આ કાર્ય સબ-6 GHz ફિફ્થ જનરેશન (5G) વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સ માટે કોમ્પેક્ટ ઇન્ટિગ્રેટેડ મલ્ટિ-ઇનપુટ મલ્ટિ-આઉટપુટ (MIMO) મેટાસર્ફેસ (MS) વાઇડબેન્ડ એન્ટેનાની દરખાસ્ત કરે છે. સૂચિત MIMO સિસ્ટમની સ્પષ્ટ નવીનતા તેની વ્યાપક ઓપરેટિંગ બેન્ડવિડ્થ, ઉચ્ચ લાભ, નાના આંતર-કમ્પોનન્ટ ક્લિયરન્સ અને MIMO ઘટકોની અંદર ઉત્તમ અલગતા છે. એન્ટેનાના રેડિએટિંગ સ્પોટને ત્રાંસા રીતે કાપવામાં આવે છે, આંશિક રીતે ગ્રાઉન્ડ કરવામાં આવે છે અને એન્ટેનાની કામગીરીને સુધારવા માટે મેટાસરફેસનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. સૂચિત પ્રોટોટાઇપ સંકલિત સિંગલ MS એન્ટેના 0.58λ × 0.58λ × 0.02λ ના લઘુચિત્ર પરિમાણો ધરાવે છે. સિમ્યુલેશન અને માપન પરિણામો 3.11 ગીગાહર્ટ્ઝ થી 7.67 ગીગાહર્ટ્ઝ સુધી વાઈડબેન્ડ પ્રદર્શન દર્શાવે છે, જેમાં 8 dBi નો સર્વોચ્ચ લાભ પણ સામેલ છે. ચાર-તત્વોની MIMO સિસ્ટમ એવી રીતે ડિઝાઇન કરવામાં આવી છે કે 3.2 થી 7.6 GHz સુધી કોમ્પેક્ટ સાઇઝ અને વાઇડબેન્ડ પરફોર્મન્સ જાળવી રાખીને દરેક એન્ટેના એકબીજા સાથે ઓર્થોગોનલ હોય. સૂચિત MIMO પ્રોટોટાઇપ રોજર્સ RT5880 સબસ્ટ્રેટ પર નીચા નુકશાન અને 1.05 ના લઘુચિત્ર પરિમાણો સાથે ડિઝાઇન અને ફેબ્રિકેટેડ છે? 1.05? 0.02?, અને 10 x 10 સ્પ્લિટ રિંગ સાથે સૂચિત ચોરસ બંધ રિંગ રેઝોનેટર એરેનો ઉપયોગ કરીને તેની કામગીરીનું મૂલ્યાંકન કરવામાં આવે છે. મૂળભૂત સામગ્રી સમાન છે. સૂચિત બેકપ્લેન મેટાસર્ફેસ એન્ટેના બેક રેડિયેશનને નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડે છે અને ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ફિલ્ડમાં ચાલાકી કરે છે, જેનાથી MIMO ઘટકોની બેન્ડવિડ્થ, ગેઇન અને આઇસોલેશનમાં સુધારો થાય છે. હાલના MIMO એન્ટેનાની તુલનામાં, સૂચિત 4-પોર્ટ MIMO એન્ટેના 5G સબ-6 GHz બેન્ડમાં 82% સુધીની સરેરાશ એકંદર કાર્યક્ષમતા સાથે 8.3 dBi નો ઉચ્ચ લાભ પ્રાપ્ત કરે છે અને માપેલા પરિણામો સાથે સારા કરારમાં છે. તદુપરાંત, વિકસિત MIMO એન્ટેના 0.004 કરતા ઓછાના પરબિડીયું સહસંબંધ ગુણાંક (ECC), લગભગ 10 dB (>9.98 dB) ની વિવિધતા ગેઇન (DG) અને MIMO ઘટકો (>15.5 dB) વચ્ચે ઉચ્ચ અલગતાના સંદર્ભમાં ઉત્તમ પ્રદર્શન દર્શાવે છે. લક્ષણો આમ, સૂચિત MS-આધારિત MIMO એન્ટેના સબ-6 GHz 5G કોમ્યુનિકેશન નેટવર્ક્સ માટે તેની લાગુ થવાની પુષ્ટિ કરે છે.
5G ટેક્નોલૉજી એ વાયરલેસ કમ્યુનિકેશન્સમાં અવિશ્વસનીય પ્રગતિ છે જે અબજો કનેક્ટેડ ઉપકરણો માટે ઝડપી અને વધુ સુરક્ષિત નેટવર્કને સક્ષમ કરશે, "શૂન્ય" લેટન્સી (1 મિલિસેકન્ડ કરતાં ઓછી લેટન્સી) સાથે વપરાશકર્તા અનુભવ પ્રદાન કરશે અને ઇલેક્ટ્રોનિક્સ સહિત નવી તકનીકો રજૂ કરશે. તબીબી સંભાળ, બૌદ્ધિક શિક્ષણ. , સ્માર્ટ સિટીઝ, સ્માર્ટ હોમ્સ, વર્ચ્યુઅલ રિયાલિટી (VR), સ્માર્ટ ફેક્ટરીઓ અને ઈન્ટરનેટ ઓફ વ્હીકલ (IoV) આપણું જીવન, સમાજ અને ઉદ્યોગો 1,2,3 બદલી રહ્યા છે. યુએસ ફેડરલ કોમ્યુનિકેશન્સ કમિશન (FCC) 5G સ્પેક્ટ્રમને ચાર ફ્રીક્વન્સી બેન્ડમાં વિભાજિત કરે છે4. 6 ગીગાહર્ટ્ઝની નીચેનો ફ્રીક્વન્સી બેન્ડ સંશોધકો માટે રસ ધરાવે છે કારણ કે તે ઊંચા ડેટા દર5,6 સાથે લાંબા-અંતરના સંચારને મંજૂરી આપે છે. વૈશ્વિક 5G કોમ્યુનિકેશન્સ માટે સબ-6 GHz 5G સ્પેક્ટ્રમ ફાળવણી આકૃતિ 1 માં બતાવવામાં આવી છે, જે દર્શાવે છે કે તમામ દેશો 5G કોમ્યુનિકેશન્સ7,8 માટે સબ-6 GHz સ્પેક્ટ્રમ પર વિચાર કરી રહ્યાં છે. એન્ટેના 5G નેટવર્કનો મહત્વનો ભાગ છે અને તેને વધુ બેઝ સ્ટેશન અને યુઝર ટર્મિનલ એન્ટેનાની જરૂર પડશે.
માઇક્રોસ્ટ્રીપ પેચ એન્ટેનામાં પાતળાપણું અને સપાટ બંધારણના ફાયદા છે, પરંતુ તે બેન્ડવિડ્થ અને ગેઇન9,10માં મર્યાદિત છે, તેથી એન્ટેનાના ગેઇન અને બેન્ડવિડ્થને વધારવા માટે ઘણું સંશોધન કરવામાં આવ્યું છે; તાજેતરના વર્ષોમાં, મેટાસર્ફેસ (MS) નો ઉપયોગ એન્ટેના ટેક્નોલોજીમાં વ્યાપકપણે થાય છે, ખાસ કરીને ગેઇન અને થ્રુપુટ 11,12 સુધારવા માટે, જો કે, આ એન્ટેના એક જ પોર્ટ સુધી મર્યાદિત છે; MIMO ટેક્નોલોજી એ વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન્સનું એક મહત્વનું પાસું છે કારણ કે તે ડેટા ટ્રાન્સમિટ કરવા માટે એકસાથે બહુવિધ એન્ટેનાનો ઉપયોગ કરી શકે છે, જેનાથી ડેટા રેટ, સ્પેક્ટરલ કાર્યક્ષમતા, ચેનલ ક્ષમતા અને વિશ્વસનીયતા 13,14,15માં સુધારો થાય છે. MIMO એન્ટેના 5G એપ્લિકેશનો માટે સંભવિત ઉમેદવારો છે કારણ કે તેઓ વધારાના પાવર16,17ની જરૂર વગર બહુવિધ ચેનલો પર ડેટા ટ્રાન્સમિટ અને પ્રાપ્ત કરી શકે છે. MIMO ઘટકો વચ્ચેની પરસ્પર જોડાણની અસર MIMO તત્વોના સ્થાન અને MIMO એન્ટેનાના લાભ પર આધારિત છે, જે સંશોધકો માટે એક મોટો પડકાર છે. આકૃતિઓ 18, 19 અને 20 5G સબ-6 GHz બેન્ડમાં કાર્યરત વિવિધ MIMO એન્ટેના દર્શાવે છે, જે બધા સારા MIMO અલગતા અને પ્રદર્શનને દર્શાવે છે. જો કે, આ સૂચિત સિસ્ટમોનો લાભ અને ઓપરેટિંગ બેન્ડવિડ્થ ઓછી છે.
