్ లోబ్‌లతో మరింత స్థిరంగా మరియు ఏకదిశగా ఉంటుందని గమనించాలి. ప్రతిపాదిత MM శ్రేణి రిఫ్లెక్టర్ యాంటెన్నా యొక్క వెనుక మరియు సైడ్ లోబ్‌లను తగ్గిస్తుంది, అయితే కరెంట్‌ను ఏకదిశాత్మక దిశలలో (Fig. 10a, b) నిర్దేశించడం ద్వారా రేడియేషన్ పనితీరును మెరుగుపరుస్తుంది, తద్వారా లాభం మరియు నిర్దేశకతను పెంచుతుంది. ప్రయోగాత్మక రేడియేషన్ నమూనా దాదాపు CST అనుకరణలతో పోల్చదగినదని గమనించబడింది, అయితే వివిధ అసెంబుల్డ్ కాంపోనెంట్‌ల తప్పుగా అమర్చడం, కొలత సహనం మరియు కేబులింగ్ నష్టాల కారణంగా కొద్దిగా మారుతూ ఉంటుంది. అదనంగా, యాంటెన్నా మరియు MS రిఫ్లెక్టర్ మధ్య నైలాన్ స్పేసర్ చొప్పించబడింది, ఇది సంఖ్యా ఫలితాలతో పోలిస్తే గమనించిన ఫలితాలను ప్రభావితం చేసే మరొక సమస్య.
5.5 GHz పౌనఃపున్యం వద్ద అభివృద్ధి చేయబడిన సింగిల్ యాంటెన్నా (MS లేకుండా మరియు MSతో) యొక్క రేడియేషన్ నమూనా అనుకరించబడింది మరియు పరీక్షించబడింది.
ప్రతిపాదిత MIMO యాంటెన్నా జ్యామితి మూర్తి 11లో చూపబడింది మరియు నాలుగు సింగిల్ యాంటెన్నాలను కలిగి ఉంటుంది. MIMO యాంటెన్నాలోని నాలుగు భాగాలు మూర్తి 11లో చూపిన విధంగా 80 × 80 × 1.575 mm కొలతలు కలిగిన ఉపరితలంపై ఒకదానికొకటి ఆర్తోగోనల్‌గా అమర్చబడి ఉంటాయి. రూపొందించబడిన MIMO యాంటెన్నా అంతర్-మూలక దూరం 22 mm, ఇది కంటే చిన్నది యాంటెన్నా యొక్క సమీప సంబంధిత అంతర్-మూలకం దూరం. MIMO యాంటెన్నా అభివృద్ధి చేయబడింది. అదనంగా, గ్రౌండ్ ప్లేన్ యొక్క భాగం ఒకే యాంటెన్నా వలె అదే విధంగా ఉంది. మూర్తి 12aలో చూపబడిన MIMO యాంటెన్నాల (S11, S22, S33 మరియు S44) యొక్క ప్రతిబింబ విలువలు 3.2–7.6 GHz బ్యాండ్‌లో ప్రతిధ్వనించే ఒకే-మూలకం యాంటెన్నా వలె అదే ప్రవర్తనను ప్రదర్శిస్తాయి. అందువల్ల, MIMO యాంటెన్నా యొక్క ఇంపెడెన్స్ బ్యాండ్‌విడ్త్ ఒకే యాంటెన్నాతో సమానంగా ఉంటుంది. MIMO భాగాల మధ్య కలపడం ప్రభావం MIMO యాంటెన్నాల చిన్న బ్యాండ్‌విడ్త్ నష్టానికి ప్రధాన కారణం. ఫిగర్ 12b MIMO భాగాలపై ఇంటర్‌కనెక్షన్ ప్రభావాన్ని చూపుతుంది, ఇక్కడ MIMO భాగాల మధ్య సరైన ఐసోలేషన్ నిర్ణయించబడుతుంది. యాంటెన్నాలు 1 మరియు 2 మధ్య ఐసోలేషన్ అత్యల్పంగా -13.6 dB, మరియు యాంటెన్నాలు 1 మరియు 4 మధ్య ఐసోలేషన్ అత్యధికంగా -30.4 dB. దాని చిన్న పరిమాణం మరియు విస్తృత బ్యాండ్‌విడ్త్ కారణంగా, ఈ MIMO యాంటెన్నా తక్కువ లాభం మరియు తక్కువ నిర్గమాంశను కలిగి ఉంది. ఇన్సులేషన్ తక్కువగా ఉంటుంది, కాబట్టి పెరిగిన ఉపబల మరియు ఇన్సులేషన్ అవసరం;
ప్రతిపాదిత MIMO యాంటెన్నా (a) టాప్ వ్యూ మరియు (b) గ్రౌండ్ ప్లేన్ డిజైన్ మెకానిజం. (CST స్టూడియో సూట్ 2019).
ప్రతిపాదిత మెటాసర్‌ఫేస్ MIMO యాంటెన్నా యొక్క రేఖాగణిత అమరిక మరియు ఉత్తేజిత పద్ధతి మూర్తి 13aలో చూపబడింది. 80x80x1.575mm కొలతలు కలిగిన 10x10mm మాతృక మూర్తి 13aలో చూపిన విధంగా, 12mm అధిక MIMO యాంటెన్నా వెనుక వైపు కోసం రూపొందించబడింది. అదనంగా, రాగి బ్యాక్‌ప్లేన్‌లతో కూడిన మెటాసర్‌ఫేస్‌లు వాటి పనితీరును మెరుగుపరచడానికి MIMO యాంటెన్నాలలో ఉపయోగించడానికి ఉద్దేశించబడ్డాయి. యాంటెన్నా ద్వారా ఉత్పన్నమయ్యే తరంగాలు మరియు మెటాసర్‌ఫేస్ నుండి ప్రతిబింబించే వాటి మధ్య నిర్మాణాత్మక జోక్యాన్ని అనుమతించేటప్పుడు అధిక లాభం సాధించడానికి మెటాసర్‌ఫేస్ మరియు MIMO యాంటెన్నా మధ్య దూరం కీలకం. MIMO మూలకాల మధ్య గరిష్ట లాభం మరియు ఐసోలేషన్ కోసం క్వార్టర్-వేవ్ ప్రమాణాలను కొనసాగిస్తూనే యాంటెన్నా మరియు మెటాసర్‌ఫేస్ మధ్య ఎత్తును ఆప్టిమైజ్ చేయడానికి విస్తృతమైన మోడలింగ్ ప్రదర్శించబడింది. బ్యాక్‌ప్లేన్‌లు లేని మెటాసర్‌ఫేస్‌లతో పోలిస్తే బ్యాక్‌ప్లేన్‌లతో మెటాసర్‌ఫేస్‌లను ఉపయోగించడం ద్వారా సాధించిన MIMO యాంటెన్నా పనితీరులో గణనీయమైన మెరుగుదలలు తదుపరి అధ్యాయాలలో ప్రదర్శించబడతాయి.
