МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОПОЛОСКОВОЙ MIMO-АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ
DOI:
https://doi.org/10.18522/2311-3103-2026-1-%25pКлючевые слова:
MIMO антенны, микрополосковые антенны, мобильная связь, 5G, антенные решетки, телекоммуникационные системыАннотация
Представлены результаты комплексного исследования характеристик микрополосковой MIMO-антенной системы, предназначенной для использования в телекоммуникационных средствах пятого поколения в диапазоне частот n79 (4,4–5,0 ГГц). Целью исследования являлась разработка компактной антенной решётки конфигурации 1×2 на единой диэлектрической подложке и оценка её электродинамических свойств с учётом факторов, способных оказывать влияние на параметры согласования и излучения в реальных условиях эксплуатации. Конструкция антенны включает два излучателя, четыре порта возбуждения и модифицированный слой заземления, обеспечивающий расширенную функциональность и устойчивость рабочих характеристик. В ходе численного моделирования установлено, что предложенная антенная система обеспечивает стабильные значения коэффициента стоячей волны, высокий коэффициент усиления и согласованные диаграммы направленности во всём рабочем диапазоне частот. Особое внимание уделено анализу влияния внешних воздействий, в частности попадания тонкой водяной плёнки на поверхность излучателя. Показано, что присутствие влаги приводит к росту КСВ более чем на 0,5, снижению КПД и ухудшению направленных свойств антенны на верхней границе диапазона, что подчёркивает необходимость использования защитных конструктивных решений при эксплуатации изделия. Дополнительно исследована корректность замены меди идеальным проводником при моделировании. Разница в значениях КСВ не превышает 0,006, что подтверждает возможность применения такого упрощения на этапах предварительного проектирования без существенной потери точности. Экспериментальный образец антенны был изготовлен и испытан в лабораторных условиях. Полученные экспериментальные данные продемонстрировали высокую степень совпадения с результатами численного моделирования, что подтверждает валидность предложенной математической модели и практическую применимость разработанной MIMO-антенной системы в инфраструктуре сетей связи нового поколения
Библиографические ссылки
1. Ignatovich V.O., Kisel' N.N. Modelirovanie kharakteristik mikropoloskovykh antenn pri primenenii v tekhnologiyakh MIMO i beamforming [Modelling of microstrip antenna characteristics for MIMO and beamforming technologies], Mater. Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii s mezhdunarod-nym uchastiem imeni professora O.N. P'yavchenko (KomTekh-2024) [Proceedings of the Russian Sci-entific-Technological Conference named after Prof. O.N. Pyavchenko (ComTech-2024)]. Taganrog, June 5–7, 2024, Vol. 1, pp 220-227. ISBN 978-5-9275-4718-0.
2. RO3000® Series Circuit Materials. Rogers Corporation. Available at: https://rezonit.ru/upload/ spetsi-fikatsii/Rogers_RO3000.pdf (accessed 27 April 2024).
3. Arlon TC600: Enhanced Thermal Conductivity Ceramic Filled PTFE/Woven Fiberglass Laminate for Microwave Printed Circuit Boards. Arlon LLC. Available at: https://rezonit.ru/upload/spetsifikatsii/ Ar-lon_TC600.pdf (accessed 27 July 2024).
4. FSD615T – pryamoy analog materiala RO4360G2. OOO «Eltekh-M» [FSD615T – direct analogue of RO4360G2. ELTM Co]. Available at: https://eltm.ru/svch-materialy-fsd.html/nid/2099 (accessed
15 March 2024).
5. Stallings W. 5G Wireless: A Comprehensive Introduction. Boston: Addison-Wesley, 2021, 672 p.
6. Tong Ven', Chzhu Peyin. Seti 6G: put' ot 5G k 6G glazami razrabotchikov [6G Networks: From 5G to 6G Through Developer’s Perspective]. Moscow: DMK Press, 2022, 624 p. ISBN: 978-5-97060-995-8.
