Sistema de metamaterial maciço

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 14311 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Um sistema integrado de antena massiva de entrada múltipla e saída múltipla (mMIMO) carregado com metamaterial (MTM) é proposto neste artigo para aplicações de quinta geração (5G). Além disso, a obtenção de características negativas duplas (DNG) usando um ressonador de anel dividido complementar compacto proposto (SRR), um metamaterial negativo epsilon amplo (ENG) com mais de 1 GHz de largura de banda (BW) e índice de refração próximo de zero (NZRI) características são apresentadas. A antena mMIMO proposta consiste em oito subarrays com três camadas que operam na banda mental 5G a 3,5 GHz (3,40–3,65 GHz) com alto isolamento de porta entre elementos de antena adjacentes em comparação com uma antena que não usa MTM. Cada submatriz tem dois remendos na camada superior, enquanto as camadas intermediária e inferior têm duas categorias de planos completos e parciais, respectivamente. Simulados, produzidos e testados são 32 elementos com volume total de 184 × 340 × 1.575 mm3. Os resultados medidos revelam que a antena sub-6 tem um coeficiente de reflexão melhor que 10 dB (S11), um isolamento menor que 35 dB e um ganho de pico de 10,6 dBi para cada subarray. Além disso, a antena recomendada carregada com MTM demonstrou bom desempenho MIMO com um ECC inferior a 0,0001, eficiência total superior a 90%, largura de banda superior a 300 MHz e um ganho geral de 19,5 dBi.

Os sistemas de comunicação sem fios têm tido um desenvolvimento exponencial nos últimos anos, e este cenário leva a que continuemos com tecnologias sofisticadas altamente exigidas. Por exemplo, maior taxa de dados de transmissão e menor latência com incremento na capacidade do canal são os parâmetros críticos que devem ser melhorados significativamente para satisfazer o requisito de futuros sistemas sem fio de quinta geração (5G) de banda média abaixo de 6 GHz. Para isso, a tecnologia MIMO massiva é uma das soluções potenciais1,2,3, que pode suportar simultaneamente mais usuários, oferece diversidade e multiplexação aprimoradas, além de permitir um aprimoramento significativo em sistemas energeticamente eficientes. A operação MIMO massiva tem sido amplamente estudada com base em arranjos homogêneos e padrões omnidirecionais4,5,6. No entanto, a influência do padrão de ganho da antena direcional no desempenho do sistema mMIMO tem sido negligenciada na maioria desses estudos.

Os sistemas de antena 5G MIMO foram relatados para bandas operacionais simples ou duplas7,8,9. Recentemente, três bandas de trabalho do 5G New Radio (NR) foram iniciadas pelo Generation Partnership Project (3GPP)10; essas bandas contêm a aplicação de banda média em uma faixa de abrangência de (3,3–3,8 GHz), (3,3–4,2 GHz) e (4,4–5,0 GHz), que representam N78, N77 e N79, respectivamente. Além disso, cada país pode escolher suas próprias bandas 5G exigidas, conforme mencionado acima. Por exemplo, a China foi oficialmente declarada para utilizar duas bandas em (3,3–3,6 GHz) e (4,8–5,0 GHz)11, embora a banda de frequência de 3,4 a 3,8 GHz tenha sido decidida pela União Europeia (UE) para a aplicação 5G12 . Consequentemente, para cobrir as faixas de operação 5G acima mencionadas por motivos de mobilidade, um sistema de antena MIMO específico deve ser desenvolvido para cobrir as bandas 5G N77/N78/N79 desejadas, o que não é contemplado pelos projetos propostos nas Refs.13,14.

Projetar antenas MIMO com alta isolação entre os elementos da antena, baixo custo, menor consumo de energia, tamanho reduzido e leveza é muitas vezes uma tarefa desafiadora. No entanto, uma das desvantagens do desempenho da antena é a largura de banda estreita, que restringe o uso de novos sistemas sem fio. Para evitar esses desafios, vários métodos foram sofisticados recentemente. Por exemplo, o método de superfície de impedância reativa (RIS)15 pode ser usado para melhorar a radiação da antena e as características de largura de banda ajustando o RIS entre condutores e superfícies elétricos (PEC) e magnéticos (PMC). Além disso, o tamanho geral da antena pode ser reduzido. O desempenho da antena é muito melhorado na Ref.16 usando um projeto bidimensional de metamaterial canhoto (LHM) nos lados superior (patch) e inferior (terra) do substrato dielétrico. Este método gera recursos capacitivos-indutivos devido ao acoplamento entre o patch projetado e a configuração do plano inferior, o que cria uma onda progressiva reversa. No entanto, uma estrutura periódica na planta baixa é aplicada para uma antena passiva antes do teste de detecção de temperatura, conforme oferecido na Ref.17. Essas camadas de superfície com base inferior permitem uma melhoria considerável no tamanho da antena e nas características de largura de banda.