大規模なメタマテリアルシステム

Scientific Reports volume 12、記事番号: 14311 (2022) この記事を引用

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この記事では、第 5 世代 (5G) アプリケーション向けに、メタマテリアル (MTM) を搭載した統合大規模多入力多出力 (mMIMO) アンテナシステムを提案します。さらに、提案されたコンパクトな相補型スプリットリング共振器（SRR）、1 GHzを超える帯域幅（BW）を持つ広いイプシロンネガティブメタマテリアル（ENG）、およびゼロに近い屈折率（NZRI）を使用したデュプルネガティブ（DNG）特性の達成特徴が紹介されています。提案された mMIMO アンテナは、3 層の 8 つのサブアレイで構成され、3.5 GHz (3.40 ～ 3.65 GHz) の 5G マインドバンドで動作し、MTM を使用しないアンテナと比較して、隣接するアンテナ要素間のポート分離が高くなります。各サブアレイには最上層に 2 つのパッチがあり、中間層と最下層にはそれぞれ完全なグランドプランと部分的なグランドプランの 2 つのカテゴリがあります。総体積 184 × 340 × 1.575 mm3 の 32 個の要素がシミュレート、製造、テストされました。測定結果から、サブ 6 アンテナの反射係数 (S11) は 10 dB よりも高く、アイソレーションは 35 dB より低く、各サブアレイのピークゲインは 10.6 dBi であることがわかります。さらに、MTM を搭載した推奨アンテナは、0.0001 未満の ECC、90% 以上の合計効率、300 MHz 以上の帯域幅、および 19.5 dBi の全体ゲインという優れた MIMO パフォーマンスを実証しました。

無線通信システムは近年急激に発展しており、今後も高度な技術に対する需要が高くなります。現時点では、チャネル容量の増加に伴うより高い送信データレートとより短い遅延は、6 GHz 未満の将来のミッドバンド第 5 世代 (5G) ワイヤレスシステムの要件を満たすために大幅に改善する必要がある重要なパラメータです。このため、大規模 MIMO テクノロジーは潜在的なソリューションの 1 つであり 1、2、3 、より多くのユーザーを同時にサポートし、ダイバーシティと多重化を改善し、エネルギー効率の高いシステムの大幅な強化を可能にします。大規模 MIMO 動作は、均質アレイと無指向性パターンに基づいて広く研究されています 4、5、6。ただし、mMIMO システムのパフォーマンスに対する指向性アンテナのゲインパターンの影響は、これらの研究のほとんどで無視されています。

5G MIMO アンテナシステムは、シングルまたはデュアルの動作帯域で報告されています 7、8、9。最近、5G New Radio (NR) の 3 つの動作帯域が、Generation Partnership Project (3GPP) によって開始されました10。これらの帯域は、それぞれ N78、N77、N79 を表す (3.3 ～ 3.8 GHz)、(3.3 ～ 4.2 GHz)、および (4.4 ～ 5.0 GHz) のスパン範囲でミッドバンドアプリケーションを保持します。さらに、前述したように、各国は独自の 5G 要求帯域を選択できます。現時点では、中国は (3.3 ～ 3.6 GHz) と (4.8 ～ 5.0 GHz) の 2 つの帯域を利用することが正式に宣言されています11。ただし、3.4 ～ 3.8 GHz の周波数帯域は 5G アプリケーション用に欧州連合 (EU) によって決定されています12。。したがって、モビリティ上の理由から前述の 5G 動作帯域をカバーするには、所望の 5G N77/N78/N79 帯域をカバーする特定の MIMO アンテナシステムを開発する必要がありますが、これは参考文献 13、14 で提案されている設計では対応されていません。