(ఎ) MS (CST STUDIO SUITE 2019)ని ఉపయోగించి ప్రతిపాదిత MIMO యాంటెన్నా యొక్క CST అనుకరణ సెటప్, (b) MS లేకుండా మరియు MSతో అభివృద్ధి చేయబడిన MIMO సిస్టమ్ యొక్క ప్రతిబింబ వక్రతలు.
మెటాసర్‌ఫేస్‌లతో మరియు లేకుండా MIMO యాంటెన్నాల ప్రతిబింబాలు మూర్తి 13bలో చూపబడ్డాయి, ఇక్కడ MIMO సిస్టమ్‌లోని అన్ని యాంటెన్నాల యొక్క దాదాపు ఒకే విధమైన ప్రవర్తన కారణంగా S11 మరియు S44 ప్రదర్శించబడతాయి. MIMO యాంటెన్నా యొక్క -10 dB ఇంపెడెన్స్ బ్యాండ్‌విడ్త్ లేకుండా మరియు ఒకే మెటాసర్‌ఫేస్‌తో దాదాపు ఒకే విధంగా ఉండటం గమనించదగ్గ విషయం. దీనికి విరుద్ధంగా, ప్రతిపాదిత MIMO యాంటెన్నా యొక్క ఇంపెడెన్స్ బ్యాండ్‌విడ్త్ డ్యూయల్-లేయర్ MS మరియు బ్యాక్‌ప్లేన్ MS ద్వారా మెరుగుపరచబడింది. MS లేకుండా, MIMO యాంటెన్నా సెంటర్ ఫ్రీక్వెన్సీకి సంబంధించి 81.5% (3.2-7.6 GHz) పాక్షిక బ్యాండ్‌విడ్త్‌ను అందిస్తుంది. బ్యాక్‌ప్లేన్‌తో MSను ఏకీకృతం చేయడం వలన ప్రతిపాదిత MIMO యాంటెన్నా యొక్క ఇంపెడెన్స్ బ్యాండ్‌విడ్త్ 86.3% (3.08–7.75 GHz)కి పెరుగుతుంది. ద్వంద్వ-పొర MS నిర్గమాంశను పెంచినప్పటికీ, మెరుగుదల రాగి బ్యాక్‌ప్లేన్‌తో MS కంటే తక్కువగా ఉంటుంది. అంతేకాకుండా, డ్యూయల్-లేయర్ MC యాంటెన్నా యొక్క పరిమాణాన్ని పెంచుతుంది, దాని ధరను పెంచుతుంది మరియు దాని పరిధిని పరిమితం చేస్తుంది. రూపొందించబడిన MIMO యాంటెన్నా మరియు మెటాసర్‌ఫేస్ రిఫ్లెక్టర్ అనుకరణ ఫలితాలను ధృవీకరించడానికి మరియు వాస్తవ పనితీరును అంచనా వేయడానికి రూపొందించబడ్డాయి మరియు ధృవీకరించబడ్డాయి. మూర్తి 14a రూపొందించిన MS లేయర్ మరియు MIMO యాంటెన్నాను వివిధ భాగాలతో కలిపి చూపుతుంది, అయితే మూర్తి 14b అభివృద్ధి చెందిన MIMO సిస్టమ్ యొక్క ఛాయాచిత్రాన్ని చూపుతుంది. MIMO యాంటెన్నా మూర్తి 14bలో చూపిన విధంగా నాలుగు నైలాన్ స్పేసర్‌లను ఉపయోగించి మెటాసర్‌ఫేస్ పైన అమర్చబడింది. అభివృద్ధి చేయబడిన MIMO యాంటెన్నా సిస్టమ్ యొక్క సమీప-క్షేత్ర ప్రయోగాత్మక సెటప్ యొక్క స్నాప్‌షాట్‌ను మూర్తి 15a చూపిస్తుంది. ఒక PNA నెట్‌వర్క్ ఎనలైజర్ (ఎజిలెంట్ టెక్నాలజీస్ PNA N5227A) స్కాటరింగ్ పారామితులను అంచనా వేయడానికి మరియు UKM SATIMO నియర్-ఫీల్డ్ సిస్టమ్స్ లాబొరేటరీలో సమీప-ఫీల్డ్ ఉద్గార లక్షణాలను అంచనా వేయడానికి మరియు వర్గీకరించడానికి ఉపయోగించబడింది.
(a) SATIMO సమీప-క్షేత్ర కొలతల ఫోటోలు (b) MSతో మరియు లేకుండా S11 MIMO యాంటెన్నా యొక్క అనుకరణ మరియు ప్రయోగాత్మక వక్రతలు.
