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Utilizà metasuperfici per migliurà u guadagnu è l'isolamentu di l'antenne PCB di banda larga per i sistemi di cumunicazione 5G sub-6 GHz

antenna PCB a banda larga (1)

Stu travagliu prupone un'antenna a banda larga di metasuperficie (MS) integrata compatta multi-input multi-output (MIMO) per sistemi di cumunicazione wireless di quinta generazione (5G) sub-6 GHz. A novità evidente di u sistema MIMO prupostu hè a so larga larghezza di banda operativa, un altu guadagnu, una piccula liberazione intercompunente, è un isolamentu eccellente in i cumpunenti MIMO. U locu radiante di l'antenna hè troncatu in diagonale, parzialmente in terra, è e metasuperfici sò aduprate per migliurà u rendiment di l'antenna. L'antenna MS integrata prototipu pruposta hà dimensioni miniatura di 0,58λ × 0,58λ × 0,02λ. I risultati di simulazione è misurazioni dimustranu prestazioni di banda larga da 3,11 GHz à 7,67 GHz, cumpresu u più altu guadagnu ottenutu di 8 dBi. U sistema MIMO di quattru elementi hè pensatu per chì ogni antenna sia ortogonale l'una à l'altru, mantenendu una dimensione compacta è un rendimentu di banda larga da 3.2 à 7.6 GHz. U prototipu MIMO prupostu hè cuncepitu è ​​fabricatu nantu à u sustrato Rogers RT5880 cù a perdita di pocu è dimensioni miniaturizzate di 1.05? 1.05 ? 0.02?, è a so prestazione hè valutata cù l'array di risonatore d'anellu chjusu quadru prupostu cù un anellu split 10 x 10. U materiale di basa hè u listessu. A metasurface di backplane pruposta riduce significativamente a radiazione posteriore di l'antenna è manipula i campi elettromagnetici, migliurà cusì a larghezza di banda, u guadagnu è l'isolamentu di i cumpunenti MIMO. In cunfrontu cù l'antenni MIMO esistenti, l'antenna MIMO di 4 porti pruposta ottene un altu guadagnu di 8.3 dBi cù una efficienza generale media di finu à 82% in a banda 5G sub-6 GHz è hè in bonu accordu cù i risultati misurati. Inoltre, l'antenna MIMO sviluppata mostra prestazioni eccellenti in termini di coefficiente di correlazione di busta (ECC) di menu di 0,004, guadagnu di diversità (DG) di circa 10 dB (> 9,98 dB) è altu isolamentu trà cumpunenti MIMO (> 15,5 dB). caratteristiche. Cusì, l'antenna MIMO pruposta basata in MS cunfirma a so applicabilità per e rete di cumunicazione 5G sub-6 GHz.
A tecnulugia 5G hè un avanzamentu incredibile in a cumunicazione wireless chì permetterà e rete più veloci è più sicure per miliardi di dispusitivi cunnessi, furnisce l'esperienze d'utilizatori cù latenza "zero" (latenza di menu di 1 millisecondu), è introducerà e tecnulugia novi, cumpresa l'elettronica. Cura medica, educazione intellettuale. , cità intelligenti, case intelligenti, realtà virtuale (VR), fabbriche intelligenti è Internet di Veiculi (IoV) cambianu a nostra vita, a sucetà è l'industrii1,2,3. A Cummissione Federale di Comunicazioni di i Stati Uniti (FCC) divide u spettru 5G in quattru bande di frequenza4. A banda di freccia sottu à 6 GHz hè d'interessu per i circadori perchè permette cumunicazioni à longa distanza cù alti tassi di dati5,6. L'allocazione di spettru 5G sub-6 GHz per e cumunicazioni 5G globale hè mostrata in a Figura 1, chì indica chì tutti i paesi cunsidereghjanu u spettru sub-6 GHz per e cumunicazioni 5G7,8. L'antenni sò una parte impurtante di e rete 5G è necessitanu più stazioni di basa è antenne di terminal d'utilizatori.
L'antenni di patch Microstrip anu i vantaghji di a magrezza è a struttura piatta, ma sò limitati in larghezza di banda è guadagnu9,10, tanta ricerca hè stata fatta per aumentà u guadagnu è a larghezza di banda di l'antenna; Nta l'ultimi anni, i metasurfaces (MS) sò stati largamente utilizati in tecnulugii di l'antenna, in particulare per migliurà u guadagnu è u throughput11,12, però, sti antenni sò limitati à un portu unicu; A tecnulugia MIMO hè un aspettu impurtante di e cumunicazioni wireless perchè pò aduprà parechje antenne simultaneamente per trasmette dati, per quessa, migliurà a tarifa di dati, l'efficienza spettrale, a capacità di u canali è l'affidabilità13,14,15. L'antenni MIMO sò candidati potenziali per l'applicazioni 5G perchè ponu trasmette è riceve dati nantu à parechji canali senza avè bisognu di putenza supplementaria16,17. L'effettu di accoppiamentu mutuale trà i cumpunenti MIMO dipende da u locu di l'elementi MIMO è u guadagnu di l'antenna MIMO, chì hè una sfida maiò per i circadori. I figuri 18, 19 è 20 mostranu diverse antenne MIMO chì operanu in a banda 5G sub-6 GHz, tutti chì dimustranu un bonu isolamentu è prestazione MIMO. Tuttavia, u guadagnu è a larghezza di banda operativa di questi sistemi pruposti sò bassi.
