Несимметричный антенный модуль на основе двух 1/8 SIW-резонаторов для MIMO-применений

Введение. Постоянно растущие требования к скорости передачи информации приводят ко все более широкому внедрению MIMO-систем в телекоммуникационные сети. Существует целый ряд работ, посвященных возможности использования антенных модулей MIMO, выполненных на основе SIW-резонаторов. Одно из перспективных направлений в этой области – использование 1/4- и 1/8-модовых SIW-резонаторов, которые позволяют существенно снизить массогабаритные характеристики устройства. Основные недостатки подобных MIMO-антенн – узкая полоса частот и относительно низкая изоляция излучателей. В связи с этим раз-работка технических решений в области конструирования MIMO-модулей, способствующих улучшению указанных характеристик, является актуальной задачей.
Цель работы. Разработка технических решений в области конструирования антенного модуля на основе 1/8-модовых SIW-резонаторов, позволяющих повысить его излучательные характеристики и взаимную изоляцию излучателей.
Материалы и методы. Моделирование характеристик антенного модуля осуществлялось с помощью программных пакетов на основе метода конечных элементов. Прототип антенного модуля изготовлен из фольгированного армированного композитного материала на основе политетрафторэтилена. Параметры модуля измерялись на стенде, собранном на основе векторного анализатора цепей Ceyear 3272C (Ceyear Technologies, Китай).
Результаты. Разработана конструкция MIMO-модуля на основе двух 1/8-модовых SIW-резонаторов, позволяющая существенно повысить коэффициент усиления излучателей и их взаимную изоляцию. Приведены результаты исследования влияния толщины подложки на характеристики модуля. Продемонстрирована возможность эффективной работы модуля в двухдиапазонных системах за счет использования не только основной, но и старшей резонансной моды SIW-резонаторов. Предложена конструкция MIMO-антенны, состоящей из 8 излучателей.
Заключение. Показано, что конструкцию MIMO-модуля на основе двух 1/8-модовых SIW-резонаторов, разделенных щелью, можно использовать в двухдиапазонных системах. Продемонстрировано одновременное увеличение КУ излучателей модуля и ухудшение их взаимной изоляции с ростом толщины подложки. Разработан вариант конструкции антенного модуля на основе двух 1/8-модовых SIW-резонаторов, позволяющий увеличить изоляцию между излучателями модуля (до –30 дБ).

1. Integrated LTE and millimeter-wave 5G MIMO antenna system for 4G/5G wireless terminals / S. Iffat Naqvi, N. Hussain, A. Iqbal, M. Rahman, M. Forsat, S. S. Mirjavadi, Y. Amin // Sensors. 2020. Vol. 20, iss. 14. Art. № 3926. doi: 10.3390/s20143926

2. A novel high gain wideband MIMO antenna for 5G millimeter wave applications / D. A. Sehrai, M. Abdullah, A. Altaf, S. H. Kiani, F. Muhammad, M. Tufail, M. Irfan, A. Glowacz, S. Rahman // Electronics. 2020. Vol. 9, iss. 6. Art. № 1031. doi: 10.3390/electronics9061031

3. Sghaier N., Latrach L. Design and analysis of wideband MIMO antenna arrays for 5G smartphone application // Intern. J. of Microwave and Wireless Technologies. 2022. Vol. 14, iss. 4. P. 511–523. doi: 10.1017/S1759078721000659

4. MIMO antennas: Design approaches, techniques and applications / P. Sharma, R. N. Tiwari, P. Singh, P. Kumar, B. K. Kanaujia // Sensors. 2022. Vol. 22, iss. 20. Art. № 7813. doi: 10.3390/s22207813

5. Metamaterial‐based highly isolated MIMO antenna system for 5G smartphone application / I. U. Din, S. Ullah, N. Mufti, R. Ullah, B. Kamal, R. Ullah // Intern. J. of Communication Systems. 2023. Vol. 36, iss. 3. Art. № e5392. doi: 10.1002/dac.5392

6. Isolation enhancement in dual-band monopole antenna for 5G applications / W. Wang, Y. Wu, W. Wang, Y. Yang // IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs. 2020. Vol. 68, iss. 6. P. 1867–1871. doi: 10.1109/TCSII.2020.3040164

7. Ameen M., Chaudhary R. K. Isolation enhancement of metamaterial-inspired two-port MIMO antenna using hybrid techniques // IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs. 2023. Vol. 70, iss. 6. P. 1966–1970. doi: 10.1109/TCSII.2023.3237831

8. Compact SIW fed dual-port single element annular slot MIMO antenna for 5G mmWave applications / M. Usman, E. Kobal, J. Nasir, Y. Zhu, Ch. Yu, A. Zhu // IEEE Access. 2021. Vol. 9. P. 91995–92002. doi: 10.1109/ACCESS.2021.3091835

9. Pant M., Malviya L. SIW MIMO antenna with high gain and isolation for fifth generation wireless communication systems // Frequenz. 2024. Vol. 78, iss. 9–10. P. 479–497. doi: 10.1515/freq-2023-0440

10. Niu B. J., Cao Y. J. Bandwidth‐enhanced four‐antenna MIMO system based on SIW cavity // Electronics Let. 2020. Vol. 56, iss. 13. P. 643–645. doi: 10.1049/el.2020.0799

11. Kumari P., Das S. A Wideband Circularly Polarized SIW MIMO Antenna Based on Coupled QMSIW and EMSIW Resonators for Sub-6GHz 5G Applications // IEEE Antennas and Wireless Propaga-tion Let. 2024. Vol. 23, iss. 10. P. 2979–2983.

12. A Quad-Band Shared-Aperture Antenna Based on Dual-Mode Composite Quarter-Mode SIW Cavity for 5G and 6G with MIMO Capability / A. T. Altakhaineh, S. S. Alja’afreh, A. M. Almatarneh, E. Almajali, L. Al-Tarawneh, J. Yousaf // Electronics. 2023. Vol. 12, iss. 11. Art. № 2480. doi: 10.3390/electronics12112480

13. Niu B. J., Tan J. H. Compact SIW cavity MIMO antenna with enhanced bandwidth and high isolation // Electronics Let. 2019. Vol. 55, iss. 11. P. 631–632. doi: 10.1049/el.2019.0838

14. Niu B. J., Tan J. H. Compact three‐antenna MIMO system based on triangular half‐mode substrate‐integrated‐waveguide cavity // Intern. J. of RF and Microwave Computer‐Aided Engineering. 2020. Vol. 30, iss. 10. Art. № e22352. doi: 10.1002/mmce.22352

15. A compact size and high isolation dual-band mimo antenna using emsiw / S. A. Ali, M. Wajid, M. Hashmi, M. Sh. Alam // 5th Intern. Conf. on Multimedia, Signal Processing and Communication Technologies (IMPACT), Aligarh, India, 26–27 Nov. 2022. IEEE, 2022. P. 1–5. doi: 10.1109/IMPACT55510.2022.10029292

16. An Adaptation of the Split-Cylinder Resonator Method for Measuring the Microwave Properties of Thin Ferroelectric Films in a "Thin Film—Substrate" Structure / A. Gagarin, D. Tsyganova, A. Altynnikov, A. Komlev, R. Platonov // Sensors. 2024. Vol. 24, iss. 3. Art. № 755. doi: 10.3390/s24030755