Antena multifuncional de diversidade ágil de frequência de doze portas para aplicações sem fio internas

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 7979 (2023) Citar este artigo

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O recente ressurgimento de tecnologias reconfiguráveis ​​de nova geração oferece uma infinidade de diversas aplicações em todas as soluções públicas, privadas e empresariais em todo o mundo. Neste artigo, uma antena de polarização reconfigurável em frequência e padrão diversificado de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) é apresentada para cenários internos. A antena MIMO é composta por doze elementos radiantes, e a polarização e a diversidade de padrões são obtidas organizando-os em três planos diferentes: Plano Horizontal (HP), Plano Vertical-I (VP-I) e Plano Vertical-II (VP-II). ). A antena proposta opera em modo I (banda larga) e modo II (multibanda), combinando dois radiadores diferentes utilizando diodos PIN. A antena alterna dinamicamente entre o Modo I (banda larga) e o modo II (multibanda). Modo, eu cubro a faixa de banda ultralarga (UWB) de 2,3 a 12 GHz, enquanto o modo II cobre GSM (1,85–1,9 GHz), Wi-Fi e LTE-7 (2,419–2,96 GHz), 5G (3,15–3,28 GHz e 3,45–3,57 GHz), bandas de frequência WLAN de segurança pública (4,817–4,94 GHz) e WLAN (5,11–5,4 GHz). O ganho de pico e a eficiência da antena MIMO são 5,2 dBi e 80%, respectivamente.

Devido aos rápidos avanços no mundo sem fio, para resolver problemas de conectividade, altas taxas de dados, restrições de energia, miniaturização e multi-serviços. Os módulos de antena devem suportar transmissão e recepção simultaneamente para fornecer serviço ininterrupto ao usuário. Especialmente os cenários internos, como shopping centers, aeroportos, universidades, indústrias, escolas, hospitais, etc., enfrentam mais problemas de conectividade1,2,3 devido ao desvanecimento em pequena escala. No entanto, esses desafios significativos são devidos à propagação multipercurso, que reduz a relação sinal-ruído e afeta a confiabilidade do link devido à incompatibilidade de polarização. O efeito de desvanecimento pode ser mitigado pela introdução de diversidade espacial nos transceptores. Portanto, antenas de diversidade de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) são usadas em transceptores sem fio para melhorar a confiabilidade da comunicação . A partir da literatura de trabalhos de pesquisa semelhantes, as antenas MIMO são categorizadas como banda larga9,10,11,12,13,14, multibanda15,16,17 e integrada18,19,20, que é uma combinação de banda larga e multibanda.

Antenas MIMO de banda larga são amplamente utilizadas em sistemas sem fio modernos devido às suas múltiplas vantagens, incluindo transmissão de alta taxa de dados e baixo consumo de energia. In9, foi relatada uma antena MIMO de quatro elementos que cobria a banda 5G e a banda C em dois estados diferentes usando um circuito tanque LC. In10, uma antena MIMO de quatro elementos baseada em slot foi desenvolvida para aplicações de rádio cognitivo. No entanto, a antena carecia de diversidade de polarização. In11, uma antena MIMO compacta foi projetada para cobrir a faixa de banda ultralarga (UWB) com uma banda entalhada de 5,5 GHz. In12, foi relatado um conjunto de antenas cobrindo o UWB e um slot estreito foi introduzido para obter alto isolamento entre as células unitárias. Em13, foi proposta uma antena UWB MIMO de quatro elementos com alto isolamento entre os elementos da antena. In14 foi apresentada uma antena 3-D UWB MIMO de oito portas com polarização. Em15, foi relatada uma antena MIMO/diversidade de oito elementos com rejeição WLAN, que cobria as bandas de frequência 3G, 4G e 5G. In16, foi desenvolvida uma antena multibanda de dois elementos com estruturas de desacoplamento para o smartphone. In17, uma antena MIMO de quatro elementos com um ressonador sinuoso e de anel dividido foi relatada com alto isolamento entre elementos. No entanto, a maioria das antenas MIMO relatadas acima tinham geometria complicada e tamanho grande, e empregavam estruturas de desacoplamento complexas.

Recentemente, as Antenas MIMO Integradas (IMA) têm recebido muita atenção devido à sua transmissão de dados em alta velocidade e multi-serviço. Essas antenas oferecem características de banda larga e banda estreita e são úteis para módulos IoT. No entanto, apenas alguns projetos de IMA, integrando múltiplas bandas em uma única entidade, são relatados na literatura aberta. Em 18, foi relatada uma antena MIMO de doze portas com cinco pares de elementos de antena de banda simples e dupla e dois elementos de antena UWB. Em 19, foi relatada uma antena MIMO com doze elementos para os padrões UWB, GSM e Bluetooth. In20, um IMA de diversidade de polarização reconfigurável de frequência de oito elementos foi projetado para aplicações de comunicação veicular. No entanto, os projetos de antenas relatados em 18,19,20 tinham tamanho grande, funcionalidade limitada e diversidade limitada. Os módulos atuais devem suportar uma ampla gama de padrões de comunicação sem fio, integrando um grande número de elementos ressonantes com o menor tamanho de antena possível e o mínimo de interferência entre elementos. Portanto, antenas reconfiguráveis ​​podem ser adequadas para cenários internos, pois são adaptáveis ​​às demandas do usuário. O IMA reconfigurável se beneficia das seguintes maneiras: (i) integrando mais radiadores em um espaço pequeno, (ii) permitindo multi-serviço alterando a frequência, o padrão e a polarização21,22, (iii) melhorando a acessibilidade dinâmica do espectro com base na demanda do usuário23 ,24,25, e (iv) oferecer características de filtragem dentro da antena MIMO para evitar interferências. Além disso, conceitos baseados em metassuperfícies foram relatados em 26,27,28 para melhorar o desempenho da antena.