Antenna multifunzionale a diversità agile con dodici porte di frequenza per applicazioni wireless interne

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7979 (2023) Citare questo articolo

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La recente rinascita delle tecnologie riconfigurabili di nuova generazione offre una miriade di varie applicazioni in tutte le soluzioni pubbliche, private e aziendali in tutto il mondo. In questo articolo viene presentata un'antenna MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) con polarizzazione riconfigurabile in frequenza e modello diverso per scenari interni. L'antenna MIMO è composta da dodici elementi radianti e la polarizzazione e la diversità del modello si ottengono disponendoli su tre diversi piani: piano orizzontale (HP), piano verticale I (VP-I) e piano verticale II (VP-II) ). L'antenna proposta funziona in modo I (banda larga) e modo II (multibanda), combinando due diversi radiatori utilizzando diodi PIN. L'antenna commuta dinamicamente tra la modalità I (banda larga) e la modalità II (multibanda). Modalità, copro l'intervallo della banda ultra larga (UWB) da 2,3 a 12 GHz, mentre la modalità II copre 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), bande di frequenza WLAN di pubblica sicurezza (4,817–4,94 GHz) e WLAN (5,11–5,4 GHz). Il guadagno di picco e l'efficienza dell'antenna MIMO sono rispettivamente di 5,2 dBi e 80%.

A causa dei rapidi progressi nel mondo wireless, per risolvere problemi di connettività, velocità di trasmissione dati elevate, vincoli di alimentazione, miniaturizzazione e multi-riparabilità. I moduli antenna devono supportare la trasmissione e la ricezione simultaneamente per fornire un servizio ininterrotto all'utente. Soprattutto gli scenari interni come centri commerciali, aeroporti, università, industrie, scuole, ospedali ecc., incontrano più problemi di connettività1,2,3 a causa dello sbiadimento su piccola scala. Tuttavia, queste sfide significative sono dovute alla propagazione multipercorso, che riduce il rapporto segnale/rumore e influisce sull’affidabilità del collegamento a causa del disadattamento della polarizzazione. L'effetto di dissolvenza può essere mitigato introducendo la diversità spaziale sui ricetrasmettitori. Pertanto, le antenne di diversità Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) vengono utilizzate nei ricetrasmettitori wireless per migliorare l'affidabilità della comunicazione4,5,6,7,8. Dalla letteratura di lavori di ricerca simili, le antenne MIMO sono classificate come a banda larga9,10,11,12,13,14, multibanda15,16,17 e integrate18,19,20, che è una combinazione di banda larga e multibanda.

Le antenne MIMO a banda larga sono ampiamente utilizzate nei moderni sistemi wireless grazie ai loro molteplici vantaggi, tra cui l'elevata velocità di trasmissione dei dati e il basso consumo energetico. Nel 9 è stata segnalata un'antenna MIMO a quattro elementi che copriva la banda 5G e la banda C in due stati diversi utilizzando un circuito a serbatoio LC. Nel 10 è stata sviluppata un'antenna MIMO a quattro elementi basata su slot per applicazioni radio cognitive. Tuttavia, l'antenna mancava di diversità di polarizzazione. In11 è stata progettata un'antenna MIMO compatta per coprire la gamma della banda ultra larga (UWB) con una banda dentellata a 5,5 GHz. Nel 12 è stato segnalato un array di antenne che copriva l'UWB ed è stata introdotta una fessura stretta per ottenere un elevato isolamento tra le celle unitarie. In13 è stata proposta un'antenna MIMO UWB a quattro elementi con elevato isolamento tra gli elementi dell'antenna. Nel 14 è stata presentata un'antenna MIMO 3-D UWB a otto porte con polarizzazione. Nel 15 è stata segnalata un'antenna MIMO/diversity a otto elementi con rifiuto WLAN, che copriva le bande di frequenza 3G, 4G e 5G. Nel16 è stata sviluppata per lo smartphone un'antenna multibanda a due elementi con strutture di disaccoppiamento. In17, è stata segnalata un'antenna MIMO a quattro elementi con un risonatore serpeggiante e ad anello diviso con un elevato isolamento tra gli elementi. Tuttavia, la maggior parte delle antenne MIMO sopra riportate avevano una geometria complicata e grandi dimensioni e utilizzavano strutture di disaccoppiamento complesse.

Recentemente, le antenne MIMO integrate (IMA) hanno ricevuto molta attenzione grazie alla loro trasmissione dati ad alta velocità e alla multi-riparabilità. Queste antenne offrono caratteristiche sia a banda larga che a banda stretta e sono utili per i moduli IoT. Tuttavia, nella letteratura aperta sono riportati solo pochi progetti IMA, che integrano più bande in un'unica entità. Nel 18 è stata segnalata un'antenna MIMO a dodici porte con cinque coppie di elementi di antenna a banda singola e doppia e due elementi di antenna UWB. Nel 19 è stata segnalata un'antenna MIMO con dodici elementi per gli standard UWB, GSM e Bluetooth. In20, un IMA con diversità di polarizzazione riconfigurabile in frequenza a otto elementi è stato progettato per applicazioni di comunicazione veicolare. Tuttavia, i progetti di antenne riportati in 18,19,20 avevano dimensioni grandi, funzionalità limitate e diversità limitata. I moduli attuali devono supportare un'ampia gamma di standard di comunicazione wireless, integrando un gran numero di elementi risonanti con la dimensione dell'antenna più piccola possibile e una minima interferenza tra gli elementi. Pertanto, le antenne riconfigurabili potrebbero essere adatte a scenari interni poiché adattabili alle richieste degli utenti. I vantaggi dell'IMA riconfigurabile sono i seguenti: (i) integrazione di più radiatori in uno spazio ridotto, (ii) possibilità di multi-servizio modificando la frequenza, il modello e la polarizzazione21,22, (iii) miglioramento dell'accessibilità dello spettro dinamico in base alla domanda dell'utente23 ,24,25 e (iv) offrire caratteristiche di filtraggio all'interno dell'antenna MIMO per evitare interferenze. Inoltre, sono stati riportati concetti basati sulla metasuperficie26,27,28 per migliorare le prestazioni dell'antenna.