5जी उप-6 गीगाहर्ट्ज़ संचार प्रणालियों के लिए वाइडबैंड पीसीबी एंटेना के लाभ और अलगाव में सुधार के लिए मेटासर्फेस का उपयोग करना

यह कार्य उप-6 गीगाहर्ट्ज पांचवीं पीढ़ी (5जी) वायरलेस संचार प्रणालियों के लिए एक कॉम्पैक्ट इंटीग्रेटेड मल्टी-इनपुट मल्टीपल-आउटपुट (एमआईएमओ) मेटासरफेस (एमएस) वाइडबैंड एंटीना का प्रस्ताव करता है। प्रस्तावित एमआईएमओ प्रणाली की स्पष्ट नवीनता इसकी व्यापक ऑपरेटिंग बैंडविड्थ, उच्च लाभ, छोटे इंटरकंपोनेंट क्लीयरेंस और एमआईएमओ घटकों के भीतर उत्कृष्ट अलगाव है। ऐन्टेना के विकिरण वाले स्थान को तिरछे रूप से छोटा किया जाता है, आंशिक रूप से जमीन पर लगाया जाता है, और ऐन्टेना के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए मेटासर्फेस का उपयोग किया जाता है। प्रस्तावित प्रोटोटाइप एकीकृत एकल एमएस एंटीना का लघु आयाम 0.58λ × 0.58λ × 0.02λ है। सिमुलेशन और माप परिणाम 3.11 गीगाहर्ट्ज से 7.67 गीगाहर्ट्ज तक वाइडबैंड प्रदर्शन प्रदर्शित करते हैं, जिसमें 8 डीबीआई का उच्चतम लाभ भी शामिल है। चार-तत्व एमआईएमओ सिस्टम को डिज़ाइन किया गया है ताकि प्रत्येक एंटीना 3.2 से 7.6 गीगाहर्ट्ज तक कॉम्पैक्ट आकार और वाइडबैंड प्रदर्शन को बनाए रखते हुए एक-दूसरे के लिए ऑर्थोगोनल हो। प्रस्तावित MIMO प्रोटोटाइप को रोजर्स RT5880 सब्सट्रेट पर कम हानि और 1.05 के लघु आयामों के साथ डिजाइन और निर्मित किया गया है। 1.05? 0.02?, और इसके प्रदर्शन का मूल्यांकन 10 x 10 स्प्लिट रिंग के साथ प्रस्तावित वर्ग बंद रिंग रेज़ोनेटर सरणी का उपयोग करके किया जाता है। मूल सामग्री वही है. प्रस्तावित बैकप्लेन मेटासरफेस एंटीना बैक विकिरण को काफी कम कर देता है और विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों में हेरफेर करता है, जिससे एमआईएमओ घटकों की बैंडविड्थ, लाभ और अलगाव में सुधार होता है। मौजूदा एमआईएमओ एंटेना की तुलना में, प्रस्तावित 4-पोर्ट एमआईएमओ एंटीना 5जी सब-6 गीगाहर्ट्ज बैंड में 82% तक की औसत समग्र दक्षता के साथ 8.3 डीबीआई का उच्च लाभ प्राप्त करता है और मापा परिणामों के साथ अच्छे समझौते में है। इसके अलावा, विकसित एमआईएमओ एंटीना 0.004 से कम के लिफाफा सहसंबंध गुणांक (ईसीसी), लगभग 10 डीबी (>9.98 डीबी) की विविधता लाभ (डीजी) और एमआईएमओ घटकों (>15.5 डीबी) के बीच उच्च अलगाव के मामले में उत्कृष्ट प्रदर्शन प्रदर्शित करता है। विशेषताएँ। इस प्रकार, प्रस्तावित MS-आधारित MIMO एंटीना उप-6 GHz 5G संचार नेटवर्क के लिए इसकी प्रयोज्यता की पुष्टि करता है।
5G तकनीक वायरलेस संचार में एक अविश्वसनीय प्रगति है जो अरबों जुड़े उपकरणों के लिए तेज़ और अधिक सुरक्षित नेटवर्क को सक्षम करेगी, "शून्य" विलंबता (1 मिलीसेकंड से कम की विलंबता) के साथ उपयोगकर्ता अनुभव प्रदान करेगी, और इलेक्ट्रॉनिक्स सहित नई प्रौद्योगिकियों को पेश करेगी। चिकित्सा देखभाल, बौद्धिक शिक्षा। , स्मार्ट शहर, स्मार्ट घर, आभासी वास्तविकता (वीआर), स्मार्ट कारखाने और वाहनों का इंटरनेट (आईओवी) हमारे जीवन, समाज और उद्योगों1,2,3 को बदल रहे हैं। यूएस फेडरल कम्युनिकेशंस कमीशन (FCC) 5G स्पेक्ट्रम को चार फ़्रीक्वेंसी बैंड4 में विभाजित करता है। 6 गीगाहर्ट्ज़ से नीचे का फ़्रीक्वेंसी बैंड शोधकर्ताओं के लिए रुचिकर है क्योंकि यह उच्च डेटा दरों5,6 के साथ लंबी दूरी के संचार की अनुमति देता है। वैश्विक 5जी संचार के लिए सब-6 गीगाहर्ट्ज 5जी स्पेक्ट्रम आवंटन चित्र 1 में दिखाया गया है, जो दर्शाता है कि सभी देश 5जी संचार7,8 के लिए सब-6 गीगाहर्ट्ज स्पेक्ट्रम पर विचार कर रहे हैं। एंटेना 5G नेटवर्क का एक महत्वपूर्ण हिस्सा हैं और इसके लिए अधिक बेस स्टेशन और उपयोगकर्ता टर्मिनल एंटेना की आवश्यकता होगी।
माइक्रोस्ट्रिप पैच एंटेना में पतलेपन और सपाट संरचना के फायदे हैं, लेकिन बैंडविड्थ और लाभ9,10 में सीमित हैं, एंटीना के लाभ और बैंडविड्थ को बढ़ाने के लिए बहुत सारे शोध किए गए हैं; हाल के वर्षों में, एंटीना प्रौद्योगिकियों में मेटासर्फेस (एमएस) का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है, विशेष रूप से लाभ और थ्रूपुट11,12 में सुधार करने के लिए, हालांकि, ये एंटेना एक ही पोर्ट तक सीमित हैं; एमआईएमओ तकनीक वायरलेस संचार का एक महत्वपूर्ण पहलू है क्योंकि यह डेटा संचारित करने के लिए एक साथ कई एंटेना का उपयोग कर सकता है, जिससे डेटा दर, वर्णक्रमीय दक्षता, चैनल क्षमता और विश्वसनीयता13,14,15 में सुधार होता है। एमआईएमओ एंटेना 5जी अनुप्रयोगों के लिए संभावित उम्मीदवार हैं क्योंकि वे अतिरिक्त बिजली की आवश्यकता के बिना कई चैनलों पर डेटा संचारित और प्राप्त कर सकते हैं। MIMO घटकों के बीच पारस्परिक युग्मन प्रभाव MIMO तत्वों के स्थान और MIMO एंटीना के लाभ पर निर्भर करता है, जो शोधकर्ताओं के लिए एक बड़ी चुनौती है। चित्र 18, 19, और 20 5जी उप-6 गीगाहर्ट्ज़ बैंड में काम कर रहे विभिन्न एमआईएमओ एंटेना दिखाते हैं, जो सभी अच्छे एमआईएमओ अलगाव और प्रदर्शन का प्रदर्शन करते हैं। हालाँकि, इन प्रस्तावित प्रणालियों का लाभ और ऑपरेटिंग बैंडविड्थ कम है।
मेटामटेरियल्स (एमएम) नई सामग्रियां हैं जो प्रकृति में मौजूद नहीं हैं और विद्युत चुम्बकीय तरंगों में हेरफेर कर सकती हैं, जिससे एंटेना21,22,23,24 के प्रदर्शन में सुधार होता है। जैसा कि 25, 26, 27, 28 में चर्चा की गई है, एमएम का उपयोग अब एंटीना प्रौद्योगिकी में विकिरण पैटर्न, बैंडविड्थ, लाभ और एंटीना तत्वों और वायरलेस संचार प्रणालियों के बीच अलगाव को बेहतर बनाने के लिए व्यापक रूप से किया जाता है। 