アンテナの要素間の絶縁性が高く、低コスト、エネルギー使用量が少なく、サイズが小さく、軽量である MIMO アンテナを設計することは、多くの場合、困難な作業です。ただし、アンテナ性能の欠点の 1 つは帯域幅が狭いことであり、これにより新しいワイヤレスシステムの使用が制限されます。これらの課題を回避するために、最近いくつかの方法が洗練されています。たとえば、反応性インピーダンス表面 (RIS) 法 15 を使用すると、電気 (PEC) と磁気 (PMC) の導体と表面の間で RIS を調整することにより、アンテナ放射と帯域幅特性を改善できます。さらに、アンテナ全体のサイズを小さくすることができる。 Ref.16 では、誘電体基板の上面 (パッチ) と底面 (グランド) 側に 2 次元左手系メタマテリアル (LHM) 設計を使用することにより、アンテナの性能が大幅に改善されています。この方法では、設計されたパッチと底面構成の間の結合により容量性誘導性の特徴が生成され、後方進行波が生成されます。ただし、参考文献 17 で提供されているように、温度検知のテストの前に、グランドプラン上の周期構造がパッシブアンテナに適用されます。これらの底面ベースの表面層により、アンテナのサイズと帯域幅特性が大幅に改善されます。

人工媒体としてのメタマテリアル (MTM) は、負の特性 (屈折率、透過率、誘電率) などのいくつかの珍しい特徴を備えており、吸収体 18、バイオセンシング 19、マイクロ波イメージング 20、アンテナ 21、メタマテリアルコーディング 22 などのさまざまな用途に適しています。、メタマテリアルレンズ 23、テラヘルツメタマテリアル 24、GPS5、WiMAX25 などのマイクロ波デバイス。

Ref.26 には、プレートに囲まれた拡張ビームで構成される負の屈折率のメタマテリアルがあります。参考文献 27 では、3 次元音響 MTM が検討されており、これを使用して、深い音減衰の位置にバンドギャップを作成し、ノイズキャンセル用の音響フィルターとして使用できます。これらのメタマテリアルの特徴はすべて、アレイ内の幾何学的配置と構造の固定構成に応じて、対象となる指定された周波数帯域に現れます。その結果、電気信号、機械信号、光信号などのさまざまな刺激によって調整される多数の動作周波数を強調する MTM への関心が高まっています。さらに、さまざまな用途および特性分析のための特定の MTM および共振器については、参考文献 28 で説明されています。参考文献 29 では、S バンドと X バンドをカバーするサイズ 10 × 10 mm2 の六角形ギャップ結合スプリットリング共振器ベースの MTM が説明されています。一方、同心リングベースの共振器を備えた MTM は参考文献 30 で実証されており、マイクロストリップ伝送線路の性能を向上させるために 13.9 GHz と 27.5 GHz で二重共振を伴う単一の負の特性を実証しています。参考文献 31 では、オープンデルタ型 ENG MTM のトリプルバンド応答が報告されています。さらに、S、C、および X バンドでのマイクロ波アプリケーションでは、金属含有物に関連する pi 型の相補型スプリットリング共振器 (CSRR) が作成され、参考文献 32 に記載されています。

MTM ユニットセルは、ゲイン、分離、帯域幅、放射パターンなどの観点からアンテナの性能を向上させることが検証されました。これは、アンテナのラジエーターとともに電流分布パッチを乱す能力があるためです。対照的に、負の実数値特性は、達成屈折率 (NRI) および透磁率 (μ) と誘電率 (ɛ) の両方で発生しています 33,34。ただし、S、C、X バンドなどの特定のバンドにおけるアンテナの全体的な性能を向上させるために、ほぼゼロの屈折率 (NZRI) 特性を備えた MTM が研究されています 35。さらに、アレイ要素間の結合を最小限に抑えるために、さまざまなタイプの MTM が使用されます 36、37。ただし、以前に提案されたデカップリング手法は、小型の MIMO アンテナ要素で構築および動作することが困難です。従来のアンテナアレイとは異なり、この研究では一連の小型スプリットリング共振器 (SRR) を共振器として使用し、アンテナ素子間の分離を高めます。

各要素 (ビームステアリング) でマルチモードを使用することにより、アレイモードなしで MIMO 構成を提供する作品はほとんどありませんでした。 Reference38 は、2.4 GHz で動作する 9 面の多面体のリングに沿って 108 個の要素を分散させました。これは、開発されたパッチを利用して要素ごとに 3 つのモードを生成することによって実現されました。第 1 モード (帯域幅 238 MHz)、第 2 モード (254 MHz) のゲインは約 6.5 dBi ですが、帯域幅 102 MHz の 3 番目のモードのゲインは 1.21 dBi です。一方、Manteuffel と Martens39 は、6 ～ 8.5 GHz の広いスペクトルをカバーする 4 つのモードに対応するシートと 11 × 11 アレイを採用しました。エンベロープ相関係数が非常に低いため、ポート分離は 20 dB を超えていました。

