Третья международная конференция по вычислительной технике и сетевым коммуникациям (CoCoNet'19) Новая многополосная микрополосковая патч-антенна для 5G
Download 71.12 Kb. Pdf ko'rish
|
1-s2.0-S1877050920312096-main.en.ru
|
Доступно онлайн по адресу www.sciencedirect.com НаукаПрямой Procedia Computer Science 171 (2020) 2080–2086 Третья международная конференция по вычислительной технике и сетевым коммуникациям (CoCoNet'19) Новая многополосная микрополосковая патч-антенна для 5G Коммуникации Пунит С., Правеенкумар С.К., Абхинандан Аджит Джугале, Мохаммед Рияз Ахмед Школа электроники и коммуникационной инженерии, Университет REVA, Бангалор, Индия puni200016@gmail.com , praveenkumars k141@gmail.com , abhinandan.aj1008@gmail.com , riyaz@reva.edu.in Абстрактный Среди различных технологий массивный MIMO выступает в качестве влиятельного компонента успешного внедрения 5G. Поскольку космические исследования сделали гигантский скачок благодаря частным игрокам, таким как SpaceX, и амбициозным проектам Индийской организации космических исследований (ISRO) и Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), космические исследования вынуждены изучать поведение небесных тел, излучающих радиосигналы. волны. Точно так же определение положения и скорости объектов с помощью радара привлекло многих исследователей в область, называемую радиолокацией. Для достижения нескольких рабочих частот, каждая из которых предназначена для определенной цели, можно использовать многодиапазонную антенну. В этой работе мы предлагаем многодиапазонную микрополосковую патч-антенну, работающую на частотах 23,9 ГГц, 35,5 ГГц и 70,9 ГГц. Антенна была проанализирована на предмет обратных потерь, КСВН, усиления, диаграмма направленности и распределение тока. Полученные результаты проверены на соответствие требованиям и обсуждаются для 5G и космических приложений. © 2020 Авторы. Опубликовано Elsevier BV Это статья в открытом доступе по лицензии CC BY-NC-ND ( http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ ) Рецензирование под руководством научного комитета Третьей Международной конференции по вычислительной технике и сетевым коммуникациям (CoCoNet'19). Ключевые слова: Микрополосковые патч-антенны; 5G-НР; Радиоастрономия; Радиолокация; Космические исследования. 1. Введение Традиционная беспроводная сетевая связь, поддерживающая скорость около 100–200 Мбит/с, была революционизирована связью 5G с увеличением скорости передачи данных до 10–20 Гбит/с[1][2]. Беспроводная связь пятого поколения поддерживается LAS-CDMA (большая зона синхронизированного множественного доступа с кодовым разделением каналов), UWB (сверхширокополосный доступ)[3]. 5G использует более широкую полосу пропускания в диапазоне миллиметровых волн, чтобы преодолеть дилемму многолучевого замирания и межсимвольных помех[4]. Это повсеместный доступ к услугам с высокой и низкой скоростью передачи данных, обычно ∗ Мохаммед Рияз Ахмед. Моб: 9886564566 Адрес электронной почты:riyaz@reva.edu.in 1877-0509 © 2020 Авторы. Опубликовано Elsevier BV Это статья в открытом доступе по лицензии CC BY-NC-ND ( http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ ) Рецензирование под эгидой научного комитета Третьей Международной конференции по вычислительной технике и сетевым коммуникациям (CoCoNet'19). 10.1016/j.procs.2020.04.224 Перевод: английский - русский - www.onlinedoctranslator.com С. Пунит и др. / Procedia Computer Science 171 (2020) 2080–2086 2081 Рис. 1. Использование спектра антенны охватывает такие приложения, как радиолокация, радиоастрономия, мобильная связь и космические исследования. Антенна, используемая в системах мобильной связи, представляет собой статический элемент, который используется для улучшения покрытия, увеличения пропускной способности и уменьшения сложности сетей[5][6]. Это помогает объединить мир без каких-либо ограничений. 