ఈ విభాగం ప్రతిపాదిత 5G MIMO యాంటెన్నా యొక్క అనుకరణ మరియు గమనించిన S-పారామితుల యొక్క తులనాత్మక అధ్యయనాన్ని అందిస్తుంది. మూర్తి 15b ఇంటిగ్రేటెడ్ 4-ఎలిమెంట్ MIMO MS యాంటెన్నా యొక్క ప్రయోగాత్మక ప్రతిబింబ ప్లాట్‌ను చూపుతుంది మరియు దానిని CST అనుకరణ ఫలితాలతో పోలుస్తుంది. ప్రయోగాత్మక ప్రతిబింబాలు CST గణనల మాదిరిగానే ఉన్నట్లు కనుగొనబడింది, కానీ తయారీ లోపాలు మరియు ప్రయోగాత్మక సహనం కారణంగా కొద్దిగా భిన్నంగా ఉన్నాయి. అదనంగా, ప్రతిపాదిత MS-ఆధారిత MIMO ప్రోటోటైప్ యొక్క గమనించిన ప్రతిబింబం 6 GHz కంటే తక్కువ 5G స్పెక్ట్రమ్‌ను 4.8 GHz ఇంపెడెన్స్ బ్యాండ్‌విడ్త్‌తో కవర్ చేస్తుంది, అంటే 5G అప్లికేషన్‌లు సాధ్యమే. అయినప్పటికీ, కొలిచిన ప్రతిధ్వని ఫ్రీక్వెన్సీ, బ్యాండ్‌విడ్త్ మరియు వ్యాప్తి CST అనుకరణ ఫలితాల నుండి కొద్దిగా భిన్నంగా ఉంటాయి. తయారీ లోపాలు, కోక్స్-టు-SMA కలపడం నష్టాలు మరియు బాహ్య కొలత సెటప్‌లు కొలవబడిన మరియు అనుకరణ ఫలితాల మధ్య వ్యత్యాసాలను కలిగిస్తాయి. అయినప్పటికీ, ఈ లోపాలు ఉన్నప్పటికీ, ప్రతిపాదిత MIMO బాగా పని చేస్తుంది, అనుకరణలు మరియు కొలతల మధ్య బలమైన ఒప్పందాన్ని అందిస్తుంది, ఇది ఉప-6 GHz 5G వైర్‌లెస్ అప్లికేషన్‌లకు బాగా సరిపోతుంది.
అనుకరణ మరియు గమనించిన MIMO యాంటెన్నా లాభం వక్రతలు గణాంకాలు 2 మరియు 2లో చూపబడ్డాయి. గణాంకాలు 16a,b మరియు 17a,bలో చూపిన విధంగా వరుసగా, MIMO భాగాల పరస్పర పరస్పర చర్య చూపబడింది. MIMO యాంటెన్నాలకు మెటాసర్‌ఫేస్‌లు వర్తించినప్పుడు, MIMO యాంటెన్నాల మధ్య ఐసోలేషన్ గణనీయంగా మెరుగుపడుతుంది. ప్రక్కనే ఉన్న యాంటెన్నా మూలకాల S12, S14, S23 మరియు S34 మధ్య ఉన్న ఐసోలేషన్ ప్లాట్లు ఒకే విధమైన వక్రతలను చూపుతాయి, అయితే వికర్ణ MIMO యాంటెన్నాలు S13 మరియు S42 వాటి మధ్య ఎక్కువ దూరం కారణంగా అదే విధంగా అధిక ఐసోలేషన్‌ను చూపుతాయి. ప్రక్కనే ఉన్న యాంటెన్నాల అనుకరణ ప్రసార లక్షణాలు మూర్తి 16aలో చూపబడ్డాయి. 6 GHz కంటే తక్కువ ఉన్న 5G ఆపరేటింగ్ స్పెక్ట్రమ్‌లో, మెటాసర్‌ఫేస్ లేకుండా MIMO యాంటెన్నా యొక్క కనీస ఐసోలేషన్ -13.6 dB మరియు బ్యాక్‌ప్లేన్‌తో కూడిన మెటాసర్‌ఫేస్ కోసం - 15.5 dB. సింగిల్- మరియు డబుల్-లేయర్ మెటాసర్‌ఫేస్‌లతో పోలిస్తే బ్యాక్‌ప్లేన్ మెటాసర్‌ఫేస్ MIMO యాంటెన్నా మూలకాల మధ్య ఐసోలేషన్‌ను గణనీయంగా మెరుగుపరుస్తుందని గెయిన్ ప్లాట్ (మూర్తి 16a) చూపిస్తుంది. ప్రక్కనే ఉన్న యాంటెన్నా మూలకాలపై, సింగిల్- మరియు డబుల్-లేయర్ మెటాసర్‌ఫేస్‌లు సుమారుగా -13.68 dB మరియు -14.78 dB యొక్క కనీస ఐసోలేషన్‌ను అందిస్తాయి మరియు కాపర్ బ్యాక్‌ప్లేన్ మెటాసర్‌ఫేస్ సుమారుగా -15.5 dBని అందిస్తుంది.
MS లేయర్ లేకుండా మరియు MS లేయర్‌తో కూడిన MIMO మూలకాల యొక్క అనుకరణ ఐసోలేషన్ వక్రతలు: (a) S12, S14, S34 మరియు S32 మరియు (b) S13 మరియు S24.
ప్రతిపాదిత MS-ఆధారిత MIMO యాంటెన్నాల యొక్క ప్రయోగాత్మక లాభ వక్రతలు లేకుండా మరియు వాటితో: (a) S12, S14, S34 మరియు S32 మరియు (b) S13 మరియు S24.
