Published January 1, 2021 | Version v1
Publication Open

Metasurface-Based Wideband MIMO Antenna for 5G Millimeter-Wave Systems

Creators

  • 1. National University of Computer and Emerging Sciences
  • 2. City University of Science and Information Technology
  • 3. Namal College
  • 4. University of Engineering and Technology Lahore
  • 5. University of Engineering and Technology Peshawar
  • 6. Islamia College University
  • 7. Universidad Publica de Navarra
  • 8. University of Rome Tor Vergata

Description

This paper presents a metasurface based multiple-input multiple-output (MIMO) antenna with a wideband operation for millimeter-wave 5G communication systems. The antenna system consists of four elements placed with a 90 degree shift in order to achieve a compact MIMO system while a 2x2 non-uniform metasurface (total four elements) is placed at the back of the MIMO configuration to improve the radiation characteristics of it. The overall size of the MIMO antenna is 24x24 mm2 while the operational bandwidth of the proposed antenna system ranges from 23.5-29.4 GHz. The peak gain achieved by the proposed MIMO antenna is almost 7dB which is further improved up to 10.44 dB by employing a 2x2 metasurface. The total efficiency is also observed more than 80% across the operating band. Apart from this, the MIMO performance metrics such as envelope correlation coefficient (ECC), diversity gain (DG), and channel capacity loss (CCL) are analyzed which demonstrate good characteristics. All the simulations of the proposed design are carried out in computer simulation technology (CST) software, and measured results reveal good agreement with the simulated one which make it a potential contender for the upcoming 5G communication systems.

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

Translated Description (Arabic)

تقدم هذه الورقة هوائيًا متعدد المدخلات متعدد المدخلات (MIMO) قائمًا على السطح مع تشغيل واسع النطاق لأنظمة اتصالات 5G ذات الموجة المليمترية. يتكون نظام الهوائي من أربعة عناصر موضوعة مع إزاحة 90 درجة من أجل تحقيق نظام MIMO مدمج بينما يتم وضع سطح فوقي غير منتظم 2 × 2 (إجمالي أربعة عناصر) في الجزء الخلفي من تكوين MIMO لتحسين خصائص الإشعاع له. الحجم الإجمالي لهوائي MIMO هو 24 × 24 مم 2 بينما يتراوح النطاق الترددي التشغيلي لنظام الهوائي المقترح من 23.5 إلى 29.4 جيجاهرتز. تبلغ ذروة المكاسب التي حققها هوائي MIMO المقترح حوالي 7 ديسيبل والتي تم تحسينها بشكل أكبر حتى 10.44 ديسيبل من خلال استخدام سطح فوقي 2 × 2. كما لوحظت الكفاءة الإجمالية أكثر من 80 ٪ عبر نطاق التشغيل. بصرف النظر عن ذلك، يتم تحليل مقاييس أداء MIMO مثل معامل ارتباط المغلف (ECC)، وكسب التنوع (DG)، وفقدان سعة القناة (CCL) التي تظهر خصائص جيدة. يتم إجراء جميع عمليات المحاكاة للتصميم المقترح في برامج تكنولوجيا المحاكاة الحاسوبية (CST)، وتكشف النتائج المقاسة عن اتفاق جيد مع المحاكاة مما يجعلها منافسًا محتملاً لأنظمة اتصالات 5G القادمة.

Translated Description (French)

Cet article présente une antenne à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) basée sur une métasurface avec un fonctionnement à large bande pour les systèmes de communication 5G à ondes millimétriques. Le système d'antenne se compose de quatre éléments placés avec un décalage de 90 degrés afin d'obtenir un système MIMO compact tandis qu'une métasurface non uniforme 2x2 (quatre éléments au total) est placée à l'arrière de la configuration MIMO pour en améliorer les caractéristiques de rayonnement. La taille globale de l'antenne MIMO est de 24x24 mm2 tandis que la bande passante opérationnelle du système d'antenne proposé varie de 23,5 à 29,4 GHz. Le gain de crête obtenu par l'antenne MIMO proposée est de près de 7 dB, ce qui est encore amélioré jusqu'à 10,44 dB en utilisant une métasurface 2x2. L'efficacité totale est également observée à plus de 80 % sur toute la bande de fonctionnement. En dehors de cela, les mesures de performance MIMO telles que le coefficient de corrélation d'enveloppe (ECC), le gain de diversité (DG) et la perte de capacité de canal (CCL) sont analysées et démontrent de bonnes caractéristiques. Toutes les simulations de la conception proposée sont réalisées dans un logiciel de technologie de simulation informatique (CST), et les résultats mesurés révèlent un bon accord avec celui simulé, ce qui en fait un concurrent potentiel pour les futurs systèmes de communication 5G.