2029 में, एक चार-तत्व एमआईएमओ प्रणाली पर आधारित है मेटासरफेस, जिसमें एंटीना अनुभाग मेटासरफेस और जमीन के बीच बिना हवा के अंतराल के सैंडविच होता है, जो एमआईएमओ प्रदर्शन में सुधार करता है। हालाँकि, इस डिज़ाइन का आकार बड़ा, कम परिचालन आवृत्ति और जटिल संरचना है। MIMO30 घटकों के अलगाव में सुधार के लिए प्रस्तावित 2-पोर्ट वाइडबैंड MIMO एंटीना में एक इलेक्ट्रोमैग्नेटिक बैंडगैप (EBG) और ग्राउंड लूप शामिल हैं। डिज़ाइन किए गए एंटीना में अच्छा MIMO विविधता प्रदर्शन और दो MIMO एंटेना के बीच उत्कृष्ट अलगाव है, लेकिन केवल दो MIMO घटकों का उपयोग करने से लाभ कम होगा। इसके अलावा, in31 ने एक अल्ट्रा-वाइडबैंड (UWB) डुअल-पोर्ट MIMO एंटीना का भी प्रस्ताव रखा और मेटामटेरियल्स का उपयोग करके इसके MIMO प्रदर्शन की जांच की। यद्यपि यह एंटीना यूडब्ल्यूबी ऑपरेशन में सक्षम है, लेकिन इसका लाभ कम है और दोनों एंटेना के बीच अलगाव खराब है। कार्य in32 में 2-पोर्ट MIMO प्रणाली का प्रस्ताव है जो लाभ बढ़ाने के लिए इलेक्ट्रोमैग्नेटिक बैंडगैप (EBG) रिफ्लेक्टर का उपयोग करता है। यद्यपि विकसित एंटीना सरणी में उच्च लाभ और अच्छा एमआईएमओ विविधता प्रदर्शन है, लेकिन इसका बड़ा आकार अगली पीढ़ी के संचार उपकरणों में इसे लागू करना मुश्किल बनाता है। एक अन्य रिफ्लेक्टर-आधारित ब्रॉडबैंड एंटीना 33 में विकसित किया गया था, जहां रिफ्लेक्टर को 22 मिमी के बड़े अंतर के साथ एंटीना के नीचे एकीकृत किया गया था, जो 4.87 डीबी के निचले शिखर लाभ को प्रदर्शित करता था। पेपर 34 एमएमवेव अनुप्रयोगों के लिए एक चार-पोर्ट एमआईएमओ एंटीना डिजाइन करता है, जो एमआईएमओ प्रणाली के अलगाव और लाभ को बेहतर बनाने के लिए एमएस परत के साथ एकीकृत है। हालाँकि, यह एंटीना अच्छा लाभ और अलगाव प्रदान करता है, लेकिन बड़े वायु अंतराल के कारण इसमें सीमित बैंडविड्थ और खराब यांत्रिक गुण हैं। इसी तरह, 2015 में, 7.4 डीबीआई के अधिकतम लाभ के साथ एमएमवेव संचार के लिए एक तीन-जोड़ी, 4-पोर्ट बोटी-आकार का मेटासरफेस-एकीकृत एमआईएमओ एंटीना विकसित किया गया था। एंटीना लाभ को बढ़ाने के लिए 5G एंटीना के पीछे B36 MS का उपयोग किया जाता है, जहां मेटासरफेस एक परावर्तक के रूप में कार्य करता है। हालाँकि, एमएस संरचना असममित है और यूनिट सेल संरचना पर कम ध्यान दिया गया है।
उपरोक्त विश्लेषण परिणामों के अनुसार, उपरोक्त किसी भी एंटेना में उच्च लाभ, उत्कृष्ट अलगाव, एमआईएमओ प्रदर्शन और वाइडबैंड कवरेज नहीं है। इसलिए, अभी भी एक मेटासरफेस एमआईएमओ एंटीना की आवश्यकता है जो उच्च लाभ और अलगाव के साथ 6 गीगाहर्ट्ज से नीचे 5जी स्पेक्ट्रम आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला को कवर कर सके। उपर्युक्त साहित्य की सीमाओं को ध्यान में रखते हुए, उप-6 गीगाहर्ट्ज वायरलेस संचार प्रणालियों के लिए उच्च लाभ और उत्कृष्ट विविधता प्रदर्शन के साथ एक वाइडबैंड चार-तत्व एमआईएमओ एंटीना प्रणाली प्रस्तावित है। इसके अलावा, प्रस्तावित एमआईएमओ एंटीना एमआईएमओ घटकों, छोटे तत्व अंतराल और उच्च विकिरण दक्षता के बीच उत्कृष्ट अलगाव प्रदर्शित करता है। एंटीना पैच को तिरछे काट दिया जाता है और 12 मिमी वायु अंतराल के साथ मेटासर्फेस के शीर्ष पर रखा जाता है, जो एंटीना से वापस विकिरण को प्रतिबिंबित करता है और एंटीना लाभ और प्रत्यक्षता में सुधार करता है। इसके अलावा, प्रस्तावित एकल एंटीना का उपयोग प्रत्येक एंटीना को एक-दूसरे के लंबवत स्थिति में रखकर बेहतर एमआईएमओ प्रदर्शन के साथ चार-तत्व एमआईएमओ एंटीना बनाने के लिए किया जाता है। उत्सर्जन प्रदर्शन में सुधार के लिए विकसित एमआईएमओ एंटीना को तांबे के बैकप्लेन के साथ 10 × 10 एमएस सरणी के शीर्ष पर एकीकृत किया गया था। डिज़ाइन में एक विस्तृत ऑपरेटिंग रेंज (3.08-7.75 गीगाहर्ट्ज), 8.3 डीबीआई का उच्च लाभ और 82% की उच्च औसत समग्र दक्षता, साथ ही एमआईएमओ एंटीना घटकों के बीच -15.5 डीबी से अधिक का उत्कृष्ट अलगाव शामिल है। विकसित एमएस-आधारित एमआईएमओ एंटीना को 3डी इलेक्ट्रोमैग्नेटिक सॉफ्टवेयर पैकेज सीएसटी स्टूडियो 2019 का उपयोग करके सिम्युलेटेड किया गया था और प्रयोगात्मक अध्ययनों के माध्यम से मान्य किया गया था।
यह खंड प्रस्तावित वास्तुकला और एकल एंटीना डिजाइन पद्धति का विस्तृत परिचय प्रदान करता है। इसके अलावा, सिम्युलेटेड और देखे गए परिणामों पर विस्तार से चर्चा की गई है, जिसमें बिखरने वाले पैरामीटर, लाभ और मेटासर्फेस के साथ और उसके बिना समग्र दक्षता शामिल है। प्रोटोटाइप एंटीना को रोजर्स 5880 कम नुकसान वाले ढांकता हुआ सब्सट्रेट पर 2.2 के ढांकता हुआ स्थिरांक के साथ 1.575 मिमी की मोटाई के साथ विकसित किया गया था। डिज़ाइन को विकसित करने और अनुकरण करने के लिए, विद्युत चुम्बकीय सिम्युलेटर पैकेज सीएसटी स्टूडियो 2019 का उपयोग किया गया था।
चित्र 2 एकल-तत्व एंटीना के प्रस्तावित वास्तुकला और डिज़ाइन मॉडल को दर्शाता है। अच्छी तरह से स्थापित गणितीय समीकरणों37 के अनुसार, एंटीना में एक रैखिक रूप से खिला हुआ वर्गाकार विकिरण स्थान और एक तांबे का ग्राउंड प्लेन होता है (जैसा कि चरण 1 में वर्णित है) और 10.8 गीगाहर्ट्ज पर एक बहुत ही संकीर्ण बैंडविड्थ के साथ प्रतिध्वनित होता है, जैसा कि चित्र 3 बी में दिखाया गया है। ऐन्टेना रेडिएटर का प्रारंभिक आकार निम्नलिखित गणितीय संबंध37 द्वारा निर्धारित किया जाता है:
जहां \(P_{L}\) और \(P_{w}\) पैच की लंबाई और चौड़ाई हैं, c प्रकाश की गति को दर्शाता है, \(\गामा_{r}\) सब्सट्रेट का ढांकता हुआ स्थिरांक है . , \(\गामा_{रेफ }\) विकिरण स्थान के प्रभावी ढांकता हुआ मूल्य का प्रतिनिधित्व करता है, \(\डेल्टा एल\) स्थान की लंबाई में परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करता है। ऐन्टेना बैकप्लेन को दूसरे चरण में अनुकूलित किया गया, जिससे 10 डीबी की बहुत कम प्रतिबाधा बैंडविड्थ के बावजूद प्रतिबाधा बैंडविड्थ में वृद्धि हुई। तीसरे चरण में, फीडर स्थिति को दाईं ओर ले जाया जाता है, जो प्रस्तावित एंटीना38 की प्रतिबाधा बैंडविड्थ और प्रतिबाधा मिलान में सुधार करता है। इस स्तर पर, एंटीना 4 गीगाहर्ट्ज की उत्कृष्ट ऑपरेटिंग बैंडविड्थ प्रदर्शित करता है और 5जी में 6 गीगाहर्ट्ज से नीचे के स्पेक्ट्रम को भी कवर करता है। चौथे और अंतिम चरण में विकिरण स्थान के विपरीत कोनों में चौकोर खांचे खोदना शामिल है। यह स्लॉट उप-6 गीगाहर्ट्ज़ 5जी स्पेक्ट्रम को 3.11 गीगाहर्ट्ज़ से 7.67 गीगाहर्ट्ज़ तक कवर करने के लिए 4.56 गीगाहर्ट्ज़ बैंडविड्थ का महत्वपूर्ण रूप से विस्तार करता है, जैसा कि चित्र 3बी में दिखाया गया है। प्रस्तावित डिज़ाइन के सामने और नीचे के परिप्रेक्ष्य दृश्य चित्र 3ए में दिखाए गए हैं, और अंतिम अनुकूलित आवश्यक डिज़ाइन पैरामीटर इस प्रकार हैं: एसएल = 40 मिमी, पीडब्ल्यू = 18 मिमी, पीएल = 18 मिमी, जीएल = 12 मिमी, एफएल = 11। मिमी, एफडब्ल्यू = 4 .7 मिमी, सी1 = 2 मिमी, सी2 = 9.65 मिमी, सी3 = 1.65 मिमी।