MS లేయర్‌ను జోడించే ముందు మరియు తర్వాత MIMO వికర్ణ యాంటెన్నా లాభం ప్లాట్లు మూర్తి 16bలో చూపబడ్డాయి. మెటాసర్‌ఫేస్ (యాంటెన్నాలు 1 మరియు 3) లేని వికర్ణ యాంటెన్నాల మధ్య కనీస ఐసోలేషన్ - ఆపరేటింగ్ స్పెక్ట్రం అంతటా 15.6 dB మరియు బ్యాక్‌ప్లేన్‌తో మెటాసర్‌ఫేస్ - 18 dB. మెటాసర్‌ఫేస్ విధానం వికర్ణ MIMO యాంటెన్నాల మధ్య కలపడం ప్రభావాలను గణనీయంగా తగ్గిస్తుంది. సింగిల్-లేయర్ మెటాసర్‌ఫేస్‌కు గరిష్ట ఇన్సులేషన్ -37 డిబి, డబుల్ లేయర్ మెటాసర్‌ఫేస్ కోసం ఈ విలువ -47 డిబికి పడిపోతుంది. రాగి బ్యాక్‌ప్లేన్‌తో మెటాసర్‌ఫేస్ యొక్క గరిష్ట ఐసోలేషన్ −36.2 dB, ఇది పెరుగుతున్న ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధితో తగ్గుతుంది. బ్యాక్‌ప్లేన్ లేకుండా సింగిల్- మరియు డబుల్-లేయర్ మెటాసర్‌ఫేస్‌లతో పోలిస్తే, బ్యాక్‌ప్లేన్‌తో ఉన్న మెటాసర్‌ఫేస్‌లు మొత్తం అవసరమైన ఆపరేటింగ్ ఫ్రీక్వెన్సీ శ్రేణిలో అత్యుత్తమ ఐసోలేషన్‌ను అందిస్తాయి, ప్రత్యేకించి 6 GHz కంటే తక్కువ 5G పరిధిలో, గణాంకాలు 16a, bలో చూపిన విధంగా. 6 GHz (3.5 GHz) కంటే తక్కువ జనాదరణ పొందిన మరియు విస్తృతంగా ఉపయోగించే 5G బ్యాండ్‌లో, సింగిల్- మరియు డ్యూయల్-లేయర్ మెటాసర్‌ఫేస్‌లు రాగి బ్యాక్‌ప్లేన్‌లతో మెటాసర్‌ఫేస్‌ల కంటే MIMO భాగాల మధ్య తక్కువ ఐసోలేషన్‌ను కలిగి ఉంటాయి (దాదాపు MS లేవు) (మూర్తి 16a చూడండి), b) . లాభం కొలతలు వరుసగా ప్రక్కనే ఉన్న యాంటెన్నాలు (S12, S14, S34 మరియు S32) మరియు వికర్ణ యాంటెన్నాలు (S24 మరియు S13) యొక్క ఐసోలేషన్‌ను చూపుతూ గణాంకాలు 17a, bలో చూపబడ్డాయి. ఈ బొమ్మల నుండి చూడవచ్చు (Fig. 17a, b), MIMO భాగాల మధ్య ప్రయోగాత్మక ఐసోలేషన్ అనుకరణ ఐసోలేషన్‌తో బాగా అంగీకరిస్తుంది. తయారీ లోపాలు, SMA పోర్ట్ కనెక్షన్లు మరియు వైర్ నష్టాల కారణంగా అనుకరణ మరియు కొలిచిన CST విలువల మధ్య చిన్న తేడాలు ఉన్నప్పటికీ. అదనంగా, యాంటెన్నా మరియు MS రిఫ్లెక్టర్ నైలాన్ స్పేసర్ల మధ్య ఉన్నాయి, ఇది అనుకరణ ఫలితాలతో పోలిస్తే గమనించిన ఫలితాలను ప్రభావితం చేసే మరొక సమస్య.
ఉపరితల తరంగ అణిచివేత ద్వారా పరస్పర కలయికను తగ్గించడంలో మెటాసర్‌ఫేస్‌ల పాత్రను హేతుబద్ధీకరించడానికి 5.5 GHz వద్ద ఉపరితల కరెంట్ పంపిణీని అధ్యయనం చేసింది. ప్రతిపాదిత MIMO యాంటెన్నా యొక్క ఉపరితల ప్రస్తుత పంపిణీ మూర్తి 18లో చూపబడింది, ఇక్కడ యాంటెన్నా 1 నడపబడుతుంది మరియు మిగిలిన యాంటెన్నా 50 ఓం లోడ్‌తో ముగించబడుతుంది. యాంటెన్నా 1 శక్తివంతం అయినప్పుడు, మూర్తి 18aలో చూపిన విధంగా, మెటాసర్‌ఫేస్ లేనప్పుడు 5.5 GHz వద్ద ప్రక్కనే ఉన్న యాంటెన్నాల వద్ద ముఖ్యమైన మ్యూచువల్ కప్లింగ్ కరెంట్‌లు కనిపిస్తాయి. దీనికి విరుద్ధంగా, మెటాసర్‌ఫేస్‌లను ఉపయోగించడం ద్వారా, అంజీర్ 18b-dలో చూపిన విధంగా, ప్రక్కనే ఉన్న యాంటెన్నాల మధ్య ఐసోలేషన్ మెరుగుపరచబడుతుంది. ప్రక్కనే ఉన్న ఫీల్డ్‌ల పరస్పర కలపడం యొక్క ప్రభావాన్ని యూనిట్ కణాల ప్రక్కనే ఉన్న వలయాలకు మరియు MS పొరతో పాటు ప్రక్కనే ఉన్న MS యూనిట్ కణాలకు వ్యతిరేక సమాంతర దిశలలో కలపడం ద్వారా కప్లింగ్ కరెంట్‌ను ప్రచారం చేయడం ద్వారా తగ్గించవచ్చని గమనించాలి. పంపిణీ చేయబడిన యాంటెన్నాల నుండి MS యూనిట్లకు కరెంట్ ఇంజెక్ట్ చేయడం MIMO భాగాల మధ్య ఐసోలేషన్‌ను మెరుగుపరచడానికి ఒక కీలకమైన పద్ధతి. ఫలితంగా, MIMO భాగాల మధ్య కలపడం కరెంట్ బాగా తగ్గిపోతుంది మరియు ఐసోలేషన్ కూడా బాగా మెరుగుపడింది. కప్లింగ్ ఫీల్డ్ మూలకంలో విస్తృతంగా పంపిణీ చేయబడినందున, కాపర్ బ్యాక్‌ప్లేన్ మెటాసర్‌ఫేస్ MIMO యాంటెన్నా అసెంబ్లీని సింగిల్- మరియు డబుల్-లేయర్ మెటాసర్‌ఫేస్‌ల కంటే గణనీయంగా వేరు చేస్తుంది (మూర్తి 18d). అంతేకాకుండా, అభివృద్ధి చెందిన MIMO యాంటెన్నా చాలా తక్కువ బ్యాక్‌ప్రొపగేషన్ మరియు సైడ్ ప్రొపగేషన్‌ను కలిగి ఉంది, ఏకదిశాత్మక రేడియేషన్ నమూనాను ఉత్పత్తి చేస్తుంది, తద్వారా ప్రతిపాదిత MIMO యాంటెన్నా యొక్క లాభం పెరుగుతుంది.
MC లేకుండా 5.5 GHz (a) వద్ద ప్రతిపాదిత MIMO యాంటెన్నా యొక్క ఉపరితల ప్రస్తుత నమూనాలు, (b) సింగిల్-లేయర్ MC, (c) డబుల్-లేయర్ MC, మరియు (d) రాగి బ్యాక్‌ప్లేన్‌తో సింగిల్-లేయర్ MC. (CST స్టూడియో సూట్ 2019).
