لافتة الأخبار

أخبار

استخدام الأسطح الفوقية لتحسين كسب وعزل هوائيات PCB عريضة النطاق لأنظمة اتصالات 5G تحت 6 جيجاهرتز

هوائي ثنائي الفينيل متعدد الكلور (1)

يقترح هذا العمل هوائيًا مدمجًا مدمجًا متعدد المدخلات ومتعدد المخرجات (MIMO) ذو سطح عريض (MS) لأنظمة الاتصالات اللاسلكية من الجيل الخامس (5G) دون 6 جيجاهرتز. إن الحداثة الواضحة لنظام MIMO المقترح هو عرض نطاق التشغيل الواسع، والكسب العالي، والخلوصات الصغيرة بين المكونات، والعزلة الممتازة داخل مكونات MIMO. يتم اقتطاع نقطة إشعاع الهوائي قطريًا، وتأريضها جزئيًا، ويتم استخدام الأسطح الفوقية لتحسين أداء الهوائي. يحتوي النموذج الأولي المقترح لهوائي MS الفردي المتكامل على أبعاد مصغرة تبلغ 0.58  × 0.58  × 0.02 . تظهر نتائج المحاكاة والقياس أداء النطاق العريض من 3.11 جيجا هرتز إلى 7.67 جيجا هرتز، بما في ذلك أعلى كسب تم تحقيقه وهو 8 ديسيبل. تم تصميم نظام MIMO المكون من أربعة عناصر بحيث يكون كل هوائي متعامدًا مع بعضها البعض مع الحفاظ على الحجم الصغير وأداء النطاق العريض من 3.2 إلى 7.6 جيجا هرتز. تم تصميم نموذج MIMO الأولي المقترح وتصنيعه على ركيزة Rogers RT5880 مع خسارة منخفضة وأبعاد مصغرة تبلغ 1.05؟ 1.05؟ 0.02 درجة مئوية، ويتم تقييم أدائها باستخدام مصفوفة مرنان ذات حلقة مغلقة مربعة مقترحة مع حلقة منقسمة مقاس 10 × 10. المادة الأساسية هي نفسها. تعمل الواجهة السطحية المقترحة للوحة الإلكترونية المعززة على تقليل الإشعاع الخلفي للهوائي بشكل كبير ومعالجة المجالات الكهرومغناطيسية، وبالتالي تحسين عرض النطاق الترددي والكسب وعزل مكونات MIMO. بالمقارنة مع هوائيات MIMO الحالية، يحقق هوائي MIMO المقترح ذو 4 منافذ مكاسب عالية تبلغ 8.3 ديسيبل مع متوسط ​​كفاءة إجمالية تصل إلى 82% في نطاق 5G sub-6 جيجا هرتز ويتوافق جيدًا مع النتائج المقاسة. علاوة على ذلك، يُظهر هوائي MIMO المطور أداءً ممتازًا من حيث معامل ارتباط الغلاف (ECC) الذي يقل عن 0.004 وكسب التنوع (DG) بحوالي 10 ديسيبل (> 9.98 ديسيبل) والعزل العالي بين مكونات MIMO (> 15.5 ديسيبل). صفات. وبالتالي، يؤكد هوائي MIMO المقترح القائم على MS إمكانية تطبيقه على شبكات الاتصالات 5G تحت التردد 6 جيجا هرتز.
تعد تقنية 5G تقدمًا مذهلاً في الاتصالات اللاسلكية من شأنها تمكين شبكات أسرع وأكثر أمانًا لمليارات الأجهزة المتصلة، وتوفير تجارب المستخدم مع زمن الوصول "صفر" (زمن الاستجابة أقل من 1 مللي ثانية)، وإدخال تقنيات جديدة، بما في ذلك الإلكترونيات. الرعاية الطبية والتعليم الفكري. والمدن الذكية والمنازل الذكية والواقع الافتراضي (VR) والمصانع الذكية وإنترنت المركبات (IoV) تغير حياتنا ومجتمعنا وصناعاتنا1،2،3. تقسم لجنة الاتصالات الفيدرالية الأمريكية (FCC) طيف الجيل الخامس إلى أربعة نطاقات تردد. يعد نطاق التردد الأقل من 6 جيجا هرتز محل اهتمام الباحثين لأنه يسمح بالاتصالات لمسافات طويلة بمعدلات بيانات عالية . يظهر الشكل 1 تخصيص طيف 5G دون 6 جيجا هرتز لاتصالات 5G العالمية، مما يشير إلى أن جميع البلدان تفكر في طيف دون 6 جيجا هرتز لاتصالات 5G. تعد الهوائيات جزءًا مهمًا من شبكات الجيل الخامس وستتطلب المزيد من هوائيات المحطة الأساسية ومحطة المستخدم.
تتمتع هوائيات التصحيح Microstrip بمزايا النحافة والبنية المسطحة، ولكنها محدودة في عرض النطاق الترددي والكسب9،10، وقد تم إجراء الكثير من الأبحاث لزيادة كسب وعرض النطاق الترددي للهوائي؛ في السنوات الأخيرة، تم استخدام الأسطح الفوقية (MS) على نطاق واسع في تقنيات الهوائي، خاصة لتحسين الكسب والإنتاجية، ومع ذلك، تقتصر هذه الهوائيات على منفذ واحد؛ تعد تقنية MIMO جانبًا مهمًا للاتصالات اللاسلكية لأنها يمكنها استخدام هوائيات متعددة في وقت واحد لنقل البيانات، وبالتالي تحسين معدلات البيانات والكفاءة الطيفية وسعة القناة والموثوقية . تعتبر هوائيات MIMO مرشحة محتملة لتطبيقات 5G لأنها تستطيع إرسال واستقبال البيانات عبر قنوات متعددة دون الحاجة إلى طاقة إضافية. يعتمد تأثير الاقتران المتبادل بين مكونات MIMO على موقع عناصر MIMO وكسب هوائي MIMO، وهو ما يمثل تحديًا كبيرًا للباحثين. تُظهر الأشكال 18 و19 و20 هوائيات MIMO المختلفة التي تعمل في نطاق 5G دون 6 جيجاهرتز، وكلها تُظهر عزل وأداء MIMO جيد. ومع ذلك، فإن الكسب وعرض النطاق الترددي التشغيلي لهذه الأنظمة المقترحة منخفض.