I metamateriali (MM) sò novi materiali chì ùn esistenu micca in natura è ponu manipulà l'onda elettromagnetica, migliurà cusì u rendiment di l'antenne21,22,23,24. MM hè oghji largamente utilizatu in a tecnulugia di l'antenna per migliurà u mudellu di radiazione, larghezza di banda, guadagnu è isolamentu trà l'elementi di l'antenna è i sistemi di cumunicazione wireless, cum'è discutitu in 25, 26, 27, 28. In 2029, un sistema MIMO di quattru elementi basatu in metasuperficie, in quale a seccione di l'antenna hè sandwiched trà a metasuperficie è a terra senza un spaziu di l'aria, chì migliurà u rendiment MIMO. Tuttavia, stu disignu hà una dimensione più grande, una frequenza operativa più bassa è una struttura cumplessa. Un bandgap elettromagneticu (EBG) è un loop di terra sò inclusi in l'antenna MIMO di banda larga di 2 porti pruposta per migliurà l'isolamentu di i cumpunenti MIMO30. L'antenna cuncepita hà una bona prestazione di diversità MIMO è un isolamentu eccellente trà duie antenne MIMO, ma cù solu dui cumpunenti MIMO, u guadagnu serà bassu. Inoltre, in31 hà ancu prupostu una antenna MIMO à doppia porta ultra-wideband (UWB) è hà investigatu u so rendimentu MIMO utilizendu metamateriali. Ancu s'è sta antenna hè capace di funziunamentu UWB, u so guadagnu hè bassu è l'isolamentu trà e duie antenne hè poviru. U travagliu in32 prupone un sistema MIMO à 2 porti chì usa riflettori elettromagnetici bandgap (EBG) per aumentà u guadagnu. Ancu se l'antenna sviluppata hà un altu guadagnu è una bona prestazione di diversità MIMO, a so grande dimensione rende difficiule di applicà in i dispositi di cumunicazione di a prossima generazione. Un'altra antenna di banda larga basata in riflettore hè stata sviluppata in 33, induve u riflettore hè stata integrata sottu à l'antenna cù un spaziu più grande di 22 mm, chì mostra un guadagnu piccu più bassu di 4,87 dB. Paper 34 cuncepisce una antenna MIMO di quattru porti per l'applicazioni mmWave, chì hè integrata cù a capa MS per migliurà l'isolamentu è u guadagnu di u sistema MIMO. In ogni casu, sta antenna furnisce un bonu guadagnu è isolamentu, ma hà una larghezza di banda limitata è povere proprietà meccaniche per via di a grande distanza d'aria. In listessu modu, in 2015, una antenna MIMO integrata in metasuperficie integrata in trè coppie, 4 porti, hè stata sviluppata per cumunicazioni mmWave cù un guadagnu massimu di 7,4 dBi. B36 MS hè utilizatu nantu à a parte posteriore di una antenna 5G per aumentà u guadagnu di l'antenna, induve a metasuperficie agisce cum'è un riflettore. In ogni casu, a struttura MS hè asimmetrica è menu attenzione hè stata pagata à a struttura di cellula unità.
Sicondu i risultati di l'analisi sopra, nimu di l'antenne sopra anu un altu guadagnu, un isolamentu eccellente, prestazioni MIMO è una copertura di banda larga. Dunque, ci hè sempre bisognu di una antenna MIMO metasuperficiale chì pò copre una larga gamma di frequenze di spettru 5G sottu à 6 GHz cù un altu guadagnu è isolamentu. In cunsiderà e limitazioni di a literatura sopra citata, un sistema di antenna MIMO di quattru elementi di banda larga cù un altu guadagnu è un rendimentu eccellente di diversità hè prupostu per i sistemi di cumunicazione wireless sub-6 GHz. Inoltre, l'antenna MIMO pruposta mostra un isolamentu eccellente trà i cumpunenti MIMO, spazii di elementi chjuchi, è alta efficienza di radiazione. U patch di l'antenna hè troncatu in diagonale è pusatu nantu à a metasuperficie cù un intervallu d'aria di 12 mm, chì riflette a radiazione posteriore da l'antenna è migliurà u guadagnu di l'antenna è a direttività. Inoltre, l'antenna unica pruposta hè aduprata per creà una antenna MIMO di quattru elementi cù un rendimentu MIMO superiore posizionando ogni antenna ortogonalmente l'una à l'altru. L'antenna MIMO sviluppata hè stata integrata in cima à un array 10 × 10 MS cù un backplane di rame per migliurà u rendiment di emissioni. U disignu presenta una larga gamma operativa (3.08-7.75 GHz), un altu guadagnu di 8.3 dBi è un'alta efficienza media generale di 82%, è ancu un isolamentu eccellente di più di -15.5 dB trà i cumpunenti di l'antenna MIMO. L'antenna MIMO sviluppata basata in MS hè stata simulata utilizendu u pacchettu di software elettromagneticu 3D CST Studio 2019 è validata attraversu studii sperimentali.
Questa sezione furnisce una introduzione dettagliata à l'architettura pruposta è a metodulugia di cuncepimentu di l'antenna unica. Inoltre, i risultati simulati è osservati sò discututi in detail, cumpresi i paràmetri di scattering, guadagnà è efficienza generale cù è senza metasurfaces. L'antenna prototipu hè stata sviluppata nantu à un sustrato dielettricu à bassa perdita Rogers 5880 cù un spessore di 1.575 mm cù una constante dielettrica di 2.2. Per sviluppà è simulà u disignu, u pacchettu di simulatore elettromagneticu CST studio 2019 hè statu utilizatu.