ఆపరేటింగ్ ఫ్రీక్వెన్సీలో, మెటాసర్‌ఫేస్‌లు లేకుండా మరియు వాటితో రూపొందించబడిన MIMO యాంటెన్నా యొక్క అనుకరణ మరియు గమనించిన లాభాలను మూర్తి 19a చూపుతుంది. మెటాసర్‌ఫేస్ లేకుండా MIMO యాంటెన్నా యొక్క అనుకరణ సాధించిన లాభం మూర్తి 19aలో చూపిన విధంగా 5.4 dBi. MIMO భాగాల మధ్య పరస్పర కలపడం ప్రభావం కారణంగా, ప్రతిపాదిత MIMO యాంటెన్నా వాస్తవానికి ఒకే యాంటెన్నా కంటే 0.25 dBi అధిక లాభం పొందుతుంది. మెటాసర్‌ఫేస్‌ల జోడింపు MIMO భాగాల మధ్య గణనీయమైన లాభాలు మరియు ఐసోలేషన్‌ను అందిస్తుంది. అందువల్ల, ప్రతిపాదిత మెటాసర్‌ఫేస్ MIMO యాంటెన్నా 8.3 dBi వరకు అధిక గ్రహించిన లాభాన్ని సాధించగలదు. మూర్తి 19aలో చూపినట్లుగా, MIMO యాంటెన్నా వెనుక భాగంలో ఒకే మెటాసర్‌ఫేస్ ఉపయోగించినప్పుడు, లాభం 1.4 dBi పెరుగుతుంది. మెటాసర్‌ఫేస్ రెట్టింపు అయినప్పుడు, చిత్రం 19aలో చూపిన విధంగా లాభం 2.1 dBi పెరుగుతుంది. అయినప్పటికీ, రాగి బ్యాక్‌ప్లేన్‌తో మెటాసర్‌ఫేస్‌ను ఉపయోగించినప్పుడు ఆశించిన గరిష్ట లాభం 8.3 dBi సాధించబడుతుంది. ముఖ్యంగా, సింగిల్-లేయర్ మరియు డబుల్-లేయర్ మెటాసర్‌ఫేస్‌ల కోసం సాధించిన గరిష్ట లాభం వరుసగా 6.8 dBi మరియు 7.5 dBi, అయితే దిగువ-పొర మెటాసర్‌ఫేస్ కోసం గరిష్టంగా సాధించిన లాభం 8.3 dBi. యాంటెన్నా వెనుక వైపు ఉన్న మెటాసర్‌ఫేస్ పొర రిఫ్లెక్టర్‌గా పనిచేస్తుంది, యాంటెన్నా వెనుక వైపు నుండి రేడియేషన్‌ను ప్రతిబింబిస్తుంది మరియు రూపొందించిన MIMO యాంటెన్నా యొక్క ఫ్రంట్-టు-బ్యాక్ (F/B) నిష్పత్తిని మెరుగుపరుస్తుంది. అదనంగా, అధిక-ఇంపెడెన్స్ MS రిఫ్లెక్టర్ విద్యుదయస్కాంత తరంగాలను దశలవారీగా మార్చుతుంది, తద్వారా అదనపు ప్రతిధ్వనిని సృష్టిస్తుంది మరియు ప్రతిపాదిత MIMO యాంటెన్నా యొక్క రేడియేషన్ పనితీరును మెరుగుపరుస్తుంది. MIMO యాంటెన్నా వెనుక ఇన్‌స్టాల్ చేయబడిన MS రిఫ్లెక్టర్ సాధించిన లాభాలను గణనీయంగా పెంచుతుంది, ఇది ప్రయోగాత్మక ఫలితాల ద్వారా నిర్ధారించబడింది. అభివృద్ధి చెందిన ప్రోటోటైప్ MIMO యాంటెన్నా యొక్క గమనించిన మరియు అనుకరణ లాభాలు దాదాపు ఒకే విధంగా ఉంటాయి, అయినప్పటికీ, కొన్ని పౌనఃపున్యాల వద్ద కొలిచిన లాభం అనుకరణ లాభం కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది, ముఖ్యంగా MS లేకుండా MIMO కోసం; ప్రయోగాత్మక లాభంలో ఈ వైవిధ్యాలు నైలాన్ ప్యాడ్‌ల కొలత సహనం, కేబుల్ నష్టాలు మరియు యాంటెన్నా సిస్టమ్‌లో కలపడం వల్ల ఏర్పడతాయి. మెటాసర్‌ఫేస్ లేకుండా MIMO యాంటెన్నా యొక్క గరిష్ట కొలిచిన లాభం 5.8 dBi, అయితే రాగి బ్యాక్‌ప్లేన్‌తో మెటాసర్‌ఫేస్ 8.5 dBi. MS రిఫ్లెక్టర్‌తో ప్రతిపాదిత పూర్తి 4-పోర్ట్ MIMO యాంటెన్నా సిస్టమ్ ప్రయోగాత్మక మరియు సంఖ్యా పరిస్థితులలో అధిక లాభాలను ప్రదర్శిస్తుందని గమనించాలి.
(a) సాధించిన లాభం మరియు (b) మెటాసర్‌ఫేస్ ప్రభావంతో ప్రతిపాదిత MIMO యాంటెన్నా యొక్క మొత్తం పనితీరు యొక్క అనుకరణ మరియు ప్రయోగాత్మక ఫలితాలు.
మెటాసర్‌ఫేస్ రిఫ్లెక్టర్‌లు లేకుండా మరియు వాటితో ప్రతిపాదిత MIMO సిస్టమ్ యొక్క మొత్తం పనితీరును మూర్తి 19b చూపిస్తుంది. మూర్తి 19bలో, బ్యాక్‌ప్లేన్‌తో MS ఉపయోగించి అత్యల్ప సామర్థ్యం 73% కంటే ఎక్కువ (84% వరకు). MC లేకుండా మరియు MCతో అభివృద్ధి చేయబడిన MIMO యాంటెన్నాల యొక్క మొత్తం సామర్థ్యం అనుకరణ విలువలతో పోలిస్తే చిన్న తేడాలతో దాదాపు ఒకే విధంగా ఉంటుంది. దీనికి కారణాలు కొలత టాలరెన్స్ మరియు యాంటెన్నా మరియు MS రిఫ్లెక్టర్ మధ్య స్పేసర్ల ఉపయోగం. మొత్తం పౌనఃపున్యం అంతటా కొలిచిన సాధించిన లాభం మరియు మొత్తం సామర్థ్యం అనుకరణ ఫలితాలకు దాదాపు సమానంగా ఉంటాయి, ప్రతిపాదిత MIMO ప్రోటోటైప్ యొక్క పనితీరు ఊహించిన విధంగానే ఉందని మరియు సిఫార్సు చేయబడిన MS-ఆధారిత MIMO యాంటెన్నా 5G కమ్యూనికేషన్‌లకు అనుకూలంగా ఉంటుందని సూచిస్తుంది. ప్రయోగాత్మక అధ్యయనాలలో లోపాల కారణంగా, ప్రయోగశాల ప్రయోగాల యొక్క మొత్తం ఫలితాలు మరియు అనుకరణల ఫలితాల మధ్య తేడాలు ఉన్నాయి. ప్రతిపాదిత నమూనా యొక్క పనితీరు యాంటెన్నా మరియు SMA కనెక్టర్ మధ్య ఇంపెడెన్స్ అసమతుల్యత, ఏకాక్షక కేబుల్ స్ప్లైస్ నష్టాలు, టంకం ప్రభావాలు మరియు ప్రయోగాత్మక సెటప్‌కు వివిధ ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల సామీప్యత ద్వారా ప్రభావితమవుతుంది.