(ए) डिज़ाइन किए गए सिंगल एंटीना (सीएसटी स्टूडियो सुइट 2019) के शीर्ष और पीछे के दृश्य। (बी) एस-पैरामीटर वक्र।
मेटासुरफेस एक शब्द है जो एक दूसरे से एक निश्चित दूरी पर स्थित इकाई कोशिकाओं की आवधिक सरणी को संदर्भित करता है। मेटासर्फेस एंटीना विकिरण प्रदर्शन को बेहतर बनाने का एक प्रभावी तरीका है, जिसमें एमआईएमओ घटकों के बीच बैंडविड्थ, लाभ और अलगाव शामिल है। सतह तरंग प्रसार के प्रभाव के कारण, मेटासर्फेस अतिरिक्त अनुनाद उत्पन्न करते हैं जो बेहतर एंटीना प्रदर्शन39 में योगदान करते हैं। यह कार्य 6 गीगाहर्ट्ज से नीचे 5जी बैंड में काम करने वाली एक एप्सिलॉन-नेगेटिव मेटामेट्री (एमएम) इकाई का प्रस्ताव करता है। 8 मिमी × 8 मिमी के सतह क्षेत्र के साथ एमएम को 2.2 के ढांकता हुआ स्थिरांक और 1.575 मिमी की मोटाई के साथ कम नुकसान वाले रोजर्स 5880 सब्सट्रेट पर विकसित किया गया था। अनुकूलित एमएम रेज़ोनेटर पैच में एक आंतरिक गोलाकार स्प्लिट रिंग होती है जो दो संशोधित बाहरी स्प्लिट रिंगों से जुड़ी होती है, जैसा कि चित्र 4 ए में दिखाया गया है। चित्र 4ए प्रस्तावित एमएम सेटअप के अंतिम अनुकूलित मापदंडों का सारांश प्रस्तुत करता है। इसके बाद, 40 × 40 मिमी और 80 × 80 मिमी मेटासर्फेस परतों को तांबे के बैकप्लेन के बिना और क्रमशः 5 × 5 और 10 × 10 सेल सरणियों का उपयोग करके तांबे के बैकप्लेन के साथ विकसित किया गया था। प्रस्तावित एमएम संरचना को 3डी इलेक्ट्रोमैग्नेटिक मॉडलिंग सॉफ्टवेयर "सीएसटी स्टूडियो सूट 2019" का उपयोग करके तैयार किया गया था। वास्तविक प्रतिक्रिया का विश्लेषण करके सीएसटी सिमुलेशन परिणामों को मान्य करने के लिए प्रस्तावित एमएम सरणी संरचना और माप सेटअप (डुअल-पोर्ट नेटवर्क विश्लेषक पीएनए और वेवगाइड पोर्ट) का एक गढ़ा हुआ प्रोटोटाइप चित्र 4 बी में दिखाया गया है। माप सेटअप ने सिग्नल भेजने और प्राप्त करने के लिए दो वेवगाइड समाक्षीय एडेप्टर (ए-इन्फॉमडब्ल्यू, भाग संख्या: 187डब्ल्यूसीएएस) के संयोजन में एक एगिलेंट पीएनए श्रृंखला नेटवर्क विश्लेषक का उपयोग किया। एक प्रोटोटाइप 5×5 सरणी को दो-पोर्ट नेटवर्क विश्लेषक (एगिलेंट पीएनए एन5227ए) से समाक्षीय केबल द्वारा जुड़े दो वेवगाइड समाक्षीय एडेप्टर के बीच रखा गया था। एगिलेंट N4694-60001 कैलिब्रेशन किट का उपयोग पायलट प्लांट में नेटवर्क विश्लेषक को कैलिब्रेट करने के लिए किया जाता है। प्रस्तावित प्रोटोटाइप एमएम सरणी के सिम्युलेटेड और सीएसटी देखे गए बिखरने वाले पैरामीटर चित्र 5 ए में दिखाए गए हैं। यह देखा जा सकता है कि प्रस्तावित एमएम संरचना 6 गीगाहर्ट्ज से नीचे 5जी आवृत्ति रेंज में प्रतिध्वनित होती है। 10 डीबी के बैंडविड्थ में छोटे अंतर के बावजूद, सिम्युलेटेड और प्रयोगात्मक परिणाम बहुत समान हैं। गुंजयमान आवृत्ति, बैंडविड्थ, और देखे गए अनुनाद का आयाम सिम्युलेटेड से थोड़ा अलग है, जैसा कि चित्र 5 ए में दिखाया गया है। देखे गए और सिम्युलेटेड परिणामों के बीच ये अंतर विनिर्माण खामियों, प्रोटोटाइप और वेवगाइड बंदरगाहों के बीच छोटी मंजूरी, वेवगाइड बंदरगाहों और सरणी घटकों के बीच युग्मन प्रभाव और माप सहनशीलता के कारण हैं। इसके अलावा, प्रायोगिक सेटअप में वेवगाइड पोर्ट के बीच विकसित प्रोटोटाइप के उचित स्थान के परिणामस्वरूप अनुनाद बदलाव हो सकता है। इसके अलावा, अंशांकन चरण के दौरान अवांछित शोर देखा गया, जिसके कारण संख्यात्मक और मापा परिणामों के बीच विसंगतियां पैदा हुईं। हालाँकि, इन कठिनाइयों के अलावा, प्रस्तावित एमएम ऐरे प्रोटोटाइप सिमुलेशन और प्रयोग के बीच मजबूत सहसंबंध के कारण अच्छा प्रदर्शन करता है, जो इसे उप-6 गीगाहर्ट्ज 5जी वायरलेस संचार अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाता है।
(ए) यूनिट सेल ज्यामिति (एस1 = 8 मिमी, एस2 = 7 मिमी, एस3 = 5 मिमी, एफ1, एफ2, एफ4 = 0.5 मिमी, एफ3 = 0.75 मिमी, एच1 = 0.5 मिमी, एच2 = 1 .75 मिमी) (सीएसटी स्टूडियो सुइट) ) 2019) (बी) एमएम मापने के सेटअप का फोटो।
(ए) मेटामटेरियल प्रोटोटाइप के बिखरने वाले पैरामीटर वक्रों का सिमुलेशन और सत्यापन। (बी) एमएम यूनिट सेल का ढांकता हुआ स्थिरांक वक्र।
एमएम यूनिट सेल के व्यवहार का और अधिक विश्लेषण करने के लिए सीएसटी इलेक्ट्रोमैग्नेटिक सिम्युलेटर की अंतर्निहित पोस्ट-प्रोसेसिंग तकनीकों का उपयोग करके प्रभावी ढांकता हुआ स्थिरांक, चुंबकीय पारगम्यता और अपवर्तक सूचकांक जैसे प्रासंगिक प्रभावी मापदंडों का अध्ययन किया गया था। प्रभावी एमएम पैरामीटर एक मजबूत पुनर्निर्माण विधि का उपयोग करके बिखरने वाले मापदंडों से प्राप्त किए जाते हैं। निम्नलिखित संप्रेषण और प्रतिबिंब गुणांक समीकरण: (3) और (4) का उपयोग अपवर्तक सूचकांक और प्रतिबाधा (40 देखें) निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है।
ऑपरेटर के वास्तविक और काल्पनिक भागों को क्रमशः (.)' और (.)" द्वारा दर्शाया जाता है, और पूर्णांक मान m वास्तविक अपवर्तक सूचकांक से मेल खाता है। ढांकता हुआ स्थिरांक और पारगम्यता सूत्रों \(\varepsilon { } = { }n/z,\) और \(\mu = nz\) द्वारा निर्धारित की जाती है, जो क्रमशः प्रतिबाधा और अपवर्तक सूचकांक पर आधारित होते हैं। एमएम संरचना का प्रभावी ढांकता हुआ निरंतर वक्र चित्र 5 बी में दिखाया गया है। गुंजयमान आवृत्ति पर, प्रभावी ढांकता हुआ स्थिरांक नकारात्मक होता है। चित्र 6ए,बी प्रस्तावित इकाई सेल की प्रभावी पारगम्यता (μ) और प्रभावी अपवर्तक सूचकांक (एन) के निकाले गए मान दिखाते हैं। विशेष रूप से, निकाली गई पारगम्यताएं शून्य के करीब सकारात्मक वास्तविक मान प्रदर्शित करती हैं, जो प्रस्तावित एमएम संरचना के ईपीएसलॉन-नकारात्मक (ईएनजी) गुणों की पुष्टि करती है। इसके अलावा, जैसा कि चित्र 6ए में दिखाया गया है, शून्य के करीब पारगम्यता पर अनुनाद दृढ़ता से अनुनाद आवृत्ति से संबंधित है। विकसित यूनिट सेल में एक नकारात्मक अपवर्तक सूचकांक (छवि 6 बी) है, जिसका अर्थ है कि प्रस्तावित एमएम का उपयोग एंटीना प्रदर्शन21,41 को बेहतर बनाने के लिए किया जा सकता है।