المواد الخارقة (MMs) هي مواد جديدة غير موجودة في الطبيعة ويمكنها التعامل مع الموجات الكهرومغناطيسية، وبالتالي تحسين أداء الهوائيات . يستخدم MM الآن على نطاق واسع في تكنولوجيا الهوائي لتحسين نمط الإشعاع وعرض النطاق الترددي والكسب والعزل بين عناصر الهوائي وأنظمة الاتصالات اللاسلكية، كما تمت مناقشته في 25، 26، 27، 28. في عام 2029، تم إنشاء نظام MIMO مكون من أربعة عناصر يعتمد على السطح العلوي، حيث يقع قسم الهوائي بين السطح العلوي والأرض دون وجود فجوة هوائية، مما يحسن أداء MIMO. ومع ذلك، فإن هذا التصميم له حجم أكبر، وتكرار تشغيل أقل، وبنية معقدة. يتم تضمين فجوة النطاق الكهرومغناطيسي (EBG) والحلقة الأرضية في هوائي MIMO عريض النطاق المقترح بمنفذين لتحسين عزل مكونات MIMO30. يتمتع الهوائي المصمم بأداء تنوع MIMO جيد وعزل ممتاز بين هوائيين MIMO، ولكن باستخدام مكونين MIMO فقط، سيكون الكسب منخفضًا. بالإضافة إلى ذلك، اقترحت in31 أيضًا هوائي MIMO ثنائي المنفذ واسع النطاق (UWB) وتحققت من أداء MIMO الخاص به باستخدام المواد الوصفية. وعلى الرغم من أن هذا الهوائي قادر على تشغيل UWB، إلا أن كسبه منخفض والعزل بين الهوائيين ضعيف. يقترح العمل في 32 نظام MIMO ثنائي المنفذ يستخدم عاكسات فجوة النطاق الكهرومغناطيسية (EBG) لزيادة الكسب. على الرغم من أن مجموعة الهوائيات المطورة تتمتع بكسب عالي وأداء جيد لتنوع MIMO، إلا أن حجمها الكبير يجعل من الصعب تطبيقها في أجهزة اتصالات الجيل التالي. تم تطوير هوائي واسع النطاق آخر قائم على العاكس في عام 33، حيث تم دمج العاكس تحت الهوائي مع فجوة أكبر تبلغ 22 مم، مما يُظهر كسب ذروة أقل قدره 4.87 ديسيبل. تصمم الورقة 34 هوائي MIMO بأربعة منافذ لتطبيقات mmWave، وهو مدمج مع طبقة MS لتحسين عزل نظام MIMO وكسبه. ومع ذلك، يوفر هذا الهوائي كسبًا وعزلًا جيدًا، لكن عرض النطاق الترددي محدود وخصائص ميكانيكية سيئة بسبب الفجوة الهوائية الكبيرة. وبالمثل، في عام 2015، تم تطوير هوائي MIMO مكون من ثلاثة أزواج وأربعة منافذ على شكل ربطة عنق على شكل ربطة عنق لاتصالات mmWave مع أقصى كسب يبلغ 7.4 ديسيبل. يتم استخدام B36 MS على الجانب الخلفي لهوائي 5G لزيادة كسب الهوائي، حيث تعمل الواجهة المعدنية كعاكس. ومع ذلك، فإن بنية مرض التصلب العصبي المتعدد غير متماثلة وتم إيلاء اهتمام أقل لبنية خلية الوحدة.
وفقًا لنتائج التحليل المذكورة أعلاه، لا يتمتع أي من الهوائيات المذكورة أعلاه بكسب عالي وعزل ممتاز وأداء MIMO وتغطية النطاق العريض. لذلك، لا تزال هناك حاجة إلى هوائي MIMO ذو سطح خارق يمكنه تغطية نطاق واسع من ترددات طيف 5G أقل من 6 جيجا هرتز مع كسب وعزل عاليين. وبالنظر إلى القيود المفروضة على الأدبيات المذكورة أعلاه، يُقترح نظام هوائي MIMO عريض النطاق بأربعة عناصر مع مكاسب عالية وأداء تنوع ممتاز لأنظمة الاتصالات اللاسلكية دون 6 جيجاهرتز. بالإضافة إلى ذلك، يُظهر هوائي MIMO المقترح عزلًا ممتازًا بين مكونات MIMO، وفجوات العناصر الصغيرة، وكفاءة الإشعاع العالية. يتم اقتطاع رقعة الهوائي قطريًا ووضعها أعلى السطح العلوي مع فجوة هوائية تبلغ 12 مم، مما يعكس الإشعاع الخلفي من الهوائي ويحسن كسب الهوائي واتجاهه. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام الهوائي الفردي المقترح لإنشاء هوائي MIMO مكون من أربعة عناصر مع أداء MIMO فائق من خلال وضع كل هوائي بشكل متعامد مع بعضها البعض. تم بعد ذلك دمج هوائي MIMO المطور أعلى مصفوفة 10 × 10 MS مع لوحة الكترونية معززة نحاسية لتحسين أداء الانبعاثات. يتميز التصميم بنطاق تشغيل واسع (3.08-7.75 جيجا هرتز)، وكسب عالي يبلغ 8.3 ديسيبل ومتوسط ​​كفاءة إجمالية عالية يبلغ 82%، بالإضافة إلى عزل ممتاز أكبر من -15.5 ديسيبل بين مكونات هوائي MIMO. تمت محاكاة هوائي MIMO المطور القائم على MS باستخدام حزمة البرامج الكهرومغناطيسية ثلاثية الأبعاد CST Studio 2019 وتم التحقق من صحتها من خلال الدراسات التجريبية.
يقدم هذا القسم مقدمة تفصيلية للهندسة المعمارية المقترحة ومنهجية تصميم الهوائي الواحد. بالإضافة إلى ذلك، تمت مناقشة النتائج المحاكاة والمرصودة بالتفصيل، بما في ذلك معلمات التشتت والكسب والكفاءة الإجمالية مع وبدون الأسطح الوصفية. تم تطوير النموذج الأولي للهوائي على ركيزة عازلة منخفضة الفقد من طراز Rogers 5880 بسمك 1.575 مم مع ثابت عازل يبلغ 2.2. لتطوير ومحاكاة التصميم تم استخدام حزمة المحاكاة الكهرومغناطيسية CST studio 2019.
ويبين الشكل 2 البنية المقترحة ونموذج التصميم للهوائي أحادي العنصر. وفقًا للمعادلات الرياضية الراسخة، يتكون الهوائي من بقعة مشعة مربعة يتم تغذيتها خطيًا ومستوى أرضي نحاسي (كما هو موضح في الخطوة 1) ويتردد صداه مع عرض نطاق ضيق جدًا عند 10.8 جيجا هرتز، كما هو موضح في الشكل 3ب. يتم تحديد الحجم الأولي لمشعاع الهوائي من خلال العلاقة الرياضية التالية:
حيث \(P_{L}\) و\(P_{w}\) هما طول الرقعة وعرضها، وتمثل c سرعة الضوء، و\(\gamma_{r}\) هو ثابت العزل الكهربائي للركيزة . ، يمثل \(\gamma_{ref }\) القيمة العازلة الفعالة لبقعة الإشعاع، ويمثل \(\Delta L\) التغير في طول البقعة. تم تحسين لوحة الهوائي المعززة في المرحلة الثانية، مما أدى إلى زيادة عرض نطاق المعاوقة على الرغم من عرض نطاق المعاوقة المنخفض للغاية والذي يبلغ 10 ديسيبل. في المرحلة الثالثة، يتم نقل موضع وحدة التغذية إلى اليمين، مما يحسن عرض نطاق المعاوقة ومطابقة المعاوقة للهوائي المقترح. في هذه المرحلة، يُظهر الهوائي نطاقًا تردديًا تشغيليًا ممتازًا يبلغ 4 جيجا هرتز ويغطي أيضًا الطيف أقل من 6 جيجا هرتز في 5G. تتضمن المرحلة الرابعة والأخيرة حفر أخاديد مربعة في الزوايا المقابلة لبقعة الإشعاع. تعمل هذه الفتحة على توسيع عرض النطاق الترددي 4.56 جيجا هرتز بشكل كبير لتغطية طيف 5G دون 6 جيجا هرتز من 3.11 جيجا هرتز إلى 7.67 جيجا هرتز، كما هو موضح في الشكل 3 ب. يظهر الشكل 3أ طرق عرض المنظور الأمامي والسفلي للتصميم المقترح، ومعلمات التصميم المطلوبة النهائية المحسنة هي كما يلي: SL = 40 مم، Pw = 18 مم، PL = 18 مم، gL = 12 مم، fL = 11. مم، fW = 4.7 مم، c1 = 2 مم، c2 = 9.65 مم، c3 = 1.65 مم.