మూర్తి 20 బ్లాక్ రేఖాచిత్రం రూపంలో చెప్పబడిన యాంటెన్నా రూపకల్పన మరియు ఆప్టిమైజేషన్ పురోగతిని వివరిస్తుంది. ఈ బ్లాక్ రేఖాచిత్రం ప్రతిపాదిత MIMO యాంటెన్నా డిజైన్ సూత్రాల యొక్క దశల వారీ వివరణను అందిస్తుంది, అలాగే విస్తృత ఆపరేటింగ్ ఫ్రీక్వెన్సీలో అవసరమైన అధిక లాభం మరియు అధిక ఐసోలేషన్‌ను సాధించడానికి యాంటెన్నాను ఆప్టిమైజ్ చేయడంలో కీలక పాత్ర పోషిస్తున్న పారామితులను అందిస్తుంది.
సమీప-ఫీల్డ్ MIMO యాంటెన్నా కొలతలు UKM SATIMO నియర్-ఫీల్డ్ సిస్టమ్స్ లాబొరేటరీలో SATIMO నియర్-ఫీల్డ్ ఎక్స్‌పెరిమెంటల్ ఎన్విరాన్‌మెంట్‌లో కొలుస్తారు. గణాంకాలు 21a,b 5.5 GHz ఆపరేటింగ్ ఫ్రీక్వెన్సీలో MSతో మరియు లేకుండా క్లెయిమ్ చేయబడిన MIMO యాంటెన్నా యొక్క అనుకరణ మరియు గమనించిన E-ప్లేన్ మరియు H-ప్లేన్ రేడియేషన్ నమూనాలను వర్ణిస్తాయి. 5.5 GHz యొక్క ఆపరేటింగ్ ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో, అభివృద్ధి చెందిన నాన్-MS MIMO యాంటెన్నా సైడ్ లోబ్ విలువలతో స్థిరమైన ద్వి దిశాత్మక రేడియేషన్ నమూనాను అందిస్తుంది. MS రిఫ్లెక్టర్‌ను వర్తింపజేసిన తర్వాత, యాంటెన్నా ఏకదిశాత్మక రేడియేషన్ నమూనాను అందిస్తుంది మరియు గణాంకాలు 21a, bలో చూపిన విధంగా వెనుక లోబ్‌ల స్థాయిని తగ్గిస్తుంది. ఒక రాగి బ్యాక్‌ప్లేన్‌తో మెటాసర్‌ఫేస్‌ను ఉపయోగించడం ద్వారా, ప్రతిపాదిత MIMO యాంటెన్నా నమూనా MS లేకుండా కంటే చాలా స్థిరంగా మరియు ఏక దిశలో చాలా తక్కువ వెనుక మరియు సైడ్ లోబ్‌లతో ఉండటం గమనించదగ్గ విషయం. ప్రతిపాదిత MM శ్రేణి రిఫ్లెక్టర్ యాంటెన్నా యొక్క వెనుక మరియు సైడ్ లోబ్‌లను తగ్గిస్తుంది మరియు కరెంట్‌ను ఏకదిశాత్మక దిశలో (Fig. 21a, b) నిర్దేశించడం ద్వారా రేడియేషన్ లక్షణాలను మెరుగుపరుస్తుంది, తద్వారా లాభం మరియు నిర్దేశకతను పెంచుతుంది. మిగిలిన పోర్ట్‌లకు కనెక్ట్ చేయబడిన 50 ఓం లోడ్‌తో పోర్ట్ 1 కోసం కొలిచిన రేడియేషన్ నమూనా పొందబడింది. కాంపోనెంట్ మిస్‌లైన్‌మెంట్, టెర్మినల్ పోర్ట్‌ల నుండి రిఫ్లెక్షన్‌లు మరియు కేబుల్ కనెక్షన్‌లలో నష్టాల కారణంగా కొన్ని వ్యత్యాసాలు ఉన్నప్పటికీ, ప్రయోగాత్మక రేడియేషన్ నమూనా CST ద్వారా అనుకరణకు దాదాపు సమానంగా ఉన్నట్లు గమనించబడింది. అదనంగా, యాంటెన్నా మరియు MS రిఫ్లెక్టర్ మధ్య నైలాన్ స్పేసర్ చొప్పించబడింది, ఇది ఊహించిన ఫలితాలతో పోలిస్తే గమనించిన ఫలితాలను ప్రభావితం చేసే మరొక సమస్య.
5.5 GHz ఫ్రీక్వెన్సీలో అభివృద్ధి చేయబడిన MIMO యాంటెన్నా (MS లేకుండా మరియు MS తో) యొక్క రేడియేషన్ నమూనా అనుకరించబడింది మరియు పరీక్షించబడింది.
