Enorme sistema metamateriale

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14311 (2022) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

In questo articolo viene proposto un sistema di antenna integrato massiccio a ingressi multipli e uscite multiple (mMIMO) caricato con metamateriale (MTM) per applicazioni di quinta generazione (5G). Inoltre, raggiungimento di caratteristiche duple negative (DNG) utilizzando un risonatore complementare compatto ad anello diviso (SRR) proposto, un ampio metamateriale epsilon negativo (ENG) con una larghezza di banda superiore a 1 GHz (BW) e un indice di rifrazione vicino allo zero (NZRI) vengono presentate le caratteristiche. L'antenna mMIMO proposta è costituita da otto sottoarray con tre strati che operano nella banda mentale 5G a 3,5 GHz (3,40–3,65 GHz) con un elevato isolamento delle porte tra elementi dell'antenna adiacenti rispetto a un'antenna che non utilizza MTM. Ogni sottoarray ha due patch sullo strato superiore, mentre gli strati centrale e inferiore hanno rispettivamente due categorie di planimetrie complete e parziali. Simulati, prodotti e testati sono 32 elementi con un volume totale di 184 × 340 × 1.575 mm3. I risultati misurati rivelano che l'antenna sub-6 ha un coefficiente di riflessione migliore di 10 dB (S11), un isolamento inferiore a 35 dB e un guadagno di picco di 10,6 dBi per ciascun sottoarray. Inoltre, l'antenna consigliata caricata con MTM ha dimostrato buone prestazioni MIMO con un ECC inferiore a 0,0001, efficienze totali superiori al 90%, larghezza di banda superiore a 300 MHz e un guadagno complessivo di 19,5 dBi.

I sistemi di comunicazione wireless hanno visto uno sviluppo esponenziale negli ultimi anni, e questo scenario porta a proseguire con tecnologie sofisticate molto richieste. Per istante, una velocità di trasmissione dei dati più elevata e una latenza più breve con incremento della capacità del canale sono i parametri critici che devono essere migliorati in modo significativo per soddisfare i requisiti dei futuri sistemi wireless di quinta generazione (5G) di fascia media inferiori a 6 GHz. Per questo, la massiccia tecnologia MIMO è una delle potenziali soluzioni1,2,3, che può supportare contemporaneamente più utenti, offre una migliore diversità e multiplexing, oltre a consentire un miglioramento significativo dei sistemi ad alta efficienza energetica. Il funzionamento MIMO massiccio è stato ampiamente studiato sulla base di array omogenei e modelli omnidirezionali4,5,6. Tuttavia, nella maggior parte di questi studi, l’influenza del modello di guadagno dell’antenna direzionale sulle prestazioni del sistema mMIMO è stata trascurata.

Sono stati segnalati sistemi di antenne 5G MIMO per la banda operativa singola o doppia7,8,9. Recentemente, tre bande di lavoro di 5G New Radio (NR) sono state avviate dal Generation Partnership Project (3GPP)10; queste bande contengono l'applicazione di banda media in un intervallo di (3,3–3,8 GHz), (3,3–4,2 GHz) e (4,4–5,0 GHz) che rappresentano rispettivamente N78, N77 e N79. Inoltre, ogni paese può scegliere le proprie bande 5G richieste, come menzionato sopra. Per il momento, è stato ufficialmente dichiarato che la Cina utilizza due bande a (3,3–3,6 GHz) e (4,8–5,0 GHz)11, sebbene la banda di frequenza da 3,4 a 3,8 GHz sia stata decisa dall'Unione Europea (UE) per l'applicazione 5G12 . Di conseguenza, per coprire le suddette bande operative 5G per motivi di mobilità, è necessario sviluppare uno specifico sistema di antenna MIMO per coprire le bande 5G N77/N78/N79 desiderate, cosa che non è affrontata dai progetti proposti nei Rif.13,14.

Progettare antenne MIMO con elevato isolamento tra gli elementi dell'antenna, basso costo, minor consumo di energia, dimensioni ridotte e leggerezza è spesso un compito impegnativo. Tuttavia, uno degli svantaggi delle prestazioni dell'antenna è la larghezza di banda ridotta, che limita l'utilizzo dei nuovi sistemi wireless. Per evitare queste sfide, recentemente sono stati sofisticati diversi metodi. Ad esempio, il metodo della superficie di impedenza reattiva (RIS)15 può essere utilizzato per migliorare le caratteristiche di radiazione dell'antenna e di larghezza di banda sintonizzando il RIS tra conduttori e superfici elettrici (PEC) e magnetici (PMC). Inoltre, la dimensione complessiva dell'antenna può essere ridotta. Le prestazioni dell'antenna sono notevolmente migliorate nel Rif.16 utilizzando un design bidimensionale del metamateriale per mancini (LHM) sui lati superiore (patch) e inferiore (terra) del substrato dielettrico. Questo metodo genera caratteristiche capacitivo-induttive grazie all'accoppiamento tra la patch progettata e la configurazione del piano inferiore, che crea un'onda che viaggia all'indietro. Tuttavia, viene applicata una struttura periodica sulla pianta per un'antenna passiva prima del test per il rilevamento della temperatura, come offerto nel Rif.17. Questi strati superficiali basati sul fondo consentono un notevole miglioramento delle dimensioni dell'antenna e delle caratteristiche della larghezza di banda.