प्रस्तावित डिज़ाइन का प्रयोगात्मक परीक्षण करने के लिए एकल ब्रॉडबैंड एंटीना का विकसित प्रोटोटाइप तैयार किया गया था। चित्र 7ए,बी प्रस्तावित प्रोटोटाइप एकल एंटीना, इसके संरचनात्मक भागों और निकट-क्षेत्र माप सेटअप (एसएटीआईएमओ) की छवियां दिखाते हैं। ऐन्टेना के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए, विकसित मेटासर्फेस को ऐन्टेना के नीचे परतों में रखा गया है, जैसा कि चित्र 8 ए में दिखाया गया है, ऊँचाई h के साथ। एकल एंटीना के पीछे 12 मिमी के अंतराल पर एक 40 मिमी x 40 मिमी डबल-लेयर मेटासरफेस लगाया गया था। इसके अलावा, बैकप्लेन के साथ एक मेटासरफेस को 12 मिमी की दूरी पर सिंगल एंटीना के पीछे की तरफ रखा जाता है। मेटासर्फेस को लागू करने के बाद, एकल एंटीना प्रदर्शन में महत्वपूर्ण सुधार दिखाता है, जैसा कि चित्र 1 और 2 में दिखाया गया है। चित्र 8 और 9. चित्र 8बी मेटासर्फेस के बिना और उसके साथ एकल एंटीना के लिए सिम्युलेटेड और मापा परावर्तन प्लॉट दिखाता है। यह ध्यान देने योग्य है कि मेटासरफेस वाले एंटीना का कवरेज बैंड मेटासरफेस के बिना एंटीना के कवरेज बैंड के समान है। आंकड़े 9ए,बी ऑपरेटिंग स्पेक्ट्रम में एमएस के बिना और उसके साथ सिम्युलेटेड और देखे गए एकल एंटीना लाभ और समग्र दक्षता की तुलना दिखाते हैं। यह देखा जा सकता है कि, गैर-मेटासुरफेस एंटीना की तुलना में, मेटासरफेस एंटीना का लाभ काफी बेहतर हुआ है, जो 5.15 डीबीआई से बढ़कर 8 डीबीआई हो गया है। सिंगल-लेयर मेटासरफेस, डुअल-लेयर मेटासरफेस और बैकप्लेन मेटासरफेस के साथ सिंगल एंटीना का लाभ क्रमशः 6 डीबीआई, 6.9 डीबीआई और 8 डीबीआई बढ़ गया। अन्य मेटासर्फेस (सिंगल-लेयर और डबल-लेयर एमसी) की तुलना में, कॉपर बैकप्लेन के साथ सिंगल मेटासर्फेस एंटीना का लाभ 8 डीबीआई तक होता है। इस मामले में, मेटासर्फेस एक परावर्तक के रूप में कार्य करता है, एंटीना के पीछे के विकिरण को कम करता है और चरण में विद्युत चुम्बकीय तरंगों में हेरफेर करता है, जिससे एंटीना की विकिरण दक्षता बढ़ जाती है और इसलिए लाभ होता है। मेटासर्फेस के बिना और बिना एकल एंटीना की समग्र दक्षता का अध्ययन चित्र 9 बी में दिखाया गया है। यह ध्यान देने योग्य है कि मेटासरफेस के साथ और उसके बिना एंटीना की दक्षता लगभग समान है। निचली आवृत्ति रेंज में, एंटीना दक्षता थोड़ी कम हो जाती है। प्रयोगात्मक और सिम्युलेटेड लाभ और दक्षता वक्र अच्छे समझौते में हैं। हालाँकि, विनिर्माण दोष, माप सहनशीलता, एसएमए पोर्ट कनेक्शन हानि और तार हानि के कारण सिम्युलेटेड और परीक्षण किए गए परिणामों के बीच मामूली अंतर हैं। इसके अलावा, एंटीना और एमएस रिफ्लेक्टर नायलॉन स्पेसर के बीच स्थित होते हैं, जो एक और मुद्दा है जो सिमुलेशन परिणामों की तुलना में देखे गए परिणामों को प्रभावित करता है।
चित्र (ए) पूर्ण एकल एंटीना और उसके संबंधित घटकों को दर्शाता है। (बी) निकट-क्षेत्र माप सेटअप (एसएटीआईएमओ)।
(ए) मेटासरफेस रिफ्लेक्टर (सीएसटी स्टूडियो सूट 2019) का उपयोग करके एंटीना उत्तेजना। (बी) एमएस के बिना और उसके साथ एकल एंटीना का सिम्युलेटेड और प्रयोगात्मक प्रतिबिंब।
(ए) प्राप्त लाभ और (बी) प्रस्तावित मेटासरफेस प्रभाव एंटीना की समग्र दक्षता का सिमुलेशन और माप परिणाम।
एमएस का उपयोग करके बीम पैटर्न विश्लेषण। यूकेएम सैटिमो नियर-फील्ड सिस्टम प्रयोगशाला के सैटिमो नियर-फील्ड प्रायोगिक वातावरण में एकल-एंटीना निकट-क्षेत्र माप किए गए। आंकड़े 10ए, बी एमएस के साथ और उसके बिना प्रस्तावित एकल एंटीना के लिए 5.5 गीगाहर्ट्ज पर सिम्युलेटेड और देखे गए ई-प्लेन और एच-प्लेन विकिरण पैटर्न दिखाते हैं। विकसित एकल एंटीना (एमएस के बिना) साइड लोब मूल्यों के साथ एक सुसंगत द्विदिश विकिरण पैटर्न प्रदान करता है। प्रस्तावित एमएस रिफ्लेक्टर लगाने के बाद, एंटीना एक यूनिडायरेक्शनल विकिरण पैटर्न प्रदान करता है और बैक लोब के स्तर को कम करता है, जैसा कि चित्र 10 ए, बी में दिखाया गया है। यह ध्यान देने योग्य है कि तांबे के बैकप्लेन के साथ मेटासरफेस का उपयोग करते समय प्रस्तावित एकल एंटीना विकिरण पैटर्न बहुत कम बैक और साइड लोब के साथ अधिक स्थिर और यूनिडायरेक्शनल होता है। प्रस्तावित एमएम ऐरे रिफ्लेक्टर एंटीना के पीछे और साइड लोब को कम करता है जबकि करंट को यूनिडायरेक्शनल दिशाओं में निर्देशित करके विकिरण प्रदर्शन में सुधार करता है (चित्र 10 ए, बी), जिससे लाभ और प्रत्यक्षता बढ़ जाती है। यह देखा गया कि प्रयोगात्मक विकिरण पैटर्न सीएसटी सिमुलेशन के लगभग तुलनीय था, लेकिन विभिन्न इकट्ठे घटकों के गलत संरेखण, माप सहनशीलता और केबल हानि के कारण थोड़ा भिन्न था। इसके अलावा, एंटीना और एमएस रिफ्लेक्टर के बीच एक नायलॉन स्पेसर डाला गया था, जो संख्यात्मक परिणामों की तुलना में देखे गए परिणामों को प्रभावित करने वाला एक और मुद्दा है।
5.5 गीगाहर्ट्ज की आवृत्ति पर विकसित एकल एंटीना (एमएस के बिना और एमएस के साथ) के विकिरण पैटर्न का अनुकरण और परीक्षण किया गया था।