MIMO సిస్టమ్‌ల పనితీరును మూల్యాంకనం చేసేటప్పుడు పోర్ట్ ఐసోలేషన్ మరియు దాని అనుబంధ లక్షణాలు అవసరమని గమనించడం ముఖ్యం. ప్రతిపాదిత MIMO సిస్టమ్ యొక్క వైవిధ్య పనితీరు, ఎన్వలప్ కోరిలేషన్ కోఎఫీషియంట్ (ECC) మరియు డైవర్సిటీ గెయిన్ (DG)తో సహా రూపొందించబడిన MIMO యాంటెన్నా సిస్టమ్ యొక్క పటిష్టతను వివరించడానికి పరిశీలించబడింది. MIMO యాంటెన్నా యొక్క ECC మరియు DG దాని పనితీరును అంచనా వేయడానికి ఉపయోగించబడుతుంది ఎందుకంటే అవి MIMO సిస్టమ్ యొక్క పనితీరు యొక్క ముఖ్యమైన అంశాలు. కింది విభాగాలు ప్రతిపాదిత MIMO యాంటెన్నా యొక్క ఈ లక్షణాలను వివరిస్తాయి.
ఎన్వలప్ కోరిలేషన్ కోఎఫీషియంట్ (ECC). ఏదైనా MIMO సిస్టమ్‌ను పరిగణనలోకి తీసుకున్నప్పుడు, ECC దాని నిర్దిష్ట లక్షణాలకు సంబంధించి రాజ్యాంగ మూలకాలు ఒకదానితో ఒకటి పరస్పర సంబంధం కలిగి ఉండే స్థాయిని నిర్ణయిస్తుంది. అందువలన, ECC వైర్‌లెస్ కమ్యూనికేషన్ నెట్‌వర్క్‌లో ఛానెల్ ఐసోలేషన్ స్థాయిని ప్రదర్శిస్తుంది. అభివృద్ధి చెందిన MIMO సిస్టమ్ యొక్క ECC (ఎన్వలప్ కోరిలేషన్ కోఎఫీషియంట్) S-పారామితులు మరియు దూర-క్షేత్ర ఉద్గారాల ఆధారంగా నిర్ణయించబడుతుంది. Eq నుండి. (7) మరియు (8) ప్రతిపాదిత MIMO యాంటెన్నా 31 యొక్క ECCని నిర్ణయించవచ్చు.
ప్రతిబింబ గుణకం Siiచే సూచించబడుతుంది మరియు Sij ప్రసార గుణకాన్ని సూచిస్తుంది. j-th మరియు i-th యాంటెన్నాల యొక్క త్రిమితీయ రేడియేషన్ నమూనాలు \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) మరియు \() వ్యక్తీకరణల ద్వారా ఇవ్వబడ్డాయి \vec {{R_{ i } }} ఘన కోణం \ఎడమ( {\theta ,\varphi } \right)\) మరియు \({\Omega }\) ద్వారా సూచించబడుతుంది. ప్రతిపాదిత యాంటెన్నా యొక్క ECC వక్రరేఖ మూర్తి 22aలో చూపబడింది మరియు దాని విలువ 0.004 కంటే తక్కువగా ఉంది, ఇది వైర్‌లెస్ సిస్టమ్‌కు ఆమోదయోగ్యమైన 0.5 విలువ కంటే చాలా తక్కువగా ఉంటుంది. కాబట్టి, తగ్గిన ECC విలువ అంటే ప్రతిపాదిత 4-పోర్ట్ MIMO సిస్టమ్ ఉన్నతమైన వైవిధ్యాన్ని అందిస్తుంది43.
డైవర్సిటీ గెయిన్ (DG) DG అనేది మరొక MIMO సిస్టమ్ పనితీరు మెట్రిక్, ఇది డైవర్సిటీ స్కీమ్ రేడియేటెడ్ పవర్‌ను ఎలా ప్రభావితం చేస్తుందో వివరిస్తుంది. సంబంధం (9) 31లో వివరించిన విధంగా అభివృద్ధి చేయబడుతున్న MIMO యాంటెన్నా సిస్టమ్ యొక్క DGని నిర్ణయిస్తుంది.
మూర్తి 22b ప్రతిపాదిత MIMO సిస్టమ్ యొక్క DG రేఖాచిత్రాన్ని చూపుతుంది, ఇక్కడ DG విలువ 10 dBకి దగ్గరగా ఉంటుంది. రూపొందించిన MIMO సిస్టమ్ యొక్క అన్ని యాంటెన్నాల DG విలువలు 9.98 dB కంటే ఎక్కువ.
టేబుల్ 1 ప్రతిపాదిత మెటాసర్‌ఫేస్ MIMO యాంటెన్నాను ఇటీవల అభివృద్ధి చేసిన ఇలాంటి MIMO సిస్టమ్‌లతో పోల్చింది. పోలిక బ్యాండ్‌విడ్త్, లాభం, గరిష్ట ఐసోలేషన్, మొత్తం సామర్థ్యం మరియు వైవిధ్య పనితీరుతో సహా వివిధ పనితీరు పారామితులను పరిగణనలోకి తీసుకుంటుంది. పరిశోధకులు 5, 44, 45, 46, 47లో లాభం మరియు ఐసోలేషన్ మెరుగుదల సాంకేతికతలతో వివిధ MIMO యాంటెన్నా ప్రోటోటైప్‌లను అందించారు. గతంలో ప్రచురించిన రచనలతో పోలిస్తే, మెటాసర్‌ఫేస్ రిఫ్లెక్టర్‌లతో కూడిన ప్రతిపాదిత MIMO సిస్టమ్ బ్యాండ్‌విడ్త్, లాభం మరియు ఐసోలేషన్ పరంగా వాటిని అధిగమిస్తుంది. అదనంగా, నివేదించబడిన సారూప్య యాంటెన్నాలతో పోలిస్తే, అభివృద్ధి చెందిన MIMO సిస్టమ్ చిన్న పరిమాణంలో ఉన్నతమైన వైవిధ్య పనితీరు మరియు మొత్తం సామర్థ్యాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది. సెక్షన్ 5.46లో వివరించిన యాంటెన్నాలు మా ప్రతిపాదిత యాంటెన్నాల కంటే ఎక్కువ ఐసోలేషన్‌ను కలిగి ఉన్నప్పటికీ, ఈ యాంటెన్నాలు పెద్ద పరిమాణం, తక్కువ లాభం, ఇరుకైన బ్యాండ్‌విడ్త్ మరియు పేలవమైన MIMO పనితీరుతో బాధపడుతున్నాయి. 45లో ప్రతిపాదించబడిన 4-పోర్ట్ MIMO యాంటెన్నా అధిక లాభం మరియు సామర్థ్యాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది, అయితే దీని డిజైన్ తక్కువ ఐసోలేషన్, పెద్ద పరిమాణం మరియు పేలవమైన వైవిధ్య పనితీరును కలిగి ఉంది. మరోవైపు, 47లో ప్రతిపాదించబడిన చిన్న సైజు యాంటెన్నా సిస్టమ్ చాలా తక్కువ లాభం మరియు ఆపరేటింగ్ బ్యాండ్‌విడ్త్‌ను కలిగి ఉంది, అయితే మా ప్రతిపాదిత MS ఆధారిత 4-పోర్ట్ MIMO సిస్టమ్ చిన్న పరిమాణం, అధిక లాభం, అధిక ఐసోలేషన్ మరియు మెరుగైన పనితీరు MIMOని ప్రదర్శిస్తుంది. అందువల్ల, ప్రతిపాదిత మెటాసర్‌ఫేస్ MIMO యాంటెన్నా సబ్-6 GHz 5G కమ్యూనికేషన్ సిస్టమ్‌లకు ప్రధాన పోటీదారుగా మారవచ్చు.