この論文では、測定帯域幅が 250 MHz の将来の 5G 基地局向けに、3400 ～ 3650 MHz をカバーできる 32 素子の非常に高絶縁の大規模 MIMO アンテナを提案します。さらに、独自の ENG/NZRI/DNG メタマテリアル単位セルの解析が、提案された設計の動作原理をサポートするために実行されます。これは、イプシロン負およびほぼゼロの屈折率特性に基づいており、同時に分離性を向上させるように設計されています。 MIMO アンテナシステムの全体的なパフォーマンス。提案された MTM は、4 つのコンパクトな正方形のはね状パーツで構成されています。従来の分離ソリューションとは対照的に、提案された MTM ベースの技術では、提案された放射 MIMO アンテナ要素と ECC 0.0001 の小型アレイ要素の間で最大 32 dB の実質的なデカップリングが可能になります。実験データと CST マイクロ波スタジオからの結果が比較されましたが、それらは大きな一致を示し、提案された MTM、サブアレイ、および MIMO アンテナの精度を示しています。提案されたアンテナの帯域幅比は約 7.1% で、相互結合は無視できます。表 1 は、提案された独自の MTM を搭載した提案された MIMO アンテナと、以前に文献で報告された他のアンテナを比較しています。

図 1a は、提案された ENG メタマテリアルの単位セルの概略図とその幾何学的構成パラメータを示しています。これは、幅 0.5 mm の電気スラブによって結合された 4 つの薄型方形スプリットリング共振器 (SSRR) で構成され、厚さ 1.575 mm、誘電率 εr 2.2、損失正接 δ の Rogers 5880 基板の前面に印刷されています。 0.0009の。提案された ENG メタマテリアルには、上アームに中央の分割部分を持つ 2 つの対称的な三日月形の SSRR が含まれており、他の 2 つは右または左の SSRR アームの隅で分割されています。 1 × 3 単位セルのアレイプロトタイプを図 1b に示します。これは、同じ基板上に垂直 x 軸方向に、各 2 つのユニット間の距離が 0.5 mm で作成されます。図 1c は、提案された ENG-DNG メタマテリアル設計が 2 つの導波管ポートの間に配置された場合の、Z 方向の電磁波シミュレーションによる波の伝播を特徴付けています。完全電気導体と完全磁気導体 (PEC、PMC) の両方の境界条件がそれぞれ x 軸と y 軸に適用されました。さらに、提案されたMTMをシミュレートするためにx方向も選択されますが、図1dに示すように、PECおよびPMC境界条件がそれぞれz軸とy軸で利用されました。

提案されたメタマテリアルの単位セル構造: (a) 単位セルの形状、(b) 3 × 1 MTM 単位セルアレイ、(c)、z 軸で設定されたシミュレーション、(d) x 軸で設定されたシミュレーション。

散乱パラメータの法線入射データを使用する堅牢なアプローチにより、貴重なメタマテリアルパラメータが取得されます46。設計された MTM ユニットセルの透過係数 (S21) と反射係数 (S11) は、最初に 2 ～ 4 GHz の周波数範囲でシミュレーションを使用して評価されます。同軸アダプタへの導波管を備えた Agilent N5227 PNA マイクロ波ネットワークアナライザを使用して、提案された MTM ユニットセルの S パラメータが抽出されます。適切な周波数範囲については、SAR-1834031432-KF-S2-DR (1 ～ 18 GHz) 導波路が採用され、図に示すように、MTM で製造されたプロトタイプが z 軸方向の 2 つの導波路間に配置されて測定されました。２．

メタマテリアルの実験セットアップ: (a) MTM S パラメータの測定、(b) ホーンアンテナを備えた単位セル。

電場ゾーンと磁場ゾーンの両方における物理的な MTM 現象をより深く理解するために、選択した 2 つの周波数の表面電流分布が調査されます。図 3a、b は、それぞれ 3.4 GHz および 3.5 GHz での推奨されるユニットセル MTM 表面電流分布を示しています。表面電流密度は色で示され、矢印は表面電流分布の方向を示します。