प्रस्तावित एमआईएमओ एंटीना ज्यामिति चित्र 11 में दिखाई गई है और इसमें चार एकल एंटेना शामिल हैं। जैसा कि चित्र 11 में दिखाया गया है, MIMO एंटीना के चार घटक 80 × 80 × 1.575 मिमी आयामों के एक सब्सट्रेट पर एक-दूसरे से ऑर्थोगोनल रूप से व्यवस्थित होते हैं। डिज़ाइन किए गए MIMO एंटीना में 22 मिमी की अंतर-तत्व दूरी होती है, जो इससे छोटी होती है एंटीना की निकटतम संगत अंतर-तत्व दूरी। एमआईएमओ एंटीना विकसित किया गया। इसके अलावा, ग्राउंड प्लेन का हिस्सा सिंगल एंटीना की तरह ही स्थित होता है। चित्र 12ए में दिखाए गए एमआईएमओ एंटेना (एस11, एस22, एस33, और एस44) के परावर्तन मान 3.2-7.6 गीगाहर्ट्ज बैंड में गूंजने वाले एकल-तत्व एंटीना के समान व्यवहार प्रदर्शित करते हैं। इसलिए, MIMO एंटीना की प्रतिबाधा बैंडविड्थ बिल्कुल एकल एंटीना के समान है। MIMO घटकों के बीच युग्मन प्रभाव MIMO एंटेना की छोटी बैंडविड्थ हानि का मुख्य कारण है। चित्र 12बी एमआईएमओ घटकों पर इंटरकनेक्शन के प्रभाव को दर्शाता है, जहां एमआईएमओ घटकों के बीच इष्टतम अलगाव निर्धारित किया गया था। एंटेना 1 और 2 के बीच अलगाव लगभग -13.6 डीबी पर सबसे कम है, और एंटेना 1 और 4 के बीच अलगाव लगभग -30.4 डीबी पर सबसे अधिक है। अपने छोटे आकार और व्यापक बैंडविड्थ के कारण, इस MIMO एंटीना का लाभ कम और थ्रूपुट कम है। इन्सुलेशन कम है, इसलिए बढ़े हुए सुदृढीकरण और इन्सुलेशन की आवश्यकता है;
प्रस्तावित एमआईएमओ एंटीना का डिज़ाइन तंत्र (ए) शीर्ष दृश्य और (बी) ग्राउंड प्लेन। (सीएसटी स्टूडियो सुइट 2019)।
प्रस्तावित मेटासर्फेस एमआईएमओ एंटीना की ज्यामितीय व्यवस्था और उत्तेजना विधि चित्र 13ए में दिखाई गई है। 80x80x1.575 मिमी के आयाम वाला 10x10 मिमी मैट्रिक्स 12 मिमी ऊंचे एमआईएमओ एंटीना के पीछे की ओर डिज़ाइन किया गया है, जैसा चित्र 13 ए में दिखाया गया है। इसके अतिरिक्त, तांबे के बैकप्लेन वाले मेटासर्फेस का उपयोग MIMO एंटेना में उनके प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए किया जाता है। मेटासरफेस और एमआईएमओ एंटीना के बीच की दूरी एंटीना द्वारा उत्पन्न तरंगों और मेटासरफेस से परावर्तित तरंगों के बीच रचनात्मक हस्तक्षेप की अनुमति देते हुए उच्च लाभ प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है। एमआईएमओ तत्वों के बीच अधिकतम लाभ और अलगाव के लिए क्वार्टर-वेव मानकों को बनाए रखते हुए एंटीना और मेटासतह के बीच ऊंचाई को अनुकूलित करने के लिए व्यापक मॉडलिंग का प्रदर्शन किया गया था। बैकप्लेन के बिना मेटासर्फेस की तुलना में बैकप्लेन के साथ मेटासर्फेस का उपयोग करके हासिल किए गए एमआईएमओ एंटीना प्रदर्शन में महत्वपूर्ण सुधार अगले अध्यायों में प्रदर्शित किए जाएंगे।
(ए) एमएस (सीएसटी स्टूडियो सूट 2019) का उपयोग करके प्रस्तावित एमआईएमओ एंटीना का सीएसटी सिमुलेशन सेटअप, (बी) एमएस के बिना और एमएस के साथ विकसित एमआईएमओ सिस्टम के परावर्तन वक्र।
मेटासर्फेस के साथ और उसके बिना एमआईएमओ एंटेना के प्रतिबिंब चित्र 13बी में दिखाए गए हैं, जहां एमआईएमओ सिस्टम में सभी एंटेना के लगभग समान व्यवहार के कारण एस11 और एस44 प्रस्तुत किए गए हैं। यह ध्यान देने योग्य है कि एकल मेटासतह के बिना और बिना MIMO एंटीना की -10 डीबी प्रतिबाधा बैंडविड्थ लगभग समान है। इसके विपरीत, प्रस्तावित एमआईएमओ एंटीना की प्रतिबाधा बैंडविड्थ को दोहरी परत एमएस और बैकप्लेन एमएस द्वारा बेहतर बनाया गया है। यह ध्यान देने योग्य है कि MS के बिना, MIMO एंटीना केंद्र आवृत्ति के सापेक्ष 81.5% (3.2-7.6 GHz) की आंशिक बैंडविड्थ प्रदान करता है। MS को बैकप्लेन के साथ एकीकृत करने से प्रस्तावित MIMO एंटीना की प्रतिबाधा बैंडविड्थ 86.3% (3.08–7.75 GHz) तक बढ़ जाती है। हालाँकि दोहरी परत वाला एमएस थ्रूपुट बढ़ाता है, लेकिन कॉपर बैकप्लेन वाले एमएस की तुलना में सुधार कम होता है। इसके अलावा, एक दोहरी-परत एमसी एंटीना के आकार को बढ़ाती है, इसकी लागत बढ़ाती है और इसकी सीमा को सीमित करती है। डिज़ाइन किए गए एमआईएमओ एंटीना और मेटासर्फेस रिफ्लेक्टर को सिमुलेशन परिणामों को मान्य करने और वास्तविक प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए निर्मित और सत्यापित किया जाता है। चित्र 14ए निर्मित एमएस परत और एमआईएमओ एंटीना को विभिन्न घटकों के साथ दिखाता है, जबकि चित्र 14बी विकसित एमआईएमओ सिस्टम की एक तस्वीर दिखाता है। MIMO एंटीना को चार नायलॉन स्पेसर का उपयोग करके मेटासर्फेस के शीर्ष पर लगाया गया है, जैसा कि चित्र 14 बी में दिखाया गया है। चित्र 15ए विकसित एमआईएमओ एंटीना प्रणाली के निकट-क्षेत्र प्रयोगात्मक सेटअप का एक स्नैपशॉट दिखाता है। एक पीएनए नेटवर्क विश्लेषक (एगिलेंट टेक्नोलॉजीज पीएनए एन5227ए) का उपयोग यूकेएम एसएटीआईएमओ नियर-फील्ड सिस्टम प्रयोगशाला में बिखरने वाले मापदंडों का अनुमान लगाने और निकट-क्षेत्र उत्सर्जन विशेषताओं का मूल्यांकन और लक्षण वर्णन करने के लिए किया गया था।
(ए) एसएटीआईएमओ के निकट-क्षेत्र माप की तस्वीरें (बी) एमएस के साथ और उसके बिना एस11 एमआईएमओ एंटीना के सिम्युलेटेड और प्रयोगात्मक वक्र।
यह खंड प्रस्तावित 5जी एमआईएमओ एंटीना के सिम्युलेटेड और देखे गए एस-पैरामीटर का तुलनात्मक अध्ययन प्रस्तुत करता है। चित्र 15बी एकीकृत 4-तत्व एमआईएमओ एमएस एंटीना के प्रयोगात्मक परावर्तन प्लॉट को दिखाता है और इसकी तुलना सीएसटी सिमुलेशन परिणामों से करता है। प्रयोगात्मक परावर्तन सीएसटी गणना के समान पाए गए, लेकिन विनिर्माण दोषों और प्रयोगात्मक सहनशीलता के कारण थोड़े भिन्न थे। इसके अलावा, प्रस्तावित एमएस-आधारित एमआईएमओ प्रोटोटाइप का देखा गया प्रतिबिंब 4.8 गीगाहर्ट्ज की प्रतिबाधा बैंडविड्थ के साथ 6 गीगाहर्ट्ज से नीचे 5जी स्पेक्ट्रम को कवर करता है, जिसका अर्थ है कि 5जी अनुप्रयोग संभव हैं। हालाँकि, मापी गई गुंजयमान आवृत्ति, बैंडविड्थ और आयाम सीएसटी सिमुलेशन परिणामों से थोड़ा भिन्न होते हैं। विनिर्माण दोष, कोएक्स-टू-एसएमए युग्मन हानि, और बाहरी माप सेटअप मापा और सिम्युलेटेड परिणामों के बीच अंतर पैदा कर सकते हैं। हालाँकि, इन कमियों के बावजूद, प्रस्तावित MIMO अच्छा प्रदर्शन करता है, सिमुलेशन और माप के बीच मजबूत समझौता प्रदान करता है, जिससे यह उप-6 GHz 5G वायरलेस अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हो जाता है।