Translated Description (Spanish)

Este documento presenta una antena de entrada múltiple y salida múltiple (mimo) basada en metasuperficie con una operación de banda ancha para sistemas de comunicación 5G de onda milimétrica. El sistema de antenas consta de cuatro elementos colocados con un desplazamiento de 90 grados para lograr un sistema mimo compacto, mientras que una metasuperficie no uniforme de 2x2 (cuatro elementos en total) se coloca en la parte posterior de la configuración mimo para mejorar las características de radiación de la misma. El tamaño total de la antena mimo es de 24x24 mm2, mientras que el ancho de banda operativo del sistema de antena propuesto oscila entre 23,5 y 29,4 GHz. La ganancia máxima lograda por la antena mimo propuesta es de casi 7 dB, que se mejora aún más hasta 10,44 dB mediante el empleo de una metasuperficie de 2x2. La eficiencia total también se observa en más del 80% en toda la banda operativa. Aparte de esto, se analizan las métricas de rendimiento de mimo, como el coeficiente de correlación de envolvente (ECC), la ganancia de diversidad (DG) y la pérdida de capacidad del canal (CCL), que demuestran buenas características. Todas las simulaciones del diseño propuesto se llevan a cabo en software de tecnología de simulación por ordenador (CST), y los resultados medidos revelan un buen acuerdo con el simulado, lo que lo convierte en un posible contendiente para los próximos sistemas de comunicación 5G.

Files

09530521.pdf.pdf

Files (245 Bytes)

⚠️ 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
md5:4c81fce08f83087a663e7ac935bc33a8
245 Bytes
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
هوائي MIMO واسع النطاق قائم على السطح لأنظمة الموجات المليمترية 5G
Translated title (French)
Antenne MIMO large bande basée sur la métasurface pour les systèmes 5G à ondes millimétriques
Translated title (Spanish)
Antena mimo de banda ancha basada en metasuperficie para sistemas de ondas milimétricas 5G

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3198721942
DOI
10.1109/access.2021.3110905

Is supplement to
https://openalex.org/W3198080347 (Other)
https://openalex.org/W2976702468 (Other)
https://openalex.org/W2949598362 (Other)
https://openalex.org/W2613570912 (Other)
https://openalex.org/W2558549271 (Other)
https://openalex.org/W2374800174 (Other)
https://openalex.org/W2182447193 (Other)
https://openalex.org/W2164743418 (Other)
https://openalex.org/W1601296873 (Other)
https://openalex.org/W1539855486 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Pakistan

References

  • https://openalex.org/W1602515125
  • https://openalex.org/W1989564234
  • https://openalex.org/W2044965144
  • https://openalex.org/W2102112553
  • https://openalex.org/W2104560009
  • https://openalex.org/W2116334496
  • https://openalex.org/W2158309147
  • https://openalex.org/W2519167148
  • https://openalex.org/W2547937361
  • https://openalex.org/W2614453437
  • https://openalex.org/W2738703056
  • https://openalex.org/W2748555961
  • https://openalex.org/W2767643007
  • https://openalex.org/W2789858519
  • https://openalex.org/W2793516521
  • https://openalex.org/W2793970915
  • https://openalex.org/W2803623205
  • https://openalex.org/W2805337930
  • https://openalex.org/W2805379753
  • https://openalex.org/W2826680106
  • https://openalex.org/W2899475240
  • https://openalex.org/W2900617621
  • https://openalex.org/W2906844521
  • https://openalex.org/W2908578005
  • https://openalex.org/W2943317973
  • https://openalex.org/W2964608918
  • https://openalex.org/W2964938206
  • https://openalex.org/W2967970129
  • https://openalex.org/W2969616928
  • https://openalex.org/W2998094502
  • https://openalex.org/W3016003832
  • https://openalex.org/W3038849221
  • https://openalex.org/W3042161354
  • https://openalex.org/W3047098494
  • https://openalex.org/W3094169683
  • https://openalex.org/W3141525486
  • https://openalex.org/W3158170927
  • https://openalex.org/W3171413849
  • https://openalex.org/W3199999836
  • https://openalex.org/W4255390251