5G может передавать как голос, так и высокоскоростные данные одновременно и более точно[7]. Одной из решающих особенностей 5G является низкая задержка, которая необходима для потоковой передачи в реальном времени, облачных игр и т. д. В глобальном масштабе эти поколения беспроводной связи обеспечивают десятикратное снижение сквозной задержки[8]. Это может значительно улучшить качество обслуживания пользователей и открыть возможности для совершенно новых функций, включая некоторые услуги со сверхнизкой задержкой, поскольку они могут показывать врачам движения тела пациента в режиме реального времени[9]. Дальнейшее улучшение задержки может привести к появлению на рынке удаленной роботизированной хирургии[10][11]. Виртуальная реальность и дополненная реальность требуют HD-видео с очень низкой задержкой, а 5G вступает в игру, чтобы создать невероятные виртуальные впечатления[12]. Сеть 5G наиболее эффективна для сбора, обработки, передачи, контроля и анализа данных в реальном времени, помогая Интернету вещей во многих отношениях[13]. Следующее поколение требует широкой полосы пропускания и уменьшения трафика данных, жаждя каждой организации передовых технологий. Поскольку спектральная полоса пропускания становится все более влиятельной для радиосвязи, технология MIMO, которая позволяет устройствам подключать более чем одну полосу частот одновременно, делает ее одной из наиболее важных технологий, используемых в настоящее время [14]. Радиолокация – еще одно важное применение разработанной антенны. Технология использует радиоволны для идентификации и определения местоположения летательных аппаратов. Существует два метода: один измеряет расстояние по разнице мощности принимаемого сигнала (RSSI), другой использует время прибытия (TOA)[15][16]. Чтобы обеспечить широкое глобальное покрытие и универсальность, спутниковая связь одновременно удовлетворяет основные телекоммуникационные потребности многих людей по всей стране. Эта спутниковая связь в диапазоне от 24 до 25 ГГц широко используется для связи мобильных телефонов, образуя обширную сеть по всему миру. Номенклатура л г Вт г л с Вт с час л п Вт п Длина земли Ширина земли Длина подложки Ширина подложки Высота подложки Длина патча Ширина патча 2082 С. Пунит и др. / Procedia Computer Science 171 (2020) 2080–2086 Рис. 2. (а) Разработанная антенна, вид сверху; (б) Разработанная антенна, вид сбоку. л ж Длина подачи 2. Конструкция антенны Ключевыми факторами, необходимыми для проектирования антенны, являются реализация выполняемого приложения и соответствие требованиям параметров. Несомненно, частота играет решающую роль. Кроме того, работа антенны помогает определить подложку, которая будет использоваться. После определения необходимых данных необходимо рассчитать физические размеры. В этой работе авторы используют Ansys High-Frequency Structure Simulator (HFSS) v 15.0 для проектирования и моделирования антенны. Изначально запроектирован слой земли размером 6,1949 x 7,2514 мм, который обеспечивает основу, на которой будет монтироваться антенна. На толщину антенны влияет используемая подложка, которая дополнительно зависит от значения относительной диэлектрической проницаемости. Следовательно, необходимо рассчитать толщину материала подложки. Второй слой подложки крепится вместе с грунтовым слоем. Излучающее пятно образует третий и наиболее эффективный слой антенны[17]. Патч питается током с использованием различных типов источников питания[18]. Подача микрополосковой линии считается простейшей формой технологии подачи. Обычно проводящая полоска меньше по размеру по сравнению с патчем и подает ток через один из ее концов. Это еще больше упрощает процесс изготовления и травление заплаты в одной плоскости, обеспечивая плоскую структуру конструкции [19]. Высота подложки прямо пропорциональна паразитному излучению, а также поверхностным волнам[20][21]. Обнаружено, что это препятствует расширению полосы пропускания и нежелательной кросс-поляризации антенны[22][23]. Замечено, что в методе микрополосковой линии питание представляет собой просто продолжение патча, соединяющегося с