A Figura 2 mostra l'architettura pruposta è u mudellu di disignu di una antenna unicu elementu. Sicondu equazioni matematiche ben stabilite37, l'antenna hè custituita da un spot radiante quadratu alimentatu linearmente è un pianu di terra di rame (cum'è descrittu in u passu 1) è risona cù una larghezza di banda assai stretta à 10.8 GHz, cum'è mostra in Figura 3b. A dimensione iniziale di u radiatore di l'antenna hè determinata da a seguente relazione matematica37:
Induve \(P_{L}\) è \(P_{w}\) sò a lunghezza è a larghezza di u patch, c rapprisenta a velocità di a luce, \(\gamma_{r}\) hè a constante dielettrica di u sustrato . , \(\gamma_{reff }\) rapprisenta u valore dielettricu efficace di u spot di radiazione, \(\Delta L\) rapprisenta u cambiamentu di a lunghezza di u spot. U backplane di l'antenna hè stata ottimizzata in a seconda tappa, aumentendu a larghezza di banda di impedenza malgradu a larghezza di banda di impedenza assai bassa di 10 dB. In a terza tappa, a pusizione di l'alimentatore hè spustata à a diritta, chì migliurà a larghezza di banda di l'impedenza è l'impedenza di l'antenna pruposta38. In questa fase, l'antenna mostra una larghezza di banda operativa eccellente di 4 GHz è copre ancu u spettru sottu 6 GHz in 5G. A quarta è ultima tappa implica l'incisione di scanalature quadrate in anguli opposti di u spot di radiazione. Questa slot espansione significativamente a larghezza di banda 4.56 GHz per copre u spettru 5G sub-6 GHz da 3.11 GHz à 7.67 GHz, cum'è mostra in Figura 3b. A vista di prospettiva frontale è di fondu di u disignu prupostu sò mostrate in a Figura 3a, è i paràmetri finali di u disignu ottimizzati necessarii sò i seguenti: SL = 40 mm, Pw = 18 mm, PL = 18 mm, gL = 12 mm, fL = 11. mm, fW = 4 .7 mm, c1 = 2 mm, c2 = 9.65 mm, c3 = 1.65 mm.
(a) Vista superiore è posteriore di l'antenna unica cuncepita (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Curva di parametru S.
Metasurface hè un termu chì si riferisce à una serie periodica di cellule unità situate à una certa distanza l'una di l'altru. I metasuperfici sò un modu efficace per migliurà a prestazione di a radiazione di l'antenna, cumprese larghezza di banda, guadagnu è isolamentu trà i cumpunenti MIMO. A causa di l'influenza di a propagazione di l'onda di superficia, e metasuperfici generanu risonanze supplementari chì cuntribuiscenu à un rendimentu di l'antenna migliuratu39. Stu travagliu prupone una unità di metamateriale epsilon-negativu (MM) chì opera in a banda 5G sottu 6 GHz. U MM cù una superficia di 8mm × 8mm hè statu sviluppatu nantu à un sustrato Rogers 5880 à bassa perdita cù una constante dielettrica di 2.2 è un spessore di 1.575mm. U patch di risonatore MM ottimisatu hè custituitu da un anellu split circular internu cunnessu à dui anelli split esterni mudificati, cum'è mostra in Figura 4a. A Figura 4a riassume i parametri ottimizzati finali di a cunfigurazione MM pruposta. In seguitu, i strati di metasuperficie 40 × 40 mm è 80 × 80 mm sò stati sviluppati senza un backplane di rame è cun un backplane di rame utilizendu 5 × 5 è 10 × 10 cell arrays, rispettivamente. A struttura MM pruposta hè stata modellata cù u software di modellazione elettromagnetica 3D "CST studio suite 2019". Un prototipu fabbricatu di a struttura di array MM pruposta è a configurazione di misurazione (analizzatore di rete a doppia porta PNA è portu di guida d'onda) hè mostratu in a Figura 4b per validà i risultati di simulazione CST analizendu a risposta attuale. A configurazione di misurazione hà utilizatu un analizzatore di rete di a serie Agilent PNA in cumbinazione cù dui adattatori coassiali di guida d'onda (A-INFOMW, numeru di parte: 187WCAS) per mandà è riceve segnali. Un prototipu di array 5 × 5 hè statu piazzatu trà dui adattatori coassiali di guida d'onda cunnessi da un cable coaxial à un analizzatore di rete à dui porti (Agilent PNA N5227A). U kit di calibrazione Agilent N4694-60001 hè utilizatu per calibre l'analizzatore di rete in una pianta pilotu. I paràmetri di scattering simulati è CST osservati di u prototipu prupostu MM array sò mostrati in Figura 5a. Pò esse vistu chì a struttura MM pruposta risona in a freccia di freccia 5G sottu 6 GHz. Malgradu a piccula differenza di larghezza di banda di 10 dB, i risultati simulati è sperimentali sò assai simili. A frequenza di risonanza, a larghezza di banda è l'amplitude di a risonanza osservata sò ligeramente sfarente da i simulati, cum'è mostra in Figura 5a. Queste differenze trà i risultati osservati è simulati sò dovute à l'imperfezioni di a fabricazione, i picculi spazii trà u prototipu è i porti di guida d'onda, effetti di accoppiamentu trà i porti di guida d'onda è cumpunenti di array, è tolleranze di misurazione. Inoltre, a piazza curretta di u prototipu sviluppatu trà i porti di guida d'onda in a configurazione sperimentale pò esse risultatu in un cambiamentu di risonanza. Inoltre, u rumore indesevule hè statu osservatu durante a fase di calibrazione, chì hà purtatu à discrepanze trà i risultati numerichi è misurati. Tuttavia, fora di queste difficultà, u prototipu di array MM prupostu funziona bè per via di a forte correlazione trà a simulazione è l'esperimentu, facendu bè adattatu per l'applicazioni di cumunicazione wireless 5G sub-6 GHz.
(a) Geometria di cellula unitaria (S1 = 8 mm, S2 = 7 mm, S3 = 5 mm, f1, f2, f4 = 0,5 mm, f3 = 0,75 mm, h1 = 0,5 mm, h2 = 1,75 mm) (CST) STUDIO SUITE) ) 2019) (b) Foto di a stallazione di misurazione MM.
(a) Simulazione è verificazione di e curve di paràmetri di scattering di u prototipu di metamateriale. (b) Curva custante dielettrica di una cellula unità MM.
I paràmetri efficaci pertinenti cum'è a constante dielettrica efficace, a permeabilità magnetica è l'indice di rifrazione sò stati studiati utilizendu tecniche di post-processamentu integrate di u simulatore elettromagneticu CST per analizà ulteriormente u cumpurtamentu di a cellula unità MM. I paràmetri MM efficaci sò ottenuti da i paràmetri di scattering utilizendu un metudu di ricustruzzione robusta. L'equazioni di coefficienti di trasmittanza è riflessione: (3) è (4) ponu esse usate per determinà l'indici di rifrazione è l'impedenza (vede 40).
