Multifunktionale agile Diversity-Antenne mit zwölf Portfrequenzen für drahtlose Innenanwendungen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7979 (2023) Diesen Artikel zitieren

430 Zugriffe

1 Zitate

Details zu den Metriken

Das jüngste Wiederaufleben rekonfigurierbarer Technologien der neuen Generation ermöglicht eine Fülle verschiedener Anwendungen in allen öffentlichen, privaten und Unternehmenslösungen auf der ganzen Welt. In diesem Artikel wird eine frequenzrekonfigurierbare Polarisations- und Muster-Multiple-Input-Multiple-Output-Antenne (MIMO) für Innenszenarien vorgestellt. Die MIMO-Antenne besteht aus zwölf Strahlungselementen. Polarisation und Mustervielfalt werden durch die Anordnung in drei verschiedenen Ebenen erreicht: Horizontale Ebene (HP), Vertikale Ebene I (VP-I) und Vertikale Ebene II (VP-II). ). Die vorgeschlagene Antenne arbeitet im Modus I (Breitband) und Modus II (Multiband), indem sie zwei verschiedene Strahler mithilfe von PIN-Dioden kombiniert. Die Antenne wechselt dynamisch zwischen Modus I (Breitband) und Modus II (Multiband). Im Modus I decke ich den Ultrabreitband-Bereich (UWB) von 2,3 bis 12 GHz ab, während Modus II GSM (1,85–1,9 GHz), Wi-Fi und LTE-7 (2,419–2,96 GHz) sowie 5G (3,15–3,28 GHz) abdeckt und 3,45–3,57 GHz), öffentliches Sicherheits-WLAN (4,817–4,94 GHz) und WLAN-Frequenzbänder (5,11–5,4 GHz). Der Spitzengewinn und die Effizienz der MIMO-Antenne betragen 5,2 dBi bzw. 80 %.

Aufgrund der rasanten Fortschritte in der drahtlosen Welt zur Lösung von Konnektivitätsproblemen, hohen Datenraten, Leistungsbeschränkungen, Miniaturisierung und Multi-Wartbarkeit. Antennenmodule müssen gleichzeitig Senden und Empfangen unterstützen, um dem Benutzer einen unterbrechungsfreien Dienst zu bieten. Insbesondere in Innenräumen wie Einkaufszentren, Flughäfen, Universitäten, Industriebetrieben, Schulen, Krankenhäusern usw. kommt es aufgrund des kleinräumigen Schwunds zu mehr Konnektivitätsproblemen1,2,3. Diese erheblichen Herausforderungen sind jedoch auf die Mehrwegeausbreitung zurückzuführen, die das Signal-Rausch-Verhältnis verringert und aufgrund von Polarisationsfehlanpassungen die Verbindungszuverlässigkeit beeinträchtigt. Der Fading-Effekt kann durch die Einführung räumlicher Diversität an den Transceivern gemildert werden. Daher werden MIMO-Diversity-Antennen (Multiple-Input-Multiple-Output) in drahtlosen Transceivern verwendet, um die Kommunikationszuverlässigkeit zu verbessern4,5,6,7,8. In der Literatur ähnlicher Forschungsarbeiten werden MIMO-Antennen in die Kategorien Breitband9,10,11,12,13,14, Multiband15,16,17 und integriert18,19,20 eingeteilt, was eine Kombination aus Breitband und Multiband darstellt.

Breitband-MIMO-Antennen werden aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile, darunter hohe Datenübertragungsraten und geringer Stromverbrauch, häufig in modernen drahtlosen Systemen eingesetzt. Im Jahr 9 wurde über eine Quad-Element-MIMO-Antenne berichtet, die das 5G-Band und das C-Band in zwei verschiedenen Zuständen unter Verwendung eines LC-Schwingkreises abdeckte. Im Jahr 10 wurde eine schlitzbasierte Quad-Element-MIMO-Antenne für kognitive Funkanwendungen entwickelt. Allerdings fehlte der Antenne die Polarisationsdiversität. Im Jahr 11 wurde eine kompakte MIMO-Antenne entwickelt, um den Ultrabreitband-Bereich (UWB) mit einem gekerbten Band bei 5,5 GHz abzudecken. Im Jahr 12 wurde über ein Antennenarray berichtet, das den UWB abdeckt, und es wurde ein schmaler Schlitz eingeführt, um eine hohe Isolierung zwischen den Elementarzellen zu erreichen. In13 wurde eine UWB-MIMO-Antenne mit vier Elementen und hoher Isolierung zwischen den Antennenelementen vorgeschlagen. Im Jahr 14 wurde eine 3-D-UWB-MIMO-Antenne mit acht Ports und Polarisation vorgestellt. Im Jahr 15 wurde über eine MIMO/Diversity-Antenne mit acht Elementen und WLAN-Unterdrückung berichtet, die die 3G-, 4G- und 5G-Frequenzbänder abdeckte. Im Jahr 16 wurde eine Zwei-Element-Multiband-Antenne mit Entkopplungsstrukturen für das Smartphone entwickelt. Im Jahr 17 wurde über eine MIMO-Antenne mit vier Elementen und einem mäanderförmigen Split-Ring-Resonator mit hoher Isolation zwischen den Elementen berichtet. Allerdings hatten die meisten der oben genannten MIMO-Antennen eine komplizierte Geometrie und große Größe und verwendeten komplexe Entkopplungsstrukturen.