(أ) المنظر العلوي والخلفي للهوائي الفردي المصمم (CST STUDIO SUITE 2019). ( ب ) منحنى المعلمة S.
Metasurface هو مصطلح يشير إلى مجموعة دورية من خلايا الوحدة الموجودة على مسافة معينة من بعضها البعض. تعد الأسطح الوصفية طريقة فعالة لتحسين أداء إشعاع الهوائي، بما في ذلك عرض النطاق الترددي والكسب والعزل بين مكونات MIMO. نظرًا لتأثير انتشار الموجات السطحية، تولد الأسطح الفوقية أصداء إضافية تساهم في تحسين أداء الهوائي. يقترح هذا العمل وحدة مادة إبسيلون سلبية (MM) تعمل في نطاق 5G أقل من 6 جيجا هرتز. تم تطوير MM بمساحة سطحية تبلغ 8 مم × 8 مم على ركيزة منخفضة الخسارة من طراز Rogers 5880 مع ثابت عازل يبلغ 2.2 وسمك 1.575 مم. تتكون رقعة مرنان MM المحسنة من حلقة انقسام دائرية داخلية متصلة بحلقتين منقسمتين خارجيتين معدلتين، كما هو موضح في الشكل 4 أ. يلخص الشكل 4 أ المعلمات النهائية المحسنة لإعداد MM المقترح. بعد ذلك، تم تطوير طبقات سطحية مقاس 40 × 40 مم و80 × 80 مم بدون لوحة معززة نحاسية ومع لوحة معززة نحاسية باستخدام صفائف خلايا 5 × 5 و10 × 10، على التوالي. تم تصميم هيكل MM المقترح باستخدام برنامج النمذجة الكهرومغناطيسية ثلاثي الأبعاد "CST studio suite 2019". يظهر في الشكل 4 ب نموذج أولي ملفق لهيكل صفيف MM المقترح وإعداد القياس (محلل شبكة ثنائي المنفذ PNA ومنفذ الدليل الموجي) للتحقق من صحة نتائج محاكاة CST من خلال تحليل الاستجابة الفعلية. استخدم إعداد القياس محلل شبكة من سلسلة Agilent PNA مع محولين محوريين للدليل الموجي (A-INFOMW، رقم الجزء: 187WCAS) لإرسال واستقبال الإشارات. تم وضع نموذج أولي 5 × 5 بين محولين محوريين للدليل الموجي متصلين بواسطة كبل متحد المحور بمحلل شبكة ثنائي المنفذ (Agilent PNA N5227A). يتم استخدام مجموعة المعايرة Agilent N4694-60001 لمعايرة محلل الشبكة في مصنع تجريبي. تظهر في الشكل 5 أ معلمات التشتت المحاكاة وملاحظة CST لمجموعة MM النموذجية المقترحة. يمكن ملاحظة أن هيكل MM المقترح له صدى في نطاق تردد 5G أقل من 6 جيجا هرتز. وعلى الرغم من الاختلاف البسيط في عرض النطاق الترددي البالغ 10 ديسيبل، فإن النتائج المحاكاة والتجريبية متشابهة جدًا. يختلف تردد الرنين وعرض النطاق الترددي وسعة الرنين المرصود قليلاً عن تلك المحاكاة، كما هو مبين في الشكل 5أ. ترجع هذه الاختلافات بين النتائج المرصودة والمحاكاة إلى عيوب التصنيع، والخلوصات الصغيرة بين النموذج الأولي ومنافذ الدليل الموجي، وتأثيرات الاقتران بين منافذ الدليل الموجي ومكونات الصفيف، وتفاوتات القياس. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الموضع الصحيح للنموذج الأولي المطور بين منافذ الدليل الموجي في الإعداد التجريبي قد يؤدي إلى تحول الرنين. بالإضافة إلى ذلك، لوحظت ضوضاء غير مرغوب فيها أثناء مرحلة المعايرة، مما أدى إلى اختلافات بين النتائج الرقمية والنتائج المقاسة. ومع ذلك، وبصرف النظر عن هذه الصعوبات، فإن النموذج الأولي لصفيف MM المقترح يعمل بشكل جيد بسبب الارتباط القوي بين المحاكاة والتجربة، مما يجعله مناسبًا تمامًا لتطبيقات الاتصالات اللاسلكية دون 6 جيجا هرتز 5G.
(أ) هندسة خلية الوحدة (S1 = 8 مم، S2 = 7 مم، S3 = 5 مم، f1، f2، f4 = 0.5 مم، f3 = 0.75 مم، h1 = 0.5 مم، h2 = 1.75 مم) (CST جناح الاستوديو)) ) 2019) (ب) صورة لإعداد قياس MM.
( أ ) المحاكاة والتحقق من منحنيات معلمة التشتت للنموذج الأولي للمادة الفوقية. ( ب ) منحنى ثابت العزل الكهربائي لخلية وحدة MM.
تمت دراسة المعلمات الفعالة ذات الصلة مثل ثابت العزل الكهربائي الفعال والنفاذية المغناطيسية ومعامل الانكسار باستخدام تقنيات ما بعد المعالجة المضمنة في جهاز محاكاة الكهرومغناطيسي CST لمزيد من تحليل سلوك خلية وحدة MM. يتم الحصول على معلمات MM الفعالة من معلمات التشتت باستخدام طريقة إعادة بناء قوية. يمكن استخدام معادلات معامل النفاذية والانعكاس التالية: (3) و(4) لتحديد معامل الانكسار والممانعة (انظر 40).
يتم تمثيل الأجزاء الحقيقية والتخيلية للمشغل بواسطة (.)' و (.)' على التوالي، وقيمة العدد الصحيح m تتوافق مع معامل الانكسار الحقيقي. يتم تحديد ثابت العزل الكهربائي والنفاذية بواسطة الصيغ \(\varepsilon { } = { }n/z,\) و ​​\(\mu = nz\)، والتي تعتمد على المعاوقة ومعامل الانكسار، على التوالي. يظهر منحنى ثابت العزل الكهربائي الفعال لهيكل MM في الشكل 5 ب. عند تردد الرنين، يكون ثابت العزل الكهربائي سالبًا. توضح الأشكال 6 أ، ب القيم المستخرجة للنفاذية الفعالة (μ) ومعامل الانكسار الفعال (n) لخلية الوحدة المقترحة. والجدير بالذكر أن النفاذية المستخرجة تظهر قيمًا حقيقية موجبة قريبة من الصفر، مما يؤكد خصائص إبسيلون السالبة (ENG) لهيكل MM المقترح. علاوة على ذلك، كما هو مبين في الشكل 6أ، يرتبط الرنين عند النفاذية القريبة من الصفر ارتباطًا وثيقًا بتردد الرنين. تحتوي خلية الوحدة المطورة على معامل انكسار سلبي (الشكل 6 ب)، مما يعني أنه يمكن استخدام MM المقترح لتحسين أداء الهوائي .
