RECONFIGURABLE MIMO ANTENNA ARRAY BASED METAMATERIALS FOR 5G AND OTHER MODERN WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS

Abstract

ABSTRACT

Multi-input multi-output (MIMO) is a pivotal wireless technique extensively employed in contemporary communication networks due to its ability to enhance spectral efficiency, increase data throughput, and improve system reliability. By utilizing multiple antennas at both the transmitter and receiver ends, MIMO systems exploit spatial diversity and multiplexing, allowing for the simultaneous transmission of multiple data streams within the same frequency band. This not only improves coverage and extends the range of wireless networks but also mitigates the effects of fading and interference, resulting in higher data rates and improved signal quality. MIMO technology is integral to various wireless standards such as LTE, Wi-Fi, and 5G, playing a crucial role in meeting the ever-growing demands for faster, more reliable wireless communication. In this work, four designs have been introduced in this thesis. The initial design was a printed monopole antenna array that is suggested for MIMO applications over 5G subs-6GHz bands. It has a good gain and an outstanding matching impedance bandwidth, |S_11| <-10, at 3.45GHz and 5.8GHz. The antenna element is installed on a 1.5mm FR4 Epoxy substrate in the shape of historical Iraqi locations. With a 50Ω SMA port, the maximum antenna dimensions are 33.6×20〖mm〗^2. With a |S_11| of -20dB and -31dB, respectively, the suggested antenna design achieves an impedance bandwidth of approximately 130MHz and 380MHz at 3.45GHz and 5.8GHz. At 3.45GHz and 5.8GHz, the antenna gain is determined to be 1.5dBi and 3.6dBi, respectively. It is discovered that the intended designed antenna array coupling is inside the relevant frequency spectrum by roughly -15dB. The second design, an origami antenna, a relatively new technique designed to address many related problems such as visual pollution and antenna embedding inside structures. At 2.45GHz, the suggested antenna array is made up of two 2D array components with a separation distance of λ/10. Through the use of CST Microwave Studio, we conducted multiple parametric simulations until we arrived at the best possible performance for the suggested design. Three frequency bands with matching |S_11| ≤-6dB, 1.7GHz-2.7GHz, 3.1GHz-3.8GHz, and 4.5GHz-5.1GHz are observed in the proposed antenna array, with gains of 5.2dBi, 6.8dBi, and 8.1dBi, respectively. The third concept was for multiple inputs multiple outputs (MIMO) application systems operating at Sub-6GHz frequency ranges, is a highly downsized two-element microstrip antenna array. When activated through the monopole basic antenna, the antenna is structured from a meander line in conjugate with an interdigital capacitor. When printed on FR-4 substrate, the suggested antenna elements are separated using a Minkowski factor-shaped metamaterial (MTM) column to obtain a separation distance (D) of 0.08λ at 3GHz. Later, optical switches based on light-dependent resistance (LDR) terminals are used to adjust the antenna performance in terms of gain and bandwidth. As a result, biasing circuits are not necessary when using such a strategy to reduce reconfiguration complexity. The computation of Channel Capacity (CC) and Bit Error Rate (BER) was done with the assumption that the antenna should be set up as an array of 64 by 64 elements. Improving 5G communication networks' energy efficiency is the main goal of the fourth design. The technique seeks to minimize energy usage and operating expenses by incorporating solar panels and reducing dependency on traditional grid power sources. On the other hand, combining solar panels and antennas may seriously impair the performance of the antennas. As a result, it was recommended that the planned work include MIMO antenna design. Regarding |S_11|, it is obtained three bands at 2.5 GHz, 3.6 GHz, and 5.5 GHz, where S_12, S_13, and S_14 were below -20 dB throughout all bands of interest.

