Published March 13, 2023 | Version v1
Publication Open

An efficient antenna system with improved radiation for multi-standard/multi-mode 5G cellular communications

Creators

  • 1. Edinburgh Napier University
  • 2. Princess Nourah bint Abdulrahman University
  • 3. Xi'an Jiaotong-Liverpool University
  • 4. University of Bradford
  • 5. Alexandria University

Description

Abstract This paper introduces a multi-input multiple-output (MIMO) antenna array system that provides improved radiation diversity for multi-standard/multi-mode 5G communications. The introduced MIMO design contains four pairs of miniaturized self-complementary antennas (SCAs) fed by pairs of independently coupled structures which are symmetrically located at the edge corners of the smartphone mainboard with an overall size of 75 × 150 (mm 2 ). Hence, in total, the design incorporates four pairs of horizontally and vertically polarized resonators. The elements have compact profiles and resonate at 3.6 GHz, the main candidate bands of the sub-6 GHz 5G spectrum. In addition, despite the absence of decoupling structures, adjacent elements demonstrate high isolation. To the best of the authors' knowledge, it is the first type of smartphone antenna design using dual-polarized self-complementary antennas that could possess anti-interference and diversity properties. In addition to exhibiting desirable radiation coverage, the presented smartphone antenna also supports dual polarizations on different sides of the printed circuit board (PCB). It also exhibits good isolation, high-gain patterns, improved radiation coverage, low ECC/TARC, and sufficient channel capacity. The introduced antenna design was manufactured on a standard smartphone board and its main characteristics were experimentally measured. Simulations and measurement results are generally in good agreement with each other. Moreover, the presented antenna system delivers low SAR with adequate efficiency when it comes to the appearance of the user. Hence, the design could be adapted to 5G hand-portable devices. As an additional feature, a new ultra-compact phased array millimeter-wave antenna with super-wide bandwidth and end-fire radiation is being introduced for integration into the MIMO antenna systems. As a result, the proposed antenna system design with improved radiation and multi-standard operation is a good candidate for future multi-mode 5G cellular applications.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الملخص تقدم هذه الورقة البحثية نظام مصفوفة هوائي متعدد المدخلات ومتعدد المخرجات (MIMO) والذي يوفر تنوعًا إشعاعيًا محسنًا لاتصالات 5G متعددة المعايير/متعددة الأوضاع. يحتوي تصميم MIMO المقدم على أربعة أزواج من الهوائيات الذاتية التكميلية المصغرة (SCAs) التي تغذيها أزواج من الهياكل المقترنة بشكل مستقل والتي تقع بشكل متماثل في زوايا حافة اللوحة الرئيسية للهاتف الذكي بحجم إجمالي يبلغ 75 × 150 (مم 2 ). وبالتالي، في المجموع، يشتمل التصميم على أربعة أزواج من المرنانات المستقطبة أفقيًا ورأسيًا. تحتوي العناصر على ملفات تعريف مدمجة ويتردد صداها عند 3.6 جيجاهرتز، وهي النطاقات المرشحة الرئيسية لطيف 5G دون 6 جيجاهرتز. بالإضافة إلى ذلك، على الرغم من عدم وجود هياكل فصل، فإن العناصر المتجاورة تظهر عزلة عالية. على حد علم المؤلفين، هذا هو النوع الأول من تصميم هوائي الهاتف الذكي باستخدام هوائيات ذاتية الاستقطاب مزدوجة الاستقطاب يمكن أن تمتلك خصائص مضادة للتداخل والتنوع. بالإضافة إلى إظهار التغطية الإشعاعية المرغوبة، يدعم هوائي الهاتف الذكي المقدم أيضًا الاستقطاب المزدوج على جوانب مختلفة من لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). كما أنه يعرض عزلًا جيدًا وأنماطًا عالية الكسب وتغطية إشعاعية محسنة وانخفاض ECC/TARC وسعة قناة كافية. تم تصنيع تصميم الهوائي المقدم على لوحة هاتف ذكي قياسية وتم قياس خصائصه الرئيسية تجريبيًا. تتوافق عمليات المحاكاة ونتائج القياس بشكل عام بشكل جيد مع بعضها البعض. علاوة على ذلك، يوفر نظام الهوائي المقدم SAR منخفضًا بكفاءة كافية عندما يتعلق الأمر بمظهر المستخدم. وبالتالي، يمكن تكييف التصميم مع الأجهزة المحمولة باليد 5G. كميزة إضافية، يتم تقديم هوائي موجة ملليمتر ذو مصفوفة مرحلية مدمجة للغاية مع عرض نطاق عريض للغاية وإشعاع إطلاق نار نهائي للاندماج في أنظمة هوائي MIMO. ونتيجة لذلك، فإن تصميم نظام الهوائي المقترح مع تحسين الإشعاع والتشغيل متعدد المعايير هو مرشح جيد للتطبيقات الخلوية المستقبلية متعددة الأنماط 5G.