تم تصنيع النموذج الأولي المطوَّر لهوائي واحد عريض النطاق لاختبار التصميم المقترح تجريبيًا. تُظهر الأشكال 7 أ، ب صورًا للهوائي الفردي النموذجي المقترح وأجزائه الهيكلية وإعداد قياس المجال القريب (SATIMO). لتحسين أداء الهوائي، يتم وضع السطح العلوي المطور في طبقات أسفل الهوائي، كما هو موضح في الشكل 8أ، بارتفاع h. تم تطبيق سطح معدني مزدوج الطبقة مقاس 40 مم × 40 مم على الجزء الخلفي من الهوائي الفردي بفواصل زمنية تبلغ 12 مم. بالإضافة إلى ذلك، يتم وضع سطح خارجي مزود بلوحة الكترونية معززة على الجانب الخلفي للهوائي الفردي على مسافة 12 ملم. بعد تطبيق السطح العلوي، يُظهر الهوائي الفردي تحسنًا كبيرًا في الأداء، كما هو موضح في الشكلين 1 و2. الشكلان 8 و9. يوضح الشكل 8 ب مخططات الانعكاس المحاكية والمقاسة للهوائي الفردي بدون الأسطح الفوقية ومعها. تجدر الإشارة إلى أن نطاق تغطية الهوائي ذي السطح العلوي يشبه إلى حد كبير نطاق تغطية الهوائي بدون سطح فوقي. وتبين الأشكال 9 أ، ب مقارنة بين كسب الهوائي الوحيد المحاكى والمرصود والكفاءة الإجمالية بدون الخدمة المتنقلة ومعها في طيف التشغيل. ويمكن ملاحظة أنه، مقارنةً بالهوائي غير السطحي، تم تحسين كسب هوائي السطح السطحي بشكل ملحوظ، حيث زاد من 5.15 ديسيبل إلى 8 ديسيبل. زاد كسب السطح العلوي أحادي الطبقة، والسطح العلوي ثنائي الطبقة، والهوائي الفردي مع السطح العلوي للوحة الكترونية معززة بمقدار 6 ديسيبل و6.9 ديسيبل و8 ديسيبل على التوالي. بالمقارنة مع الأسطح الوصفية الأخرى (MCs أحادية الطبقة ومزدوجة الطبقة)، فإن كسب هوائي سطحي واحد مع لوحة الكترونية معززة نحاسية يصل إلى 8 ديسيبل. في هذه الحالة، يعمل السطح العلوي كعاكس، مما يقلل من الإشعاع الخلفي للهوائي ويتلاعب بالموجات الكهرومغناطيسية في الطور، وبالتالي يزيد من كفاءة إشعاع الهوائي وبالتالي الكسب. يظهر الشكل 9 ب دراسة الكفاءة الإجمالية لهوائي واحد بدون الأسطح الفوقية ومعها. ومن الجدير بالذكر أن كفاءة الهوائي مع وبدون سطح فوقي هي نفسها تقريبًا. وفي نطاق التردد الأدنى، تنخفض كفاءة الهوائي قليلاً. تتوافق منحنيات الكسب والكفاءة التجريبية والمحاكاة بشكل جيد. ومع ذلك، هناك اختلافات طفيفة بين نتائج المحاكاة والمختبرة بسبب عيوب التصنيع، وتفاوتات القياس، وفقدان اتصال منفذ SMA، وفقدان الأسلاك. بالإضافة إلى ذلك، يقع الهوائي وعاكس MS بين فواصل النايلون، وهي مشكلة أخرى تؤثر على النتائج المرصودة مقارنة بنتائج المحاكاة.
يوضح الشكل (أ) الهوائي الفردي المكتمل والمكونات المرتبطة به. ( ب ) إعداد قياس المجال القريب (SATIMO).
(أ) إثارة الهوائي باستخدام عاكسات السطح العلوي (CST STUDIO SUITE 2019). ( ب ) الانعكاسات المحاكاة والتجريبية لهوائي واحد بدون MS ومعها.
نتائج المحاكاة والقياس لـ (أ) الكسب المحقق و (ب) الكفاءة الإجمالية لهوائي تأثير السطح العلوي المقترح.
تحليل نمط الشعاع باستخدام MS. تم إجراء قياسات المجال القريب لهوائي واحد في البيئة التجريبية للمجال القريب SATIMO التابعة لمختبر أنظمة المجال القريب UKM SATIMO. يوضح الشكلان 10 أ، ب مخططات إشعاع المستوي E والمستوى H المحاكاة والمرصودة عند التردد 5,5 جيجاهرتز للهوائي الفردي المقترح مع الخدمة المتنقلة أو بدونها. يوفر الهوائي الوحيد المطور (بدون MS) مخطط إشعاع ثنائي الاتجاه متسق مع قيم الفص الجانبي. بعد تطبيق عاكس MS المقترح، يوفر الهوائي نمط إشعاع أحادي الاتجاه ويقلل مستوى الفصوص الخلفية، كما هو موضح في الأشكال 10أ، ب. تجدر الإشارة إلى أن مخطط إشعاع الهوائي الفردي المقترح أكثر استقرارًا وأحادي الاتجاه مع فصوص خلفية وجانبية منخفضة جدًا عند استخدام سطح فوقي مع لوحة الكترونية معززة نحاسية. يعمل عاكس صفيف MM المقترح على تقليل الفصوص الخلفية والجانبية للهوائي مع تحسين أداء الإشعاع عن طريق توجيه التيار في اتجاهات أحادية الاتجاه (الشكل 10 أ، ب)، وبالتالي زيادة الكسب والاتجاه. وقد لوحظ أن نمط الإشعاع التجريبي كان مشابهًا تقريبًا لنمط عمليات محاكاة CST، ولكنه اختلف قليلاً بسبب اختلال المكونات المجمعة المختلفة، وتفاوتات القياس، وفقدان الكابلات. بالإضافة إلى ذلك، تم إدخال فاصل من النايلون بين الهوائي وعاكس MS، وهي مشكلة أخرى تؤثر على النتائج المرصودة مقارنة بالنتائج الرقمية.
تمت محاكاة واختبار مخطط الإشعاع للهوائي الوحيد المطور (بدون MS ومع MS) بتردد 5,5 جيجا هرتز.