In letzter Zeit haben integrierte MIMO-Antennen (IMA) aufgrund ihrer Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung und Multi-Service-Fähigkeit große Aufmerksamkeit erhalten. Diese Antennen bieten sowohl Breitband- als auch Schmalbandeigenschaften und eignen sich für IoT-Module. In der öffentlichen Literatur wird jedoch nur über wenige IMA-Designs berichtet, die mehrere Bänder in einer einzigen Einheit integrieren. Im Jahr 18 wurde über eine Zwölf-Port-MIMO-Antenne mit fünf Paaren von Einzel- und Dualband-Antennenelementen und zwei UWB-Antennenelementen berichtet. Im Jahr 19 wurde über eine MIMO-Antenne mit zwölf Elementen für die Standards UWB, GSM und Bluetooth berichtet. In20 wurde ein frequenzrekonfigurierbarer Polarisations-Diversity-IMA mit acht Elementen für Fahrzeugkommunikationsanwendungen entwickelt. Die in 18,19,20 beschriebenen Antennendesigns waren jedoch groß, hatten eine begrenzte Funktionalität und eine begrenzte Vielfalt. Die heutigen Module müssen ein breites Spektrum drahtloser Kommunikationsstandards unterstützen und eine große Anzahl resonierender Elemente mit der kleinstmöglichen Antennengröße und minimalen Interferenzen zwischen den Elementen integrieren. Daher könnten rekonfigurierbare Antennen für Innenszenarien geeignet sein, da sie an die Benutzeranforderungen angepasst werden können. Der rekonfigurierbare IMA bietet folgende Vorteile: (i) die Integration von mehr Strahlern auf kleinem Raum, (ii) die Ermöglichung einer Mehrfachbrauchbarkeit durch Änderung der Frequenz, des Musters und der Polarisation21,22, (iii) die Verbesserung der Zugänglichkeit des dynamischen Spektrums basierend auf der Benutzernachfrage23 ,24,25 und (iv) Bereitstellung von Filtereigenschaften innerhalb der MIMO-Antenne, um Interferenzen zu vermeiden. Außerdem wurde in26,27,28 über metaoberflächenbasierte Konzepte zur Verbesserung der Antennenleistung berichtet.

In dieser Forschung wird eine frequenzrekonfigurierbare Zwölf-Port-MIMO-Antenne für Umgebungen mit hoher Streuung vorgestellt, die eine 360°-Abdeckung bietet. Die vorgeschlagene Antenne besteht aus zwei Strahlern: Strahler I, einem modifizierten U-förmigen Patch, der das gesamte UWB-Spektrum abdeckt, und Strahler II, der aus mäanderförmigen Linien (L-förmig, F-förmig und offen) besteht. beendet), um mehrere drahtlose Standards zu unterstützen, darunter 2G, 4G, 5G, Wi-Fi, WLAN für öffentliche Sicherheit und WLAN. Außerdem sind die zwölf Antennenelemente dreidimensional ausgerichtet, um die Wahrscheinlichkeit von Polarisationsfehlanpassungen und Abdeckungsproblemen in extrem dichten Umgebungen zu minimieren.

Das Schema des Antennenelements ist in Abb. 1 dargestellt. Die vorgeschlagene Antenne ist auf das FR-4-Substrat mit einer relativen Permittivität von 4,4 und einer Dicke von 1,6 mm gedruckt. Die Antenne besteht aus zwei Strahlern, die über UWB und sechs schmale Bänder betrieben werden, um mehrere drahtlose Anwendungen zu unterstützen. Das Umschalten zwischen den beiden Strahlern erfolgt mithilfe der oberflächenmontierbaren PIN-Dioden (SMP1320-079), die in Abb. 1a als D1 und D2 bezeichnet sind. Die PIN-Dioden wurden aufgrund ihres schnellen Schaltens, ihres geringen Widerstands von 0,9 Ω und ihrer geringen Induktivität von 0,4 nH ausgewählt. Außerdem wurde eine Vorspannungsschaltung mit Blockkondensatoren C1 und C2 von 20 pF und HF-Drosseln L1 und L2 von 33 nH entwickelt. Die Grundebene des Antennenelements ist in Abb. 1b dargestellt, und die Abmessungen des Multibandstrahlers sind in Abb. 1c dargestellt. Die Antennensimulationen werden in der CST Microwave Studio®-Software durchgeführt und die Antennenabmessungen (in mm) sind wie folgt: L = 26, B = 26, r1 = 3, r2 = 5,5, l1 = 4,9, l2 = 5,75, l3 = 13, l4 = 8,5, l5 = 15,5, l6 = 6, l7 = 2,5, l8 = 6,55, l9 = 12, l10 = 13, l11 = 3,25, l12 = 10,2, l13 = 8,5, l14 = 2,25, l15 = 6,75 , l16 = 1, l17 = 1, l18 = 3,5, l19 = 1,8, l20 = 1,77, l21 = 1,37, w1 = 3, w2 = 1,5, w3 = 3, w4 = 0,35, w5 = 0,25, w6 = 0,55, w7 = 0,5, w8 = 0,25, w9 = 0,5. Das Ersatzschaltbild der PIN-Diode ist in Abb. 1d dargestellt. Die Entwurfsgleichung für die vorgeschlagene Antenne wird wie folgt dargestellt:

hier \({\text{k}} = \sqrt[4]{{\varepsilon_{reff} }},\;l_{1} = 1,414\sqrt {r_{2}^{2} } + r_{1 }^{2};\) m = (w + l) × p; wobei p den Abstand zwischen dem Strahler und der Grundebene bezeichnet, \({r}_{2}\) die große Halbachse angibt, \({r}_{1}\) die kleine Halbachse angibt und W und l bezeichnen die Länge bzw. Breite der vorgeschlagenen Antenne.

