대규모 메타물질 시스템

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14311(2022) 이 기사 인용

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이 기사에서는 5세대(5G) 애플리케이션을 위해 메타물질(MTM)이 탑재된 통합 mMIMO(대규모 다중 입력 다중 출력) 안테나 시스템을 제안합니다. 또한, 제안된 소형 SRR(상보형 분할 링 공진기), 1GHz 이상의 대역폭(BW)을 갖는 넓은 엡실론 음성 메타물질(ENG) 및 거의 0에 가까운 굴절률(NZRI)을 사용하여 이중 음성(DNG) 특성을 달성합니다. 기능이 제시됩니다. 제안된 mMIMO 안테나는 MTM을 사용하지 않는 안테나에 비해 인접한 안테나 요소 간의 포트 격리가 높은 3.5GHz(3.40~3.65GHz)의 5G 마인드 밴드에서 작동하는 3개의 레이어로 구성된 8개의 하위 어레이로 구성됩니다. 각 하위 배열에는 상위 레이어에 두 개의 패치가 있고, 중간 및 하위 레이어에는 각각 전체 및 부분 평면도의 두 가지 범주가 있습니다. 시뮬레이션, 생산 및 테스트된 요소는 총 부피가 184 × 340 × 1.575 mm3인 32개 요소입니다. 측정된 결과에 따르면 sub-6 안테나는 각 하위 어레이에 대해 10dB 이상의 반사 계수(S11), 35dB 미만의 격리 및 10.6dBi의 피크 이득을 갖는 것으로 나타났습니다. 또한, MTM이 탑재된 권장 안테나는 0.0001 미만의 ECC, 90% 이상의 총 효율성, 300MHz 이상의 대역폭 및 19.5dBi의 전체 이득으로 우수한 MIMO 성능을 보여주었습니다.

무선 통신 시스템은 최근 몇 년 동안 기하급수적인 발전을 보였으며, 이러한 시나리오는 정교한 기술에 대한 수요가 계속해서 증가하는 결과를 가져왔습니다. 즉, 6GHz 미만의 미래 중대역 5세대(5G) 무선 시스템의 요구 사항을 충족하려면 채널 용량 증가에 따른 더 높은 전송 데이터 속도와 더 짧은 대기 시간이 크게 개선되어야 하는 중요한 매개 변수입니다. 이를 위해 Massive MIMO 기술은 더 많은 사용자를 동시에 지원하고 향상된 다양성과 다중화를 제공할 뿐만 아니라 에너지 효율적인 시스템을 크게 향상시킬 수 있는 잠재적인 솔루션 중 하나입니다1,2,3. Massive MIMO 작동은 동종 어레이와 전방향 패턴을 기반으로 광범위하게 연구되었습니다4,5,6. 그러나 지향성 안테나 이득 패턴이 mMIMO 시스템의 성능에 미치는 영향은 대부분의 연구에서 무시되어 왔습니다.

5G MIMO 안테나 시스템은 단일 또는 이중 작동 대역에 대해 보고되었습니다7,8,9. 최근 3GPP(Generation Partnership Project)10에 의해 5G NR(New Radio)의 세 가지 작업 대역이 시작되었습니다. 이러한 대역은 각각 N78, N77 및 N79를 나타내는 (3.3~3.8GHz), (3.3~4.2GHz) 및 (4.4~5.0GHz) 범위에서 중간 대역 애플리케이션을 보유합니다. 게다가 위에서 언급한 것처럼 모든 국가는 자체적으로 5G 수요 대역을 선택할 수 있습니다. 현재 중국은 (3.3~3.6 GHz) 및 (4.8~5.0 GHz)의 두 대역을 활용한다고 공식 선언했습니다11. 그러나 3.4~3.8 GHz의 주파수 대역은 유럽 연합(EU)에서 5G 애플리케이션으로 결정되었습니다12 . 결과적으로, 이동성 이유로 앞서 언급한 5G 작동 대역을 커버하려면 원하는 5G N77/N78/N79 대역을 커버할 수 있는 특정 MIMO 안테나 시스템을 개발해야 하는데, 이는 Refs.13,14에서 제안된 설계에서는 다루지 않습니다.

안테나 요소 간의 높은 격리, 저렴한 비용, 적은 에너지 사용, 작은 크기 및 경량성을 갖춘 MIMO 안테나를 설계하는 것은 종종 어려운 작업입니다. 그러나 안테나 성능의 단점 중 하나는 좁은 대역폭으로 인해 새로운 무선 시스템의 사용이 제한된다는 것입니다. 이러한 문제를 피하기 위해 최근 몇 가지 방법이 정교해졌습니다. 예를 들어, 반응 임피던스 표면(RIS) 방법15은 전기(PEC) 및 자기(PMC) 도체와 표면 사이의 RIS를 조정하여 안테나 방사 및 대역폭 특성을 향상시키는 데 사용할 수 있습니다. 또한 전체 안테나 크기를 줄일 수 있습니다. 안테나 성능은 유전체 기판의 상단(패치) 및 하단(접지) 측면에 2차원 LHM(왼쪽 방향 메타물질) 설계를 사용하여 Ref.16에서 크게 향상되었습니다. 이 방법은 설계된 패치와 하단 평면 구성 사이의 결합으로 인해 용량성 유도 특성을 생성하여 역방향 진행파를 생성합니다. 그러나 Ref.17에서 제공하는 것처럼 온도 감지 테스트 전에 수동 안테나에 대해 평면도의 주기적인 구조를 적용합니다. 이러한 바닥 기반 표면층을 사용하면 안테나 크기와 대역폭 특성이 크게 향상됩니다.