Translated Description (French)

Résumé Cet article présente un système de réseau d'antennes à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) qui offre une diversité de rayonnement améliorée pour les communications 5G multistandard/multimode. La conception MIMO introduite contient quatre paires d'antennes auto-complémentaires miniaturisées (SCA) alimentées par des paires de structures couplées indépendamment qui sont situées symétriquement aux coins de bord de la carte mère du smartphone avec une taille totale de 75 × 150 (mm 2 ). Par conséquent, au total, la conception incorpore quatre paires de résonateurs polarisés horizontalement et verticalement. Les éléments ont des profils compacts et résonnent à 3,6 GHz, les principales bandes candidates du spectre 5G inférieur à 6 GHz. De plus, malgré l'absence de structures de découplage, les éléments adjacents présentent une isolation élevée. À la connaissance des auteurs, il s'agit du premier type de conception d'antenne de smartphone utilisant des antennes auto-complémentaires à double polarisation qui pourraient posséder des propriétés anti-interférences et de diversité. En plus de présenter une couverture de rayonnement souhaitable, l'antenne de smartphone présentée prend également en charge les polarisations doubles sur différents côtés de la carte de circuit imprimé (PCB). Il présente également une bonne isolation, des motifs à gain élevé, une couverture de rayonnement améliorée, un faible ECC/TARC et une capacité de canal suffisante. La conception de l'antenne introduite a été fabriquée sur une carte de smartphone standard et ses principales caractéristiques ont été mesurées expérimentalement. Les simulations et les résultats de mesure sont généralement en bon accord les uns avec les autres. De plus, le système d'antenne présenté offre un faible DAS avec une efficacité adéquate en ce qui concerne l'apparence de l'utilisateur. Par conséquent, la conception pourrait être adaptée aux appareils portables 5G. En tant que caractéristique supplémentaire, une nouvelle antenne à ondes millimétriques à réseau à commande de phase ultra-compacte avec une bande passante très large et un rayonnement en bout de ligne est introduite pour intégration dans les systèmes d'antennes MIMO. En conséquence, la conception du système d'antenne proposé avec un rayonnement amélioré et un fonctionnement multistandard est un bon candidat pour de futures applications cellulaires 5G multimodes.

Translated Description (Spanish)