Schematische Darstellung des Antennenelements (a) Draufsicht, (b) Unteransicht, (c) vergrößerte Ansicht des Multibandstrahlers, (d) Ersatzschaltbild der PIN-Diode.

Der Strahler I demonstriert den UWB-Betrieb (Modus I) des vorgeschlagenen Antennenelements. Abbildung 2 zeigt die Entwicklung des Strahler-I- und Reflexionskoeffizienten während der Entwicklungsphasen. Die Entwicklung beginnt mit einem elliptischen Strahler (Stufe I), der von einer Mikrostreifenleitung mit 50 Ω und einer teilweisen Masseebene gespeist wird. In Stufe II wird ein rechteckiger Patch auf den elliptischen Strahler gelegt, um eine große Impedanzbandbreite zu erreichen. In Stufe III wird ein quadratischer Schlitz aus der Oberkante des Strahlers herausgeätzt, um die Stromlänge zu vergrößern und so die unteren Frequenzbereiche und damit den UWB-Frequenzbereich abzudecken. Schließlich wird in Stufe IV eine Stichleitung zur Masseebene der Monopolantenne hinzugefügt, um die Impedanzanpassung zu verbessern, und eine Diode D1 wird in die Speiseleitung mit einer Vorspannungsschaltung integriert, wie in Abb. 1a gezeigt. Der vorgeschlagene modifizierte U-förmige Strahler schwingt im UWB-Bereich von 2,3 bis 12 GHz.

(a) Entwicklung der Strahler-I- und Reflexionskoeffizienten während der Entwicklung. (b) Entwicklung der Strahler-II- und Reflexionskoeffizienten während der Entwicklungsstadien.

Der Strahler II demonstriert den Multiband-Betrieb (Modus II) des vorgeschlagenen Antennenelements. Die Entwicklung der Strahler-II- und Reflexionskoeffizienten während der Entwicklungsstadien ist in Abb. 2a, b dargestellt. Die Entwicklung von Strahler II beginnt mit einem L-förmigen Mäanderresonator (LMR) (Stufe I), der von 5,11 bis 5,48 GHz schwingt. In Stufe II wird der LMR in einen F-förmigen Mäanderresonator (FMR) umgewandelt, um eine Resonanz bei 2,4 GHz (2,419–2,96 GHz) zu erreichen. In Stufe III wird ein Meandered Open-Ended Resonator (MOER) in den FMR integriert, um Resonanz im Frequenzbereich von 1,85–1,9 GHz zu erreichen. Darüber hinaus ist in Stufe IV ein Open-Ended Outer Resonator (OEOR), der bei 3,5 GHz schwingt, in den Strahler der Stufe III integriert. Außerdem ist die Lücke zwischen LMR, FMR, MOER und OEOR optimiert, um eine zusätzliche Resonanz bei 4,9 GHz zu erhalten.

Der vorgeschlagene Multibandstrahler bietet Hexabandresonanz und deckt ein breites Spektrum drahtloser Anwendungen wie 2G, 4G, 5G, Wi-Fi, WLAN für die öffentliche Sicherheit und WLAN ab. Das vorgeschlagene Antennenelement erreicht durch die Integration der Diode D2 eine doppelte Funktionalität. Wenn Diode D1 in Vorwärtsrichtung und Diode D2 in Sperrrichtung vorgespannt ist, strahlt die Antenne über das UWB-Spektrum. Wenn andererseits die Diode D2 in Vorwärtsrichtung und die Diode D1 in Sperrrichtung vorgespannt ist, schaltet die Antenne in den Modus II und strahlt über die sechs Bänder. Die Stromdichtediagramme von Strahler I und Strahler II sind in Abb. 3A bzw. B dargestellt, um die Resonanznatur der Antenne zu verstehen.

(A) Oberflächenstromdichtediagramme von Strahler-I bei (a) 3 GHz, (b) 6 GHz, (c) 12 GHz. (B) Oberflächenstromdichtediagramme von Strahler II bei (a) 1,88 GHz, (b) 2,5 GHz, (c) 3,5 GHz, (d) 4,9 GHz, (e) 5,25 GHz.

Die Ersatzschaltung des vorgeschlagenen Antennenelements ist in Abb. 4 dargestellt. Die zusammengefassten Parameter werden interpretiert, indem der Typ der RLC-Schaltung, entweder parallel oder seriell, basierend auf den Impedanzeigenschaften der Antenne vorhergesagt wird, wie in29. Die drei in Reihe geschalteten Parallelresonanzkreise entsprechen dem UWB-Strahler und die sechs parallel geschalteten Serienresonanzkreise entsprechen dem Multibandstrahler. Die Reflexionseigenschaften des Ersatzschaltbildes sind in Abb. 5 für beide Modi dargestellt.