મેટામેટરીયલ્સ (એમએમ) એ નવી સામગ્રી છે જે પ્રકૃતિમાં અસ્તિત્વમાં નથી અને ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોને હેરફેર કરી શકે છે, જેનાથી એન્ટેના 21,22,23,24 ની કામગીરીમાં સુધારો થાય છે. 25, 26, 27, 28 માં ચર્ચા કર્યા મુજબ, રેડિયેશન પેટર્ન, બેન્ડવિડ્થ, ગેઇન અને એન્ટેના તત્વો અને વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સ વચ્ચેના આઇસોલેશનને સુધારવા માટે હવે એન્ટેના ટેક્નોલોજીમાં MMનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે. 2029 માં, ચાર-તત્વો પર આધારિત MIMO સિસ્ટમ મેટાસર્ફેસ, જેમાં એન્ટેના સેક્શનને મેટાસર્ફેસ અને જમીન વચ્ચે એર ગેપ વિના સેન્ડવીચ કરવામાં આવે છે, જે MIMO કામગીરીને સુધારે છે. જો કે, આ ડિઝાઇનમાં મોટું કદ, ઓછી ઓપરેટિંગ આવર્તન અને જટિલ માળખું છે. MIMO30 ઘટકોના આઇસોલેશનને સુધારવા માટે સૂચિત 2-પોર્ટ વાઇડબેન્ડ MIMO એન્ટેનામાં ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક બેન્ડગેપ (EBG) અને ગ્રાઉન્ડ લૂપનો સમાવેશ કરવામાં આવ્યો છે. ડિઝાઇન કરેલ એન્ટેનામાં સારી MIMO વિવિધતા પ્રદર્શન અને બે MIMO એન્ટેના વચ્ચે ઉત્તમ અલગતા છે, પરંતુ માત્ર બે MIMO ઘટકોનો ઉપયોગ કરવાથી, લાભ ઓછો થશે. વધુમાં, in31 એ અલ્ટ્રા-વાઇડબેન્ડ (UWB) ડ્યુઅલ-પોર્ટ MIMO એન્ટેનાનો પણ પ્રસ્તાવ મૂક્યો અને મેટામેટરિયલ્સનો ઉપયોગ કરીને તેના MIMO પ્રદર્શનની તપાસ કરી. જો કે આ એન્ટેના UWB ઓપરેશન માટે સક્ષમ છે, તેનો ફાયદો ઓછો છે અને બે એન્ટેના વચ્ચેનું આઇસોલેશન નબળું છે. 32 માં કામ 2-પોર્ટ MIMO સિસ્ટમની દરખાસ્ત કરે છે જે લાભ વધારવા માટે ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક બેન્ડગેપ (EBG) રિફ્લેક્ટરનો ઉપયોગ કરે છે. જો કે વિકસિત એન્ટેના એરેમાં ઉચ્ચ લાભ અને સારી MIMO વિવિધતા કામગીરી છે, તેમ છતાં તેનું મોટું કદ તેને આગામી પેઢીના સંચાર ઉપકરણોમાં લાગુ કરવાનું મુશ્કેલ બનાવે છે. અન્ય પરાવર્તક-આધારિત બ્રોડબેન્ડ એન્ટેના 33 માં વિકસાવવામાં આવી હતી, જ્યાં પરાવર્તકને એન્ટેના હેઠળ 22 મીમીના મોટા ગેપ સાથે એકીકૃત કરવામાં આવ્યું હતું, જે 4.87 ડીબીના નીચા પીક ગેઇનને દર્શાવે છે. પેપર 34 mmWave એપ્લીકેશન માટે ચાર-પોર્ટ MIMO એન્ટેના ડિઝાઇન કરે છે, જે MIMO સિસ્ટમના અલગતા અને લાભને સુધારવા માટે MS સ્તર સાથે સંકલિત છે. જો કે, આ એન્ટેના સારો લાભ અને અલગતા પ્રદાન કરે છે, પરંતુ હવાના મોટા અંતરને કારણે મર્યાદિત બેન્ડવિડ્થ અને નબળા યાંત્રિક ગુણધર્મો ધરાવે છે. એ જ રીતે, 2015 માં, 7.4 dBi ના મહત્તમ લાભ સાથે mmWave સંચાર માટે ત્રણ-જોડી, 4-પોર્ટ બોટી-આકારના મેટાસર્ફેસ-સંકલિત MIMO એન્ટેના વિકસાવવામાં આવી હતી. B36 MS નો ઉપયોગ 5G એન્ટેનાની પાછળની બાજુએ એન્ટેના ગેઇનને વધારવા માટે થાય છે, જ્યાં મેટાસર્ફેસ રિફ્લેક્ટર તરીકે કામ કરે છે. જો કે, MS માળખું અસમપ્રમાણ છે અને એકમ સેલ સ્ટ્રક્ચર પર ઓછું ધ્યાન આપવામાં આવ્યું છે.
ઉપરોક્ત વિશ્લેષણ પરિણામો અનુસાર, ઉપરોક્ત કોઈપણ એન્ટેનામાં ઉચ્ચ લાભ, ઉત્તમ અલગતા, MIMO પ્રદર્શન અને વાઈડબેન્ડ કવરેજ નથી. તેથી, હજુ પણ મેટાસર્ફેસ MIMO એન્ટેનાની જરૂર છે જે 5G સ્પેક્ટ્રમ ફ્રીક્વન્સીઝની વિશાળ શ્રેણીને 6 GHz થી નીચે ઉચ્ચ લાભ અને અલગતા સાથે આવરી શકે. ઉપરોક્ત સાહિત્યની મર્યાદાઓને ધ્યાનમાં લેતા, સબ-6 ગીગાહર્ટ્ઝ વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સ માટે ઉચ્ચ લાભ અને ઉત્કૃષ્ટ વિવિધતા પ્રદર્શન સાથે વાઈડબેન્ડ ચાર-તત્વવાળી MIMO એન્ટેના સિસ્ટમ પ્રસ્તાવિત છે. વધુમાં, સૂચિત MIMO એન્ટેના MIMO ઘટકો, નાના તત્વોના અંતર અને ઉચ્ચ રેડિયેશન કાર્યક્ષમતા વચ્ચે ઉત્તમ અલગતા દર્શાવે છે. એન્ટેના પેચને ત્રાંસાથી કાપવામાં આવે છે અને 12mm એર ગેપ સાથે મેટાસર્ફેસની ટોચ પર મૂકવામાં આવે છે, જે એન્ટેનામાંથી પાછળના કિરણોત્સર્ગને પ્રતિબિંબિત કરે છે અને એન્ટેના ગેઇન અને ડાયરેક્ટિવિટી સુધારે છે. વધુમાં, પ્રસ્તાવિત સિંગલ એન્ટેનાનો ઉપયોગ ચાર-તત્વ MIMO એન્ટેના બનાવવા માટે કરવામાં આવે છે જેમાં દરેક એન્ટેનાને એકબીજા સાથે ઓર્થોગોનલી સ્થિત કરીને શ્રેષ્ઠ MIMO પ્રદર્શન સાથે. વિકસિત MIMO એન્ટેના પછી ઉત્સર્જન પ્રદર્શનને સુધારવા માટે કોપર બેકપ્લેન સાથે 10 × 10 MS એરેની ટોચ પર એકીકૃત કરવામાં આવ્યું હતું. આ ડિઝાઇનમાં વિશાળ ઓપરેટિંગ રેન્જ (3.08-7.75 GHz), 8.3 dBi નો ઉચ્ચ લાભ અને 82% ની ઉચ્ચ સરેરાશ એકંદર કાર્યક્ષમતા તેમજ MIMO એન્ટેના ઘટકો વચ્ચે −15.5 dB કરતા વધુનું ઉત્તમ અલગતા છે. વિકસિત MS-આધારિત MIMO એન્ટેના 3D ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક સોફ્ટવેર પેકેજ CST સ્ટુડિયો 2019 નો ઉપયોગ કરીને સિમ્યુલેટ કરવામાં આવ્યું હતું અને પ્રાયોગિક અભ્યાસ દ્વારા માન્ય કરવામાં આવ્યું હતું.
આ વિભાગ સૂચિત આર્કિટેક્ચર અને સિંગલ એન્ટેના ડિઝાઇન પદ્ધતિનો વિગતવાર પરિચય આપે છે. વધુમાં, સિમ્યુલેટેડ અને અવલોકન કરાયેલ પરિણામોની વિગતવાર ચર્ચા કરવામાં આવી છે, જેમાં સ્કેટરિંગ પેરામીટર્સ, ગેઇન અને મેટાસર્ફેસ સાથે અને વગર એકંદર કાર્યક્ષમતાનો સમાવેશ થાય છે. પ્રોટોટાઇપ એન્ટેના રોજર્સ 5880 લો લોસ ડાઇલેક્ટ્રિક સબસ્ટ્રેટ પર 2.2 ના ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક સાથે 1.575mm ની જાડાઈ સાથે વિકસાવવામાં આવી હતી. ડિઝાઇનને વિકસાવવા અને તેનું અનુકરણ કરવા માટે, ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક સિમ્યુલેટર પેકેજ CST સ્ટુડિયો 2019 નો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો.
આકૃતિ 2 સિંગલ-એલિમેન્ટ એન્ટેનાનું સૂચિત આર્કિટેક્ચર અને ડિઝાઇન મોડેલ બતાવે છે. સુસ્થાપિત ગાણિતિક સમીકરણો 37 મુજબ, એન્ટેનામાં રેખીય રીતે મેળવેલું ચોરસ રેડિએટિંગ સ્પોટ અને કોપર ગ્રાઉન્ડ પ્લેન (પગલા 1 માં વર્ણવ્યા મુજબ) હોય છે અને આકૃતિ 3b માં બતાવ્યા પ્રમાણે 10.8 GHz પર ખૂબ જ સાંકડી બેન્ડવિડ્થ સાથે પડઘો પાડે છે. એન્ટેના રેડિએટરનું પ્રારંભિક કદ નીચેના ગાણિતિક સંબંધ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે37:
જ્યાં \(P_{L}\) અને \(P_{w}\) પેચની લંબાઈ અને પહોળાઈ છે, c એ પ્રકાશની ગતિ દર્શાવે છે, \(\gamma_{r}\) એ સબસ્ટ્રેટનો ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક છે . , \(\gamma_{reff }\) રેડિયેશન સ્પોટના અસરકારક ડાઇલેક્ટ્રિક મૂલ્યને રજૂ કરે છે, \(\Delta L\) સ્પોટ લંબાઈમાં ફેરફારનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. એન્ટેના બેકપ્લેનને બીજા તબક્કામાં ઑપ્ટિમાઇઝ કરવામાં આવ્યું હતું, જે 10 ડીબીની ખૂબ ઓછી અવબાધ બેન્ડવિડ્થ હોવા છતાં અવરોધ બેન્ડવિડ્થમાં વધારો કરે છે. ત્રીજા તબક્કામાં, ફીડર પોઝિશનને જમણી તરફ ખસેડવામાં આવે છે, જે સૂચિત એન્ટેના 38 ની અવરોધ બેન્ડવિડ્થ અને અવરોધ મેચિંગને સુધારે છે. આ તબક્કે, એન્ટેના 4 GHz ની ઉત્તમ ઓપરેટિંગ બેન્ડવિડ્થ દર્શાવે છે અને 5G માં 6 GHz થી નીચેના સ્પેક્ટ્રમને પણ આવરી લે છે. ચોથા અને અંતિમ તબક્કામાં રેડિયેશન સ્પોટના વિરુદ્ધ ખૂણામાં ચોરસ ગ્રુવ્સને એચીંગ કરવાનો સમાવેશ થાય છે. આ સ્લોટ આકૃતિ 3b માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સબ-6 GHz 5G સ્પેક્ટ્રમને 3.11 GHz થી 7.67 GHz સુધી આવરી લેવા માટે 4.56 GHz બેન્ડવિડ્થને નોંધપાત્ર રીતે વિસ્તૃત કરે છે. સૂચિત ડિઝાઇનના આગળ અને નીચેના પરિપ્રેક્ષ્ય દૃશ્યો આકૃતિ 3a માં બતાવવામાં આવ્યા છે, અને અંતિમ ઑપ્ટિમાઇઝ જરૂરી ડિઝાઇન પરિમાણો નીચે મુજબ છે: SL = 40 mm, Pw = 18 mm, PL = 18 mm, gL = 12 mm, fL = 11. mm, fW = 4 .7 mm, c1 = 2 mm, c2 = 9.65 mm, c3 = 1.65 mm.