7. Cui T.J., Qi M.Q., Wan X., Zhao J., Cheng Q. Coding metamaterials, digital metamaterials and pro-grammable metamaterials, Light: Science & Applications, 2014, Vol. 3, No. 10, e218.
8. NTT DoCoMo. DOCOMO conducts world’s first successful trial of transparent dynamic metasurface. Tokyo, 2020. Available at: https://www.nttdocomo.co.jp (accessed 20 April 2024).
9. Suzuki D., Oda S., Kawano Y. A flexible and wearable terahertz scanner, Nature Photonics, 2016,
Vol. 10, No. 12, pp. 809-813.
10. Suzuki D., Ochiai Y., Kawano Y. Thermal device design for a carbon nanotube terahertz camera, ACS Omega, 2018, Vol. 3, No. 3, pp. 3540-3547.
11. Zhang M., Yeow J.T. A flexible, scalable, and self-powered midinfrared detector based on transparent PEDOT:PSS/graphene composite, Carbon, 2020, Vol. 156, pp. 339-345.
12. Grzyb J., Heinemann B., Pfeiffer U.R. Solid-state terahertz super-resolution imaging device in 130-nm SiGe BiCMOS technology, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2017, Vol. 65, No. 11, pp. 4357-4372.
13. Grzyb J., Heinemann B., Pfeiffer U.R. A 0.55 THz near-field sensor with μm-range lateral resolution fully integrated in 130 nm SiGe BiCMOS, IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2016, Vol. 51,
No. 12, pp. 3063-3077.
14. Hillger P., Jain R., Grzyb J. et al. A 128-pixel system-on-a-chip for real-time super-resolution terahertz near-field imaging, IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2018, Vol. 53, No. 12, pp. 3599-3612.
15. Grzyb J., Pfeiffer U.R. THz direct detector and heterodyne receiver arrays in silicon nanoscale technolo-gies, Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2015, Vol. 36, No. 10, pp. 998-1032.
16. Filipovic D.F., Gearhart S.S., Rebeiz G.M. Double-slot antennas on extended hemispherical and ellipti-cal silicon dielectric lenses, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1993,
Vol. 41, No. 10, pp. 1738-1749.
17. Park S.-G., Choi Y., Oh Y.-J., Jeong K.-H. Terahertz photoconductive antenna with metal nanoislands, Optics Express, 2012, Vol. 20, No. 23, pp. 25530-25535.
18. Tanoto H., Teng J., Wu Q., et al. Nano-antenna in a photoconductive photomixer for highly efficient continuous-wave terahertz emission, Scientific Reports, 2013, Vol. 3, pp. 2824.
19. Polat E.O., Mercier G., Nikitskiy I., et al. Flexible graphene photodetectors for wearable fitness monitor-ing, Science Advances, 2019, Vol. 5, No. 9.
20. Balanis C.A. Antenna Theory: Analysis and Design. 4th ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2016, 1112 p.
21. Antipov S.A., Ishchenko E.A., Kostrova V.N. i dr. Issledovanie vliyaniya rasstoyaniya mezhdu antennami v MIMO-antennoy reshetke dlya setey pyatogo pokoleniya [Study of the influence of antenna spacing in a MIMO antenna array for fifth-generation networks], Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of Voronezh State Technical University], 2020, Vol. 16, No. 4, pp. 91-96.
22. Sazonov D.M. Antenny i ustroystva SVCh [Microwave Antennas and Devices]. Moscow: Vysshaya shkola, 1988, 432 p.
23. Tian R., Lau B.K., Ying Z. Multiplexing efficiency of MIMO antennas, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2011, Vol. 10, pp. 183-186.
24. Lamri I.E., Mansoul A., Nakmouche M.F., Belattar M. Design of Novel UWB 4-element MIMO Mi-crostrip Patch Antenna for Sub-6 GHz 5G Applications, International Conference on Radar, Antenna, Microwave, Electronics, and Telecommunications (ICRAMET), 2021, pp. 7-12.