E parti reale è imaginaria di l'operatore sò rapprisentate da (.)' è (.)” rispettivamente, è u valore integeru m currisponde à l'indice di rifrazione reale. A constante dielettrica è a permeabilità sò determinate da e formule \(\varepsilon { } = { }n/z,\) è \(\mu = nz\), chì sò basati annantu à l'impedenza è l'indice di rifrazione, rispettivamente. A curva di custante dielettrica efficace di a struttura MM hè mostrata in Figura 5b. À a frequenza di risonanza, a constante dielettrica effettiva hè negativa. Les figures 6a,b montrent les valeurs extraites de la perméabilité effective (μ) et de l'indice de réfraction effectif (n) de la cellule unitaire proposée. In particulare, e permeabilità estratte mostranu valori reali pusitivi vicinu à cero, chì cunfirmanu e proprietà epsilon-negative (ENG) di a struttura MM pruposta. Inoltre, cum'è mostra in a Figura 6a, a risonanza à a permeabilità vicinu à cero hè strettamente ligata à a frequenza di risonanza. A cellula unità sviluppata hà un indice refrattivu negativu (Fig. 6b), chì significa chì a MM pruposta pò esse usata per migliurà a performance di l'antenna21,41.
U prototipu sviluppatu di una sola antenna di banda larga hè statu fabbricatu per pruvà sperimentalmente u disignu prupostu. I figuri 7a,b mostranu l'imaghjini di l'antenna unica prototipu pruposta, e so parti strutturali è a stallazione di misurazione vicinu (SATIMO). Per migliurà a prestazione di l'antenna, a metasuperficia sviluppata hè posta in strati sottu à l'antenna, cum'è mostra in Figura 8a, cù l'altezza h. Una sola metasuperficie di doppia strata di 40 mm x 40 mm hè stata applicata à a parte posteriore di l'antenna unica à intervalli di 12 mm. Inoltre, una metasuperficie cù un backplane hè posta nantu à a parte posteriore di l'antenna unica à una distanza di 12 mm. Dopu l'applicazione di a metasuperficie, l'antenna unica mostra una mellura significativa in u rendiment, cum'è mostra in i Figures 1 è 2. Figure 8 è 9. Figura 8b mostra i trama di riflettanza simulata è misurata per l'antenna unica senza è cù metasurfaces. Hè da nutà chì a banda di cobertura di una antenna cù una metasuperficie hè assai simili à a banda di cobertura di una antenna senza metasuperficie. I Figure 9a,b mostranu un paragone di u guadagnu di l'antenna unica simulata è osservata è l'efficienza generale senza è cù MS in u spettru operativu. Pò esse vistu chì, cumparatu cù l'antenna non-metasurface, u guadagnu di l'antenna metasurface hè significativamente migliuratu, aumentendu da 5.15 dBi à 8 dBi. U guadagnu di a metasuperficie di una sola capa, di a metasuperficie di doppia strata è di l'antenna unica cù a metasuperficie di u backplane anu aumentatu di 6 dBi, 6.9 dBi è 8 dBi, rispettivamente. In cunfrontu cù altre metasuperficie (MC à una sola è doppia strata), u guadagnu di una sola antenna metasuperficiale cù un backplane di rame hè finu à 8 dBi. In questu casu, a metasuperficie agisce cum'è un riflettore, riducendu a radiazione posteriore di l'antenna è manipulendu l'onda elettromagnetica in fase, aumentando cusì l'efficienza di radiazione di l'antenna è dunque u guadagnu. Un studiu di l'efficienza generale di una sola antenna senza è cù metasuperfici hè mostratu in Figura 9b. Hè da nutà chì l'efficienza di una antenna cù è senza metasuperficie hè quasi a stessa. In a gamma di frequenza più bassa, l'efficienza di l'antenna diminuisce ligeramente. E curve di guadagnu è efficienza sperimentale è simulate sò in bonu accordu. Tuttavia, ci sò liggeri diffirenzii trà i risultati simulati è pruvati à causa di difetti di fabricazione, tolleranza di misurazione, perdita di cunnessione di portu SMA è perdita di filu. Inoltre, l'antenna è u riflettore MS sò situati trà i spaziatori di nylon, chì hè un altru prublema chì afecta i risultati osservati cumparatu cù i risultati di simulazione.
A figura (a) mostra l'antenna unica cumpletata è i so cumpunenti assuciati. (b) Configurazione di misurazione vicinu (SATIMO).
(a) Eccitazione di l'antenna cù riflettori di metasuperficie (CST STUDIO SUITE 2019). (b) Riflessi simulati è sperimentali di una sola antenna senza è cù MS.
I risultati di simulazione è misurazione di (a) u guadagnu ottenutu è (b) l'efficienza generale di l'antenna di l'effettu metasuperficiale pruposta.
Analisi di mudelli di fasciu cù MS. E misurazioni di u campu vicinu à l'antenna unica sò state realizate in u SATIMO Near-Field Experimental Environment of the UKM SATIMO Near-Field Systems Laboratory. I figuri 10a, b mostranu i mudelli di radiazione E-plane è H-plane simulati è osservati à 5.5 GHz per l'antenna unica proposta cù è senza MS. L'antenna unica sviluppata (senza MS) furnisce un mudellu di radiazione bidirezionale coherente cù i valori di lobi laterali. Dopu l'applicazione di u riflettore MS prupostu, l'antenna furnisce un mudellu di radiazione unidirezionale è riduce u livellu di i lobi posteriori, cum'è mostratu in Figure 10a, b. Hè da nutà chì u mudellu di radiazione di l'antenna unica pruposta hè più stabile è unidirezionale cù lobi posteriori è laterali assai bassi quandu si usa una metasuperficie cù un backplane di rame. U riflettore di array MM prupostu reduce i lobi posteriori è laterali di l'antenna mentre migliurà a prestazione di a radiazione dirigendu u currente in direzzione unidirezionale (Fig. 10a, b), aumentendu cusì u guadagnu è a direzzione. Hè statu osservatu chì u mudellu di radiazione sperimentale era quasi paragunabile à quellu di e simulazioni CST, ma variava ligeramente per via di misalignment di i diversi cumpunenti assemblati, tolleranza di misurazione è perdite di cablaggio. Inoltre, un spacer di nylon hè statu inseritu trà l'antenna è u riflettore MS, chì hè un altru prublema chì afecta i risultati osservati cumparatu cù i risultati numerichi.