सिम्युलेटेड और देखे गए एमआईएमओ एंटीना लाभ वक्र चित्र 2 और 2 में दिखाए गए हैं। जैसा कि क्रमशः चित्र 16 ए, बी और 17 ए, बी में दिखाया गया है, एमआईएमओ घटकों की पारस्परिक बातचीत को दिखाया गया है। जब मेटासर्फेस को MIMO एंटेना पर लागू किया जाता है, तो MIMO एंटेना के बीच अलगाव में काफी सुधार होता है। आसन्न एंटीना तत्वों S12, S14, S23 और S34 के बीच अलगाव प्लॉट समान वक्र दिखाते हैं, जबकि विकर्ण MIMO एंटेना S13 और S42 उनके बीच अधिक दूरी के कारण समान रूप से उच्च अलगाव दिखाते हैं। आसन्न एंटेना की सिम्युलेटेड ट्रांसमिशन विशेषताओं को चित्र 16ए में दिखाया गया है। यह ध्यान देने योग्य है कि 6 गीगाहर्ट्ज से नीचे के 5जी ऑपरेटिंग स्पेक्ट्रम में, मेटासरफेस के बिना एमआईएमओ एंटीना का न्यूनतम अलगाव -13.6 डीबी है, और बैकप्लेन के साथ मेटासरफेस के लिए - 15.5 डीबी है। गेन प्लॉट (चित्र 16ए) से पता चलता है कि बैकप्लेन मेटासरफेस सिंगल और डबल-लेयर मेटासरफेस की तुलना में एमआईएमओ एंटीना तत्वों के बीच अलगाव में काफी सुधार करता है। आसन्न एंटीना तत्वों पर, सिंगल- और डबल-लेयर मेटासर्फेस लगभग -13.68 डीबी और -14.78 डीबी का न्यूनतम अलगाव प्रदान करते हैं, और कॉपर बैकप्लेन मेटासर्फेस लगभग -15.5 डीबी प्रदान करता है।
एमएस परत के बिना और एमएस परत के साथ एमआईएमओ तत्वों के सिम्युलेटेड अलगाव वक्र: (ए) एस12, एस14, एस34 और एस32 और (बी) एस13 और एस24।
बिना और इसके साथ प्रस्तावित एमएस-आधारित एमआईएमओ एंटेना के प्रायोगिक लाभ वक्र: (ए) एस12, एस14, एस34 और एस32 और (बी) एस13 और एस24।
MS परत जोड़ने से पहले और बाद में MIMO विकर्ण एंटीना लाभ प्लॉट चित्र 16बी में दिखाए गए हैं। यह ध्यान देने योग्य है कि मेटासरफेस (एंटीना 1 और 3) के बिना विकर्ण एंटेना के बीच न्यूनतम अलगाव ऑपरेटिंग स्पेक्ट्रम में 15.6 डीबी है, और बैकप्लेन के साथ मेटासरफेस - 18 डीबी है। मेटासरफेस दृष्टिकोण विकर्ण एमआईएमओ एंटेना के बीच युग्मन प्रभाव को काफी कम कर देता है। सिंगल-लेयर मेटासरफेस के लिए अधिकतम इन्सुलेशन -37 डीबी है, जबकि डबल-लेयर मेटासरफेस के लिए यह मान -47 डीबी तक गिर जाता है। कॉपर बैकप्लेन के साथ मेटासतह का अधिकतम अलगाव −36.2 डीबी है, जो बढ़ती आवृत्ति रेंज के साथ घटता जाता है। बैकप्लेन के बिना सिंगल और डबल-लेयर मेटासर्फेस की तुलना में, बैकप्लेन वाले मेटासर्फेस संपूर्ण आवश्यक ऑपरेटिंग फ्रीक्वेंसी रेंज में बेहतर अलगाव प्रदान करते हैं, विशेष रूप से 6 गीगाहर्ट्ज से नीचे 5जी रेंज में, जैसा कि चित्र 16 ए, बी में दिखाया गया है। 6 गीगाहर्ट्ज (3.5 गीगाहर्ट्ज) से नीचे के सबसे लोकप्रिय और व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले 5जी बैंड में, सिंगल- और डुअल-लेयर मेटासर्फेस में कॉपर बैकप्लेन (लगभग कोई एमएस नहीं) वाले मेटासर्फेस की तुलना में एमआईएमओ घटकों के बीच कम अलगाव होता है (चित्रा 16 ए देखें), बी)। लाभ माप चित्र 17ए, बी में दिखाए गए हैं, जो क्रमशः आसन्न एंटेना (एस12, एस14, एस34 और एस32) और विकर्ण एंटेना (एस24 और एस13) के अलगाव को दर्शाते हैं। जैसा कि इन आंकड़ों (चित्र 17ए, बी) से देखा जा सकता है, एमआईएमओ घटकों के बीच प्रयोगात्मक अलगाव सिम्युलेटेड अलगाव से अच्छी तरह मेल खाता है। यद्यपि विनिर्माण दोष, एसएमए पोर्ट कनेक्शन और तार हानि के कारण सिम्युलेटेड और मापा सीएसटी मूल्यों के बीच मामूली अंतर हैं। इसके अलावा, एंटीना और एमएस रिफ्लेक्टर नायलॉन स्पेसर के बीच स्थित होते हैं, जो एक और मुद्दा है जो सिमुलेशन परिणामों की तुलना में देखे गए परिणामों को प्रभावित करता है।
सतह तरंग दमन42 के माध्यम से पारस्परिक युग्मन को कम करने में मेटासर्फेस की भूमिका को तर्कसंगत बनाने के लिए 5.5 गीगाहर्ट्ज़ पर सतह वर्तमान वितरण का अध्ययन किया गया। प्रस्तावित एमआईएमओ एंटीना का सतही वर्तमान वितरण चित्र 18 में दिखाया गया है, जहां एंटीना 1 संचालित होता है और बाकी एंटीना 50 ओम लोड के साथ समाप्त हो जाता है। जब एंटीना 1 सक्रिय होता है, तो मेटासर्फेस की अनुपस्थिति में 5.5 गीगाहर्ट्ज पर आसन्न एंटेना पर महत्वपूर्ण पारस्परिक युग्मन धाराएं दिखाई देंगी, जैसा कि चित्र 18 ए में दिखाया गया है। इसके विपरीत, मेटासर्फेस के उपयोग के माध्यम से, जैसा कि चित्र 18बी-डी में दिखाया गया है, आसन्न एंटेना के बीच अलगाव में सुधार होता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि आसन्न क्षेत्रों के आपसी युग्मन के प्रभाव को एंटीपैरल दिशाओं में एमएस परत के साथ यूनिट कोशिकाओं और आसन्न एमएस यूनिट कोशिकाओं के आसन्न रिंगों में युग्मन धारा को प्रसारित करके कम किया जा सकता है। वितरित एंटेना से एमएस इकाइयों में करंट इंजेक्ट करना एमआईएमओ घटकों के बीच अलगाव में सुधार के लिए एक महत्वपूर्ण तरीका है। परिणामस्वरूप, MIMO घटकों के बीच युग्मन धारा बहुत कम हो जाती है, और अलगाव में भी काफी सुधार होता है। क्योंकि युग्मन क्षेत्र को तत्व में व्यापक रूप से वितरित किया जाता है, कॉपर बैकप्लेन मेटासर्फेस एमआईएमओ एंटीना असेंबली को सिंगल और डबल-लेयर मेटासर्फेस (चित्रा 18 डी) से काफी अधिक अलग करता है। इसके अलावा, विकसित एमआईएमओ एंटीना में बहुत कम बैकप्रोपेगेशन और साइड प्रोपेगेशन है, जो एक यूनिडायरेक्शनल विकिरण पैटर्न उत्पन्न करता है, जिससे प्रस्तावित एमआईएमओ एंटीना का लाभ बढ़ जाता है।
5.5 गीगाहर्ट्ज़ पर प्रस्तावित एमआईएमओ एंटीना के सतही वर्तमान पैटर्न (ए) एमसी के बिना, (बी) सिंगल-लेयर एमसी, (सी) डबल-लेयर एमसी, और (डी) कॉपर बैकप्लेन के साथ सिंगल-लेयर एमसी। (सीएसटी स्टूडियो सुइट 2019)।