(a) ડિઝાઇન કરેલ સિંગલ એન્ટેના (CST સ્ટુડિયો સ્યુટ 2019) ના ટોચના અને પાછળના દૃશ્યો. (b) S-પેરામીટર વળાંક.
મેટાસર્ફેસ એ એક શબ્દ છે જે એકબીજાથી ચોક્કસ અંતરે સ્થિત એકમ કોષોની સામયિક એરેનો સંદર્ભ આપે છે. મેટાસર્ફેસ એ એન્ટેના રેડિયેશન કામગીરીને સુધારવા માટે એક અસરકારક રીત છે, જેમાં બેન્ડવિડ્થ, ગેઇન અને MIMO ઘટકો વચ્ચે અલગતાનો સમાવેશ થાય છે. સપાટીના તરંગોના પ્રસારના પ્રભાવને લીધે, મેટાસરફેસ વધારાના પ્રતિધ્વનિ ઉત્પન્ન કરે છે જે એન્ટેનાની કામગીરીમાં સુધારો કરવામાં ફાળો આપે છે39. આ કાર્ય 6 GHz થી નીચેના 5G બેન્ડમાં કાર્યરત એપ્સીલોન-નેગેટિવ મેટામેટરીયલ (MM) યુનિટની દરખાસ્ત કરે છે. 8mm×8mmના સપાટીના ક્ષેત્રફળ સાથેનો MM, 2.2 ના ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક અને 1.575mm ની જાડાઈ સાથે ઓછા નુકસાનવાળા રોજર્સ 5880 સબસ્ટ્રેટ પર વિકસાવવામાં આવ્યો હતો. ઑપ્ટિમાઇઝ્ડ MM રેઝોનેટર પેચમાં આકૃતિ 4a માં બતાવ્યા પ્રમાણે, બે સંશોધિત બાહ્ય સ્પ્લિટ રિંગ્સ સાથે જોડાયેલ આંતરિક ગોળાકાર સ્પ્લિટ રિંગનો સમાવેશ થાય છે. આકૃતિ 4a સૂચિત MM સેટઅપના અંતિમ ઑપ્ટિમાઇઝ પરિમાણોનો સારાંશ આપે છે. ત્યારબાદ, 40 × 40 mm અને 80 × 80 mm મેટાસર્ફેસ સ્તરો કોપર બેકપ્લેન વિના અને કોપર બેકપ્લેન સાથે અનુક્રમે 5 × 5 અને 10 × 10 સેલ એરેનો ઉપયોગ કરીને વિકસાવવામાં આવ્યા હતા. સૂચિત MM માળખું 3D ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક મોડેલિંગ સોફ્ટવેર "CST સ્ટુડિયો સ્યુટ 2019" નો ઉપયોગ કરીને તૈયાર કરવામાં આવ્યું હતું. વાસ્તવિક પ્રતિભાવનું વિશ્લેષણ કરીને CST સિમ્યુલેશન પરિણામોને માન્ય કરવા માટે સૂચિત MM એરે સ્ટ્રક્ચર અને માપન સેટઅપ (ડ્યુઅલ-પોર્ટ નેટવર્ક વિશ્લેષક PNA અને વેવગાઇડ પોર્ટ)નો બનાવટી પ્રોટોટાઇપ આકૃતિ 4b માં બતાવવામાં આવ્યો છે. માપન સેટઅપમાં સિગ્નલો મોકલવા અને પ્રાપ્ત કરવા માટે બે વેવગાઈડ કોએક્સિયલ એડેપ્ટર (A-INFOMW, ભાગ નંબર: 187WCAS) સાથે સંયોજનમાં એજિલેન્ટ PNA શ્રેણી નેટવર્ક વિશ્લેષકનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. એક પ્રોટોટાઇપ 5×5 એરે બે પોર્ટ નેટવર્ક વિશ્લેષક (Agilent PNA N5227A) સાથે કોક્સિયલ કેબલ દ્વારા જોડાયેલા બે વેવગાઇડ કોક્સિયલ એડેપ્ટરો વચ્ચે મૂકવામાં આવ્યો હતો. એજિલેન્ટ N4694-60001 કેલિબ્રેશન કીટનો ઉપયોગ પાયલોટ પ્લાન્ટમાં નેટવર્ક વિશ્લેષકને માપાંકિત કરવા માટે થાય છે. સૂચિત પ્રોટોટાઇપ MM એરેના સિમ્યુલેટેડ અને CST અવલોકન કરેલ સ્કેટરિંગ પરિમાણો આકૃતિ 5a માં બતાવવામાં આવ્યા છે. તે જોઈ શકાય છે કે સૂચિત MM માળખું 6 GHz ની નીચે 5G આવર્તન શ્રેણીમાં પડઘો પાડે છે. 10 ડીબીની બેન્ડવિડ્થમાં નાનો તફાવત હોવા છતાં, સિમ્યુલેટેડ અને પ્રાયોગિક પરિણામો ખૂબ સમાન છે. રેઝોનન્ટ ફ્રીક્વન્સી, બેન્ડવિડ્થ અને અવલોકન કરેલ રેઝોનન્સનું કંપનવિસ્તાર સિમ્યુલેટેડ કરતા થોડા અલગ છે, જેમ કે આકૃતિ 5a માં બતાવેલ છે. અવલોકન કરેલ અને સિમ્યુલેટેડ પરિણામો વચ્ચેના આ તફાવતો ઉત્પાદનની અપૂર્ણતા, પ્રોટોટાઇપ અને વેવગાઇડ બંદરો વચ્ચેની નાની મંજૂરીઓ, વેવગાઇડ બંદરો અને એરે ઘટકો વચ્ચેના જોડાણની અસરો અને માપન સહિષ્ણુતાને કારણે છે. વધુમાં, પ્રાયોગિક સેટઅપમાં વેવગાઈડ બંદરો વચ્ચે વિકસિત પ્રોટોટાઈપનું યોગ્ય પ્લેસમેન્ટ રેઝોનન્સ શિફ્ટમાં પરિણમી શકે છે. વધુમાં, કેલિબ્રેશન તબક્કા દરમિયાન અનિચ્છનીય અવાજ જોવા મળ્યો હતો, જેના કારણે સંખ્યાત્મક અને માપેલા પરિણામો વચ્ચે વિસંગતતાઓ જોવા મળી હતી. જો કે, આ મુશ્કેલીઓ સિવાય, સૂચિત MM એરે પ્રોટોટાઇપ સિમ્યુલેશન અને પ્રયોગ વચ્ચેના મજબૂત સહસંબંધને કારણે સારું પ્રદર્શન કરે છે, જે તેને સબ-6 GHz 5G વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન એપ્લિકેશન્સ માટે સારી રીતે અનુકૂળ બનાવે છે.
(a) યુનિટ સેલ ભૂમિતિ (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 સ્ટુડિયો સ્યુટ) ) 2019) (b) MM માપન સેટઅપનો ફોટો.
(a) મેટામેટરિયલ પ્રોટોટાઇપના સ્કેટરિંગ પેરામીટર વણાંકોનું સિમ્યુલેશન અને ચકાસણી. (b) MM એકમ કોષનો ડાઇલેક્ટ્રિક સતત વળાંક.
MM યુનિટ સેલની વર્તણૂકનું વધુ વિશ્લેષણ કરવા માટે CST ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક સિમ્યુલેટરની બિલ્ટ-ઇન પોસ્ટ-પ્રોસેસિંગ તકનીકોનો ઉપયોગ કરીને અસરકારક ડાઇલેક્ટ્રિક સતત, ચુંબકીય અભેદ્યતા અને રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ જેવા સંબંધિત અસરકારક પરિમાણોનો અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો હતો. અસરકારક MM પરિમાણો મજબૂત પુનર્નિર્માણ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને સ્કેટરિંગ પરિમાણોમાંથી મેળવવામાં આવે છે. નીચેના ટ્રાન્સમિટન્સ અને રિફ્લેક્શન ગુણાંક સમીકરણો: (3) અને (4) નો ઉપયોગ રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ અને અવબાધ નક્કી કરવા માટે થઈ શકે છે (જુઓ 40).
ઓપરેટરના વાસ્તવિક અને કાલ્પનિક ભાગો અનુક્રમે (.)' અને (.)” દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે, અને પૂર્ણાંક મૂલ્ય m વાસ્તવિક રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સને અનુરૂપ છે. ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક અને અભેદ્યતા એ સૂત્રો દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે \(\varepsilon { } = { }n/z,\) અને \(\mu = nz\), જે અનુક્રમે અવબાધ અને રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ પર આધારિત છે. MM સ્ટ્રક્ચરનો અસરકારક ડાઇલેક્ટ્રિક સતત વળાંક આકૃતિ 5b માં બતાવવામાં આવ્યો છે. રેઝોનન્ટ આવર્તન પર, અસરકારક ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક નકારાત્મક છે. આકૃતિઓ 6a,b સૂચિત એકમ કોષની અસરકારક અભેદ્યતા (μ) અને અસરકારક રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ (n) ના અર્કિત મૂલ્યો દર્શાવે છે. નોંધનીય રીતે, એક્સટ્રેક્ટેડ અભેદ્યતા શૂન્યની નજીક હકારાત્મક વાસ્તવિક મૂલ્યો દર્શાવે છે, જે સૂચિત એમએમ માળખાના એપ્સીલોન-નેગેટિવ (ENG) ગુણધર્મોની પુષ્ટિ કરે છે. તદુપરાંત, આકૃતિ 6a માં બતાવ્યા પ્રમાણે, શૂન્યની નજીકની અભેદ્યતા પરનો પડઘો રેઝોનન્ટ આવર્તન સાથે મજબૂત રીતે સંબંધિત છે. વિકસિત એકમ કોષમાં નકારાત્મક રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ (ફિગ. 6b) છે, જેનો અર્થ છે કે સૂચિત MM નો ઉપયોગ એન્ટેના પ્રભાવ 21,41 સુધારવા માટે થઈ શકે છે.