землей, и, следовательно, импеданс легко согласовать, изменяя положение вставки [24]. Чтобы добиться лучшего согласования импедансов, рекомендуется выбрать встроенный фидер, который позже можно будет включить в патч. Это достигается за счет регулировки положения вставки. Этот метод считается одним из самых простых, обеспечивающих простоту изготовления и простоту моделирования [25]. Антенна спроектирована с использованием следующих размеров: 6,1949 x 7,2514 мм и толщины подложки 0,6 мм. Подложка состоит из эпоксидной смолы FR4 с относительной диэлектрической проницаемостью 4,4 и тангенсом диэлектрических потерь 0,02. Далее на подложке вытравливается заплатка размером 2,59×3,65 мм. Линия подачи размером 1,705 х 0,334 мм. Геометрические параметры корректируются с учетом изменений, касающихся усиления, полосы пропускания и резонансной частоты предлагаемой антенны. Физические размеры конструкции приведены в таблице 1, где л вставка и Вт вставка — это длина и ширина вставки, добавляемой при переводе строки. С. Пунит и др. / Procedia Computer Science 171 (2020) 2080–2086 2083 Таблица 1. Параметрические размеры проектируемой антенны. Параметр Размер в мм Параметр Размер в мм л г л с л п л ж 6.1949 г. 6.1949 г. 2,59 1,705 0,334 0,6 Вт г Вт с Вт п Вт ж 7.2514 7.2514 3,65 0,334 0,6 – л вставка Вт вставка час – 3. Результаты и их обсуждение Спроектирована микрополосковая патч-антенна и полученные результаты проверены с использованием программного обеспечения Ansys HFSS v.15.0. Результаты получаются на основе желаемой частоты. Обратные потери, полученные для частот 23,9 ГГц, 35,5 ГГц и 70,9 ГГц, составляют -19,9737, -22,7307 и -21,9667 соответственно, как показано на рис. x. Чтобы получить более высокую эффективность передачи, рекомендуется выбрать более высокий коэффициент усиления, более -10 дБ. Чтобы избежать несоответствия между антенной и фидерной линией, важно виртуально получить КСВ от 1 до 2[26]. КСВ 1,7483, 1,2709 и 1,3881 получены для глубоких частот, как показано на рис. 4. Диаграмма направленности для расчетных частот нанесена в плоскостях E и H, как показано на рис. 5. Диаграмма направленности для полученных частот является четкой и четкой. имеет благоприятный прирост 4,435, 3,6602 и 5. 6402 для частот 23,9 ГГц, 35,5 ГГц и 70,9 ГГц, как показано на рис. 6(a)(b)(c) соответственно. На резонансной частоте распределение поверхностного тока наблюдается по патчу и питанию, как показано на рисунке 7. Рис. 3. Обратные потери в зависимости от частоты. Обратные потери антенны всегда должны быть меньше -10 дБ. Антенна разработана с учетом приложений в области радиолокации, спутниковой связи, космических исследований, радиоастрономии и мобильной связи. Полученные частоты имеют большую полосу пропускания, что позволяет использовать разработанную антенну для различных целей. Значительная полоса пропускания, если антенна позволяет использовать ее в радиолокации для точного определения местоположения каждого транспортного средства в пределах полосы пропускания. Полученные обратные потери вместе с соответствующим выигрышем оправдывают применение в связи 5G. Кроме того, диаграмма направленности удовлетворяет требованиям применения в космосе. Эффективная связь между спутниками и основными и второстепенными станциями на Земле жизненно важна для быстрой связи с низкой задержкой. Космические исследования стали новой областью государственных исследований в области науки[27]. Использование эффективной антенны для таких критически важных целей укрепит внутреннюю и внутреннюю связь между искусственными объектами в космосе[28][29]. Таким образом, разработанную антенну также можно легко 2084 С. Пунит и др. / Procedia Computer Science 171 (2020) 2080–2086 Рис. 4. КСВ антенны практически должен находиться между значениями 1 и 2. Рис. 5. Развертка диаграммы направленности на 360 градусов 0 угол Рис. 6. Коэффициент усиления дает эффективность излучения антенны в космосе настроен для использования в мобильной связи, где существует необходимость в более высоких частотах для его использования в связи 5G. С. Пунит и др. / Procedia Computer Science 171 (2020) 2080–2086 2085 Рис. 7. Распределение тока является качественной мерой того, как ток течет во всей антенне. 