تظهر هندسة هوائي MIMO المقترحة في الشكل 11 وتتضمن أربعة هوائيات فردية. يتم ترتيب المكونات الأربعة لهوائي MIMO بشكل متعامد مع بعضها البعض على ركيزة بأبعاد 80 × 80 × 1.575 مم، كما هو موضح في الشكل 11. يحتوي هوائي MIMO المصمم على مسافة بين العناصر تبلغ 22 مم، وهي أصغر من المسافة بين العناصر أقرب مسافة مقابلة بين عناصر الهوائي. تم تطوير هوائي MIMO. بالإضافة إلى ذلك، يقع جزء من المستوى الأرضي بنفس طريقة وجود هوائي واحد. تظهر قيم الانعكاس لهوائيات MIMO (S11 وS22 وS33 وS44) الموضحة في الشكل 12أ نفس سلوك هوائي أحادي العنصر يتردد في النطاق 3.2-7.6 جيجا هرتز. ولذلك، فإن عرض نطاق المعاوقة لهوائي MIMO هو تمامًا نفس عرض النطاق الترددي لهوائي واحد. يعد تأثير الاقتران بين مكونات MIMO هو السبب الرئيسي لفقدان النطاق الترددي الصغير لهوائيات MIMO. ويبين الشكل 12ب تأثير التوصيل البيني على مكونات MIMO، حيث تم تحديد العزل الأمثل بين مكونات MIMO. العزل بين الهوائيات 1 و 2 هو الأدنى بحوالي -13.6 ديسيبل، والعزل بين الهوائيات 1 و 4 هو الأعلى بحوالي -30.4 ديسيبل. نظرًا لصغر حجمه وعرض النطاق الترددي الأوسع، يتمتع هوائي MIMO هذا بكسب أقل وإنتاجية أقل. العزل منخفض، لذا يلزم زيادة التعزيز والعزل؛
آلية تصميم هوائي MIMO المقترح (أ) العرض العلوي و (ب) المستوى الأرضي. (جناح استوديو CST 2019).
يظهر الشكل 13 أ الترتيب الهندسي وطريقة الإثارة لهوائي MIMO المقترح للسطح العلوي. تم تصميم مصفوفة مقاس 10 × 10 مم بأبعاد 80 × 80 × 1.575 مم للجانب الخلفي لهوائي MIMO بارتفاع 12 مم، كما هو موضح في الشكل 13أ. بالإضافة إلى ذلك، تم تصميم الأسطح المعدنية ذات اللوحات الخلفية النحاسية للاستخدام في هوائيات MIMO لتحسين أدائها. تعد المسافة بين السطح العلوي وهوائي MIMO أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق مكاسب عالية مع السماح بالتداخل البناء بين الموجات الناتجة عن الهوائي وتلك المنعكسة من السطح العلوي. تم إجراء نمذجة واسعة النطاق لتحسين الارتفاع بين الهوائي والسطح العلوي مع الحفاظ على معايير ربع الموجة لتحقيق أقصى قدر من الكسب والعزل بين عناصر MIMO. سيتم توضيح التحسينات الكبيرة في أداء هوائي MIMO التي تم تحقيقها باستخدام الأسطح الفوقية ذات اللوحات الإلكترونية المعززة مقارنة بالأسطح الفوقية بدون اللوحات الإلكترونية المعززة في الفصول اللاحقة.
(أ) إعداد محاكاة CST لهوائي MIMO المقترح باستخدام MS (CST STUDIO SUITE 2019)، (ب) منحنيات الانعكاس لنظام MIMO المطور بدون MS ومع MS.
يظهر الشكل 13ب انعكاسات هوائيات MIMO ذات الأسطح الفوقية وبدونها، حيث يتم عرض S11 وS44 نظرًا للسلوك المتطابق تقريبًا لجميع الهوائيات في نظام MIMO. تجدر الإشارة إلى أن عرض النطاق الترددي للممانعة -10 ديسيبل لهوائي MIMO بدون سطح سطحي واحد ومعه هو نفسه تقريبًا. في المقابل، تم تحسين عرض نطاق المعاوقة لهوائي MIMO المقترح بواسطة MS مزدوج الطبقة وMS معزز. ومن الجدير بالذكر أنه بدون MS، يوفر هوائي MIMO عرض نطاق ترددي جزئي يبلغ 81.5% (3.2-7.6 جيجا هرتز) مقارنة بالتردد المركزي. يؤدي دمج MS مع اللوحة الإلكترونية المعززة إلى زيادة عرض نطاق المعاوقة لهوائي MIMO المقترح إلى 86.3% (3.08–7.75 جيجا هرتز). على الرغم من أن MS ثنائي الطبقة يزيد من الإنتاجية، إلا أن التحسن أقل من MS مع لوحة الكترونية معززة نحاسية. علاوة على ذلك، يزيد MC ثنائي الطبقة من حجم الهوائي، ويزيد من تكلفته، ويحد من نطاقه. تم تصنيع هوائي MIMO المصمم وعاكس السطح العلوي والتحقق منهما للتحقق من صحة نتائج المحاكاة وتقييم الأداء الفعلي. ويبين الشكل 14 أ طبقة MS المصنعة وهوائي MIMO مع مكونات مختلفة مجمعة، بينما يوضح الشكل 14 ب صورة لنظام MIMO المطور. يتم تثبيت هوائي MIMO أعلى السطح باستخدام أربعة فواصل من النايلون، كما هو موضح في الشكل 14ب. يوضح الشكل 15 أ لقطة للإعداد التجريبي للمجال القريب لنظام هوائي MIMO المطور. تم استخدام محلل شبكة PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) لتقدير معلمات التشتت وتقييم وتوصيف خصائص انبعاث المجال القريب في مختبر أنظمة الحقل القريب UKM SATIMO.
( أ ) صور قياسات المجال القريب SATIMO ( ب ) منحنيات محاكاة وتجريبية لهوائي S11 MIMO مع MS وبدونه.
يقدم هذا القسم دراسة مقارنة لمعلمات S المحاكاة والمرصودة لهوائي 5G MIMO المقترح. يوضح الشكل 15 ب مخطط الانعكاس التجريبي لهوائي MIMO MS المدمج المكون من 4 عناصر ويقارنه بنتائج محاكاة CST. تم العثور على الانعكاسات التجريبية لتكون نفس حسابات CST، ولكنها كانت مختلفة قليلاً بسبب عيوب التصنيع والتفاوتات التجريبية. بالإضافة إلى ذلك، يغطي الانعكاس الملحوظ لنموذج MIMO المقترح القائم على MS طيف 5G أقل من 6 جيجا هرتز مع عرض نطاق ترددي للمقاومة يبلغ 4.8 جيجا هرتز، مما يعني أن تطبيقات 5G ممكنة. ومع ذلك، يختلف تردد الرنين وعرض النطاق الترددي والسعة المقاس قليلاً عن نتائج محاكاة CST. يمكن أن تتسبب عيوب التصنيع، وفقدان الاقتران المحوري إلى SMA، وإعدادات القياس الخارجية في حدوث اختلافات بين النتائج المقاسة والنتائج التي تمت محاكاتها. ومع ذلك، على الرغم من أوجه القصور هذه، فإن أداء MIMO المقترح جيدًا، مما يوفر توافقًا قويًا بين عمليات المحاكاة والقياسات، مما يجعله مناسبًا تمامًا للتطبيقات اللاسلكية دون 6 جيجا هرتز 5G.