એક જ બ્રોડબેન્ડ એન્ટેનાનો વિકસિત પ્રોટોટાઇપ પ્રસ્તાવિત ડિઝાઇનને પ્રાયોગિક રીતે ચકાસવા માટે બનાવવામાં આવ્યો હતો. આકૃતિઓ 7a,b સૂચિત પ્રોટોટાઇપ સિંગલ એન્ટેના, તેના માળખાકીય ભાગો અને નજીકના ક્ષેત્ર માપન સેટઅપ (SATIMO) ની છબીઓ દર્શાવે છે. એન્ટેના કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરવા માટે, વિકસિત મેટાસર્ફેસને એન્ટેના હેઠળ સ્તરોમાં મૂકવામાં આવે છે, જેમ કે આકૃતિ 8a માં બતાવેલ છે, ઊંચાઈ h સાથે. સિંગલ એન્ટેનાના પાછળના ભાગમાં 12mm અંતરાલો પર 40mm x 40mm ડબલ-લેયર મેટાસરફેસ લાગુ કરવામાં આવી હતી. વધુમાં, બેકપ્લેન સાથેની મેટાસર્ફેસ સિંગલ એન્ટેનાની પાછળની બાજુએ 12 મીમીના અંતરે મૂકવામાં આવે છે. મેટાસર્ફેસ લાગુ કર્યા પછી, સિંગલ એન્ટેના પ્રદર્શનમાં નોંધપાત્ર સુધારો દર્શાવે છે, જેમ કે આકૃતિ 1 અને 2 માં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. આકૃતિ 8 અને 9. આકૃતિ 8b મેટાસર્ફેસ વગર અને સાથે સિંગલ એન્ટેના માટે સિમ્યુલેટેડ અને માપેલા પરાવર્તન પ્લોટ્સ બતાવે છે. એ નોંધવું યોગ્ય છે કે મેટાસર્ફેસ સાથેના એન્ટેનાનું કવરેજ બેન્ડ મેટાસર્ફેસ વિનાના એન્ટેનાના કવરેજ બેન્ડ જેવું જ છે. આકૃતિઓ 9a,b ઓપરેટિંગ સ્પેક્ટ્રમમાં MS વગર અને સાથે સિમ્યુલેટેડ અને અવલોકન કરેલ સિંગલ એન્ટેના ગેઇન અને એકંદર કાર્યક્ષમતાની સરખામણી દર્શાવે છે. તે જોઈ શકાય છે કે, નોન-મેટાસર્ફેસ એન્ટેનાની તુલનામાં, મેટાસર્ફેસ એન્ટેનાનો લાભ નોંધપાત્ર રીતે સુધારેલ છે, જે 5.15 dBi થી 8 dBi સુધી વધી રહ્યો છે. સિંગલ-લેયર મેટાસર્ફેસ, ડ્યુઅલ-લેયર મેટાસર્ફેસ અને બેકપ્લેન મેટાસર્ફેસ સાથે સિંગલ એન્ટેનાનો લાભ અનુક્રમે 6 dBi, 6.9 dBi અને 8 dBi વધ્યો છે. અન્ય મેટાસરફેસ (સિંગલ-લેયર અને ડબલ-લેયર MC) ની સરખામણીમાં, કોપર બેકપ્લેન સાથે સિંગલ મેટાસર્ફેસ એન્ટેનાનો ફાયદો 8 dBi સુધીનો છે. આ કિસ્સામાં, મેટાસર્ફેસ પરાવર્તક તરીકે કાર્ય કરે છે, એન્ટેનાના પાછળના કિરણોત્સર્ગને ઘટાડે છે અને તબક્કામાં ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોને હેરફેર કરે છે, જેનાથી એન્ટેનાની રેડિયેશન કાર્યક્ષમતા વધે છે અને તેથી ફાયદો થાય છે. મેટાસર્ફેસ વગર અને સાથે એકલ એન્ટેનાની એકંદર કાર્યક્ષમતાનો અભ્યાસ આકૃતિ 9b માં દર્શાવવામાં આવ્યો છે. તે નોંધવું યોગ્ય છે કે મેટાસર્ફેસ સાથે અને વગર એન્ટેનાની કાર્યક્ષમતા લગભગ સમાન છે. નીચલા આવર્તન શ્રેણીમાં, એન્ટેના કાર્યક્ષમતા સહેજ ઘટે છે. પ્રાયોગિક અને સિમ્યુલેટેડ ગેઇન અને કાર્યક્ષમતા વણાંકો સારા કરારમાં છે. જોકે, મેન્યુફેક્ચરિંગ ખામીઓ, માપન સહિષ્ણુતા, SMA પોર્ટ કનેક્શન લોસ અને વાયર લોસને કારણે સિમ્યુલેટેડ અને પરીક્ષણ પરિણામો વચ્ચે થોડો તફાવત છે. વધુમાં, એન્ટેના અને એમએસ રિફ્લેક્ટર નાયલોન સ્પેસર્સ વચ્ચે સ્થિત છે, જે સિમ્યુલેશન પરિણામોની તુલનામાં અવલોકન કરાયેલા પરિણામોને અસર કરતી અન્ય સમસ્યા છે.
આકૃતિ (a) પૂર્ણ થયેલ સિંગલ એન્ટેના અને તેના સંબંધિત ઘટકો દર્શાવે છે. (b) નજીકનું ક્ષેત્ર માપન સેટઅપ (SATIMO).
(a) મેટાસરફેસ રિફ્લેક્ટરનો ઉપયોગ કરીને એન્ટેના ઉત્તેજના (CST સ્ટુડિયો સ્યુટ 2019). (b) MS વગર અને સાથે સિંગલ એન્ટેનાના સિમ્યુલેટેડ અને પ્રાયોગિક પ્રતિબિંબ.
સિમ્યુલેશન અને માપન પરિણામો (a) હાંસલ કરેલ લાભ અને (b) સૂચિત મેટાસરફેસ અસર એન્ટેનાની એકંદર કાર્યક્ષમતા.
MS નો ઉપયોગ કરીને બીમ પેટર્ન વિશ્લેષણ. UKM SATIMO નીયર-ફીલ્ડ સિસ્ટમ્સ લેબોરેટરીના SATIMO નજીકના-ક્ષેત્ર પ્રાયોગિક પર્યાવરણમાં સિંગલ-એન્ટેના નજીકના-ક્ષેત્ર માપન હાથ ધરવામાં આવ્યા હતા. આકૃતિઓ 10a, b MS સાથે અને વગર સૂચિત સિંગલ એન્ટેના માટે 5.5 GHz પર સિમ્યુલેટેડ અને અવલોકન કરેલ ઇ-પ્લેન અને H-પ્લેન રેડિયેશન પેટર્ન દર્શાવે છે. વિકસિત સિંગલ એન્ટેના (MS વિના) બાજુના લોબ મૂલ્યો સાથે સુસંગત દ્વિદિશ રેડિયેશન પેટર્ન પ્રદાન કરે છે. સૂચિત એમએસ રિફ્લેક્ટર લાગુ કર્યા પછી, એન્ટેના એક દિશાહીન રેડિયેશન પેટર્ન પ્રદાન કરે છે અને પાછળના લોબનું સ્તર ઘટાડે છે, જેમ કે આકૃતિ 10a, b માં બતાવ્યા પ્રમાણે. તે નોંધવું યોગ્ય છે કે સૂચિત સિંગલ એન્ટેના રેડિયેશન પેટર્ન કોપર બેકપ્લેન સાથે મેટાસરફેસનો ઉપયોગ કરતી વખતે ખૂબ જ નીચા પીઠ અને બાજુના લોબ સાથે વધુ સ્થિર અને દિશાવિહીન છે. સૂચિત MM એરે રિફ્લેક્ટર એન્ટેનાના પાછળના અને બાજુના લોબને ઘટાડે છે જ્યારે કિરણોત્સર્ગની કામગીરીમાં સુધારો કરે છે તે દિશાવિહીન દિશાઓમાં પ્રવાહને નિર્દેશિત કરે છે (ફિગ. 10a, b), જેનાથી ગેઇન અને ડાયરેક્ટિવિટી વધે છે. એવું અવલોકન કરવામાં આવ્યું હતું કે પ્રાયોગિક રેડિયેશન પેટર્ન લગભગ CST સિમ્યુલેશન સાથે તુલનાત્મક હતી, પરંતુ વિવિધ એસેમ્બલ ઘટકો, માપન સહિષ્ણુતા અને કેબલિંગ નુકસાનની ખોટી ગોઠવણીને કારણે થોડો બદલાયો હતો. વધુમાં, એન્ટેના અને એમએસ રિફ્લેક્ટર વચ્ચે નાયલોન સ્પેસર નાખવામાં આવ્યું હતું, જે સંખ્યાત્મક પરિણામોની સરખામણીમાં અવલોકન કરાયેલ પરિણામોને અસર કરતી બીજી સમસ્યા છે.
5.5 GHz ની આવર્તન પર વિકસિત સિંગલ એન્ટેના (MS વગર અને MS સાથે) ની રેડિયેશન પેટર્નનું અનુકરણ અને પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું.
સૂચિત MIMO એન્ટેના ભૂમિતિ આકૃતિ 11 માં બતાવવામાં આવી છે અને તેમાં ચાર સિંગલ એન્ટેનાનો સમાવેશ થાય છે. આકૃતિ 11 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, MIMO એન્ટેનાના ચાર ઘટકો 80 × 80 × 1.575 mm પરિમાણોના સબસ્ટ્રેટ પર એકબીજા સાથે ઓર્થોગોનલી ગોઠવાયેલા છે. ડિઝાઇન કરેલ MIMO એન્ટેના 22 mm નું આંતર-તત્વ અંતર ધરાવે છે, જે તેના કરતા નાનું છે. એન્ટેનાનું સૌથી નજીકનું અનુરૂપ આંતર-તત્વ અંતર. MIMO એન્ટેના વિકસિત. વધુમાં, ગ્રાઉન્ડ પ્લેનનો ભાગ સિંગલ એન્ટેનાની જેમ જ સ્થિત છે. આકૃતિ 12a માં બતાવેલ MIMO એન્ટેના (S11, S22, S33, અને S44) ના પ્રતિબિંબ મૂલ્યો 3.2–7.6 GHz બેન્ડમાં એકલ-તત્વ એન્ટેનાની જેમ જ વર્તન દર્શાવે છે. તેથી, MIMO એન્ટેનાની અવબાધ બેન્ડવિડ્થ એકલ એન્ટેનાની બરાબર સમાન છે. MIMO ઘટકો વચ્ચેના જોડાણની અસર એ MIMO એન્ટેનાની નાની બેન્ડવિડ્થ નુકશાનનું મુખ્ય કારણ છે. આકૃતિ 12b એ MIMO ઘટકો પર ઇન્ટરકનેક્શનની અસર દર્શાવે છે, જ્યાં MIMO ઘટકો વચ્ચે શ્રેષ્ઠ અલગતા નક્કી કરવામાં આવી હતી. એન્ટેના 1 અને 2 વચ્ચેનું આઇસોલેશન લગભગ -13.6 dB પર સૌથી ઓછું છે, અને એન્ટેના 1 અને 4 વચ્ચેનું આઇસોલેશન લગભગ -30.4 dB પર સૌથી વધુ છે. તેના નાના કદ અને વિશાળ બેન્ડવિડ્થને લીધે, આ MIMO એન્ટેનામાં ઓછો લાભ અને ઓછો થ્રુપુટ છે. ઇન્સ્યુલેશન ઓછું છે, તેથી મજબૂતીકરણ અને ઇન્સ્યુલેશનમાં વધારો જરૂરી છે;
સૂચિત MIMO એન્ટેના (a) ટોપ વ્યૂ અને (b) ગ્રાઉન્ડ પ્લેનની ડિઝાઇન મિકેનિઝમ. (CST સ્ટુડિયો સ્યુટ 2019).