4. Вывод Эта работа посвящена проектированию и моделированию микрополосковой патч-антенны. Принимаются во внимание многие приложения, такие как радиолокация, радиоастрономия, мобильная и спутниковая связь и космические исследования, и антенна разработана специально для этих приложений. Антенна работает на трех частотах. Частота 23,9 ГГц находит применение в космических приложениях, таких как радиоастрономия и спутники. Для радиолокации применяется частота 35,5 ГГц. Кроме того, частота 70,9 ГГц находит свое применение в мобильной связи 5G. Антенна компактна и потребляет меньше энергии. Оправданные обратные потери и положительный коэффициент усиления делают антенну подходящей для всех вышеупомянутых применений. Будущая работа будет включать изготовление антенны и проверку полученных результатов в реальных условиях. Низкое усиление, узкая полоса пропускания, Благодарности Мы хотели бы поблагодарить доктора П. Шьямараджу, почетного ректора Университета REVA, за предоставление всей необходимой исследовательской инфраструктуры для проведения наших исследований. Мы также хотели бы поблагодарить Школу ECE, Университет REVA за постоянную поддержку. Кроме того, мы хотели бы выразить благодарность г-же Бхумике КМ из Центра передового опыта киберфизических систем Университета REVA за ее ценный вклад в работу. Рекомендации [1] Акпакву, Годфри Ануга и др. «Опрос сетей 5G для Интернета вещей: коммуникационные технологии и проблемы». IEEE Access 6 (2017): 3619-3647 . [2] Рост, Питер и др. «Нарезка сети для обеспечения масштабируемости и гибкости мобильных сетей 5G». Журнал IEEE Communications 55.5 (2017): 72-79. [3] Мавромустакис, Константинос X., Джордж Масторакис и Хорди Монгай Баталла, ред. Интернет вещей (IoT) в мобильных технологиях 5G. Том. 8. Спрингер, 2016. [4] Мавромустакис, Константинос X., Джордж Масторакис и Хорди Монгай Баталла, ред. Интернет вещей (IoT) в мобильных технологиях 5G. Том. 8. Спрингер, 2016. [5] Джордани, Марко, Марко Меццавилла и Микеле Зорзи. «Первичный доступ в сотовых сетях 5G mmWave». Журнал коммуникаций IEEE 54.11 (2016): 40-47. [6] Хан И., Али Т., Деванагави Г.Д., К.Р. С. и Бирадар Р.К., 2018. Многодиапазонная щелевая антенна с заглушками для приложений WLAN/WiMAX/ спутникового телевидения. Передовая электромагнетика, 7(5), стр.74-81. [7] Али, Танвир, Мохаммад Саад Ав и Раджашекхар К. Бирадар. «Компактная антенна AA с расширенной полосой пропускания и SRR для приложений WLAN/ WiMAX/спутниковой связи». Передовая электромагнетика 7, вып. 4 (2018): 78-84. [8] Хан, Имран, Танвир Али, Гита Д. Деванагави, К.Р. Судхиндра и Раджашекхар К. Бирадар. «Компактная многодиапазонная щелевая антенна для беспроводных приложений». Письма об интернет-технологиях: e94. 2086 С. Пунит и др. / Procedia Computer Science 171 (2020) 2080–2086 [9] Кумари, Руна и Сантану Кумар Бехера. «Антенна с диэлектрическим резонатором грибовидной формы для приложений WiMAX». Письма о микроволновых и оптических технологиях 55, вып. 6 (2013): 1360–1365. [10] Монти, Джузеппина, Лаура Коркья, Эджидио Де Бенедетто и Лучано Тарриконе. «Переносная антенна с логотипом для систем слежения на базе GPSGSM». IET Микроволновые печи, антенны и распространение 10, вып. 12 (2016): 1332-1338. [11] Шикдер, Кавшик и Фархадур Арифин. «Удлиненная сверхширокополосная носимая текстильная антенна с логотипом для приложений на телесных сетях». В 2016 г. 5-я Международная конференция по информатике, электронике и зрению (ICIEV), стр. 484-489. ИИЭР, 2016. [12] Санс-Искьердо Б., Хуан Ф., Бэтчелор Дж.