يظهر الشكلان 2 و2 منحنيات كسب هوائي MIMO المحاكاة والمرصودة. وكما هو مبين في الأشكال 16أ،ب و17أ،ب، على التوالي، يظهر التفاعل المتبادل لمكونات MIMO. عند تطبيق الأسطح الفوقية على هوائيات MIMO، يتم تحسين العزل بين هوائيات MIMO بشكل ملحوظ. تُظهر مخططات العزل بين عناصر الهوائي المتجاورة S12 وS14 وS23 وS34 منحنيات مماثلة، في حين تُظهر هوائيات MIMO القطرية S13 وS42 عزلاً عالياً مماثلاً بسبب المسافة الأكبر بينهما. تظهر خصائص الإرسال المحاكية للهوائيات المجاورة في الشكل 16أ. تجدر الإشارة إلى أنه في طيف تشغيل 5G أقل من 6 جيجاهرتز، يبلغ الحد الأدنى لعزل هوائي MIMO بدون سطح علوي -13.6 ديسيبل، وبالنسبة لسطح علوي مزود بلوحة الكترونية معززة - 15.5 ديسيبل. تُظهر مخطط الكسب (الشكل 16 أ) أن السطح العلوي للوحة الإلكترونية المعززة يعمل بشكل كبير على تحسين العزل بين عناصر هوائي MIMO مقارنة بالأسطح الفوقية أحادية الطبقة ومزدوجة الطبقة. في عناصر الهوائي المجاورة، توفر الأسطح الفوقية أحادية الطبقة ومزدوجة الطبقة حدًا أدنى من العزل يبلغ حوالي -13.68 ديسيبل و-14.78 ديسيبل، وتوفر الأسطح المعدنية المعززة النحاسية حوالي -15.5 ديسيبل.
منحنيات عزل محاكاة لعناصر MIMO بدون طبقة MS ومع طبقة MS: (أ) S12 وS14 وS34 وS32 و(ب) S13 وS24.
منحنيات الكسب التجريبية لهوائيات MIMO المقترحة القائمة على MS بدون ومع: (أ) S12 وS14 وS34 وS32 و(ب) S13 وS24.
يظهر الشكل 16ب مخططات كسب هوائي MIMO القطري قبل وبعد إضافة طبقة MS. تجدر الإشارة إلى أن الحد الأدنى للعزل بين الهوائيات القطرية بدون سطح فوقي (الهوائيات 1 و3) هو – 15,6 ديسيبل عبر طيف التشغيل، والسطح العلوي مع لوحة الكترونية معززة هو – 18 ديسيبل. يقلل أسلوب السطح العلوي بشكل كبير من تأثيرات الاقتران بين هوائيات MIMO القطرية. الحد الأقصى للعزل لسطح علوي أحادي الطبقة هو -37 ديسيبل، بينما تنخفض هذه القيمة لسطح علوي مزدوج الطبقة إلى -47 ديسيبل. الحد الأقصى لعزل السطح العلوي مع لوحة الكترونية معززة نحاسية هو −36.2 ديسيبل، والذي يتناقص مع زيادة نطاق التردد. بالمقارنة مع الأسطح الفوقية أحادية الطبقة والمزدوجة بدون لوحة معززة، توفر السطوح السطحية ذات اللوحة المعززة عزلًا فائقًا عبر نطاق تردد التشغيل المطلوب بالكامل، خاصة في نطاق 5G أقل من 6 جيجا هرتز، كما هو موضح في الأشكال 16 أ، ب. في نطاق 5G الأكثر شيوعًا والأكثر استخدامًا على نطاق واسع والذي يقل عن 6 جيجا هرتز (3.5 جيجا هرتز)، تتمتع الأسطح الفوقية أحادية الطبقة ومزدوجة الطبقة بعزل أقل بين مكونات MIMO مقارنة بالأسطح الفوقية ذات اللوحات المعززة النحاسية (لا يوجد MS تقريبًا) (انظر الشكل 16 أ)، ب) . تظهر قياسات الكسب في الشكلين 17 أ و ب، مما يوضح عزل الهوائيات المجاورة (S12 وS14 وS34 وS32) والهوائيات القطرية (S24 وS13)، على التوالي. كما يتبين من هذه الأشكال (الشكل 17 أ، ب)، فإن العزل التجريبي بين مكونات MIMO يتوافق جيدًا مع العزل المحاكى. على الرغم من وجود اختلافات طفيفة بين قيم CST المحاكاة والمقاسة بسبب عيوب التصنيع ووصلات منفذ SMA وفقدان الأسلاك. بالإضافة إلى ذلك، يقع الهوائي وعاكس MS بين فواصل النايلون، وهي مشكلة أخرى تؤثر على النتائج المرصودة مقارنة بنتائج المحاكاة.
درس توزيع التيار السطحي عند 5.5 جيجا هرتز لترشيد دور الأسطح الفوقية في تقليل الاقتران المتبادل من خلال قمع الموجات السطحية . يظهر الشكل 18 توزيع التيار السطحي لهوائي MIMO المقترح، حيث يتم تشغيل الهوائي 1 ويتم إنهاء بقية الهوائي بحمل قدره 50 أوم. عندما يتم تنشيط الهوائي 1، ستظهر تيارات اقتران متبادلة كبيرة عند الهوائيات المجاورة بتردد 5.5 جيجاهرتز في حالة عدم وجود سطح فوقي، كما هو موضح في الشكل 18أ. على العكس من ذلك، من خلال استخدام الأسطح الفوقية، كما هو مبين في الشكل 18ب-د، يتم تحسين العزل بين الهوائيات المجاورة. تجدر الإشارة إلى أنه يمكن تقليل تأثير الاقتران المتبادل للحقول المتجاورة عن طريق نشر تيار الاقتران إلى الحلقات المجاورة لخلايا الوحدة وخلايا وحدة MS المجاورة على طول طبقة MS في اتجاهات غير متوازية. يعد حقن التيار من الهوائيات الموزعة إلى وحدات MS طريقة رئيسية لتحسين العزل بين مكونات MIMO. ونتيجة لذلك، يتم تقليل تيار الاقتران بين مكونات MIMO بشكل كبير، كما يتم تحسين العزل بشكل كبير. نظرًا لأن مجال الاقتران موزع على نطاق واسع في العنصر، فإن السطح السطحي النحاسي للوحة الكترونية معززة يعزل مجموعة هوائي MIMO بشكل ملحوظ أكثر من الأسطح السطحية أحادية الطبقة ومزدوجة الطبقة (الشكل 18 د). علاوة على ذلك، يتمتع هوائي MIMO المطور بانتشار خلفي وانتشار جانبي منخفض جدًا، مما ينتج عنه نمط إشعاع أحادي الاتجاه، وبالتالي زيادة كسب هوائي MIMO المقترح.
الأنماط الحالية السطحية لهوائي MIMO المقترح عند تردد 5.5 جيجا هرتز (أ) بدون MC، (ب) MC أحادي الطبقة، (ج) MC مزدوج الطبقة، و (د) MC أحادي الطبقة مع لوحة الكترونية معززة نحاسية. (جناح استوديو CST 2019).