સૂચિત મેટાસર્ફેસ MIMO એન્ટેનાની ભૌમિતિક ગોઠવણી અને ઉત્તેજના પદ્ધતિ આકૃતિ 13a માં બતાવવામાં આવી છે. 80x80x1.575mm ના પરિમાણો સાથેનું 10x10mm મેટ્રિક્સ 12mm ઊંચા MIMO એન્ટેનાની પાછળની બાજુ માટે ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યું છે, જેમ કે આકૃતિ 13a માં બતાવ્યા પ્રમાણે. વધુમાં, તાંબાના બેકપ્લેન સાથેના મેટાસર્ફેસ તેમના પ્રભાવને સુધારવા માટે MIMO એન્ટેનામાં ઉપયોગ માટે બનાવાયેલ છે. મેટાસર્ફેસ અને MIMO એન્ટેના વચ્ચેનું અંતર ઉચ્ચ લાભ મેળવવા માટે મહત્વપૂર્ણ છે જ્યારે એન્ટેના દ્વારા પેદા થતા તરંગો અને મેટાસર્ફેસમાંથી પ્રતિબિંબિત તરંગો વચ્ચે રચનાત્મક હસ્તક્ષેપની મંજૂરી આપે છે. MIMO તત્વો વચ્ચે મહત્તમ લાભ અને અલગતા માટે ક્વાર્ટર-વેવ ધોરણો જાળવી રાખીને એન્ટેના અને મેટાસર્ફેસ વચ્ચેની ઊંચાઈને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવા માટે વ્યાપક મોડેલિંગ કરવામાં આવ્યું હતું. બેકપ્લેન વગરના મેટાસર્ફેસની તુલનામાં બેકપ્લેન સાથે મેટાસર્ફેસનો ઉપયોગ કરીને પ્રાપ્ત કરેલ MIMO એન્ટેના પ્રભાવમાં નોંધપાત્ર સુધારાઓ પછીના પ્રકરણોમાં દર્શાવવામાં આવશે.
(a) MS (CST STUDIO SUITE 2019) નો ઉપયોગ કરીને સૂચિત MIMO એન્ટેનાનું CST સિમ્યુલેશન સેટઅપ, (b) MS વગર અને MS સાથે વિકસિત MIMO સિસ્ટમના રિફ્લેકન્સ કર્વ્સ.
મેટાસર્ફેસ સાથે અને વગર MIMO એન્ટેનાના પ્રતિબિંબ આકૃતિ 13b માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે, જ્યાં MIMO સિસ્ટમમાં તમામ એન્ટેનાના લગભગ સમાન વર્તનને કારણે S11 અને S44 રજૂ કરવામાં આવ્યા છે. તે નોંધવું યોગ્ય છે કે MIMO એન્ટેનાની -10 dB ઇમ્પિડન્સ બેન્ડવિડ્થ એક જ મેટાસર્ફેસ વગર અને સાથે લગભગ સમાન છે. તેનાથી વિપરીત, સૂચિત MIMO એન્ટેનાની અવરોધ બેન્ડવિડ્થ ડ્યુઅલ-લેયર MS અને બેકપ્લેન MS દ્વારા સુધારેલ છે. તે નોંધવું યોગ્ય છે કે MS વિના, MIMO એન્ટેના કેન્દ્રની આવર્તનની તુલનામાં 81.5% (3.2-7.6 GHz) ની અપૂર્ણાંક બેન્ડવિડ્થ પ્રદાન કરે છે. MS ને બેકપ્લેન સાથે એકીકૃત કરવાથી સૂચિત MIMO એન્ટેનાની અવરોધ બેન્ડવિડ્થ વધીને 86.3% (3.08–7.75 GHz) થાય છે. જો કે ડ્યુઅલ-લેયર MS થ્રુપુટમાં વધારો કરે છે, કોપર બેકપ્લેન સાથે MS કરતા સુધારો ઓછો છે. તદુપરાંત, ડ્યુઅલ-લેયર MC એન્ટેનાનું કદ વધારે છે, તેની કિંમત વધારે છે અને તેની શ્રેણીને મર્યાદિત કરે છે. સિમ્યુલેશન પરિણામોને માન્ય કરવા અને વાસ્તવિક કામગીરીનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે ડિઝાઇન કરેલ MIMO એન્ટેના અને મેટાસર્ફેસ રિફ્લેક્ટર બનાવટી અને ચકાસવામાં આવે છે. આકૃતિ 14a એ ફેબ્રિકેટેડ MS સ્તર અને MIMO એન્ટેનાને એસેમ્બલ કરેલા વિવિધ ઘટકો સાથે બતાવે છે, જ્યારે આકૃતિ 14b વિકસિત MIMO સિસ્ટમનો ફોટોગ્રાફ બતાવે છે. આકૃતિ 14b માં બતાવ્યા પ્રમાણે MIMO એન્ટેના ચાર નાયલોન સ્પેસરનો ઉપયોગ કરીને મેટાસર્ફેસની ટોચ પર માઉન્ટ થયેલ છે. આકૃતિ 15a વિકસિત MIMO એન્ટેના સિસ્ટમના નજીકના ક્ષેત્રના પ્રાયોગિક સેટઅપનો સ્નેપશોટ બતાવે છે. PNA નેટવર્ક વિશ્લેષક (Agilent Technologies PNA N5227A) નો ઉપયોગ સ્કેટરિંગ પેરામીટર્સનો અંદાજ કાઢવા અને UKM SATIMO નીયર-ફીલ્ડ સિસ્ટમ્સ લેબોરેટરીમાં નજીકના-ક્ષેત્ર ઉત્સર્જન લાક્ષણિકતાઓનું મૂલ્યાંકન કરવા અને લાક્ષણિકતા માટે કરવામાં આવ્યો હતો.
(a) SATIMO નજીકના ક્ષેત્રના માપનના ફોટા (b) MS સાથે અને વગર S11 MIMO એન્ટેનાના સિમ્યુલેટેડ અને પ્રાયોગિક વળાંકો.
આ વિભાગ સૂચિત 5G MIMO એન્ટેનાના સિમ્યુલેટેડ અને અવલોકન કરેલ S-પેરામીટર્સનો તુલનાત્મક અભ્યાસ રજૂ કરે છે. આકૃતિ 15b સંકલિત 4-તત્વ MIMO MS એન્ટેનાનો પ્રાયોગિક પ્રતિબિંબ પ્લોટ બતાવે છે અને CST સિમ્યુલેશન પરિણામો સાથે તેની તુલના કરે છે. પ્રાયોગિક પ્રતિબિંબ CST ગણતરીઓ જેવા જ હોવાનું જણાયું હતું, પરંતુ ઉત્પાદન ખામીઓ અને પ્રાયોગિક સહિષ્ણુતાને કારણે તે સહેજ અલગ હતા. વધુમાં, સૂચિત MS-આધારિત MIMO પ્રોટોટાઇપનું અવલોકન કરેલ પ્રતિબિંબ 4.8 GHz ની અવરોધ બેન્ડવિડ્થ સાથે 6 GHz ની નીચે 5G સ્પેક્ટ્રમને આવરી લે છે, જેનો અર્થ છે કે 5G એપ્લિકેશન શક્ય છે. જો કે, માપેલ રેઝોનન્ટ આવર્તન, બેન્ડવિડ્થ અને કંપનવિસ્તાર CST સિમ્યુલેશન પરિણામોથી સહેજ અલગ છે. મેન્યુફેક્ચરિંગ ખામીઓ, કોક્સ-ટુ-એસએમએ કપલિંગ નુકસાન અને આઉટડોર માપન સેટઅપ્સ માપેલા અને સિમ્યુલેટેડ પરિણામો વચ્ચે તફાવત પેદા કરી શકે છે. જો કે, આ ખામીઓ હોવા છતાં, સૂચિત MIMO સારી કામગીરી બજાવે છે, સિમ્યુલેશન અને માપ વચ્ચે મજબૂત કરાર પૂરો પાડે છે, જે તેને સબ-6 GHz 5G વાયરલેસ એપ્લિકેશન્સ માટે સારી રીતે અનુકૂળ બનાવે છે.