(a) 3.4 GHz、(b) 3.5 GHz での単位セルの表面電流分布。

図 3a に示すように、3.4 GHz では顕著な表面電流が見られます。しかし、左下の四角い部分の内側の端では、表層流がさらに強くて激しいです。さらに、全体的な MTM 単位セル構造が表面電流を乱します。ただし、電流が流れると、MTM 形状のエッチングストリップの顕著な電流分布の反対側の向きが見られ、電流が無効になり、ストップバンドが形成されます。ただし、図 3b では、特に SSR 接合の周囲で 3.5 GHz でより集中した表面電流が明確に検出されており、これがユニットセルの全体的な構造を乱しています。 S パラメータ (S21 および S11) の測定結果と z 方向のシミュレーション結果を図 4 に示します。この図は、(3.4 ～ 3.65 GHz) の範囲の周波数帯域が周波数帯域の一部であることを示しています。 S バンドと 5G アプリケーションのミッドバンドをカバーします。ストリップラインアームと一体化されたすべての分割方形共振器は、阻止帯域動作帯域を実現する適切な原因であると考えられる。

Z 軸のメタマテリアル (MTM) S パラメータ: 測定およびシミュレーション。

図 5 に、提案された MTM の実効パラメータ値を示します。さまざまな MTM ユニットセルおよびアレイ構成の場合、これらの特性には、実現された透磁率、屈折率、インピーダンス、誘電率の実効実数値と虚数部が含まれます。イプシロン負メタマテリアル (ENG) およびほぼゼロ屈折率メタマテリアル (NZRI) メタマテリアルの負の屈折率領域は、すべての図で薄緑色で強調されています。図5aに示すように、1 GHzを超える帯域幅では、誘電率の大幅な負の実数値が達成されます。それにもかかわらず、図5cに示すように、NZRI特性はz軸波動伝播の範囲（3.1〜4.2 GHz）で示されます。したがって、この周波数共振帯域は、電磁遮蔽、高分離、高利得のアンテナ設計に使用できます。

MTM、1 × 1 単位セルの z 軸でのシミュレーション結果: (a) 誘電率、(b) 透磁率、(c) 屈折率、(d) インピーダンス。

z 方向では、図 6 に、1 × 1 および 1 × 3 アレイ構造のさまざまな MTM のシミュレートされた比誘電率と屈折率を示します。 1 つまたは 3 つのアレイユニットセルを使用すると、3 ～ 4.2 GHz の広い周波数範囲にわたって同様の結果が得られました。一方、図7に示すように、周波数帯域（3.49〜3.62 GHz）ではx軸に沿って二重負の屈折率（DNG）が達成されています。

MTM、3 × 3 単位セルのシミュレーション結果: (a) 屈折率、(b) 誘電率。

MTM、1 × 1 単位セルの x 軸でのシミュレーション結果: (a) 誘電率、(b) 透磁率、(c) 屈折率、(d) インピーダンス。

サブアレイ設計の構成は、3 つの銅張ラミネート層を含むプリント回路基板 (PCB) の 2 つの誘電体層上に構築された単一ポートから給電する 2 × 2 パッチで構成されます。最上層は印刷されたパッチ要素に使用されます。開発された給電ネットワーク (FN) は、小さな部分接地のある最下層に位置しています。中間層は、給電ネットワークとアンテナパッチの両方に対する包括的な参照として機能します。さらに、直径 1.28 mm のビアは、FN 要素とラジエーター要素の間のプローブ給電として、また部分的および完全なグランドプレーンの両方を接続するために使用されます。使用される基板は、誘電率 2.2、厚さ 1.575 mm、損失正接 0.0009 の Rogers 5880 です。図 8 は、基板設計のスタックアップを示しています。図 9a、b は、シングルポートサブアレイの最上層と最下層を示しています。