ضمن تردد التشغيل، يوضح الشكل 19أ المكاسب المحاكاة والمرصودة لهوائي MIMO المصمم بدون الأسطح الفوقية ومعها. يبلغ الكسب المحاكى المحقق لهوائي MIMO بدون سطح علوي 5.4 ديسيبل، كما هو مبين في الشكل 19أ. ونظرًا لتأثير الاقتران المتبادل بين مكونات MIMO، يحقق هوائي MIMO المقترح بالفعل كسبًا أعلى بمقدار 0.25 ديسيبل من هوائي واحد. يمكن أن توفر إضافة الأسطح الفوقية مكاسب كبيرة وعزلًا بين مكونات MIMO. وبالتالي، يمكن لهوائي MIMO السطحي المقترح تحقيق مكاسب عالية تصل إلى 8.3 ديسيبل. كما هو مبين في الشكل 19أ، عند استخدام سطح فوقي واحد في الجزء الخلفي من هوائي MIMO، يزداد الكسب بمقدار 1.4 ديسيبل. عندما يتم مضاعفة السطح العلوي، يزداد الكسب بمقدار 2.1 ديسيبل، كما هو موضح في الشكل 19أ. ومع ذلك، يتم تحقيق الحد الأقصى المتوقع للكسب وهو 8.3 ديسيبل عند استخدام السطح العلوي مع لوحة الكترونية معززة نحاسية. والجدير بالذكر أن الحد الأقصى للكسب المحقق للأسطح الوصفية أحادية الطبقة ومزدوجة الطبقة هو 6.8 ديسيبل و 7.5 ديسيبل على التوالي، في حين أن الحد الأقصى للكسب المحقق للأسطح الوصفية للطبقة السفلية هو 8.3 ديسيبل. تعمل الطبقة السطحية الموجودة على الجانب الخلفي من الهوائي كعاكس، مما يعكس الإشعاع من الجانب الخلفي للهوائي ويحسن نسبة الأمام إلى الخلف (F/B) لهوائي MIMO المصمم. بالإضافة إلى ذلك، يعالج عاكس MS عالي المقاومة الموجات الكهرومغناطيسية في الطور، وبالتالي خلق رنين إضافي وتحسين أداء الإشعاع لهوائي MIMO المقترح. يمكن لعاكس MS المثبت خلف هوائي MIMO أن يزيد بشكل كبير من الكسب المحقق، وهو ما تؤكده النتائج التجريبية. المكاسب المرصودة والمحاكاة لهوائي MIMO النموذجي المطور هي نفسها تقريبًا، ومع ذلك، في بعض الترددات يكون الكسب المقاس أعلى من الكسب المحاكى، خاصة بالنسبة لـ MIMO بدون MS؛ ترجع هذه الاختلافات في الكسب التجريبي إلى تفاوتات القياس لمنصات النايلون، وفقدان الكابلات، والاقتران في نظام الهوائي. يبلغ قياس ذروة الكسب لهوائي MIMO بدون السطح العلوي 5.8 ديسيبل، في حين أن السطح العلوي مع لوحة الكترونية معززة نحاسية يبلغ 8.5 ديسيبل. تجدر الإشارة إلى أن نظام هوائي MIMO الكامل المقترح بأربعة منافذ مع عاكس MS يُظهر مكاسب عالية في ظل الظروف التجريبية والعددية.
المحاكاة والنتائج التجريبية لـ (أ) الكسب المحقق و (ب) الأداء العام لهوائي MIMO المقترح مع تأثير السطح العلوي.
يوضح الشكل 19 ب الأداء العام لنظام MIMO المقترح بدون عاكسات السطح العلوي ومعها. في الشكل 19ب، كانت أدنى كفاءة باستخدام MS مع لوحة الكترونية معززة أكثر من 73% (وصولاً إلى 84%). إن الكفاءة الإجمالية لهوائيات MIMO المطورة بدون MC ومع MC هي نفسها تقريبًا مع وجود اختلافات طفيفة مقارنة بالقيم المحاكاة. وأسباب ذلك هي تفاوتات القياس واستخدام المباعدات بين الهوائي وعاكس MS. يتشابه الكسب المحقق والكفاءة الإجمالية عبر التردد بأكمله تقريبًا مع نتائج المحاكاة، مما يشير إلى أن أداء نموذج MIMO الأولي المقترح كما هو متوقع وأن هوائي MIMO الموصى به المستند إلى MS مناسب لاتصالات 5G. بسبب الأخطاء في الدراسات التجريبية، توجد اختلافات بين النتائج الإجمالية للتجارب المعملية ونتائج عمليات المحاكاة. يتأثر أداء النموذج الأولي المقترح بعدم تطابق المعاوقة بين الهوائي وموصل SMA، وفقدان لصق الكابل المحوري، وتأثيرات اللحام، وقرب الأجهزة الإلكترونية المختلفة من الإعداد التجريبي.
يصف الشكل 20 تقدم التصميم والتحسين للهوائي المذكور في شكل رسم تخطيطي. يوفر هذا المخطط التفصيلي وصفًا خطوة بخطوة لمبادئ تصميم هوائي MIMO المقترحة، بالإضافة إلى المعلمات التي تلعب دورًا رئيسيًا في تحسين الهوائي لتحقيق الكسب العالي المطلوب والعزل العالي عبر تردد تشغيل واسع.
تم قياس قياسات هوائي MIMO للمجال القريب في بيئة SATIMO التجريبية للمجال القريب في مختبر أنظمة المجال القريب UKM SATIMO. توضح الأشكال 21أ،ب أنماط إشعاع المستوي E والمستوى H المحاكاة والمرصودة لهوائي MIMO المطالب به مع MS وبدونه عند تردد تشغيل قدره 5,5 جيجا هرتز. في نطاق تردد التشغيل البالغ 5.5 جيجا هرتز، يوفر هوائي MIMO المتطور بخلاف MS MIMO نمط إشعاع ثنائي الاتجاه ثابتًا مع قيم الفص الجانبي. بعد تطبيق عاكس MS، يوفر الهوائي مخطط إشعاع أحادي الاتجاه ويقلل مستوى الفصوص الخلفية، كما هو مبين في الأشكال 21أ، ب. ومن الجدير بالذكر أنه باستخدام سطح علوي مع لوحة الكترونية معززة نحاسية، يكون نمط هوائي MIMO المقترح أكثر استقرارًا وأحادي الاتجاه من دون MS، مع فصوص خلفية وجانبية منخفضة جدًا. يعمل عاكس صفيف MM المقترح على تقليل الفصوص الخلفية والجانبية للهوائي ويحسن أيضًا خصائص الإشعاع عن طريق توجيه التيار في اتجاه أحادي الاتجاه (الشكل 21 أ، ب)، وبالتالي زيادة الكسب والاتجاهية. تم الحصول على نمط الإشعاع المقاس للمنفذ 1 بحمل 50 أوم متصل بالمنافذ المتبقية. وقد لوحظ أن نمط الإشعاع التجريبي كان مطابقًا تقريبًا للنمط الذي تمت محاكاته بواسطة CST، على الرغم من وجود بعض الانحرافات بسبب عدم محاذاة المكونات، والانعكاسات من المنافذ الطرفية، والخسائر في توصيلات الكابلات. بالإضافة إلى ذلك، تم إدخال فاصل من النايلون بين الهوائي وعاكس MS، وهي مشكلة أخرى تؤثر على النتائج المرصودة مقارنة بالنتائج المتوقعة.
تمت محاكاة واختبار نمط الإشعاع لهوائي MIMO المطور (بدون MS ومع MS) بتردد 5.5 جيجا هرتز.
من المهم ملاحظة أن عزل المنفذ والخصائص المرتبطة به ضرورية عند تقييم أداء أنظمة MIMO. يتم فحص أداء التنوع لنظام MIMO المقترح، بما في ذلك معامل ارتباط الغلاف (ECC) وكسب التنوع (DG)، لتوضيح متانة نظام هوائي MIMO المصمم. يمكن استخدام ECC وDG لهوائي MIMO لتقييم أدائه حيث أنهما جوانب مهمة لأداء نظام MIMO. ستوضح الأقسام التالية بالتفصيل هذه الميزات لهوائي MIMO المقترح.