Resumen Este documento presenta un sistema de antenas de múltiples entradas y múltiples salidas (mimo) que proporciona una diversidad de radiación mejorada para comunicaciones 5G multiestándar/multimodo. El diseño mimo introducido contiene cuatro pares de antenas autocomplementarias (SCA) miniaturizadas alimentadas por pares de estructuras acopladas independientemente que están ubicadas simétricamente en las esquinas de borde de la placa base del teléfono inteligente con un tamaño total de 75 × 150 (mm 2 ). Por lo tanto, en total, el diseño incorpora cuatro pares de resonadores polarizados horizontal y verticalmente. Los elementos tienen perfiles compactos y resuenan a 3,6 GHz, las principales bandas candidatas del espectro 5G sub-6 GHz. Además, a pesar de la ausencia de estructuras de desacoplamiento, los elementos adyacentes demuestran un alto aislamiento. Según el conocimiento de los autores, es el primer tipo de diseño de antena de teléfono inteligente que utiliza antenas autocomplementarias de doble polarización que podrían poseer propiedades antiinterferentes y de diversidad. Además de exhibir una cobertura de radiación deseable, la antena de teléfono inteligente presentada también admite polarizaciones duales en diferentes lados de la placa de circuito impreso (PCB). También muestra un buen aislamiento, patrones de alta ganancia, mejor cobertura de radiación, bajo ECC/TARC y suficiente capacidad de canal. El diseño de la antena introducida se fabricó en una placa de teléfono inteligente estándar y sus características principales se midieron experimentalmente. Las simulaciones y los resultados de las mediciones generalmente están en buen acuerdo entre sí. Además, el sistema de antena presentado ofrece un SAR bajo con una eficiencia adecuada en lo que respecta a la apariencia del usuario. Por lo tanto, el diseño podría adaptarse a dispositivos portátiles 5G. Como característica adicional, se está introduciendo una nueva antena de onda milimétrica de matriz en fase ultracompacta con ancho de banda superancho y radiación de extremo para su integración en los sistemas de antenas mimo. Como resultado, el diseño del sistema de antena propuesto con radiación mejorada y operación multiestándar es un buen candidato para futuras aplicaciones celulares 5G multimodo.

Files

s41598-023-31407-z.pdf.pdf

Files (4.2 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:249309fd2a8f12a2bceb01439b59b585
4.2 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نظام هوائي فعال مع تحسين الإشعاع للاتصالات الخلوية 5G متعددة المعايير/متعددة الأوضاع
Translated title (French)
Un système d'antenne efficace avec un rayonnement amélioré pour des communications cellulaires 5G multi-normes/multimodes
Translated title (Spanish)
Un sistema de antena eficiente con radiación mejorada para comunicaciones celulares 5G multiestándar/multimodo

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4324128498
DOI
10.1038/s41598-023-31407-z

Is supplement to
https://openalex.org/W653026100 (Other)
https://openalex.org/W4390582938 (Other)
https://openalex.org/W3199024512 (Other)
https://openalex.org/W3013692990 (Other)
https://openalex.org/W2964275097 (Other)
https://openalex.org/W2128998788 (Other)
https://openalex.org/W2088443723 (Other)
https://openalex.org/W2060502882 (Other)
https://openalex.org/W2033921874 (Other)
https://openalex.org/W1974401510 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W2034847907
  • https://openalex.org/W2052190282
  • https://openalex.org/W2097644462
  • https://openalex.org/W2119184122
  • https://openalex.org/W2135265416
  • https://openalex.org/W2175656803
  • https://openalex.org/W2394607654
  • https://openalex.org/W2462966281
  • https://openalex.org/W2504252776
  • https://openalex.org/W2511344748
  • https://openalex.org/W2532095825
  • https://openalex.org/W2583604790
  • https://openalex.org/W2734680419
  • https://openalex.org/W2741286454
  • https://openalex.org/W2754309112
  • https://openalex.org/W2809828459
  • https://openalex.org/W2902098048
  • https://openalex.org/W2903015227
  • https://openalex.org/W2910977977
  • https://openalex.org/W2918941554
  • https://openalex.org/W2972129258
  • https://openalex.org/W2975941194
  • https://openalex.org/W3007707590
  • https://openalex.org/W3031916466
  • https://openalex.org/W3042535518
  • https://openalex.org/W3131420656
  • https://openalex.org/W3158230545
  • https://openalex.org/W3161272595
  • https://openalex.org/W3175963566
  • https://openalex.org/W3199002007
  • https://openalex.org/W3212885915
  • https://openalex.org/W3216018862
  • https://openalex.org/W4200088460
  • https://openalex.org/W4205355507
  • https://openalex.org/W4205680109
  • https://openalex.org/W4206181194
  • https://openalex.org/W4211238999
  • https://openalex.org/W4234474926