Mehmet Yerlikaya, Seyfettin Sinan Gültekin, Dilek Uzer

LTE/5G Mobil Terminaller için Log-Periyodik Tekniği Kullanılan Üç Bant Dört Elemanlı MIMO Anten Dizisi

Bu çalışmada, günümüz teknolojisi olan LTE ya da 4.5G ile gelecek nesil olarak da bilinen beşinci nesil (5G) mobil iletişimde kullanılan mobil terminaller için dört elemanlı çoklu giriş çoklu çıkış (MIMO) mimarisinde yeni bir yama anten dizisi sunulmuştur. Önerilen anten dizisinde yer alan her bir eleman log-periyodik yama şeklinde tasarlanmış ve karşılıklı gelen MIMO elamanları birbirinin özdeşi olacak şekilde yerleştirilmiştir. Bilindiği gibi, günümüzde yer alan mobil cihazlar oldukça kompakt yapıya sahiptirler. Bu cihazlarda yer alan anten sistemlerinin de bu boyutlara uygun olmaları gerektiğinden, önerilen antenin toplam boyutu 80×150mm2 ile standart bir akıllı cihazla eşdeğerdir. Önerilen antenin tasarımından sonra, 4.3 nispi geçirgenliğe ve 1.6 mm kalınlığa sahip FR4 substrat üzerine baskı devre (PCB) teknolojisi kullanılarak prototip üretimi de gerçekleştirilmiştir. Önerilen antenin ölçüm ve simülasyon değerleri arasında büyük oranda bir benzerlik elde edilmiştir. Önerilen dört elemanlı MIMO anten, 2.5-3 GHz, 3.3-4.2 GHz ve 4.95-6 GHz frekans bantları arasında -10 dB ve altında ölçülen yansıma katsayısı değerleri ile üç bant ışıma yapmaktadır. Bu frekans bantları sırasıyla LTE 46, LTE 38 ve 5G C-bantlarını tam olarak kapsamaktadır. Belirtilen frekans bantlarında 16 dB ve üzerinde bir izolasyon seviyesi ile oldukça iyi bir karşılıklı kuplaj değerine sahiptir. Bununla birlikte, önerilen üç bantlı MIMO anten 2.6 GHz, 3.6 GHz ve 5.5 GHz rezonans frekansı noktalarında sırasıyla 0.7 dBi, 3.5 dBi ve 4 dBi olacak şekilde kazanç değerleri vardır. Ayrıca, önerilen MIMO anten dizisi belirtilen üç frekans bandı için de %60 ve üzerinde bir verimliğe sahiptir. Son olarak, ışıma patternleri incelendiğinde, önerilen MIMO anten dizisinin her üç frekans noktasında da çok yönlü bir ışıma sergilediği görülmüştür.

Triple-Band Four-Element MIMO Antenna Array Using Log-Periodic Technique for LTE/5G Mobile Terminals

In this study, a new antenna array in four element multiple input multiple output (MIMO) architecture is presented for mobile terminals that used in today's mobile technology of LTE or 4.5G and fifth generation (5G) mobile communication, also known as the next generation. Each MIMO element in the proposed antenna array is designed as a log-periodic patch, and the corresponding MIMO elements are placed identical to each other. As is known, today's mobile devices have a very compact structure. Since the antenna systems in these devices must also comply with these dimensions, the overall size of the proposed antenna is 80 × 150mm2 which is equivalent to a standard smartphone. After designing the proposed antenna, prototype production was also carried out using printed circuit board (PCB) technology on FR4 substrate with 4.3 relative permeability and 1.6 mm thickness. There is a great agreement between the measured and simulated results of the proposed antenna. The proposed four-element MIMO antenna emits three bands with reflection coefficient values of -10 dB or below between the frequency bands 2.5-3 GHz, 3.3-4.2 GHz and 4.95-6 GHz. These frequency bands fully cover the LTE 46, LTE 38 and 5G C-bands, respectively. It has a fairly good mutual coupling value with an izolation level of 16 dB or above in the specified frequency bands. However, the recommended tri-band MIMO antenna has gain values of 0.7 dBi, 3.5 dBi and 4 dBi at the 2.6 GHz, 3.6 GHz and 5.5 GHz resonant frequency points, respectively. In addition, the proposed MIMO antenna array has an efficiency of 70% and above for all three specified frequency bands. Finally, when the radiation patterns were examined, it was seen that the proposed MIMO antenna array displayed a versatile radiation at all three frequency points.