U mudellu di radiazione di l'antenna unica sviluppata (senza MS è cù MS) à una freccia di 5.5 GHz hè stata simulata è pruvata.
A geometria di l'antenna MIMO pruposta hè mostrata in Figura 11 è include quattru antenne singuli. I quattru cumpunenti di l'antenna MIMO sò disposti orthogonally à l'altru nantu à un sustrato di dimensioni 80 × 80 × 1.575 mm, cum'è mostra in a Figura 11. L'antenna MIMO cuncepita hà una distanza inter-elementu di 22 mm, chì hè più chjuca ca l'antenna MIMO. distanza inter-elementu currispundente più vicina di l'antenna. Antenna MIMO sviluppata. Inoltre, una parte di u pianu di terra si trova in u listessu modu cum'è una sola antenna. I valori di riflettanza di l'antenne MIMO (S11, S22, S33, è S44) mostrati in a Figura 12a mostranu u stessu cumpurtamentu cum'è una antenna à un elementu risonante in a banda 3.2-7.6 GHz. Dunque, a larghezza di banda di impedenza di una antenna MIMO hè esattamente uguale à quella di una sola antenna. L'effettu di accoppiamentu trà i cumpunenti MIMO hè u mutivu principale per a perdita di larghezza di banda di l'antenne MIMO. A Figura 12b mostra l'effettu di l'interconnessione nantu à i cumpunenti MIMO, induve l'isolamentu ottimali trà i cumpunenti MIMO hè statu determinatu. L'isolamentu trà l'antenni 1 è 2 hè u più bassu à circa -13,6 dB, è l'isolamentu trà l'antenne 1 è 4 hè u più altu à circa -30,4 dB. A causa di a so piccula dimensione è di una larghezza di banda più larga, questa antenna MIMO hà un guadagnu più bassu è un rendimentu più bassu. L'insulation hè bassu, cusì u rinfurzamentu è l'insulazione aumentati sò necessarii;
Meccanisimu di cuncepimentu di l'antenna MIMO pruposta (a) vista superiore è (b) pianu di terra. (CST Studio Suite 2019).
A disposizione geomètrica è u metudu di eccitazione di l'antenna MIMO metasuperficiale pruposta sò mostrati in Figura 13a. Una matrice 10x10mm cù dimensioni di 80x80x1.575mm hè pensata per a parte posteriore di una antenna MIMO di 12mm alta, cum'è mostra in Figura 13a. Inoltre, i metasuperfici cù backplanes di rame sò destinati à l'usu in antenne MIMO per migliurà u so rendiment. A distanza trà a metasuperficie è l'antenna MIMO hè critica per ottene un altu guadagnu mentre permette una interferenza constructiva trà l'onda generata da l'antenna è quelle riflesse da a metasuperficie. Un modellu estensivu hè statu realizatu per ottimisà l'altezza trà l'antenna è a metasuperficie mantenendu standard di quartu d'onda per u massimu guadagnu è isolamentu trà elementi MIMO. I miglioramenti significativi in ​​u rendiment di l'antenna MIMO ottenuti cù l'usu di metasuperfici cù backplanes paragunate à metasurfaces senza backplanes seranu dimustrati in i capituli successivi.
(a) Configurazione di simulazione CST di l'antenna MIMO pruposta utilizendu MS (CST STUDIO SUITE 2019), (b) Curve di riflettanza di u sistema MIMO sviluppatu senza MS è cù MS.
I riflettanza di l'antenni MIMO cù è senza metasurfaces sò mostrati in a Figura 13b, induve S11 è S44 sò presentati per via di u cumpurtamentu quasi identicu di tutte l'antenni in u sistema MIMO. Hè da nutà chì a larghezza di banda d'impedenza -10 dB di una antenna MIMO senza è cù una sola metasuperficie hè quasi a stessa. In cuntrastu, a larghezza di banda di impedenza di l'antenna MIMO pruposta hè migliurata da MS dual-layer è MS backplane. Hè da nutà chì senza MS, l'antenna MIMO furnisce una larghezza di banda fraccionaria di 81.5% (3.2-7.6 GHz) relative à a freccia centrale. L'integrazione di u MS cù u backplane aumenta a larghezza di banda di impedenza di l'antenna MIMO pruposta à 86.3% (3.08-7.75 GHz). Ancu se MS dual-layer aumenta u throughput, a migliione hè menu di quella di MS cù un backplane di rame. Inoltre, un MC dual-layer aumenta a dimensione di l'antenna, aumenta u so costu, è limita a so gamma. L'antenna MIMO cuncepita è u riflettore di metasuperficie sò fabbricati è verificati per cunvalidà i risultati di simulazione è evaluà a prestazione attuale. A Figura 14a mostra a strata MS fabricata è l'antenna MIMO cù diversi cumpunenti assemblati, mentri a Figura 14b mostra una fotografia di u sistema MIMO sviluppatu. L'antenna MIMO hè muntata nantu à a metasuperficia cù quattru spaziatori di nylon, cum'è mostra in Figura 14b. A Figura 15a mostra una snapshot di a cunfigurazione sperimentale vicinu à u campu di u sistema di antenna MIMO sviluppatu. Un analizzatore di rete PNA (Agilent Technologies PNA N5227A) hè stata utilizata per stimà i paràmetri di scattering è per valutà è caratterizà e caratteristiche di emissioni di u campu vicinu in u Laboratoriu di Sistemi di Campu Vicinu UKM SATIMO.
