Advanced 2 × 1 MIMO Antenna Design for 5G Wireless Communications with Equivalent Circuit Integration

Abstract

У цьому дослідженні пропонується новий підхід до проектування реконфігурованих антен із багатьма входами й виходами (MIMO), що працюють на частоті 26 ГГц. Процес проектування починається з визначення розмірів багатокутних ділянок за допомогою моделі лінії передачі, після чого впроваджуються чверть хвильові трансформатори для мікросмугових ліній живлення. Антени побудовані на підкладці FR4, вибраній через її доступність і економічну ефективність, зі спеціальними електромагнітними властивостями. Пропонується конфігурація антени 2 × 1 MIMO шляхом поєднання традиційних антен багатокутного типу на площині заземлення 50 мм x 30 мм. Для вирішення проблеми невідповідності імпедансу під час підключення реконфігурованих антен до загальної лінії живлення, використовується модель еквівалентної схеми. Модель містить зосереджені елементи, такі як ємності, резистори та котушки індуктивності, щоб точно імітувати поведінку антени. Коригування цих компонентів здійснюється для досягнення бажаних характеристик S11 і S22. Пропонована конструкція оцінюється шляхом моделювання з використанням HFSS і AWR, що демонструє її ефективність у досягненні бажаних показників продуктивності. Загалом це дослідження представляє комплексний підхід до проектування реконфігурованих антен MIMO, пропонуючи розуміння практичної реалізації і оптимізації продуктивності в системах бездротового зв’язку.

This study proposes a novel approach to designing reconfigurable multiple input multiple output (MIMO) antennas operating at 26 GHz. The design process begins with determining the dimensions of polygonal patches using a transmission line model, followed by the implementation of quarter-wavelength transformers for the microstrip feed lines. The antennas are constructed on FR4 substrate, chosen for its accessibility and cost-effectiveness, with specific electromagnetic properties. A 2 × 1 MIMO antenna configuration is suggested by combining traditional polygon-type patch radiation antennas on a 50 mm × 30 mm ground plane. To address impedance mismatch issues when connecting reconfigurable antennas to a common feed line, an equivalent circuit model is employed. This model incorporates lumped elements such as capacitances, resistors, and inductors to simulate the antenna's behavior accurately. Adjustments to these components are made to achieve desired S11 and S22 characteristics. The proposed design is evaluated through simulations using HFSS and AWR, demonstrating its effectiveness in achieving the desired performance metrics. Overall, this research presents a comprehensive approach to designing reconfigurable MIMO antennas, offering insights into practical implementation and performance optimization in wireless communication systems.