PDF

___

[1] Rappaport, T. S., Sun, S., Mayzus, R., Zhao, H., Azar, Y., Wang, K., Schulz, J. K., Samimi, M., and Gutierrez, F. (2013). Millimeter wave mobile communications for 5G cellular: It will work!. IEEE access, 1, 335-349.
[2] Lee, J., Tejedor, E., Ranta-aho, K., Wang, H., Lee, K. T., Semaan, E., Mohyeldin, E., Song, J. , Bergljung, C., and Jung, S. (2018). Spectrum for 5G: Global status, challenges, and enabling technologies. IEEE Communications Magazine, 56(3), 12-18. J. Lee, E. Tejedor, K. Ranta-aho, H. Wang, K. T. Lee, E. Semaan, S. Jung, “Spectrum for 5G: global status, challenges, and enabling Technologies”, IEEE Communications Magazine, vol. 56 (3), pp. 12-18, 2018.
[3] Marcus, M. J. (2015). 5G and" IMT for 2020 and beyond"[Spectrum Policy and Regulatory Issues]. IEEE Wireless Communications, 22(4), 2-3.
[4] Saxena, S., Kanaujia, B. K., Dwari, S., Kumar, S., and Tiwari, R. (2018). MIMO antenna with built-in circular shaped isolator for sub-6 GHz 5G applications. Electronics letters, 54(8), 478-480.
[5] Bajracharya, R., Shrestha, R., Zikria, Y. B., and Kim, S. W. (2018). LTE in the unlicensed spectrum: A survey. IETE Technical Review, 35(1), 78-90.
[6] Kildal, P. S., and Rosengren, K. (2004). Correlation and capacity of MIMO systems and mutual coupling, radiation efficiency, and diversity gain of their antennas: simulations and measurements in a reverberation chamber. IEEE Communications Magazine, 42(12), 104-112.
[7] Andrews, J. G., Buzzi, S., Choi, W., Hanly, S. V., Lozano, A., Soong, A. C., and Zhang, J. C. (2014). What will 5G be?. IEEE Journal on selected areas in communications, 32(6), 1065-1082.
[8] Li, Y., Luo, Y., and Yang, G. (2019). High-isolation 3.5 GHz eight-antenna MIMO array using balanced open-slot antenna element for 5G smartphones. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 67(6), 3820-3830.
[9] Wong, K. L., Lin, B. W., and Li, B. W. Y. (2017). Dual band dual inverted F/loop antennas as a compact decoupled building block for forming eight 3.5/5.8 GHz MIMO antennas in the future smartphone. Microwave and Optical Technology Letters, 59(11), 2715- 2721.
[10]Li, Y., Luo, Y., and Yang, G. (2018). Multiband 10-antenna array for sub-6 GHz MIMO applications in 5-G smartphones. IEEE Access, 6, 28041-28053.
[11]Hu, W., Qian, L., Gao, S., Wen, L. H., Luo, Q., Xu, H., Liu, X., Liu, Y., and Wang, W. (2019). Dual-band eight-element MIMO array using multi-slot decoupling technique for 5G terminals. IEEE Access, 7, 153910-153920.
[12]Wang, H., Zhang, R., Luo, Y., & Yang, G. (2020). Compact Eight-Element Antenna Array for Triple-Band MIMO Operation in 5G Mobile Terminals. IEEE Access, 8, 19433-19449.
[13] IE3D, HyperLynx 3D EM, Mentor Graphics.
[14] Yerlikaya, M., Gültekin, S. S., & Dilek, U. Z. E. R. (2020). A novel design of a compact wideband patch antenna for sub-6 GHz fifth-generation mobile systems. International Advanced Researches and Engineering Journal, (View), 129-133.