ऑपरेटिंग आवृत्ति के भीतर, चित्र 19ए मेटासर्फेस के बिना और उसके साथ डिज़ाइन किए गए एमआईएमओ एंटीना के सिम्युलेटेड और देखे गए लाभ को दर्शाता है। मेटासरफेस के बिना MIMO एंटीना का सिम्युलेटेड प्राप्त लाभ 5.4 dBi है, जैसा चित्र 19a में दिखाया गया है। MIMO घटकों के बीच पारस्परिक युग्मन प्रभाव के कारण, प्रस्तावित MIMO एंटीना वास्तव में एकल एंटीना की तुलना में 0.25 dBi अधिक लाभ प्राप्त करता है। मेटासर्फेस को जोड़ने से एमआईएमओ घटकों के बीच महत्वपूर्ण लाभ और अलगाव मिल सकता है। इस प्रकार, प्रस्तावित मेटासरफेस एमआईएमओ एंटीना 8.3 डीबीआई तक का उच्च वास्तविक लाभ प्राप्त कर सकता है। जैसा कि चित्र 19ए में दिखाया गया है, जब एमआईएमओ एंटीना के पीछे एकल मेटासतह का उपयोग किया जाता है, तो लाभ 1.4 डीबीआई बढ़ जाता है। जब मेटासतह दोगुनी हो जाती है, तो लाभ 2.1 डीबीआई बढ़ जाता है, जैसा चित्र 19ए में दिखाया गया है। हालाँकि, तांबे के बैकप्लेन के साथ मेटासरफेस का उपयोग करने पर 8.3 डीबीआई का अपेक्षित अधिकतम लाभ प्राप्त होता है। विशेष रूप से, सिंगल-लेयर और डबल-लेयर मेटासर्फेस के लिए अधिकतम प्राप्त लाभ क्रमशः 6.8 dBi और 7.5 dBi है, जबकि निचली-लेयर मेटासरफेस के लिए अधिकतम प्राप्त लाभ 8.3 dBi है। एंटीना के पीछे की तरफ मेटासर्फेस परत एक परावर्तक के रूप में कार्य करती है, जो एंटीना के पीछे की ओर से विकिरण को दर्शाती है और डिज़ाइन किए गए एमआईएमओ एंटीना के फ्रंट-टू-बैक (एफ/बी) अनुपात में सुधार करती है। इसके अलावा, उच्च-प्रतिबाधा एमएस परावर्तक चरण में विद्युत चुम्बकीय तरंगों में हेरफेर करता है, जिससे अतिरिक्त अनुनाद पैदा होता है और प्रस्तावित एमआईएमओ एंटीना के विकिरण प्रदर्शन में सुधार होता है। एमआईएमओ एंटीना के पीछे स्थापित एमएस रिफ्लेक्टर प्राप्त लाभ को काफी बढ़ा सकता है, जिसकी पुष्टि प्रयोगात्मक परिणामों से होती है। विकसित प्रोटोटाइप एमआईएमओ एंटीना के देखे गए और सिम्युलेटेड लाभ लगभग समान हैं, हालांकि, कुछ आवृत्तियों पर मापा गया लाभ सिम्युलेटेड लाभ से अधिक है, खासकर एमएस के बिना एमआईएमओ के लिए; प्रायोगिक लाभ में ये बदलाव नायलॉन पैड की माप सहनशीलता, केबल हानि और एंटीना प्रणाली में युग्मन के कारण हैं। मेटासरफेस के बिना एमआईएमओ एंटीना का अधिकतम मापा लाभ 5.8 डीबीआई है, जबकि तांबे के बैकप्लेन के साथ मेटासरफेस 8.5 डीबीआई है। यह ध्यान देने योग्य है कि एमएस रिफ्लेक्टर के साथ प्रस्तावित पूर्ण 4-पोर्ट एमआईएमओ एंटीना प्रणाली प्रयोगात्मक और संख्यात्मक स्थितियों के तहत उच्च लाभ प्रदर्शित करती है।
(ए) प्राप्त लाभ और (बी) मेटासरफेस प्रभाव के साथ प्रस्तावित एमआईएमओ एंटीना के समग्र प्रदर्शन का सिमुलेशन और प्रयोगात्मक परिणाम।
चित्र 19बी मेटासर्फेस रिफ्लेक्टर के बिना और उसके साथ प्रस्तावित एमआईएमओ प्रणाली के समग्र प्रदर्शन को दर्शाता है। चित्र 19बी में, बैकप्लेन के साथ एमएस का उपयोग करने वाली न्यूनतम दक्षता 73% से अधिक (84% से नीचे) थी। एमसी के बिना और एमसी के साथ विकसित एमआईएमओ एंटेना की समग्र दक्षता सिम्युलेटेड मूल्यों की तुलना में मामूली अंतर के साथ लगभग समान है। इसका कारण माप सहनशीलता और एंटीना और एमएस रिफ्लेक्टर के बीच स्पेसर का उपयोग है। संपूर्ण आवृत्ति में मापा गया लाभ और समग्र दक्षता लगभग सिमुलेशन परिणामों के समान है, जो दर्शाता है कि प्रस्तावित एमआईएमओ प्रोटोटाइप का प्रदर्शन अपेक्षित है और अनुशंसित एमएस-आधारित एमआईएमओ एंटीना 5जी संचार के लिए उपयुक्त है। प्रायोगिक अध्ययनों में त्रुटियों के कारण प्रयोगशाला प्रयोगों के समग्र परिणामों और सिमुलेशन के परिणामों के बीच अंतर मौजूद है। प्रस्तावित प्रोटोटाइप का प्रदर्शन एंटीना और एसएमए कनेक्टर के बीच प्रतिबाधा बेमेल, समाक्षीय केबल स्प्लिस हानि, सोल्डरिंग प्रभाव और प्रयोगात्मक सेटअप के लिए विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की निकटता से प्रभावित होता है।
चित्र 20 एक ब्लॉक आरेख के रूप में उक्त एंटीना के डिजाइन और अनुकूलन प्रगति का वर्णन करता है। यह ब्लॉक आरेख प्रस्तावित एमआईएमओ एंटीना डिजाइन सिद्धांतों के साथ-साथ उन मापदंडों का चरण-दर-चरण विवरण प्रदान करता है जो व्यापक ऑपरेटिंग आवृत्ति पर आवश्यक उच्च लाभ और उच्च अलगाव प्राप्त करने के लिए एंटीना को अनुकूलित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।
यूकेएम सैटिमो नियर-फील्ड सिस्टम प्रयोगशाला में सैटिमो नियर-फील्ड प्रायोगिक वातावरण में निकट-क्षेत्र एमआईएमओ एंटीना माप मापा गया था। चित्र 21ए,बी 5.5 गीगाहर्ट्ज की ऑपरेटिंग आवृत्ति पर एमएस के साथ और उसके बिना दावा किए गए एमआईएमओ एंटीना के अनुरूपित और देखे गए ई-प्लेन और एच-प्लेन विकिरण पैटर्न को दर्शाते हैं। 5.5 गीगाहर्ट्ज की ऑपरेटिंग आवृत्ति रेंज में, विकसित गैर-एमएस एमआईएमओ एंटीना साइड लोब मूल्यों के साथ एक सुसंगत द्विदिश विकिरण पैटर्न प्रदान करता है। एमएस रिफ्लेक्टर लगाने के बाद, एंटीना एक यूनिडायरेक्शनल विकिरण पैटर्न प्रदान करता है और बैक लोब के स्तर को कम करता है, जैसा कि चित्र 21 ए, बी में दिखाया गया है। यह ध्यान देने योग्य है कि तांबे के बैकप्लेन के साथ मेटासर्फेस का उपयोग करके, प्रस्तावित एमआईएमओ एंटीना पैटर्न एमएस के बिना बहुत कम बैक और साइड लोब के साथ अधिक स्थिर और यूनिडायरेक्शनल है। प्रस्तावित एमएम ऐरे रिफ्लेक्टर एंटीना के पीछे और साइड लोब को कम करता है और करंट को यूनिडायरेक्शनल दिशा में निर्देशित करके विकिरण विशेषताओं में भी सुधार करता है (चित्र 21 ए, बी), जिससे लाभ और प्रत्यक्षता बढ़ जाती है। मापा विकिरण पैटर्न पोर्ट 1 के लिए शेष बंदरगाहों से जुड़े 50 ओम लोड के साथ प्राप्त किया गया था। यह देखा गया कि प्रयोगात्मक विकिरण पैटर्न लगभग सीएसटी द्वारा सिम्युलेटेड के समान था, हालांकि घटक गलत संरेखण, टर्मिनल बंदरगाहों से प्रतिबिंब और केबल कनेक्शन में नुकसान के कारण कुछ विचलन थे। इसके अतिरिक्त, एंटीना और एमएस रिफ्लेक्टर के बीच एक नायलॉन स्पेसर डाला गया था, जो अनुमानित परिणामों की तुलना में देखे गए परिणामों को प्रभावित करने वाला एक और मुद्दा है।
5.5 गीगाहर्ट्ज की आवृत्ति पर विकसित एमआईएमओ एंटीना (एमएस के बिना और एमएस के साथ) के विकिरण पैटर्न का अनुकरण और परीक्षण किया गया था।
यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि एमआईएमओ सिस्टम के प्रदर्शन का मूल्यांकन करते समय पोर्ट अलगाव और इसकी संबंधित विशेषताएं आवश्यक हैं। प्रस्तावित एमआईएमओ प्रणाली के विविधता प्रदर्शन, जिसमें लिफाफा सहसंबंध गुणांक (ईसीसी) और विविधता लाभ (डीजी) शामिल हैं, की जांच डिज़ाइन की गई एमआईएमओ एंटीना प्रणाली की मजबूती को दर्शाने के लिए की जाती है। MIMO एंटीना के ECC और DG का उपयोग इसके प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए किया जा सकता है क्योंकि ये MIMO सिस्टम के प्रदर्शन के महत्वपूर्ण पहलू हैं। निम्नलिखित अनुभाग प्रस्तावित एमआईएमओ एंटीना की इन विशेषताओं का विवरण देंगे।