レイヤーを表示した PCB ボード設計の積層。

単一ポート (サブアレイ)、(a) 2 × 2 パッチを備えた最上層、(b) 給電ネットワークを備えた最下層 (すべての寸法は mm)。

MTM を搭載した 8 ポート (32 素子) mMIMO アンテナシステムの広帯域側を図 10 に示します。さらに、図 11 に示すように、32 素子の mMIMO アンテナプロトタイプを作製します。

(a) 片面アレイの上面図、(b) 片面アレイの最下層。

作製した片面プロトタイプの (a) 上面図、(b) 底面図。

図 12 は、製造された基板の S パラメータ測定セットアップを示しています。図 13a、b は、(i = 1、2、3、4、…、8) の場合の各ポートでの測定およびシミュレートされた反射係数 (Sii) を示しています。各サブアレイのシミュレートされた達成帯域は、3.40 ～ 3.65 GHz の周波数範囲で 250 MHz です。わずかに大きいグラウンド・フットプリントがシミュレーションで使用されたことと、2 つの層を貼り付ける難しさにより、測定結果とシミュレーション結果の間に約 50 MHz の変動が観察されました。大きなBWに加えて、図14に示すように、隣接する2つのポートごとに高い分離が達成されますが、ポート間の最小結合は、MTMのデカップリング効果により対象の帯域内で-32 dBです。これは、放射エネルギーを意味します。 2 つの近い要素ごとに、非常に弱く結合されます。その結果、隣接するサブアレイは対象の帯域内で適切に分離されます。 3 GHz と 4 GHz の間で記録されたクロスバンド結合係数も示されています。

製作中の試作品を測定するためのセットアップ。

さまざまなポートの反射係数: シミュレーションと測定、(a) ポート 1 ～ 4、(b) ポート 5 ～ 8。

隣接する各ポート間の結合をシミュレートおよび測定しました。

エンベロープ相関係数は、提案されたアンテナの MIMO ダイバーシティパフォーマンス (ECC) を評価するために使用されます。 MIMO アレイモードの動作を保証するには、ポートの放射パターンが互いに直交または半直交している必要があります。 ECC49 は、異なるポート間の相関の程度を決定するための基本的なメトリックです。取得した式と複雑な電界パターンを使用して、隣接するサブアレイ間の ECC を推定しました。

一方、 \({\overrightarrow{F}}_{i}\left(\theta ,\phi \right)\) と \({\overrightarrow{F}}_{j}\left(\theta ,\phi \右)\) は、θ に関する遠距離場特性におけるアンテナの 2 つの放射要素と考えられます。

図 15 に示すように、3.5 GHz の 5G のサブ 6 GHz 帯域幅で提案された MIMO アンテナアレイの計算された ECC は 0.0001 未満です。その結果、前述の結果は、2 つのアンテナポートのそれぞれが低い ECC を持っていることを示しています。相関関係があり、優れた多様性パフォーマンスを示しています。すべての ECC は 0.0001 未満であり、ポート間の高い分離と連続的な放射パターンにより、基地局技術における ECC が 0.3 であるという標準条件を満たしています。さらに、図 15c、d は、ECC 結果に対する MTM の影響を示しています。

提案された mMIMO アンテナのエンベロープ相関係数 (ECC): (a、b) ポート 1、2、3、4、5、6、(c、d) MTM ありとなしのポート 1、2、4。

ダイバーシティゲインは \(DG= 10 \times \sqrt{1- {ECC}^{2}}\) を使用して計算でき、ポートの図 16a に示すように、達成されるダイバーシティゲインの有意な値は 9.95 dB です。 mMIMO の最適なパフォーマンスを実現するには、アンテナダイバーシティゲインが 10 dB 近くである必要があります。さまざまなサブアレイポートについて、測定された実現利得は、図17に示すように、対象の帯域内で9.0〜11.2 dBiの間であると決定され、これは基地局アプリケーションの機能要件を満たし、提案されたアンテナを5G通信に適用できるようになります。各サブアレイの高いゲインに加えて、実現されるブロードサイドゲインは 19.5 dBi です。