સિમ્યુલેટેડ અને અવલોકન કરેલ MIMO એન્ટેના ગેઇન કર્વ્સ આકૃતિ 2 અને 2 માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. આકૃતિ 16a,b અને 17a,b માં અનુક્રમે બતાવ્યા પ્રમાણે, MIMO ઘટકોની પરસ્પર ક્રિયાપ્રતિક્રિયા બતાવવામાં આવી છે. જ્યારે MIMO એન્ટેના પર મેટાસર્ફેસ લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે MIMO એન્ટેના વચ્ચેનું અલગતા નોંધપાત્ર રીતે સુધારેલ છે. નજીકના એન્ટેના તત્વો S12, S14, S23 અને S34 વચ્ચેના આઇસોલેશન પ્લોટ સમાન વળાંક દર્શાવે છે, જ્યારે વિકર્ણ MIMO એન્ટેના S13 અને S42 તેમની વચ્ચેના વધુ અંતરને કારણે સમાન રીતે ઉચ્ચ અલગતા દર્શાવે છે. સંલગ્ન એન્ટેનાની સિમ્યુલેટેડ ટ્રાન્સમિશન લાક્ષણિકતાઓ આકૃતિ 16a માં બતાવવામાં આવી છે. નોંધનીય છે કે 6 ગીગાહર્ટ્ઝથી નીચેના 5G ઓપરેટિંગ સ્પેક્ટ્રમમાં, મેટાસર્ફેસ વિનાના MIMO એન્ટેનાનું ન્યૂનતમ આઇસોલેશન -13.6 dB છે, અને બેકપ્લેન સાથેના મેટાસર્ફેસ માટે - 15.5 dB છે. ગેઇન પ્લોટ (આકૃતિ 16a) દર્શાવે છે કે બેકપ્લેન મેટાસર્ફેસ સિંગલ- અને ડબલ-લેયર મેટાસર્ફેસની તુલનામાં MIMO એન્ટેના તત્વો વચ્ચેના અલગતાને નોંધપાત્ર રીતે સુધારે છે. અડીને આવેલા એન્ટેના તત્વો પર, સિંગલ- અને ડબલ-લેયર મેટાસરફેસ લગભગ -13.68 dB અને -14.78 dB નું ન્યૂનતમ અલગતા પ્રદાન કરે છે, અને કોપર બેકપ્લેન મેટાસર્ફેસ લગભગ -15.5 dB પ્રદાન કરે છે.
MS સ્તર વિના અને MS સ્તર સાથે MIMO તત્વોના સિમ્યુલેટેડ આઇસોલેશન કર્વ્સ: (a) S12, S14, S34 અને S32 અને (b) S13 અને S24.
સૂચિત MS-આધારિત MIMO એન્ટેનાના પ્રાયોગિક લાભ વણાંકો વગર અને સાથે: (a) S12, S14, S34 અને S32 અને (b) S13 અને S24.
MS સ્તર ઉમેરતા પહેલા અને પછી MIMO વિકર્ણ એન્ટેના ગેઇન પ્લોટ આકૃતિ 16b માં બતાવેલ છે. તે નોંધવું યોગ્ય છે કે મેટાસર્ફેસ (એન્ટેના 1 અને 3) વગરના વિકર્ણ એન્ટેના વચ્ચેનું ન્યૂનતમ અલગતા - સમગ્ર ઓપરેટિંગ સ્પેક્ટ્રમમાં 15.6 dB છે, અને બેકપ્લેન સાથેની મેટાસર્ફેસ - 18 dB છે. મેટાસર્ફેસ અભિગમ વિકર્ણ MIMO એન્ટેના વચ્ચેના જોડાણની અસરોને નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડે છે. સિંગલ-લેયર મેટાસર્ફેસ માટે મહત્તમ ઇન્સ્યુલેશન -37 dB છે, જ્યારે ડબલ-લેયર મેટાસર્ફેસ માટે આ મૂલ્ય -47 dB સુધી ઘટી જાય છે. કોપર બેકપ્લેન સાથે મેટાસર્ફેસની મહત્તમ અલગતા −36.2 dB છે, જે વધતી આવર્તન શ્રેણી સાથે ઘટે છે. બેકપ્લેન વગરના સિંગલ- અને ડબલ-લેયર મેટાસરફેસની તુલનામાં, બેકપ્લેન સાથેના મેટાસર્ફેસ સમગ્ર જરૂરી ઓપરેટિંગ ફ્રીક્વન્સી રેન્જમાં શ્રેષ્ઠ અલગતા પ્રદાન કરે છે, ખાસ કરીને 6 GHz નીચેની 5G રેન્જમાં, આકૃતિ 16a, b માં બતાવ્યા પ્રમાણે. 6 GHz (3.5 GHz) ની નીચે સૌથી વધુ લોકપ્રિય અને વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાતા 5G બેન્ડમાં, સિંગલ- અને ડ્યુઅલ-લેયર મેટાસર્ફેસમાં MIMO ઘટકો વચ્ચે કોપર બેકપ્લેન (લગભગ કોઈ MS નથી) (આકૃતિ 16a જુઓ), b) કરતાં MIMO ઘટકો વચ્ચે ઓછી અલગતા હોય છે. ગેઇન માપન અનુક્રમે નજીકના એન્ટેના (S12, S14, S34 અને S32) અને વિકર્ણ એન્ટેના (S24 અને S13) ના અલગતા દર્શાવે છે, આકૃતિ 17a, b માં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. જેમ કે આ આંકડાઓ પરથી જોઈ શકાય છે (ફિગ. 17a, b), MIMO ઘટકો વચ્ચે પ્રાયોગિક અલગતા સિમ્યુલેટેડ આઇસોલેશન સાથે સારી રીતે સંમત થાય છે. જોકે મેન્યુફેક્ચરિંગ ખામી, SMA પોર્ટ કનેક્શન અને વાયર લોસને કારણે સિમ્યુલેટેડ અને માપેલા CST મૂલ્યો વચ્ચે નાના તફાવતો છે. વધુમાં, એન્ટેના અને એમએસ રિફ્લેક્ટર નાયલોન સ્પેસર્સ વચ્ચે સ્થિત છે, જે સિમ્યુલેશન પરિણામોની તુલનામાં અવલોકન કરેલા પરિણામોને અસર કરતી અન્ય સમસ્યા છે.
5.5 ગીગાહર્ટ્ઝ પર સપાટીના વર્તમાન વિતરણનો અભ્યાસ કર્યો જેથી સપાટી તરંગ દમન દ્વારા પરસ્પર જોડાણ ઘટાડવામાં મેટાસરફેસની ભૂમિકાને તર્કસંગત બનાવવામાં આવે. સૂચિત MIMO એન્ટેનાનું સપાટીનું વર્તમાન વિતરણ આકૃતિ 18 માં બતાવવામાં આવ્યું છે, જ્યાં એન્ટેના 1 ચલાવવામાં આવે છે અને બાકીના એન્ટેનાને 50 ઓહ્મ લોડ સાથે સમાપ્ત કરવામાં આવે છે. જ્યારે એન્ટેના 1 એનર્જાઈઝ થાય છે, ત્યારે આકૃતિ 18a માં બતાવ્યા પ્રમાણે, મેટાસર્ફેસની ગેરહાજરીમાં 5.5 GHz પર નજીકના એન્ટેના પર નોંધપાત્ર મ્યુચ્યુઅલ કપલિંગ કરંટ દેખાશે. તેનાથી વિપરિત, મેટાસર્ફેસના ઉપયોગ દ્વારા, ફિગ. 18b–d માં બતાવ્યા પ્રમાણે, અડીને આવેલા એન્ટેના વચ્ચેના અલગતામાં સુધારો થાય છે. એ નોંધવું જોઈએ કે અડીને આવેલા ક્ષેત્રોના પરસ્પર જોડાણની અસરને એકમ કોષોના અડીને આવેલા રિંગ્સ અને MS સ્તરની બાજુના MS એકમ કોષો પર વિરોધી સમાંતર દિશામાં પ્રચાર કરીને ઘટાડી શકાય છે. વિતરિત એન્ટેનામાંથી એમએસ એકમોમાં પ્રવાહનું ઇન્જેક્શન કરવું એ MIMO ઘટકો વચ્ચે અલગતા સુધારવા માટેની મુખ્ય પદ્ધતિ છે. પરિણામે, MIMO ઘટકો વચ્ચેના જોડાણનો પ્રવાહ ઘણો ઓછો થયો છે, અને અલગતામાં પણ ઘણો સુધારો થયો છે. કારણ કે કપ્લીંગ ફીલ્ડ તત્વમાં વ્યાપકપણે વિતરિત થયેલ છે, કોપર બેકપ્લેન મેટાસર્ફેસ MIMO એન્ટેના એસેમ્બલીને સિંગલ- અને ડબલ-લેયર મેટાસર્ફેસ (આકૃતિ 18d) કરતા નોંધપાત્ર રીતે અલગ કરે છે. તદુપરાંત, વિકસિત MIMO એન્ટેનામાં ખૂબ જ ઓછું બેકપ્રોપગેશન અને બાજુ પ્રચાર છે, જે એક દિશાહીન રેડિયેશન પેટર્ન બનાવે છે, જેથી સૂચિત MIMO એન્ટેનાનો ફાયદો વધે છે.
5.5 GHz (a) MC વગર, (b) સિંગલ-લેયર MC, (c) ડબલ-લેયર MC અને (d) કોપર બેકપ્લેન સાથે સિંગલ-લેયર MC પર સૂચિત MIMO એન્ટેનાની સપાટી વર્તમાન પેટર્ન. (CST સ્ટુડિયો સ્યુટ 2019).