(a) Foto di misure SATIMO vicinu à u campu (b) Curve simulate è sperimentali di antenna S11 MIMO cù è senza MS.
Questa sezione presenta un studiu comparativu di i parametri S simulati è osservati di l'antenna 5G MIMO pruposta. A Figura 15b mostra a trama di riflettanza sperimentale di l'antenna integrata di 4 elementi MIMO MS è paraguna cù i risultati di simulazione CST. I riflettances spirimintali sò stati trovati à esse listessi cum'è i calculi CST, ma eranu ligeramente sfarente per via di difetti di fabricazione è toleranze sperimentali. Inoltre, a riflessione osservata di u prototipu MIMO prupostu basatu in MS copre u spettru 5G sottu 6 GHz cù una larghezza di banda d'impedenza di 4.8 GHz, chì significa chì l'applicazioni 5G sò pussibuli. Tuttavia, a frequenza di risonanza misurata, a larghezza di banda è l'ampiezza differisce ligeramente da i risultati di simulazione CST. I difetti di fabricazione, perdite di accoppiamentu coax-à-SMA, è e cunfigurazioni di misurazione esterna ponu causà differenze trà i risultati misurati è simulati. Tuttavia, malgradu questi difetti, u MIMO prupostu funziona bè, furnisce un forte accordu trà simulazioni è misurazioni, facendu bè adattatu per l'applicazioni wireless 5G sub-6 GHz.
E curve di guadagnu di l'antenna MIMO simulate è osservate sò mostrate in Figures 2 è 2. Cum'è mostra in Figure 16a,b è 17a,b, rispettivamente, l'interazzione mutuale di cumpunenti MIMO hè mostrata. Quandu i metasuperfici sò applicati à l'antenne MIMO, l'isolamentu trà l'antenne MIMO hè significativamente migliuratu. I trama di isolamentu trà l'elementi di l'antenna adiacenti S12, S14, S23 è S34 mostranu curve simili, mentre chì l'antenni diagonali MIMO S13 è S42 mostranu un isolamentu simile altu per via di a distanza più grande trà elli. E caratteristiche di trasmissione simulate di l'antenne adiacenti sò mostrate in Figura 16a. Hè nutate chì in u spettru operativu 5G sottu 6 GHz, l'isolamentu minimu di una antenna MIMO senza una metasurface hè -13.6 dB, è per una metasurface cù un backplane - 15.5 dB. A trama di guadagnu (Figura 16a) mostra chì a metasuperficie di u backplane migliora significativamente l'isolamentu trà l'elementi di l'antenna MIMO paragunatu à e metasuperficie à una è doppia strata. Nant'à l'elementi di l'antenna adiacenti, e metasuperfici di una sola è doppia strata furnisce un isolamentu minimu di circa -13,68 dB è -14,78 dB, è a metasuperficie di u backplane di rame furnisce circa -15,5 dB.
Curve d'isolazione simulate di elementi MIMO senza strata MS è cù strata MS: (a) S12, S14, S34 è S32 è (b) S13 è S24.
Curve di guadagnu sperimentale di l'antenne MIMO pruposte basate in MS senza è cù: (a) S12, S14, S34 è S32 è (b) S13 è S24.
I diagrammi di guadagnu di l'antenna diagonale MIMO prima è dopu l'aghjunghje a capa MS sò mostrati in Figura 16b. Hè da nutà chì l'isolamentu minimu trà l'antenni diagonali senza una metasuperficie (antenne 1 è 3) hè - 15.6 dB in u spettru di u funziunamentu, è una metasurface cù un backplane hè - 18 dB. L'approcciu di metasuperficie riduce significativamente l'effetti di accoppiamentu trà l'antenne MIMO diagonali. L'insulazione massima per una metasuperficie di una sola capa hè -37 dB, mentre chì per una metasuperficie di doppia strata stu valore scende à -47 dB. L'isolamentu massimu di a metasuperficie cù un backplane di rame hè -36.2 dB, chì diminuisce cù a gamma di freccia crescente. Paragunatu à e metasuperfici à una è doppia strata senza un backplane, metasurfaces cù un backplane furnisce un isolamentu superiore in tutta a gamma di frequenze operative richieste, in particulare in a gamma 5G sottu 6 GHz, cum'è mostratu in Figure 16a, b. In a banda 5G più populari è largamente usata sottu 6 GHz (3.5 GHz), i metasuperfici unicu è dual-layer anu un isolamentu più bassu trà cumpunenti MIMO chì metasurfaces cù backplanes di rame (quasi micca MS) (vede Figura 16a), b). E misure di guadagnu sò mostrate in Figure 17a, b, chì mostranu l'isolamentu di l'antenne adiacenti (S12, S14, S34 è S32) è l'antenne diagonali (S24 è S13), rispettivamente. Comu pò esse vistu da sti figuri (Fig. 17a, b), l'isolation spirimintali trà cumpunenti MIMO accunsente bè cù l 'isolation simulated. Ancu s'ellu ci sò differenze minori trà i valori CST simulati è misurati à causa di difetti di fabricazione, cunnessione di portu SMA è perdite di filu. Inoltre, l'antenna è u riflettore MS sò situati trà i spaziatori di nylon, chì hè un altru prublema chì afecta i risultati osservati cumparatu cù i risultati di simulazione.