Ersatzschaltung des vorgeschlagenen Antennenelements (Widerstände in Ω, Induktivitäten in nH und Kapazitäten in pF).

S-Parameter des Ersatzschaltbildes: (a) Modus I, (b) Modus II.

MIMO/Diversity30-Techniken werden immer wichtiger, um den Multipath-Fading-Effekten entgegenzuwirken, die die Signalqualität verschlechtern. In Innenräumen ist die Wahrscheinlichkeit eines Signalschwunds aufgrund des Vorhandenseins mehrerer Hindernisse höher. Daher kann sich die Polarisation des Signals ändern, was die Signalqualität beim Empfang verringert.

In einer solchen Situation werden polarisationsdiverse Antennen dringend empfohlen, um Polarisationsfehlanpassungen zu vermeiden und die Verbindungszuverlässigkeit zu erhöhen. In dieser Arbeit wird ein Zwölf-Port-IMA mit mehreren Polarisationsvektoren vorgeschlagen, um Signalverlusten entgegenzuwirken. Das Schema der MIMO-Antenne ist in Abb. 6a dargestellt, und ihr hergestellter Prototyp ist in Abb. 6b dargestellt. Die vorgeschlagene MIMO-Antenne besteht aus zwölf Monopolantennenelementen, die in drei verschiedenen Ebenen angeordnet sind: Horizontale Ebene (HP), Vertikale Ebene I (VP-I) und Vertikale Ebene II (VP-II). Bei HP sind die vier Resonanzelemente orthogonal zueinander angeordnet, um sowohl horizontale als auch vertikale Polarisation zu erreichen. Bei VP-I und VP-II hingegen sind vier Resonanzelemente kreuzförmig miteinander verbunden, um eine vertikale Polarisation zu erreichen. Darüber hinaus sind VP-I und VP-II mit dem HP gekoppelt. Allerdings stehen die Antennenelemente in VP-I und VP-II senkrecht zu den Antennenelementen in HP. Diese besondere Anordnung hilft bei der Erzeugung mehrerer Polarisationsvektoren und mehrerer unkorrelierter Strahlen, um Fading-Effekte bzw. Abdeckungsprobleme zu mildern. Die Gesamtgröße der vorgeschlagenen IMA-Antenne beträgt 62 mm × 31 mm × 31 mm.

MIMO/Diversity-Antenne (a) schematisch, (b) gefertigter Prototyp und Messbild.

Im folgenden Unterabschnitt werden die Reflexions-, Kopplungs- und Verstärkungseigenschaften des Zwölf-Port-IMA vorgestellt.

Abbildung 7a,b zeigt die gemessenen und simulierten Reflexionskoeffizienten der vorgeschlagenen MIMO-Antenne im Modus I bzw. Modus II. Im Modus I erreicht die Antenne eine Impedanzbandbreite von 135 % (2,3–12 GHz) über das UWB-Spektrum. Im Modus II schwingt die Antenne auf sechs Bändern mit den Mitten 1,88 GHz, 2,47 GHz, 2,5 GHz, 3,24 GHz, 3,5 GHz, 4,9 GHz und 5,25 GHz mit Bandbreiten von 2,66 %, 20,4 %, 1,53 %, 4,3 %, 3,61 % %, bzw. 7,16 %.

Gemessene und simulierte Reflexionskoeffizienten der MIMO-Antenne (a) Modus I, (b) Modus II (S simuliert, M gemessen).

Bei der vorgeschlagenen MIMO-Antenne sind die vier Strahler orthogonal im HP angeordnet und die restlichen acht Elemente sind in VP-I und VP-II platziert. Der Abstand zwischen den Elementen beträgt 0,16λ0, wobei λ0 bei der niedrigsten Betriebsfrequenz berechnet wird. Sowohl im UWB- als auch im Multiband-Modus erreicht die vorgeschlagene Antenne eine Isolation von mehr als 14 dB, wie in Abb. 8a,b dargestellt.

Gemessene und simulierte Kopplung zwischen den Antennenelementen (a) Modus I und (b) Modus II (S simuliert, M gemessen).

Abbildung 9 zeigt den Gewinn und die Effizienz der vorgeschlagenen Antenne. Im Modus I weist die Antenne einen Spitzengewinn von 5,2 dBi und einen Wirkungsgrad von 80 % auf, wie in Abb. 9a dargestellt. Die Spitzenverstärkungswerte im Modus II betragen 3,8 dBi, 5,2 dBi, 3,5 dBi, 4,1 dBi, 3,41 dBi, 6,4 dBi, 5,4 dBi und der Wirkungsgrad beträgt 69 %, 70 %, 70 %, 75 %, 73 %, 76 %, 79 % bei 1,88 GHz, 2,45 GHz, 2,75 GHz, 3,24 GHz, 3,5 GHz, 4,9 GHz bzw. 5,25 GHz, wie in Abb. 9b dargestellt.