ÖZET

Çok girişli çok çıkışlı (MIMO), spektral verimliliği artırma, veri verimini artırma ve sistem güvenilirliğini artırma yeteneği nedeniyle çağdaş iletişim ağlarında yaygın olarak kullanılan önemli bir kablosuz tekniktir. MIMO sistemleri, hem verici hem de alıcı uçlarında birden fazla anten kullanarak, uzamsal çeşitlilik ve çoğullamadan yararlanarak aynı frekans bandında birden fazla veri akışının eşzamanlı iletilmesine olanak tanır. Bu yalnızca kapsama alanını iyileştirmekle ve kablosuz ağların menzilini genişletmekle kalmaz, aynı zamanda solma ve parazitin etkilerini de azaltarak daha yüksek veri hızları ve gelişmiş sinyal kalitesi sağlar. MIMO teknolojisi LTE, Wi-Fi ve 5G gibi çeşitli kablosuz standartların ayrılmaz bir parçasıdır ve daha hızlı, daha güvenilir kablosuz iletişim için sürekli artan talebin karşılanmasında önemli bir rol oynar. Bu çalışmada, bu tezde dört tasarım tanıtılmıştır. İlk tasarım, 5G alt 6GHz bantları üzerindeki MIMO uygulamaları için önerilen baskılı tek kutuplu anten dizisiydi. İyi bir kazanıma ve olağanüstü bir eşleşen empedans bant genişliğine sahiptir, |S_11| <-10, 3,45 GHz ve 5,8 GHz'de. Anten elemanı, tarihi Irak konumları şeklinde 1,5 mm FR4 Epoksi alt tabaka üzerine monte edilmiştir. 50Ω SMA bağlantı noktasıyla maksimum anten boyutları 33,6×20〖mm〗^2 'dir. |S_11| ile Sırasıyla -20dB ve -31dB'lik önerilen anten tasarımı, 3,45GHz ve 5,8GHz'de yaklaşık 130MHz ve 380MHz'lik bir empedans bant genişliğine ulaşır. 3,45GHz ve 5,8GHz'de anten kazancının sırasıyla 1,5dBi ve 3,6dBi olduğu belirlendi. Amaçlanan tasarlanan anten dizisi bağlantısının ilgili frekans spektrumunun kabaca -15dB içinde olduğu keşfedilmiştir. İkinci tasarım, nispeten yeni bir teknik olan origami anteni, görsel kirlilik ve antenlerin yapıların içine yerleştirilmesi gibi birçok ilgili sorunu çözmek için tasarlandı. 2,45 GHz'de önerilen anten dizisi, ayırma mesafesi λ/10 olan iki 2 boyutlu dizi bileşeninden oluşur. CST Microwave Studio'yu kullanarak, önerilen tasarım için mümkün olan en iyi performansa ulaşana kadar çok sayıda parametrik simülasyon gerçekleştirdik. |S_11| ile eşleşen üç frekans bandı Önerilen anten dizisinde sırasıyla 5.2dBi, 6.8dBi ve 8.1dBi kazançlarla ≤-6dB, 1.7GHz-2.7GHz, 3.1GHz-3.8GHz ve 4.5GHz-5.1GHz gözlemlenmektedir. Üçüncü konsept, 6GHz'in altındaki frekans aralıklarında çalışan çok girişli çoklu çıkış (MIMO) uygulama sistemlerine yönelikti ve oldukça küçültülmüş iki elemanlı bir mikroşerit anten dizisidir. Tek kutuplu temel anten yoluyla etkinleştirildiğinde anten, dijital bir kapasitörle eşlenik olarak kıvrımlı bir çizgiden yapılandırılmıştır. FR-4 alt katmanına yazdırıldığında önerilen anten elemanları, 3 GHz'de 0,08λ'lik bir ayırma mesafesi (D) elde etmek için Minkowski faktör şekilli meta malzeme (MTM) sütunu kullanılarak ayrılır. Daha sonra anten performansını kazanç ve bant genişliği açısından ayarlamak için ışığa bağımlı direnç (LDR) terminallerine dayalı optik anahtarlar kullanılır. Sonuç olarak, yeniden yapılandırma karmaşıklığını azaltmak için böyle bir strateji kullanıldığında öngerilim devreleri gerekli değildir. Kanal Kapasitesi (CC) ve Bit Hata Oranı (BER) hesaplaması, antenin 64'e 64 elemandan oluşan bir dizi olarak kurulması gerektiği varsayımıyla yapıldı. 5G iletişim ağlarının enerji verimliliğinin artırılması dördüncü tasarımın ana hedefidir. Teknik, güneş panellerini dahil ederek ve geleneksel şebeke güç kaynaklarına bağımlılığı azaltarak enerji kullanımını ve işletme giderlerini en aza indirmeyi amaçlıyor. Öte yandan güneş panelleri ile antenlerin birleştirilmesi antenlerin performansını ciddi şekilde bozabilir. Sonuç olarak planlanan çalışmanın MIMO anten tasarımını da içermesi önerildi. |S_11| ile ilgili olarak 2,5 GHz, 3,6 GHz ve 5,5 GHz'de üç bant elde edildi; burada S_12, S_13 ve S_14, tüm ilgili bantlarda -20 dB'nin altındaydı.