Многофункциональная 12-портовая антенна с гибким разнесением частот для беспроводных приложений внутри помещений

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7979 (2023) Цитировать эту статью

430 Доступов

1 Цитаты

Подробности о метриках

Недавнее возрождение реконфигурируемых технологий нового поколения обеспечивает множество различных приложений во всех государственных, частных и корпоративных решениях по всему миру. В этой статье представлена ​​антенна с изменяемой по частоте поляризацией и диаграммой направленности с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) для использования в помещениях. Антенна MIMO состоит из двенадцати излучающих элементов, а разнесение поляризации и диаграммы направленности достигается путем расположения их в трех разных плоскостях: горизонтальной плоскости (HP), вертикальной плоскости-I (VP-I) и вертикальной плоскости-II (VP-II). ). Предлагаемая антенна работает в режиме I (широкополосный) и режиме II (многополосный) за счет объединения двух разных излучателей с помощью PIN-диодов. Антенна динамически переключается между режимом I (широкополосный) и режимом II (многодиапазонный). Режим I охватывает сверхширокополосный диапазон (СШП) от 2,3 до 12 ГГц, а режим II охватывает GSM (1,85–1,9 ГГц), Wi-Fi и LTE-7 (2,419–2,96 ГГц), 5G (3,15–3,28 ГГц). и 3,45–3,57 ГГц), диапазоны частот WLAN общественной безопасности (4,817–4,94 ГГц) и WLAN (5,11–5,4 ГГц). Пиковое усиление и эффективность антенны MIMO составляют 5,2 дБи и 80% соответственно.

Благодаря быстрому прогрессу в мире беспроводной связи для решения проблем с подключением, высоких скоростей передачи данных, ограничений по мощности, миниатюризации и многофункциональности. Антенные модули должны поддерживать передачу и прием одновременно, чтобы обеспечить бесперебойное обслуживание пользователя. Особенно в помещениях, таких как торговые центры, аэропорты, университеты, промышленные предприятия, школы, больницы и т. д., возникает больше проблем с подключением1,2,3 из-за небольших замираний. Однако эти серьезные проблемы возникают из-за многолучевого распространения, которое снижает отношение сигнал/шум и влияет на надежность линии связи из-за несоответствия поляризации. Эффект замирания можно смягчить путем введения пространственного разнесения в трансиверах. Поэтому в беспроводных приемопередатчиках используются разнесенные антенны с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) для повышения надежности связи4,5,6,7,8. В литературе подобных исследовательских работ антенны MIMO подразделяются на широкополосные9,10,11,12,13,14, многодиапазонные15,16,17 и интегрированные18,19,20, которые представляют собой комбинацию широкополосных и многополосных.

Широкополосные антенны MIMO широко используются в современных беспроводных системах благодаря своим многочисленным преимуществам, включая высокую скорость передачи данных и низкое энергопотребление. В статье 9 сообщалось о четырехэлементной MIMO-антенне, которая охватывала диапазон 5G и C-диапазон в двух разных состояниях с использованием схемы LC-резервуара. В10 году для приложений когнитивного радио была разработана четырехэлементная MIMO-антенна на основе щелей. Однако антенне не хватало разнесения по поляризации. В11 была разработана компактная MIMO-антенна для покрытия сверхширокополосного диапазона (СШП) с зарезанной полосой частот 5,5 ГГц. В статье 12 сообщалось об антенной решетке, охватывающей СШП, и была введена узкая щель для достижения высокой изоляции между отдельными ячейками. В13 была предложена четырехэлементная СШП MIMO-антенна с высокой развязкой между антенными элементами. В14 была представлена ​​восьмипортовая 3-D UWB MIMO антенна с поляризацией. В 15 году сообщалось о восьмиэлементной антенне MIMO/разнесения с подавлением WLAN, которая охватывала диапазоны частот 3G, 4G и 5G. В16 году для смартфона была разработана двухэлементная многодиапазонная антенна с развязывающими конструкциями. В17 сообщалось о четырехэлементной MIMO-антенне с меандрирующим и разъемным кольцевым резонатором с высокой межэлементной развязкой. Однако большинство описанных выше антенн MIMO имели сложную геометрию, большие размеры и использовали сложные структуры развязки.

В последнее время интегрированным антеннам MIMO (IMA) уделяется большое внимание благодаря их высокоскоростной передаче данных и универсальности. Эти антенны обладают как широкополосными, так и узкополосными характеристиками и полезны для модулей Интернета вещей. Однако в открытой литературе сообщается лишь о нескольких конструкциях IMA, объединяющих несколько диапазонов в один объект. В18 сообщалось о двенадцатипортовой антенне MIMO с пятью парами одно- и двухдиапазонных антенных элементов и двумя антенными элементами СШП. В19 сообщалось о антенне MIMO с двенадцатью элементами для стандартов UWB, GSM и Bluetooth. В20 для автомобильных систем связи был разработан восьмиэлементный преобразователь IMA с реконфигурируемой частотой и поляризацией. Однако конструкции антенн, о которых сообщалось в18,19,20, имели большой размер, ограниченную функциональность и ограниченное разнообразие. Современные модули должны поддерживать широкий спектр стандартов беспроводной связи, объединяя большое количество резонирующих элементов с минимально возможным размером антенны и минимальными межэлементными помехами. Таким образом, реконфигурируемые антенны могут подойти для использования внутри помещений, поскольку их можно адаптировать к требованиям пользователя. Реконфигурируемый IMA имеет следующие преимущества: (i) интеграция большего количества излучателей в небольшом пространстве, (ii) обеспечение универсальности за счет изменения частоты, диаграммы направленности и поляризации21,22, (iii) улучшение доступности динамического спектра в зависимости от требований пользователя23 ,24,25 и (iv) обеспечивают характеристики фильтрации внутри антенны MIMO, чтобы избежать помех. Кроме того, в26,27,28 сообщалось о концепциях, основанных на метаповерхностях, для улучшения характеристик антенны.