Realisierter Gewinn und Wirkungsgrad der MIMO-Antenne (a) Modus I, (b) Modus II.

Die Strahlungseigenschaften der vorgeschlagenen Zwölf-Port-Diversity-Antenne werden in einer reflexionsarmen Kammer gemessen.

Abbildung 10 stellt die Strahlungseigenschaften der Antenne im Modus I dar. Die Strahlungseigenschaften für Port-1, Port-2, Port-3, Port-4, Port-5 und Port-12 sind bei 3 GHz, 6 GHz und 10 dargestellt GHz-Frequenzen. In ähnlicher Weise werden die Strahlungsmuster für Modus II ausgewertet und in Abb. 11 dargestellt. Die Diskrepanzen in den Strahlungsmustern sind auf Verluste zurückzuführen, die durch Vorspannungsleitungen verursacht werden.

Gemessene und simulierte Strahlungsmuster der Antenne im Modus I an (a) Port-1, (b) Port-2, (c) Port-3, (d) Port-4, (e) Port-5, (f) Port-12.

Gemessene und simulierte Strahlungsmuster der Antenne im Modus II an (a) Port-1, (b) Port-2, (c) Port-3, (d) Port-4, (e) Port-5, (f) Port-12.

Die Diversity-Leistung der MIMO-Antenne wird anhand von Metriken wie Hüllkurvenkorrelationskoeffizient (ECC), Diversity Gain (DG), Mean Effective Gain (MEG), Total Active Reflection Coefficient (TARC) und Channel Capacity Loss (CCL) gemessen.

ECC31 wird anhand der Fernfeldstrahlungseigenschaften der Antenne nach Gl. berechnet. (1).

Dabei bezeichnet F das abgestrahlte Feld zwischen den beiden Antennenelementen, θ den Elevationswinkel, φ den Azimutwinkel und Ω den Raumwinkel. Die ECCs für Antennenelemente-2, -5 und -12 in Bezug auf Antennenelement-1 werden für verschiedene Frequenzen in beiden Modi I (3 GHz, 4 GHz, 6 GHz, 8 GHz und 10 GHz) und II berechnet ( 1,88 GHz, 2,47 GHz, 3,24 GHz, 3,5 GHz, 4,9 GHz und 5,25 GHz) und sind in den Tabellen 1, 2, 3, 4, 5, 6 aufgeführt. Der ECC sollte im Idealfall 0 sein, praktisch jedoch Werte bis zu 0,5 sind akzeptabel29. In allen Fällen erreicht die vorgeschlagene MIMO/Diversity-Antenne einen ECC < 0,1.

Ein weiterer wichtiger zu berücksichtigender Parameter ist der Apparent Diversity Gain (ADG), der die Verbindungszuverlässigkeit misst und anhand von Gleichung berechnet wird. (3).

Die ADG32-Werte werden für Modus I und Modus II bei unterschiedlichen Frequenzen ausgewertet, indem die Ports 2, -5 und -12 in Bezug auf Port 1 berücksichtigt werden, und sind in den Tabellen 1, 2, 3, 4, 5 und 6 tabellarisch aufgeführt Der ADG für die vorgeschlagene Antenne liegt in allen Fällen über 9,9, was darauf hindeutet, dass die Antenne eine bessere Verbindungszuverlässigkeit bieten kann. Der effektive Diversitätsgewinn (EDG) wird anhand der Gleichungen berechnet. (3), (4) und (5).

Die EDG-Werte für Modus I und Modus II an den Anschlüssen 2, 5 und 12 in Bezug auf Anschluss 1 sind in den Tabellen 1, 2, 3, 4, 5 und 6 dargestellt. Der EDG ist niedriger als der ADG es berücksichtigt Strahlungsverluste. Ein weiterer wichtiger MIMO-Parameter ist das MEG-Verhältnis, das die durchschnittliche Leistungsmenge bestimmt, die von der Antenne in einer Multipath-Fading-Umgebung empfangen wird, und kann mit Gleichung (1) berechnet werden. (7).

Die MEG-Werte für Modus I und Modus II an den Ports 2, -5 und -12 in Bezug auf Port 1 sind in den Tabellen 1, 2, 3, 4, 5, 6 dargestellt. Es wurde festgestellt, dass die Diversitätsleistungsmetriken liegen innerhalb praktischer Grenzen, was bestätigt, dass die vorgeschlagene MIMO-Antenne ein guter Kandidat für drahtlose Innenszenarien ist. Die Abbildungen 12 und 13 stellen die MEG-Eigenschaften der vorgeschlagenen Antenne für beide Modi dar und es wurde festgestellt, dass sie weniger als 2 dB betragen.

MEG-Eigenschaften bei (in Bezug auf andere Ports für Modus I: Breitband) (a) Port-1, (b) Port-12.

MEG-Eigenschaften bei (in Bezug auf andere Ports für Modus II: Multiband) (a) Port-1, (b) Port-12.