معامل الارتباط المغلف (ECC). عند النظر في أي نظام MIMO، تحدد ECC درجة ارتباط العناصر المكونة مع بعضها البعض فيما يتعلق بخصائصها المحددة. وبالتالي، يوضح ECC درجة عزل القناة في شبكة الاتصالات اللاسلكية. يمكن تحديد ECC (معامل ارتباط المغلف) لنظام MIMO المطور بناءً على معلمات S وانبعاث المجال البعيد. من مكافئ. (7) و(8) يمكن تحديد ECC لهوائي MIMO المقترح 31.
يتم تمثيل معامل الانعكاس بواسطة Sii ويمثل Sij معامل النقل. يتم الحصول على مخططات الإشعاع ثلاثية الأبعاد للهوائيات j-th وi-th بواسطة التعبيرات \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) و \( \vec {{R_{ i } }} الزاوية الصلبة ممثلة بـ \left( {\theta ,\varphi } \right)\) و\({\Omega }\). يظهر منحنى ECC للهوائي المقترح في الشكل 22أ وقيمته أقل من 0.004، وهو أقل بكثير من القيمة المقبولة البالغة 0.5 لنظام لاسلكي. ولذلك، فإن قيمة ECC المخفضة تعني أن نظام MIMO المقترح بأربعة منافذ يوفر تنوعًا فائقًا.
كسب التنوع (DG) DG هو مقياس آخر لأداء نظام MIMO يصف كيفية تأثير نظام التنوع على الطاقة المشعة. تحدد العلاقة (9) DG لنظام هوائي MIMO الجاري تطويره، كما هو موضح في 31.
ويبين الشكل 22ب مخطط DG لنظام MIMO المقترح، حيث تكون قيمة DG قريبة جدًا من 10 ديسيبل. تتجاوز قيم DG لجميع هوائيات نظام MIMO المصمم 9.98 ديسيبل.
يقارن الجدول 1 هوائي MIMO المقترح للسطح العلوي مع أنظمة MIMO المماثلة التي تم تطويرها مؤخرًا. تأخذ المقارنة في الاعتبار معلمات الأداء المختلفة، بما في ذلك عرض النطاق الترددي والكسب والحد الأقصى للعزل والكفاءة الإجمالية وأداء التنوع. قدم الباحثون نماذج أولية مختلفة لهوائي MIMO مع تقنيات تعزيز الكسب والعزل في 5، 44، 45، 46، 47. بالمقارنة مع الأعمال المنشورة سابقًا، فإن نظام MIMO المقترح مع عاكسات السطح العلوي يتفوق عليها من حيث عرض النطاق الترددي والكسب والعزل. بالإضافة إلى ذلك، بالمقارنة مع الهوائيات المماثلة المذكورة، يُظهر نظام MIMO المطور أداءً فائقًا للتنوع وكفاءة إجمالية بحجم أصغر. على الرغم من أن الهوائيات الموصوفة في القسم 5.46 تتمتع بعزلة أعلى من الهوائيات المقترحة لدينا، إلا أن هذه الهوائيات تعاني من الحجم الكبير والكسب المنخفض وعرض النطاق الضيق وأداء MIMO الضعيف. يُظهر هوائي MIMO ذو 4 منافذ المقترح في 45 مكاسب وكفاءة عالية، لكن تصميمه يتميز بعزلة منخفضة وحجم كبير وأداء تنوع ضعيف. من ناحية أخرى، فإن نظام الهوائي صغير الحجم المقترح في 47 يتمتع بكسب منخفض للغاية وعرض نطاق تشغيلي منخفض للغاية، في حين أن نظام MIMO ذو 4 منافذ القائم على MS يُظهر حجمًا صغيرًا وكسبًا عاليًا وعزلًا عاليًا وأداء MIMO أفضل. وبالتالي، يمكن أن يصبح هوائي MIMO المقترح للسطح العلوي منافسًا رئيسيًا لأنظمة اتصالات الجيل الخامس دون 6 جيجاهرتز.
يُقترح هوائي MIMO عريض النطاق قائم على عاكس بأربعة منافذ مع مكاسب وعزلة عالية لدعم تطبيقات 5G أقل من 6 جيجا هرتز. يغذي خط الشرائح الدقيقة قسمًا مشعًا مربعًا، والذي يتم اقتطاعه بواسطة مربع عند الزوايا القطرية. يتم تنفيذ MS وباعث الهوائي المقترح على مواد ركيزة مشابهة لـ Rogers RT5880 لتحقيق أداء ممتاز في أنظمة اتصالات 5G عالية السرعة. يتميز هوائي MIMO بنطاق واسع وكسب عالي، ويوفر عزل الصوت بين مكونات MIMO وكفاءة ممتازة. يحتوي الهوائي الفردي المطور على أبعاد مصغرة تبلغ 0.58؟0.58؟0.02؟ مع مصفوفة سطحية 5×5، توفر نطاقًا تردديًا واسعًا للتشغيل يبلغ 4.56 جيجاهرتز، وكسب ذروة يبلغ 8 ديسيبل وكفاءة فائقة مُقاسة. تم تصميم هوائي MIMO المقترح بأربعة منافذ (صفيف 2 × 2) من خلال المحاذاة المتعامدة لكل هوائي فردي مقترح مع هوائي آخر بأبعاد 1.05 lect × 1.05 lect × 0.02 lect. يوصى بتجميع مصفوفة مقاس 10 × 10 مم تحت هوائي MIMO بارتفاع 12 مم، والذي يمكنه تقليل الإشعاع الخلفي وتقليل الاقتران المتبادل بين مكونات MIMO، وبالتالي تحسين الكسب والعزل. تظهر النتائج التجريبية ونتائج المحاكاة أن النموذج الأولي لتقنية MIMO الذي تم تطويره يمكن أن يعمل في نطاق ترددي واسع يتراوح بين 3.08 و7.75 جيجا هرتز، ويغطي طيف 5G أقل من 6 جيجا هرتز. بالإضافة إلى ذلك، يعمل هوائي MIMO المقترح القائم على MS على تحسين كسبه بمقدار 2.9 ديسيبل، مما يحقق أقصى ربح قدره 8.3 ديسيبل، ويوفر عزلًا ممتازًا (> 15.5 ديسيبل) بين مكونات MIMO، مما يؤكد صحة مساهمة MS. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع هوائي MIMO المقترح بمتوسط ​​كفاءة إجمالية مرتفع يبلغ 82% ومسافة منخفضة بين العناصر تبلغ 22 ملم. يُظهر الهوائي أداءً ممتازًا لتنوع MIMO، بما في ذلك DG مرتفع جدًا (أكثر من 9.98 ديسيبل)، وECC منخفض جدًا (أقل من 0.004) ونمط إشعاع أحادي الاتجاه. نتائج القياس مشابهة جدًا لنتائج المحاكاة. تؤكد هذه الخصائص أن نظام هوائي MIMO رباعي المنافذ المطور يمكن أن يكون خيارًا قابلاً للتطبيق لأنظمة اتصالات 5G في نطاق التردد دون 6 جيجا هرتز.
يمكن أن توفر Cowin هوائي ثنائي الفينيل متعدد الكلور واسع النطاق بتردد 400-6000 ميجاهرتز، ودعم تصميم هوائي جديد وفقًا لمتطلباتك، يرجى الاتصال بنا دون تردد إذا كان لديك أي طلب.

 

 


وقت النشر: 10 أكتوبر 2024