hà studiatu a distribuzione di corrente di a superficia à 5.5 GHz per razionalizà u rolu di e metasuperficie in a riduzione di l'accoppiamentu mutuale attraversu a suppressione di l'onda di superficia42. A distribuzione attuale di a superficia di l'antenna MIMO pruposta hè mostrata in a Figura 18, induve l'antenna 1 hè guidata è u restu di l'antenna hè terminatu cù una carica di 50 ohm. Quandu l'antenna 1 hè energizata, i currenti di accoppiamentu mutuale significativu appariscenu in antenne adiacenti à 5.5 GHz in assenza di una metasuperficie, cum'è mostra in Figura 18a. À u cuntrariu, per mezu di l'usu di metasurfaces, cum'è mostra in Fig. Si deve esse nutatu chì l'effettu di l'accoppiamentu mutuale di i campi adiacenti pò esse minimizatu da a propagazione di a corrente di accoppiamentu à l'anelli adiacenti di e cellule di unità è di e cellule di unità MS adiacenti longu u stratu MS in direzzione antiparallela. Injecting currenti da antenne distribuite à unità MS hè un metudu chjave per migliurà l'isolamentu trà i cumpunenti MIMO. In u risultatu, u currente di accoppiamentu trà i cumpunenti MIMO hè assai ridutta, è l'isolamentu hè ancu assai migliuratu. Perchè u campu di accoppiamentu hè largamente distribuitu in l'elementu, a metasuperficie di u backplane di rame isola l'assemblea di l'antenna MIMO significativamente più di e metasuperfici di una è doppia strata (Figura 18d). Inoltre, l'antenna MIMO sviluppata hà una retropropagazione è una propagazione laterale assai bassa, chì producenu un mudellu di radiazione unidirezionale, aumentendu cusì u guadagnu di l'antenna MIMO pruposta.
I mudelli attuali di a superficia di l'antenna MIMO pruposta à 5.5 GHz (a) senza MC, (b) MC unicu stratu, (c) MC doppia strata, è (d) MC unicu stratu cù backplane di rame. (CST Studio Suite 2019).
In a frequenza operativa, a Figura 19a mostra i guadagni simulati è osservati di l'antenna MIMO cuncepita senza è cù metasuperfici. U guadagnu ottenutu simulatu di l'antenna MIMO senza metasuperficie hè 5.4 dBi, cum'è mostra in Figura 19a. A causa di l'effettu di accoppiamentu mutuale trà i cumpunenti MIMO, l'antenna MIMO pruposta ottene in realtà un guadagnu 0.25 dBi più altu ch'è una sola antenna. L'aghjunzione di metasuperfici pò furnisce guadagnà significativu è isolamentu trà i cumpunenti MIMO. Cusì, l'antenna MIMO metasuperficiale pruposta pò ottene un altu guadagnu realizatu finu à 8.3 dBi. Cum'è mostra in Figura 19a, quandu una sola metasuperficie hè aduprata à u spinu di l'antenna MIMO, u guadagnu aumenta di 1,4 dBi. Quandu a metasuperficie hè radduppiata, u guadagnu aumenta di 2.1 dBi, cum'è mostra in Figura 19a. Tuttavia, u guadagnu massimu previstu di 8.3 dBi hè ottenutu quandu si usa a metasuperficie cù un backplane di rame. In particulare, u guadagnu massimu ottenutu per a metasuperficie di una sola è doppia strata hè 6.8 dBi è 7.5 dBi, rispettivamente, mentre chì u guadagnu massimu ottenutu per a metasuperficie di u fondu hè 8.3 dBi. U stratu di metasuperficie nantu à a parte posteriore di l'antenna agisce cum'è un riflettore, riflettendu a radiazione da a parte posteriore di l'antenna è migliurà u rapportu front-to-back (F / B) di l'antenna MIMO cuncepita. Inoltre, u riflettore MS d'alta impedenza manipula l'onda elettromagnetica in fase, creendu cusì una risonanza addiziale è migliurà a prestazione di radiazione di l'antenna MIMO pruposta. U riflettore MS installatu daretu à l'antenna MIMO pò aumentà significativamente u guadagnu ottenutu, chì hè cunfirmatu da risultati sperimentali. I guadagni osservati è simulati di l'antenna MIMO prototipu sviluppatu sò quasi listessi, in ogni modu, à qualchi frequenze u guadagnu misuratu hè più altu ch'è u guadagnu simulatu, soprattuttu per MIMO senza MS; Queste variazioni in u guadagnu sperimentale sò dovute à e tolleranze di misurazione di i pads di nylon, perdite di cable, è accoppiamentu in u sistema di l'antenna. U piccu di guadagnu misuratu di l'antenna MIMO senza a metasuperficie hè 5.8 dBi, mentre chì a metasurface cù un backplane di cobre hè 8.5 dBi. Hè da nutà chì u sistema di antenna MIMO cumpletu 4-portu prupostu cù riflettore MS mostra un altu guadagnu in cundizioni sperimentali è numerichi.
Simulazione è risultati sperimentali di (a) u guadagnu ottenutu è (b) u rendiment generale di l'antenna MIMO pruposta cù effettu metasuperficie.
A figura 19b mostra a prestazione generale di u sistema MIMO prupostu senza è cù riflettori di metasuperficie. In a Figura 19b, l'efficienza più bassa cù MS cù backplane era più di 73% (finu à 84%). L'efficienza generale di l'antenne MIMO sviluppate senza MC è cù MC hè quasi uguale cù differenze minori paragunate à i valori simulati. I mutivi di questu sò tolleranza di misurazione è l'usu di spaziatori trà l'antenna è u riflettore MS. U guadagnu ottenutu misuratu è l'efficienza generale in tutta a freccia sò quasi simili à i risultati di simulazione, chì indicanu chì a prestazione di u prototipu MIMO prupostu hè cum'è previstu è chì l'antenna MIMO basata in MS hè adattata per e cumunicazioni 5G. A causa di l'errore in i studii spirimintali, ci sò diffirenzii trà i risultati generale di esperimenti di laboratoriu è i risultati di simulazioni. A prestazione di u prototipu prupostu hè affettata da a discrepanza di impedenza trà l'antenna è u connettore SMA, perdite di splicing di cable coaxial, effetti di saldatura, è a vicinanza di diversi dispositi elettronici à a configurazione sperimentale.