TARC und CCL32 charakterisieren die Frequenz, Bandbreite und Strahlungsfähigkeit von Multiport-Antennen und können mithilfe der Gleichungen berechnet werden. (8) und (9)

wobei φR die Korrelationsmatrix auf der Empfängerseite ist und ai und bi einfallende bzw. reflektierte Signale sind. Die TARC- und CCL-Werte (in Bezug auf Port 1, 5 und 12) der MIMO-Antenne beim Betrieb im Modus I und Modus II sind in den Tabellen 1, 2, 3, 4, 5 bzw. 6 dargestellt. In beiden Fällen erreicht die Antenne einen TARC von weniger als −13 dB. Die Antennen-CCL beträgt im Modus I weniger als 0,2 Bit/s/Hz und im Modus II weniger als 0,25 Bit/s/Hz, was weniger als der akzeptable Grenzwert von 0,4 Bit/s/Hz ist. Die Abbildungen 14, 15, 16 und 17 stellen die TARC- und CCL-Eigenschaften in verschiedenen Modi dar.

TARC-Eigenschaften bei (in Bezug auf andere Ports für Modus I: Breitband) (a) Port-1, (b) Port-12.

TARC-Eigenschaften bei (in Bezug auf andere Ports für Modus II: Multiband) (a) Port-1, (b) Port-12.

CCL-Eigenschaften bei (in Bezug auf andere Ports für Modus I: Breitband) (a) Port-1, (b) Port-12.

CCL-Eigenschaften bei (in Bezug auf andere Ports für Modus II: Multiband) (a) Port-1, (b) Port-12.

Tabelle 7 vergleicht die Leistung der vorgeschlagenen MIMO-Antenne mit den vorhandenen Antennendesigns. Die vorgeschlagene Antenne ist kleiner, verfügt über mehr Resonanzbänder und bietet aufgrund der Verwendung von PIN-Dioden sowie der Polarisations- und Musterdiversität eine Frequenzagilität. Die hervorstechenden Merkmale der vorgeschlagenen Antennenkonfiguration sind:

Die Antenne integriert zwei Strahler in einer kleinen Größe von 26 mm × 26 mm im Vergleich zu 10,19,20, ohne dass es zu Leistungseinbußen kommt.

Die Antenne unterstützt eine Vielzahl von Anwendungen, darunter UWB, GSM, Wi-Fi, LTE-7, 5G, WLAN für die öffentliche Sicherheit und WLAN than10,11,12,13,14,15,16,17,18,19, 20, um Hochgeschwindigkeitskommunikation ohne Latenz zu ermöglichen.

Die Antenne bietet außerdem Frequenzagilität, die dazu beiträgt, Interferenzen zu reduzieren, indem die jeweiligen Schalter zwischen UWB und mehreren Bändern entsprechend den Anforderungen des Benutzers ein- und ausgeschaltet werden (im Vergleich zu 10, 11, 12, 14, 15, 16, 18, 19).

Das MIMO-Set erreicht eine Isolation von mehr als 14 dB ohne den Einsatz komplexer Entkopplungsstrukturen, und die zwölf Strahlungselemente sind dreidimensional ausgerichtet, mit einer Größe von 62 × 62 mm2 und einem Abstand zwischen den Elementen von 0,16 λ0.

Die vorgeschlagene MIMO-Ausrichtung trägt im Vergleich zu 10,12 dazu bei, eine Vierfachpolarisation zu erhalten, die Polarisationsfehlanpassungen in einer stark streuenden Umgebung unterdrückt und so Signalverluste vermeidet.

Die einzigartige Anordnung der Antennenelemente trägt dazu bei, mehrere Polarisationsvektoren und Mustervielfalt mit unkorrelierten Strahlen sowohl in der Azimut- als auch in der Elevationsebene zu erreichen.

Die Antenne bietet ECC < 0,08, TARC weniger als – 13 dB und CCL < 0,25 Bits/s/Hz, was im Vergleich zu 16,18,20 zu einer guten Diversity-Leistung führt.

Die Strahlungseffizienz der Antenne wird bei etwa 70 bis 80 % gehalten, da die Dioden in die Übertragungsleitung integriert sind, ohne den Strahler zu stören, wodurch Strahlungsverluste reduziert werden.

Somit erreicht die vorgeschlagene Multiport-Antenne eine spektrale Effizienz und verfügt über bessere Diversitätseigenschaften, um Konnektivitätsprobleme in stark streuenden Umgebungen zu lösen.

Eine multifunktionale Zwölf-Port-Polarisations-Diversity-Antenne zeichnet sich durch hohe Verbindungszuverlässigkeit, bessere Konnektivität und eine hohe Datenrate in Umgebungen mit extrem dichter Streuung aus. Die Antenne bietet eine große Impedanzbandbreite und stabile Strahlungseigenschaften sowohl im UWB- als auch im Multiband-Modus. Die Antenne bietet außerdem mehrere Polarisationsvektoren, um Fading und Kreuzpolarisation zu vermeiden. Die Diversity-Leistung der MIMO-Antenne wird durch Messung von ECC, TARC und CCL validiert. Die vorgeschlagene Antenne könnte für drahtlose Netzwerkkommunikationsszenarien in Innenräumen nützlich sein, z. B. in intelligenten Gebäuden, intelligenten Fabriken, Flughäfen und Einkaufszentren, um Hochgeschwindigkeitskommunikation zu ermöglichen.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Khanna, A. & Kaur, S. Anwendungen und Herausforderungen des Internets der Dinge (IoT): Eine umfassende Übersicht. Wirel. Pers. Komm. 114(2), 1687–1762 (2020).