ઓપરેટિંગ ફ્રિક્વન્સીમાં, આકૃતિ 19a મેટાસર્ફેસ વિના અને સાથે ડિઝાઇન કરેલ MIMO એન્ટેનાના સિમ્યુલેટેડ અને અવલોકન કરેલ લાભો દર્શાવે છે. આકૃતિ 19a માં બતાવ્યા પ્રમાણે, મેટાસર્ફેસ વિના MIMO એન્ટેનાનો સિમ્યુલેટેડ હાંસલ કરેલ ગેઇન 5.4 dBi છે. MIMO ઘટકો વચ્ચેની પરસ્પર જોડાણની અસરને કારણે, સૂચિત MIMO એન્ટેના વાસ્તવમાં એક એન્ટેના કરતાં 0.25 dBi વધુ લાભ પ્રાપ્ત કરે છે. મેટાસર્ફેસનો ઉમેરો MIMO ઘટકો વચ્ચે નોંધપાત્ર લાભ અને અલગતા પ્રદાન કરી શકે છે. આમ, સૂચિત મેટાસર્ફેસ MIMO એન્ટેના 8.3 dBi સુધીનો ઉચ્ચ અનુભવ પ્રાપ્ત કરી શકે છે. આકૃતિ 19a માં બતાવ્યા પ્રમાણે, જ્યારે MIMO એન્ટેનાની પાછળ સિંગલ મેટાસર્ફેસનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, ત્યારે ગેઇન 1.4 dBi વધે છે. જ્યારે મેટાસર્ફેસ બમણી થાય છે, ત્યારે ગેઇન 2.1 dBi વધે છે, જેમ કે આકૃતિ 19a માં બતાવેલ છે. જો કે, કોપર બેકપ્લેન સાથે મેટાસરફેસનો ઉપયોગ કરતી વખતે 8.3 dBi નો અપેક્ષિત મહત્તમ લાભ પ્રાપ્ત થાય છે. નોંધનીય રીતે, સિંગલ-લેયર અને ડબલ-લેયર મેટાસર્ફેસ માટે મહત્તમ પ્રાપ્ત ગેઇન અનુક્રમે 6.8 dBi અને 7.5 dBi છે, જ્યારે બોટમ-લેયર મેટાસર્ફેસ માટે મહત્તમ પ્રાપ્ત ગેઇન 8.3 dBi છે. એન્ટેનાની પાછળની બાજુનું મેટાસર્ફેસ સ્તર પરાવર્તક તરીકે કાર્ય કરે છે, જે એન્ટેનાની પાછળની બાજુથી કિરણોત્સર્ગને પ્રતિબિંબિત કરે છે અને ડિઝાઇન કરેલ MIMO એન્ટેનાના આગળથી પાછળ (F/B) ગુણોત્તરમાં સુધારો કરે છે. વધુમાં, ઉચ્ચ-અવરોધ MS પરાવર્તક તબક્કામાં ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોની હેરફેર કરે છે, જેનાથી વધારાના પડઘો બનાવે છે અને સૂચિત MIMO એન્ટેનાના રેડિયેશન પ્રભાવમાં સુધારો થાય છે. MIMO એન્ટેના પાછળ સ્થાપિત MS પરાવર્તક પ્રાપ્ત કરેલ લાભને નોંધપાત્ર રીતે વધારી શકે છે, જે પ્રાયોગિક પરિણામો દ્વારા પુષ્ટિ મળે છે. વિકસિત પ્રોટોટાઇપ MIMO એન્ટેનાના અવલોકન કરેલ અને સિમ્યુલેટેડ ગેઇન્સ લગભગ સમાન છે, જો કે, કેટલીક ફ્રીક્વન્સીઝ પર માપવામાં આવેલ ગેઇન સિમ્યુલેટેડ ગેઇન કરતા વધારે છે, ખાસ કરીને MS વગરના MIMO માટે; પ્રાયોગિક લાભમાં આ ભિન્નતા નાયલોન પેડ્સની માપન સહનશીલતા, કેબલની ખોટ અને એન્ટેના સિસ્ટમમાં જોડાણને કારણે છે. મેટાસર્ફેસ વિના MIMO એન્ટેનાનો પીક માપવામાં આવેલ ગેઇન 5.8 dBi છે, જ્યારે કોપર બેકપ્લેન સાથેનો મેટાસર્ફેસ 8.5 dBi છે. એ નોંધવું યોગ્ય છે કે MS રિફ્લેક્ટર સાથે સૂચિત સંપૂર્ણ 4-પોર્ટ MIMO એન્ટેના સિસ્ટમ પ્રાયોગિક અને સંખ્યાત્મક પરિસ્થિતિઓ હેઠળ ઉચ્ચ લાભ દર્શાવે છે.
સિમ્યુલેશન અને પ્રાયોગિક પરિણામો (a) પ્રાપ્ત લાભ અને (b) મેટાસર્ફેસ અસર સાથે સૂચિત MIMO એન્ટેનાનું એકંદર પ્રદર્શન.
આકૃતિ 19b સૂચિત MIMO સિસ્ટમનું મેટાસર્ફેસ રિફ્લેક્ટર વિના અને તેની સાથે એકંદર કામગીરી દર્શાવે છે. આકૃતિ 19b માં, બેકપ્લેન સાથે MS નો ઉપયોગ કરતી સૌથી ઓછી કાર્યક્ષમતા 73% (નીચી 84%) થી વધુ હતી. MC વિના અને MC સાથે વિકસિત MIMO એન્ટેનાની એકંદર કાર્યક્ષમતા સિમ્યુલેટેડ મૂલ્યોની તુલનામાં નાના તફાવતો સાથે લગભગ સમાન છે. આના કારણો માપન સહિષ્ણુતા અને એન્ટેના અને એમએસ રિફ્લેક્ટર વચ્ચે સ્પેસરનો ઉપયોગ છે. સમગ્ર ફ્રિક્વન્સીમાં માપવામાં આવેલો લાભ અને એકંદર કાર્યક્ષમતા લગભગ સિમ્યુલેશન પરિણામો જેવી જ છે, જે સૂચવે છે કે સૂચિત MIMO પ્રોટોટાઇપનું પ્રદર્શન અપેક્ષા મુજબ છે અને ભલામણ કરેલ MS- આધારિત MIMO એન્ટેના 5G સંચાર માટે યોગ્ય છે. પ્રાયોગિક અભ્યાસોમાં ભૂલોને લીધે, પ્રયોગશાળાના પ્રયોગોના એકંદર પરિણામો અને સિમ્યુલેશનના પરિણામો વચ્ચે તફાવતો છે. સૂચિત પ્રોટોટાઇપનું પ્રદર્શન એન્ટેના અને એસએમએ કનેક્ટર વચ્ચેના અવબાધ મિસમેચ, કોએક્સિયલ કેબલ સ્પ્લિસ લોસ, સોલ્ડરિંગ ઇફેક્ટ્સ અને પ્રાયોગિક સેટઅપ માટે વિવિધ ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોની નિકટતા દ્વારા પ્રભાવિત થાય છે.
આકૃતિ 20 બ્લોક ડાયાગ્રામના રૂપમાં જણાવેલ એન્ટેનાની ડિઝાઇન અને ઑપ્ટિમાઇઝેશન પ્રગતિનું વર્ણન કરે છે. આ બ્લોક ડાયાગ્રામ સૂચિત MIMO એન્ટેના ડિઝાઇન સિદ્ધાંતોનું પગલું-દર-પગલાં વર્ણન પ્રદાન કરે છે, સાથે સાથે વિશાળ ઓપરેટિંગ આવર્તન પર જરૂરી ઉચ્ચ લાભ અને ઉચ્ચ અલગતા પ્રાપ્ત કરવા માટે એન્ટેનાને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવામાં મુખ્ય ભૂમિકા ભજવે છે.
UKM SATIMO નીયર-ફીલ્ડ સિસ્ટમ્સ લેબોરેટરી ખાતે SATIMO નજીકના-ક્ષેત્ર પ્રાયોગિક પર્યાવરણમાં નજીકના-ક્ષેત્ર MIMO એન્ટેના માપન કરવામાં આવ્યા હતા. આકૃતિઓ 21a,b 5.5 ગીગાહર્ટ્ઝની ઓપરેટિંગ ફ્રીક્વન્સી પર MS સાથે અને વગર દાવો કરાયેલા MIMO એન્ટેનાના સિમ્યુલેટેડ અને અવલોકન કરેલ ઇ-પ્લેન અને H-પ્લેન રેડિયેશન પેટર્નનું નિરૂપણ કરે છે. 5.5 GHz ની ઓપરેટિંગ ફ્રીક્વન્સી રેન્જમાં, વિકસિત નોન-MS MIMO એન્ટેના બાજુના લોબ મૂલ્યો સાથે સુસંગત દ્વિદિશ રેડિયેશન પેટર્ન પ્રદાન કરે છે. MS પરાવર્તક લાગુ કર્યા પછી, એન્ટેના એક દિશાહીન રેડિયેશન પેટર્ન પ્રદાન કરે છે અને બેક લોબ્સનું સ્તર ઘટાડે છે, જેમ કે આકૃતિ 21a, b માં બતાવ્યા પ્રમાણે. તે નોંધવું યોગ્ય છે કે કોપર બેકપ્લેન સાથે મેટાસર્ફેસનો ઉપયોગ કરીને, સૂચિત MIMO એન્ટેના પેટર્ન MS વગરની તુલનામાં વધુ સ્થિર અને દિશાવિહીન છે, જેમાં પાછળ અને બાજુના લોબ્સ ખૂબ ઓછા છે. સૂચિત MM એરે રિફ્લેક્ટર એન્ટેનાના પાછળના અને બાજુના લોબને ઘટાડે છે અને વિદ્યુતપ્રવાહને એક દિશાહીન દિશામાં (ફિગ. 21a, b) દિશામાન કરીને રેડિયેશન લાક્ષણિકતાઓને પણ સુધારે છે, જેનાથી ગેઇન અને ડાયરેક્ટિવિટી વધે છે. માપેલ રેડિયેશન પેટર્ન પોર્ટ 1 માટે બાકીના બંદરો સાથે જોડાયેલા 50 ઓહ્મ લોડ સાથે મેળવવામાં આવી હતી. એવું અવલોકન કરવામાં આવ્યું હતું કે પ્રાયોગિક રેડિયેશન પેટર્ન લગભગ CST દ્વારા સિમ્યુલેટેડ સમાન હતી, જોકે ઘટકોની ખોટી ગોઠવણી, ટર્મિનલ બંદરોમાંથી પ્રતિબિંબ અને કેબલ કનેક્શન્સમાં થયેલા નુકસાનને કારણે કેટલાક વિચલનો હતા. વધુમાં, એન્ટેના અને MS રિફ્લેક્ટર વચ્ચે નાયલોન સ્પેસર નાખવામાં આવ્યું હતું, જે અનુમાનિત પરિણામોની સરખામણીમાં અવલોકન કરાયેલ પરિણામોને અસર કરતી અન્ય સમસ્યા છે.
5.5 ગીગાહર્ટ્ઝની આવર્તન પર વિકસિત MIMO એન્ટેના (MS વિના અને MS સાથે) ની રેડિયેશન પેટર્નનું અનુકરણ અને પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું.
એ નોંધવું અગત્યનું છે કે MIMO સિસ્ટમના પ્રભાવનું મૂલ્યાંકન કરતી વખતે પોર્ટ આઇસોલેશન અને તેની સાથે સંકળાયેલી લાક્ષણિકતાઓ આવશ્યક છે. એનવેલોપ કોરિલેશન કોફીશિયન્ટ (ECC) અને ડાયવર્સિટી ગેઈન (DG) સહિત પ્રસ્તાવિત MIMO સિસ્ટમની વિવિધતાની કામગીરીને ડિઝાઇન કરાયેલ MIMO એન્ટેના સિસ્ટમની મજબૂતાઈને દર્શાવવા માટે તપાસવામાં આવે છે. MIMO એન્ટેનાના ECC અને DG નો ઉપયોગ તેના પ્રભાવનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે થઈ શકે છે કારણ કે તે MIMO સિસ્ટમના પ્રદર્શનના મહત્વપૂર્ણ પાસાઓ છે. નીચેના વિભાગો સૂચિત MIMO એન્ટેનાની આ વિશેષતાઓની વિગત આપશે.