అధిక లాభం మరియు ఐసోలేషన్‌తో నాలుగు-పోర్ట్ మెటాసర్‌ఫేస్ రిఫ్లెక్టర్-ఆధారిత వైడ్‌బ్యాండ్ MIMO యాంటెన్నా 6 GHz కంటే తక్కువ 5G అప్లికేషన్‌లకు మద్దతు ఇవ్వడానికి ప్రతిపాదించబడింది. మైక్రోస్ట్రిప్ లైన్ ఒక చదరపు రేడియేటింగ్ విభాగాన్ని ఫీడ్ చేస్తుంది, ఇది వికర్ణ మూలల్లో ఒక చదరపు ద్వారా కత్తిరించబడుతుంది. హై-స్పీడ్ 5G కమ్యూనికేషన్ సిస్టమ్‌లలో అద్భుతమైన పనితీరును సాధించడానికి రోజర్స్ RT5880 మాదిరిగానే సబ్‌స్ట్రేట్ మెటీరియల్‌లపై ప్రతిపాదిత MS మరియు యాంటెన్నా ఉద్గారిణి అమలు చేయబడుతుంది. MIMO యాంటెన్నా విస్తృత శ్రేణి మరియు అధిక లాభాలను కలిగి ఉంది మరియు MIMO భాగాలు మరియు అద్భుతమైన సామర్థ్యాన్ని మధ్య సౌండ్ ఐసోలేషన్‌ను అందిస్తుంది. అభివృద్ధి చెందిన సింగిల్ యాంటెన్నా సూక్ష్మ కొలతలు 0.58?0.58?0.02? 5×5 మెటాసర్‌ఫేస్ శ్రేణితో, విస్తృత 4.56 GHz ఆపరేటింగ్ బ్యాండ్‌విడ్త్, 8 dBi గరిష్ట లాభం మరియు ఉన్నతమైన కొలిచిన సామర్థ్యాన్ని అందిస్తుంది. ప్రతిపాదిత నాలుగు-పోర్ట్ MIMO యాంటెన్నా (2 × 2 శ్రేణి) 1.05λ × 1.05λ × 0.02λ కొలతలు కలిగిన ప్రతి ప్రతిపాదిత సింగిల్ యాంటెన్నాను మరొక యాంటెన్నాతో ఆర్తోగోనల్‌గా సమలేఖనం చేయడం ద్వారా రూపొందించబడింది. 12mm అధిక MIMO యాంటెన్నా కింద 10×10 MM శ్రేణిని సమీకరించాలని సిఫార్సు చేయబడింది, ఇది బ్యాక్-రేడియేషన్‌ను తగ్గిస్తుంది మరియు MIMO భాగాల మధ్య పరస్పర కలయికను తగ్గిస్తుంది, తద్వారా లాభం మరియు ఐసోలేషన్‌ను మెరుగుపరుస్తుంది. ప్రయోగాత్మక మరియు అనుకరణ ఫలితాలు అభివృద్ధి చేయబడిన MIMO ప్రోటోటైప్ 6 GHz కంటే తక్కువ 5G స్పెక్ట్రమ్‌ను కవర్ చేస్తూ 3.08–7.75 GHz విస్తృత పౌనఃపున్యం పరిధిలో పనిచేయగలదని చూపిస్తుంది. అదనంగా, ప్రతిపాదిత MS-ఆధారిత MIMO యాంటెన్నా దాని లాభాలను 2.9 dBi ద్వారా మెరుగుపరుస్తుంది, గరిష్టంగా 8.3 dBi లాభాన్ని పొందుతుంది మరియు MS యొక్క సహకారాన్ని ధృవీకరిస్తూ MIMO భాగాల మధ్య అద్భుతమైన ఐసోలేషన్ (>15.5 dB) అందిస్తుంది. అదనంగా, ప్రతిపాదిత MIMO యాంటెన్నా అధిక సగటు మొత్తం సామర్థ్యం 82% మరియు తక్కువ అంతర్-మూలక దూరం 22 మిమీ. యాంటెన్నా చాలా ఎక్కువ DG (9.98 dB కంటే ఎక్కువ), చాలా తక్కువ ECC (0.004 కంటే తక్కువ) మరియు ఏకదిశాత్మక రేడియేషన్ నమూనాతో సహా అద్భుతమైన MIMO వైవిధ్య పనితీరును ప్రదర్శిస్తుంది. కొలత ఫలితాలు అనుకరణ ఫలితాలకు చాలా పోలి ఉంటాయి. అభివృద్ధి చెందిన నాలుగు-పోర్ట్ MIMO యాంటెన్నా సిస్టమ్ ఉప-6 GHz ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో 5G కమ్యూనికేషన్ సిస్టమ్‌లకు ఆచరణీయమైన ఎంపిక అని ఈ లక్షణాలు నిర్ధారిస్తాయి.
Cowin 400-6000MHz వైడ్‌బ్యాండ్ PCB యాంటెన్నాను అందించగలదు మరియు మీ అవసరానికి అనుగుణంగా కొత్త యాంటెన్నాను రూపొందించడానికి మద్దతు ఇస్తుంది, దయచేసి మీకు ఏదైనా అభ్యర్థన ఉంటే సంకోచించకుండా మమ్మల్ని సంప్రదించండి.
పోస్ట్ సమయం: అక్టోబర్-10-2024