Artikel Google Scholar

Whitmore, A., Agarwal, A. & Xu, LD Das Internet der Dinge – Eine Übersicht über Themen und Trends. Inf. Syst. Vorderseite. 17(2), 261–274 (2015).

Artikel Google Scholar

Hussain, N. & Kim, N. Integriertes Mikrowellen- und mm-Wellen-MIMO-Antennenmodul mit 360°-Mustervielfalt für 5G Internet-of-Things. IEEE Internet Things J. 9, 24777–24789 (2022).

Artikel Google Scholar

Hussain, R. Schlitzbasierte Sub-6-GHz- und mm-Wellen-IoT-Antenne mit gemeinsamer Apertur für 5G-Anwendungen. IEEE Internet Things J. 8(13), 10807–10814 (2021).

Artikel Google Scholar

Saxena, S., Kanaujia, BK, Dwari, S., Kumar, S. & Tiwari, R. MIMO-Antenne mit integriertem kreisförmigen Isolator für 5G-Anwendungen unter 6 GHz. Elektron. Lette. 54(8), 478–480 (2018).

Artikel ADS Google Scholar

Kumar, P., Urooj, S. & Malibari, A. Design und Implementierung einer Quad-Element-Superbreitband-MIMO-Antenne für IoT-Anwendungen. IEEE Access 8, 226697–226704 (2020).

Artikel Google Scholar

Saxena, S. et al. Planare, dual zirkular polarisierte MIMO-Antenne mit vier Anschlüssen für das Sub-6-GHz-Band. IEEE Access 8, 90779–90791 (2020).

Artikel Google Scholar

Jha, KR, Bukhari, B., Singh, C., Mishra, G. & Sharma, SK Kompakte planare Multistandard-MIMO-Antenne für IoT-Anwendungen. IEEE Trans. Antennenpropag. 66(7), 3327–3336 (2018).

Artikel ADS Google Scholar

Kang, L., Li, H., Wang, IEEE-Antennen Wirel. Propag. Lette. 14, 1754–1757 (2015).

Artikel ADS Google Scholar

Ren, J., Hu, W., Yin, Y. & Fan, R. Kompakte gedruckte MIMO-Antenne für UWB-Anwendungen. IEEE-Antennen Wirel. Propag. Lette. 13, 1517–1520 (2014).

Artikel ADS Google Scholar

Sipal, D., Abegaonkar, MP & Koul, SK Leicht erweiterbares, kompaktes, planares UWB-MIMO-Antennen-Array. IEEE-Funkantennen. Propag. Lette. 16, 2328–2331 (2017).

Artikel ADS Google Scholar

Khan, MS et al. Planares, kompaktes Ultrabreitband-Polarisations-Diversity-Antennen-Array. IET Microw. Antennenpropag. 9(15), 1761–1768 (2015).

Artikel Google Scholar

Huang, D., Du, Z. & Wang, Y. Ein Quad-Antennensystem für 4G/5G/GPS-Mobiltelefone mit Metallrahmen. IEEE-Antennen Wirel. Propag. Lette. 18(8), 1586–1590 (2019).

Artikel ADS Google Scholar

Palaniswamy, SK et al. 3-D-Ultrabreitband-Antennenarray mit acht Anschlüssen für Diversity-Anwendungen. IEEE-Antennen Wirel. Propag. Lette. 16, 569–572 (2017).

Artikel ADS Google Scholar

Khan, MS et al. Kompakte UWB-MIMO/Diversity-Antenne mit acht Elementen und WLAN-Bandunterdrückung für 3G/4G/5G-Kommunikation. IEEE Open J. Antennas Propag. 1, 196–206 (2020).

Google Scholar

Dong, J., Yu, X. & Deng, L. Ein entkoppeltes Multiband-Doppelantennensystem für WWAN/LTE-Smartphone-Anwendungen. IEEE-Antennen Wirel. Propag. Lette. 16, 1528–1532 (2017).

Artikel ADS Google Scholar

Ramachandran, A., Mathew, S., Rajan, V. & Kesavath, V. Eine kompakte Triband-Quad-Element-MIMO-Antenne mit SRR-Ring für hohe Isolierung. IEEE-Antennen Wirel. Propag. Lette. 16, 1409–1412 (2017).

Artikel ADS Google Scholar

Srikar, D. & Anuradha, S. Zwölf-Port-MIMO-Antenne mit Polarisationsdiversität für kognitive Funkanwendungen. Elektron. Lette. 55(22), 1165–1168 (2019).

Artikel ADS Google Scholar

Kannappan, L. et al. 3-D-Multi-Service-Diversity-Antenne mit zwölf Ports für die Automobilkommunikation. Wissenschaft. Rep. 12, 403 (2022).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Alsath, MGN et al. Eine integrierte Tri-Band/UWB-Polarisations-Diversity-Antenne für Fahrzeugnetzwerke. IEEE Trans. Fahrzeug. Technol. 67(7), 5613–5620 (2018).