लिफाफा सहसंबंध गुणांक (ईसीसी)। किसी भी एमआईएमओ प्रणाली पर विचार करते समय, ईसीसी उस डिग्री को निर्धारित करता है जिस तक घटक तत्व अपने विशिष्ट गुणों के संबंध में एक दूसरे के साथ सहसंबद्ध होते हैं। इस प्रकार, ईसीसी एक वायरलेस संचार नेटवर्क में चैनल अलगाव की डिग्री को प्रदर्शित करता है। विकसित एमआईएमओ प्रणाली का ईसीसी (लिफाफा सहसंबंध गुणांक) एस-पैरामीटर और दूर-क्षेत्र उत्सर्जन के आधार पर निर्धारित किया जा सकता है। Eq से. (7) और (8) प्रस्तावित एमआईएमओ एंटीना 31 का ईसीसी निर्धारित किया जा सकता है।
परावर्तन गुणांक को Sii द्वारा दर्शाया जाता है और Sij संचरण गुणांक को दर्शाता है। जे-वें और आई-वें एंटेना के त्रि-आयामी विकिरण पैटर्न अभिव्यक्ति \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) और \( द्वारा दिए गए हैं। \vec {{R_{ i } }} ठोस कोण \left( {\theta ,\varphi } \right)\) और \({\Omega }\) द्वारा दर्शाया गया है। प्रस्तावित एंटीना का ईसीसी वक्र चित्र 22ए में दिखाया गया है और इसका मान 0.004 से कम है, जो वायरलेस सिस्टम के लिए स्वीकार्य मान 0.5 से काफी कम है। इसलिए, कम ईसीसी मूल्य का मतलब है कि प्रस्तावित 4-पोर्ट एमआईएमओ प्रणाली बेहतर विविधता43 प्रदान करती है।
डायवर्सिटी गेन (डीजी) डीजी एक अन्य एमआईएमओ सिस्टम प्रदर्शन मीट्रिक है जो बताता है कि विविधता योजना विकिरणित शक्ति को कैसे प्रभावित करती है। संबंध (9) विकसित किए जा रहे एमआईएमओ एंटीना सिस्टम के डीजी को निर्धारित करता है, जैसा कि 31 में वर्णित है।
चित्र 22बी प्रस्तावित एमआईएमओ प्रणाली का डीजी आरेख दिखाता है, जहां डीजी मान 10 डीबी के बहुत करीब है। डिज़ाइन किए गए MIMO सिस्टम के सभी एंटेना का DG मान 9.98 dB से अधिक है।
तालिका 1 प्रस्तावित मेटासरफेस एमआईएमओ एंटीना की तुलना हाल ही में विकसित समान एमआईएमओ सिस्टम से करती है। तुलना बैंडविड्थ, लाभ, अधिकतम अलगाव, समग्र दक्षता और विविधता प्रदर्शन सहित विभिन्न प्रदर्शन मापदंडों को ध्यान में रखती है। शोधकर्ताओं ने 5, 44, 45, 46, 47 में लाभ और अलगाव वृद्धि तकनीकों के साथ विभिन्न एमआईएमओ एंटीना प्रोटोटाइप प्रस्तुत किए हैं। पहले प्रकाशित कार्यों की तुलना में, मेटासरफेस रिफ्लेक्टर के साथ प्रस्तावित एमआईएमओ प्रणाली बैंडविड्थ, लाभ और अलगाव के मामले में उनसे बेहतर प्रदर्शन करती है। इसके अतिरिक्त, रिपोर्ट किए गए समान एंटेना की तुलना में, विकसित एमआईएमओ प्रणाली छोटे आकार में बेहतर विविधता प्रदर्शन और समग्र दक्षता प्रदर्शित करती है। हालाँकि धारा 5.46 में वर्णित एंटेना में हमारे प्रस्तावित एंटेना की तुलना में अधिक अलगाव है, ये एंटेना बड़े आकार, कम लाभ, संकीर्ण बैंडविड्थ और खराब एमआईएमओ प्रदर्शन से ग्रस्त हैं। 45 में प्रस्तावित 4-पोर्ट MIMO एंटीना उच्च लाभ और दक्षता प्रदर्शित करता है, लेकिन इसके डिज़ाइन में कम अलगाव, बड़े आकार और खराब विविधता प्रदर्शन है। दूसरी ओर, 47 में प्रस्तावित छोटे आकार के एंटीना सिस्टम में बहुत कम लाभ और ऑपरेटिंग बैंडविड्थ है, जबकि हमारा प्रस्तावित एमएस आधारित 4-पोर्ट एमआईएमओ सिस्टम छोटे आकार, उच्च लाभ, उच्च अलगाव और बेहतर प्रदर्शन एमआईएमओ प्रदर्शित करता है। इस प्रकार, प्रस्तावित मेटासरफेस एमआईएमओ एंटीना सब-6 गीगाहर्ट्ज 5जी संचार प्रणालियों के लिए एक प्रमुख दावेदार बन सकता है।
6 गीगाहर्ट्ज़ से नीचे 5जी अनुप्रयोगों का समर्थन करने के लिए उच्च लाभ और अलगाव के साथ एक चार-पोर्ट मेटासर्फेस रिफ्लेक्टर-आधारित वाइडबैंड एमआईएमओ एंटीना प्रस्तावित है। माइक्रोस्ट्रिप लाइन एक वर्गाकार विकिरण वाले खंड को पोषण देती है, जिसे विकर्ण कोनों पर एक वर्ग द्वारा छोटा कर दिया जाता है। उच्च गति 5जी संचार प्रणालियों में उत्कृष्ट प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए प्रस्तावित एमएस और एंटीना एमिटर को रोजर्स आरटी5880 के समान सब्सट्रेट सामग्री पर लागू किया गया है। एमआईएमओ एंटीना में विस्तृत रेंज और उच्च लाभ है, और एमआईएमओ घटकों और उत्कृष्ट दक्षता के बीच ध्वनि अलगाव प्रदान करता है। विकसित एकल एंटीना का लघु आयाम 0.58?0.58?0.02? 5×5 मेटासरफेस ऐरे के साथ, एक विस्तृत 4.56 गीगाहर्ट्ज़ ऑपरेटिंग बैंडविड्थ, 8 डीबीआई पीक गेन और बेहतर मापी गई दक्षता प्रदान करता है। प्रस्तावित चार-पोर्ट MIMO एंटीना (2 × 2 सरणी) को 1.05λ × 1.05λ × 0.02λ के आयामों के साथ प्रत्येक प्रस्तावित एकल एंटीना को दूसरे एंटीना के साथ ऑर्थोगोनली संरेखित करके डिज़ाइन किया गया है। 12 मिमी ऊंचे एमआईएमओ एंटीना के तहत 10×10 एमएम सरणी को इकट्ठा करने की सिफारिश की जाती है, जो बैक-रेडिएशन को कम कर सकता है और एमआईएमओ घटकों के बीच आपसी युग्मन को कम कर सकता है, जिससे लाभ और अलगाव में सुधार होता है। प्रायोगिक और सिमुलेशन परिणाम बताते हैं कि विकसित एमआईएमओ प्रोटोटाइप 3.08-7.75 गीगाहर्ट्ज की विस्तृत आवृत्ति रेंज में काम कर सकता है, जो 6 गीगाहर्ट्ज से नीचे 5जी स्पेक्ट्रम को कवर करता है। इसके अलावा, प्रस्तावित MS-आधारित MIMO एंटीना अपने लाभ को 2.9 dBi तक सुधारता है, जिससे 8.3 dBi का अधिकतम लाभ प्राप्त होता है, और MS के योगदान को मान्य करते हुए MIMO घटकों के बीच उत्कृष्ट अलगाव (>15.5 dB) प्रदान करता है। इसके अलावा, प्रस्तावित एमआईएमओ एंटीना की उच्च औसत समग्र दक्षता 82% और कम अंतर-तत्व दूरी 22 मिमी है। एंटीना बहुत उच्च डीजी (9.98 डीबी से अधिक), बहुत कम ईसीसी (0.004 से कम) और यूनिडायरेक्शनल विकिरण पैटर्न सहित उत्कृष्ट एमआईएमओ विविधता प्रदर्शन प्रदर्शित करता है। माप परिणाम सिमुलेशन परिणामों के बहुत समान हैं। ये विशेषताएँ पुष्टि करती हैं कि विकसित चार-पोर्ट MIMO एंटीना प्रणाली उप-6 गीगाहर्ट्ज आवृत्ति रेंज में 5G संचार प्रणालियों के लिए एक व्यवहार्य विकल्प हो सकती है।
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