પરબિડીયું સહસંબંધ ગુણાંક (ECC). કોઈપણ MIMO સિસ્ટમ પર વિચાર કરતી વખતે, ECC એ ડિગ્રી નક્કી કરે છે કે ઘટક તત્વો તેમના વિશિષ્ટ ગુણધર્મોને લઈને એકબીજા સાથે સહસંબંધ ધરાવે છે. આમ, ECC વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન નેટવર્કમાં ચેનલ આઇસોલેશનની ડિગ્રી દર્શાવે છે. વિકસિત MIMO સિસ્ટમનું ECC (પરબિડીયું સહસંબંધ ગુણાંક) S-પેરામીટર્સ અને દૂર-ક્ષેત્ર ઉત્સર્જનના આધારે નક્કી કરી શકાય છે. Eq થી. (7) અને (8) સૂચિત MIMO એન્ટેના 31 નું ECC નક્કી કરી શકાય છે.
પ્રતિબિંબ ગુણાંક Sii દ્વારા રજૂ થાય છે અને Sij ટ્રાન્સમિશન ગુણાંક રજૂ કરે છે. j-th અને i-th એન્ટેનાની ત્રિ-પરિમાણીય રેડિયેશન પેટર્ન અભિવ્યક્તિઓ દ્વારા આપવામાં આવે છે \(\vec{R}_{j} \left( {\theta ,\varphi } \right)\) અને \( \vec {{R_{ i } }} ઘન કોણ \left( {\theta ,\varphi } \right)\) અને \({\Omega }\) દ્વારા રજૂ થાય છે. સૂચિત એન્ટેનાનો ECC વળાંક આકૃતિ 22a માં બતાવવામાં આવ્યો છે અને તેનું મૂલ્ય 0.004 કરતાં ઓછું છે, જે વાયરલેસ સિસ્ટમ માટે 0.5 ના સ્વીકાર્ય મૂલ્ય કરતાં ઘણું ઓછું છે. તેથી, ઘટેલા ECC મૂલ્યનો અર્થ છે કે સૂચિત 4-પોર્ટ MIMO સિસ્ટમ શ્રેષ્ઠ વિવિધતા પૂરી પાડે છે43.
ડાયવર્સિટી ગેઇન (DG) DG એ અન્ય MIMO સિસ્ટમ પર્ફોર્મન્સ મેટ્રિક છે જે વર્ણવે છે કે ડાયવર્સિટી સ્કીમ કેવી રીતે રેડિયેટેડ પાવરને અસર કરે છે. રિલેશન (9) 31 માં વર્ણવ્યા મુજબ, વિકસિત થઈ રહેલી MIMO એન્ટેના સિસ્ટમના DG નક્કી કરે છે.
આકૃતિ 22b સૂચિત MIMO સિસ્ટમનો DG ડાયાગ્રામ બતાવે છે, જ્યાં DG મૂલ્ય 10 dB ની ખૂબ નજીક છે. ડિઝાઇન કરેલ MIMO સિસ્ટમના તમામ એન્ટેનાના DG મૂલ્યો 9.98 dB કરતા વધારે છે.
કોષ્ટક 1 સૂચિત મેટાસર્ફેસ MIMO એન્ટેનાને તાજેતરમાં વિકસિત સમાન MIMO સિસ્ટમો સાથે સરખાવે છે. સરખામણી બેન્ડવિડ્થ, ગેઇન, મહત્તમ અલગતા, એકંદર કાર્યક્ષમતા અને વિવિધતા પ્રદર્શન સહિત વિવિધ પ્રદર્શન પરિમાણોને ધ્યાનમાં લે છે. સંશોધકોએ 5, 44, 45, 46, 47 માં ગેઇન અને આઇસોલેશન એન્હાન્સમેન્ટ તકનીકો સાથે વિવિધ MIMO એન્ટેના પ્રોટોટાઇપ રજૂ કર્યા છે. અગાઉ પ્રકાશિત થયેલા કાર્યોની સરખામણીમાં, મેટાસર્ફેસ રિફ્લેક્ટર સાથે સૂચિત MIMO સિસ્ટમ બેન્ડવિડ્થ, ગેઇન અને આઇસોલેશનની દ્રષ્ટિએ તેમને આગળ કરે છે. વધુમાં, સમાન એન્ટેનાની સરખામણીમાં, વિકસિત MIMO સિસ્ટમ નાના કદમાં શ્રેષ્ઠ વિવિધતા પ્રદર્શન અને એકંદર કાર્યક્ષમતા દર્શાવે છે. જો કે વિભાગ 5.46 માં વર્ણવેલ એન્ટેના અમારા સૂચિત એન્ટેના કરતા વધુ અલગતા ધરાવે છે, આ એન્ટેના મોટા કદ, ઓછા લાભ, સાંકડી બેન્ડવિડ્થ અને નબળા MIMO પ્રદર્શનથી પીડાય છે. 45 માં પ્રસ્તાવિત 4-પોર્ટ MIMO એન્ટેના ઉચ્ચ લાભ અને કાર્યક્ષમતા દર્શાવે છે, પરંતુ તેની ડિઝાઇન ઓછી અલગતા, વિશાળ કદ અને નબળી વિવિધતા પ્રદર્શન ધરાવે છે. બીજી તરફ, 47માં પ્રસ્તાવિત નાના કદની એન્ટેના સિસ્ટમમાં ખૂબ જ ઓછો ગેઇન અને ઓપરેટિંગ બેન્ડવિડ્થ છે, જ્યારે અમારી સૂચિત MS આધારિત 4-પોર્ટ MIMO સિસ્ટમ નાના કદ, ઉચ્ચ લાભ, ઉચ્ચ અલગતા અને વધુ સારી કામગીરી MIMO દર્શાવે છે. આમ, સૂચિત મેટાસર્ફેસ MIMO એન્ટેના સબ-6 GHz 5G કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સ માટે મુખ્ય દાવેદાર બની શકે છે.
ચાર-પોર્ટ મેટાસરફેસ રિફ્લેક્ટર-આધારિત વાઈડબેન્ડ MIMO એન્ટેના ઉચ્ચ લાભ અને અલગતા સાથે 6 GHz નીચે 5G એપ્લિકેશનને સપોર્ટ કરવા માટે પ્રસ્તાવિત છે. માઇક્રોસ્ટ્રીપ લાઇન ચોરસ રેડિએટિંગ વિભાગને ફીડ કરે છે, જે ત્રાંસા ખૂણા પર ચોરસ દ્વારા કાપવામાં આવે છે. હાઇ-સ્પીડ 5G કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સમાં ઉત્તમ પ્રદર્શન હાંસલ કરવા માટે સૂચિત MS અને એન્ટેના એમિટર રોજર્સ RT5880 જેવી સબસ્ટ્રેટ સામગ્રી પર લાગુ કરવામાં આવે છે. MIMO એન્ટેના વિશાળ શ્રેણી અને ઉચ્ચ લાભ ધરાવે છે, અને MIMO ઘટકો અને ઉત્તમ કાર્યક્ષમતા વચ્ચે અવાજ અલગ પાડે છે. વિકસિત સિંગલ એન્ટેના 0.58?0.58?0.02 ના લઘુચિત્ર પરિમાણો ધરાવે છે? 5×5 મેટાસર્ફેસ એરે સાથે, વિશાળ 4.56 GHz ઓપરેટિંગ બેન્ડવિડ્થ, 8 dBi પીક ગેઇન અને શ્રેષ્ઠ માપેલ કાર્યક્ષમતા પ્રદાન કરે છે. સૂચિત ચાર-પોર્ટ MIMO એન્ટેના (2 × 2 એરે) દરેક પ્રસ્તાવિત સિંગલ એન્ટેનાને 1.05λ × 1.05λ × 0.02λ ના પરિમાણો સાથે બીજા એન્ટેના સાથે ઓર્થોગોનલી ગોઠવીને ડિઝાઇન કરવામાં આવી છે. 12mm ઊંચા MIMO એન્ટેના હેઠળ 10×10 MM એરેને એસેમ્બલ કરવાની ભલામણ કરવામાં આવે છે, જે બેક-રેડિયેશનને ઘટાડી શકે છે અને MIMO ઘટકો વચ્ચેના પરસ્પર જોડાણને ઘટાડી શકે છે, જેનાથી લાભ અને અલગતામાં સુધારો થાય છે. પ્રાયોગિક અને અનુકરણ પરિણામો દર્શાવે છે કે વિકસિત MIMO પ્રોટોટાઇપ 3.08–7.75 GHz ની વિશાળ આવર્તન શ્રેણીમાં કાર્ય કરી શકે છે, જે 6 GHz ની નીચે 5G સ્પેક્ટ્રમને આવરી લે છે. વધુમાં, સૂચિત MS-આધારિત MIMO એન્ટેના તેના લાભને 2.9 dBi દ્વારા સુધારે છે, મહત્તમ 8.3 dBi નો લાભ હાંસલ કરે છે, અને MIMO ઘટકો વચ્ચે ઉત્તમ અલગતા (>15.5 dB) પ્રદાન કરે છે, જે MS ના યોગદાનને માન્ય કરે છે. વધુમાં, સૂચિત MIMO એન્ટેનામાં 82% ની ઉચ્ચ સરેરાશ એકંદર કાર્યક્ષમતા અને 22 mm ની ઓછી આંતર-તત્વ અંતર છે. એન્ટેના ખૂબ જ ઉચ્ચ DG (9.98 dB કરતાં વધુ), ખૂબ જ ઓછી ECC (0.004 કરતાં ઓછી) અને યુનિડાયરેક્શનલ રેડિયેશન પેટર્ન સહિત ઉત્તમ MIMO વિવિધતા પ્રદર્શન દર્શાવે છે. માપન પરિણામો સિમ્યુલેશન પરિણામો સાથે ખૂબ સમાન છે. આ લાક્ષણિકતાઓ પુષ્ટિ કરે છે કે વિકસિત ચાર-પોર્ટ MIMO એન્ટેના સિસ્ટમ સબ-6 GHz ફ્રિકવન્સી રેન્જમાં 5G કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સ માટે યોગ્ય પસંદગી હોઈ શકે છે.
Cowin 400-6000MHz વાઈડબેન્ડ PCB એન્ટેના પ્રદાન કરી શકે છે, અને તમારી જરૂરિયાત અનુસાર નવા એન્ટેના ડિઝાઇન કરવા માટે સપોર્ટ કરી શકે છે, જો તમારી પાસે કોઈ વિનંતી હોય તો કૃપા કરીને અચકાવ્યા વિના અમારો સંપર્ક કરો.
પોસ્ટ સમય: ઑક્ટો-10-2024