Artikel Google Scholar

Bayarzaya, B. et al. Eine kompakte MIMO-Antenne mit verbesserter Isolierung für ISM-, Sub-6-GHz- und WLAN-Anwendungen. Micromachines 13(8), 1355. https://doi.org/10.3390/mi13081355 (2022).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Hussain, M. et al. Isolationsverbesserung einer mit parasitären Elementen beladenen Dualband-MIMO-Antenne für Mm-Wellen-Anwendungen. Mikromaschinen 13(11), 1918 (2022).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Awan, WA et al. Eine miniaturisierte, bei Bedarf rekonfigurierbare Breitband- und Multiband-Antenne für kompakte und tragbare Geräte. AEU-Int. J. Electron. Komm. 122, 153266 (2020).

Artikel Google Scholar

Ghaffar, A. et al. Entwurf und Realisierung einer frequenzrekonfigurierbaren Multimode-Antenne für ISM-, 5G-Sub-6-GHz- und S-Band-Anwendungen. Appl. Wissenschaft. 11(4), 1635 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Ghaffar, A. et al. Eine flexible und musterrekonfigurierbare Antenne mit kleinen Abmessungen und einfachem Layout für drahtlose Kommunikationssysteme, die über 1,65–2,51 GHz betrieben werden. Elektronik 10(5), 601 (2021).

Artikel Google Scholar

Li, J. et al. Hybride Dispersionstechnik basierend auf chiralem Metaspiegel. Laserphoton. Rev. 17, 2200777. https://doi.org/10.1002/lpor.202200777 (2023).

Artikel Google Scholar

Yuan, Y., Wu, Q., Burokur, SN & Zhang, K. Chiralitätsunterstützte Phasenmetaoberfläche zur Erhaltung der Zirkularpolarisation und unabhängigen Hologrammbildgebung im Mikrowellenbereich. IEEE Trans. Mikrowelle. Theorie Tech. https://doi.org/10.1109/TMTT.2023.3256527 (2023).

Artikel Google Scholar

Li, L. et al. Intelligente Metaoberflächen: Kontrolle, Kommunikation und Computing. Licht 2, 7. https://doi.org/10.1186/s43593-022-00013-3 (2022).

Artikel Google Scholar

Sanyal, R., Sarkar, PP & Sarkar, S. Achteckige, nussförmige Monopol-UWB-Antenne mit gekerbter Sechsfachbandcharakteristik. AEU-Int. J. Electron. Komm. 110, 152833 (2019).

Artikel Google Scholar

Blanch, S., Romeu, J. & Corbella, I. Exakte Darstellung der Antennensystem-Diversity-Leistung anhand der Beschreibung der Eingabeparameter. Elektron. Lette. 39(9), 705–707 (2003).

Artikel ADS Google Scholar

Kannappan, L. et al. Quad-Port-Multiservice-Diversity-Antenne für Automobilanwendungen. Sensoren 21(24), 8238 (2021).

Artikel ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Islam, H. et al. Kompakte zirkular polarisierte 2- und 4-Port-Antennen mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen und Bandsperrfilter-Isolationstechnik: Kompakte zirkular polarisierte 2- und 4-Port-Antennen mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen. Alex. Ing. J. 66, 357–376 (2023).

Artikel Google Scholar

Ullah, S. et al. Eine kompakte, in Frequenz und Strahlung rekonfigurierbare Antenne für 5G- und Multistandard-Funkanwendungen unter 6 GHz. Wirel. Komm. Mob. Berechnen. 12, 4658082 (2022).

Google Scholar

Referenzen herunterladen

Die Autoren danken dem DRDO, DST-FIST und der Regierung. of India für die Förderung dieser Forschungsarbeit. Forscher der Princess Nourah bint Abdulrahman University, die das Projekt unterstützen, Nummer (PNURSP2023R238), Princess Nourah bint Abdulrahman University, Riad, Saudi-Arabien.

Diese Forschung wird von Princess Nourah bint Abdulrahman University Researchers Supporting Project mit der Nummer (PNURSP2023R238) der Princess Nourah bint Abdulrahman University, Riad, Saudi-Arabien, finanziert.

Abteilung für Elektronik und Kommunikationstechnik, SRM Institute of Science and Technology, Kattankulathur, Tamil Nadu, 603203, Indien

Deepa Thangarasu, Sandeep Kumar Palaniswamy, Rama Rao Thipparaju und Sachin Kumar

Fakultät für Elektrotechnik, College of Engineering, Universität Taif, Postfach 11099, Taif, 21944, Saudi-Arabien

Mohammed S. Alzaidi

Abteilung für Informationstechnologie, Hochschule für Computer- und Informationswissenschaften, Princess Nourah Bint Abdulrahman University, Postfach 84428, Riad, 11671, Saudi-Arabien

Dalia H. Elkamchouchi

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

DT, SKP und RRT konzipierten das Experiment, MSA, SK führten das Experiment durch und DHE analysierte und interpretierte die Ergebnisse. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Rama Rao Thipparaju.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Thangarasu, D., Palaniswamy, SK, Thipparaju, RR et al. Multifunktionale agile Diversity-Antenne mit zwölf Portfrequenzen für drahtlose Innenanwendungen. Sci Rep 13, 7979 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34945-8

Zitat herunterladen

Eingegangen: 01. März 2023

Angenommen: 10. Mai 2023

Veröffentlicht: 17. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34945-8

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.