提案された mMIMO アンテナのダイバーシティゲイン、(a) ポート 1、2、3、4、5、6、(b) ポート 1、2、3、4。

mMIMO アンテナのゲイン: 測定。

図 18 は、各励起ポートに対する提案されたアンテナ素子の正規化された 3.5 GHz 放射パターンを示しています。共偏波成分は分離効果により非常に安定しており、3.5 GHz の動作周波数帯域全体に目に見えるリップルはありません。図 18 に示すように、提案された mMIMO アンテナの 2D 放射パターンは、\(\mathrm{\varnothing }= 90^\circ\) 内の yz の E 平面で測定およびシミュレーションされます。一方、\(\uptheta = 90 xy 方向 (H 面) に ^\circ\) します。遠視野特性は、ポート 1 ～ 8 の yz 面での優れた指向性ブロードサイドメインビームを示しています。ポート 1 が励起されると、他のサブアレイポートは反射器になります。ただし、xy 平面ではほぼ全方向性が発生します。さらに、シミュレーション結果と測定結果はよく一致していることがわかります。図 19 は、アンカーチャンバー内のパターン測定セットアップを示しています。

(a,c) YZ (Ø = \(90^\circ\))、(b,d) XY (θ = \(90^\circ\)) での推奨平面の 3.5 GHz での正規化された放射パターン: シミュレーションと測定した。

測定用の放射パターンの設定。

この論文では、ENG/DNG メタマテリアルのアレイと統合された 5G 基地局用の 32 素子ベースの mMIMO アンテナシステムについて説明します。 SSRR メタマテリアルユニットセルは、他に類を見ない対称分割リング共振器 (SSRR) メタマテリアルユニットセルです。イプシロンネガティブメタマテリアル (ENG) の帯域幅が 1 GHz を超える大きな負の屈折率と、イプシロンネガティブメタマテリアルの 3.1 GHz ～ 4.2 GHz の範囲でゼロに近い屈折率 (NZRI) の負の実数値特性を備えています (英語）。

8 つのサブアレイが 1 つのサイドパネルに配置され、完全および部分グランドが 2 つの層の中央と背面にそれぞれ配置されます。測定された最小帯域幅は 250 MHz で達成されますが、測定された最小利得は 3.5 GHz の対象帯域内で 9 dBi です。ただし、90％を実現効率とみなします。 2 つのアンテナが互いに非常に近い場合でも、ポート間の最大 ECC パフォーマンスは 0.0001 ですが、高い分離を実現できます。結論として、提案された mMIMO アレイ (32 個のコンパクトな要素を備えた) は良好な分離性と全体的なパフォーマンスを示しており、5G サブ 6 GHz 基地局アプリケーションに適した候補となっています。

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この研究は、マレーシア教育省 (MOE) の基礎研究助成制度 (FRGS) によって支援されました。認可番号: FRGS/1/2021/TK0/UKM/02/1。

Md Shabiul Islam、Mandeep Jit Singh、H. Alsaif の著者も同様に貢献しました。

Space Science Centre, Climate Change Institute, Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM), 43600, Bangi, Malaysia

サミール・セーラム・アル・バウリ & マンディープ・ジット・シン

電気・電子・システム工学科、工学・建築環境学部、Universiti Kebangsaan Malaysia、UKM、43600、Bangi、Selangor、マレーシア

モハマド・タリクル・イスラム & マンディープ・ジット・シン

マルチメディア大学工学部、ペルシャラン・マルチメディア、63100、サイバージャヤ、セランゴール、マレーシア

MD シャビウルイスラム

ヘイル大学工学部電気工学科、ヘイル、81481、サウジアラビア

ハイサム・アルサイフ

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概念化、SSA-B。形式分析、SSA-B。資金調達、MTI、および MSI 手法、SSA-B。リソース、執筆 - 原案、SSA-B。レビューと編集、SSA-B.、MTI、MSI、MJ、および HA

サミール・サレム・アル・バウリまたはモハマド・タリクル・イスラムへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

アル・バウリ、親衛隊、イスラム教、モンタナ州、イスラム教、ミシシッピ州ほか 5G 基地局用の大規模メタマテリアルシステム搭載 MIMO アンテナアレイ。 Sci Rep 12、14311 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-18329-y

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受信日: 2022 年 2 月 27 日

受理日: 2022 年 8 月 9 日

公開日: 2022 年 8 月 22 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18329-y

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