К. Двухдиапазонные кнопочные антенны для носимых устройств. В 2006 г. состоялся Международный семинар IEEE по антенным технологиям: малые антенны и новые метаматериалы (IWAT), 2006 г. (стр. 132–135). [13] Бист, Сураб, Швета Шайни, Вед Пракаш и Бхаскар Наутиял. «Изучите различные методы питания микрополосковой антенны с помощью проектирования и моделирования в микроволновой студии CST». Международный журнал новых технологий и передовой инженерии 4, вып. 9 (2014). [14] Махмуд, Мд Шаад и Шувашис Дей. «Проектирование, характеристики и реализация портативной текстильной антенны с логотипом UWB». 2012 15 Международный симпозиум по антенной технике и прикладной электромагнетике. ИИЭР, 2012. [15] Монти, Джузеппина, Лаура Коркья и Лучано Тарриконе. «Технология изготовления носимых антенн». Европейская радиолокационная конференция 2013 г. ИИЭР, 2013. [16] Кумар, В. (2017, август). Дипольная антенна с логотипом для RFID-приложений. Международная конференция по энергетике, связи, аналитике данных и мягким вычислениям (ICECDS) 2017 г. (стр. 3889-3891 ). IEEE. [17] Хунг, CL и Венг, WC, 2009 г., декабрь. Планарная антенна формы NCNU для многодиапазонных приложений. В 2009 г. Азиатско-Тихоокеанская конференция по микроволновому оборудованию (стр. 1990–1993 гг.). IEEE. [18] Саха, Пуджаита, Баппадитья Мандал, Аян Чаттерджи и Сусанта Кумар Паруи. «Носимая антенна в форме логотипа Harmes Paris для многодиапазонных приложений». Азиатско-Тихоокеанская микроволновая конференция (APMC) 2016 г., стр. 1-3. ИИЭР, 2016. [19] Так, Дж., и Чой, Дж. (2015). Полностью текстильная антенна с логотипом Louis Vuitton. Письма об антеннах IEEE и распространении беспроводной связи, 14, 1211–1214. [20] Чоу, Ю.Л. и К.В. Фунг. «Антенна с логотипом городского университета». В материалах Азиатско-Тихоокеанской микроволновой конференции 1997 г., вып. 1, стр. 229-232. ИИЭР, 1997. [21] Ли, Кай Фонг, Квай Ман Лук и Хау Ва Лай. Микрополосковые патч-антенны. Всемирный научный, 2017. [22] Гош, Таракешвар и др. «Уменьшение взаимной связи между близко расположенными микрополосковыми патч-антеннами с использованием резонатора меандровой линии». Прогресс в исследованиях в области электромагнетизма 59 (2016): 115-122. [23] Чжан, Сяо и Лэй Чжу. «Микрополосковая патч-антенна с высоким коэффициентом усиления и круговой поляризацией с закорачивающими штырями». Транзакции IEEE по антеннам и распространению 64.6 (2016): 2172-2178 . [24] Смит, Брейден П., Стюарт Барт и Эшвин К. Айер. «Двухдиапазонная микрополосковая патч-антенна с использованием интегрированных одноплоскостных EBG на основе метаматериалов». Транзакции IEEE по антеннам и распространению 64.12 (2016): 5046-5053 . [25] Н. Санил, ПАН Венкат и М. Р. Ахмед, «Проектирование и анализ производительности многополосных микрополосковых антенн для приложений Интернета вещей через спутниковую связь», Вторая международная конференция по экологически чистым вычислениям и Интернету вещей (ICGCIoT), 2018 г., Бангалор, Индия, 2018 г. , стр. 60-63. [26] Прахлад П.М., Р.В. и М.Р. Ахмед, «Проектирование двухдиапазонной микрополосковой антенны для приложений WiMax и X-диапазона», Вторая международная конференция по экологически чистым вычислениям и Интернету вещей (ICGCIoT), 2018 г., Бангалор, Индия. , 2018, стр. 598-602. [27] Прахлад, Р.А. Кандакатла и М. Рияз Ахмед, «Проектирование и анализ производительности двухдиапазонных микрополосковых патч-антенн для умной одежды», Вторая международная конференция по экологически чистым вычислениям и Интернету вещей (ICGCIoT), 2018 г., Бангалор, Индия, 2018 г. , стр. 573-576. [28] Прахлад, Н. Санил, П.А. Нага Венкат и М.Р. Ахмед, «Проектирование U-образной щелевой патч-антенны для RFID-идентификации транспортных средств», Вторая международная конференция по экологически чистым вычислениям и Интернету вещей (ICGCIoT), 2018 г., Бангалор, Индия, 2018, стр. 300-304. [29] П. М., Р. В. и М. Р. Ахмед, «Многополосная антенна для считывания микрополосковых полосок с круговой поляризацией для приложений RFID», Вторая международная конференция по экологически чистым вычислениям и Интернету вещей (ICGCIoT), 2018 г., Бангалор, Индия, 2018 г., стр. 64. -67. Download 71.12 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: 
|