A Figura 20 descrive u prugressu di cuncepimentu è ottimisazione di l'antenna ditta in forma di un diagramma di bloccu. Stu diagramma di bloccu furnisce una descrizzione passu à passu di i principii pruposti di cuncepimentu di l'antenna MIMO, è ancu di i paràmetri chì ghjucanu un rolu chjave in l'ottimisazione di l'antenna per ottene l'altu guadagnu necessariu è un altu isolamentu annantu à una larga frequenza operativa.
E misurazioni di l'antenna MIMO vicinu à u campu sò state misurate in l'Ambiente Sperimentale SATIMO Near-Field in u Laboratoriu di Sistemi di Campu Vicinu UKM SATIMO. Les figures 21a,b illustrent les modèles de radiation E-plane et H-plane simulati et observés de l'antenne MIMO réclamée avec et sans MS à une fréquence d'opération de 5,5 GHz. In a gamma di frequenza operativa di 5.5 GHz, l'antenna sviluppata non-MS MIMO furnisce un mudellu di radiazione bidirezionale coherente cù valori di lobi laterali. Dopu l'applicazione di u riflettore MS, l'antenna furnisce un mudellu di radiazione unidirezionale è riduce u nivellu di i lobi posteriori, cum'è mostratu in Figure 21a, b. Hè da nutà chì utilizendu una metasuperficie cù un backplane di rame, u mudellu di antenna MIMO prupostu hè più stabile è unidirezionale chì senza MS, cù lobi laterali è laterali assai bassi. U riflettore di array MM prupostu riduce i lobi posteriori è laterali di l'antenna è migliurà ancu e caratteristiche di a radiazione dirigendu u currente in una direzzione unidirezionale (Fig. 21a, b), per quessa, aumentendu u guadagnu è a direzzione. U mudellu di radiazione misurata hè stata ottenuta per u portu 1 cù una carica di 50 ohm cunnessa à i porti rimanenti. Hè statu osservatu chì u mudellu di radiazione sperimentale era quasi identicu à quellu simulatu da CST, ancu s'ellu ci era qualchì deviazione per via di misalignment di cumpunenti, riflessioni da i porti terminali, è pèrdite in cunnessione di cable. Inoltre, un spacer di nylon hè statu inseritu trà l'antenna è u riflettore MS, chì hè un altru prublema chì afecta i risultati osservati cumparatu cù i risultati previsti.
U mudellu di radiazione di l'antenna MIMO sviluppata (senza MS è cù MS) à una freccia di 5,5 GHz hè stata simulata è pruvata.
Hè impurtante di nutà chì l'isolamentu di u portu è e so caratteristiche assuciate sò essenziali per evaluà u rendiment di i sistemi MIMO. A prestazione di diversità di u sistema MIMO prupostu, cumpresu u coefficient di correlazione di l'envelope (ECC) è u guadagnu di diversità (DG), hè esaminata per illustrà a robustezza di u sistema di antenna MIMO cuncepitu. L'ECC è DG di una antenna MIMO ponu esse aduprati per evaluà a so prestazione postu chì sò aspetti impurtanti di u funziunamentu di un sistema MIMO. I seguenti rùbbriche detallaranu queste caratteristiche di l'antenna MIMO pruposta.
Envelope Correlation Coefficient (ECC). Quandu si cunsiderà qualsiasi sistema MIMO, ECC determina u gradu à quale l'elementi custituenti correlate l'un à l'altru in quantu à e so proprietà specifiche. Cusì, ECC dimostra u gradu di isolamentu di u canali in una rete di cumunicazione wireless. L'ECC (coefficient di correlazione di l'envelope) di u sistema MIMO sviluppatu pò esse determinatu basatu annantu à i parametri S è l'emissione di u campu luntanu. Da Eq. (7) è (8) l'ECC di l'antenna MIMO pruposta 31 pò esse determinata.
U coefficient di riflessione hè rapprisintatu da Sii è Sij rapprisenta u coefficient di trasmissione. I mudelli di radiazioni tridimensionali di l'antenne j-th è i-th sò dati da l'espressioni \(\vec{R}_{j} \left( {\theta,\varphi }\right)\) è \( \vec {{R_{ i } }} Angulu solidu rapprisintatu da \left( {\theta ,\varphi } \right)\) è \({\Omega }\). A curva ECC di l'antenna pruposta hè mostrata in a Figura 22a è u so valore hè menu di 0,004, chì hè assai sottu à u valore accettabile di 0,5 per un sistema wireless. Dunque, u valore ECC ridutta significa chì u sistema MIMO di 4 porti prupostu furnisce una diversità superiore43.
Diversity Gain (DG) DG hè una altra metrica di rendiment di u sistema MIMO chì descrive cumu u schema di diversità afecta a putenza radiata. A relazione (9) determina a DG di u sistema di antenna MIMO chì hè sviluppatu, cum'è descritta in 31.
A figura 22b mostra u diagramma DG di u sistema MIMO prupostu, induve u valore DG hè assai vicinu à 10 dB. I valori DG di tutte l'antenne di u sistema MIMO cuncepitu superanu 9,98 dB.
A Tabella 1 paraguna l'antenna MIMO metasuperficiale proposta cù sistemi MIMO simili sviluppati recentemente. U paragunu piglia in contu diversi paràmetri di rendiment, cumprese larghezza di banda, guadagnu, isolamentu massimu, efficienza generale è prestazioni di diversità. L'investigatore anu prisentatu diversi prototipi di antenna MIMO cù tecniche di rinfurzà di guadagnà è isolamentu in 5, 44, 45, 46, 47. In cunfrontu cù i travaglii publicati prima, u sistema MIMO prupostu cù riflettori di metasuperficie li supera in termini di larghezza di banda, guadagnà è isolamentu. Inoltre, paragunatu à l'antenne simili riportate, u sistema MIMO sviluppatu mostra prestazioni di diversità superiore è efficienza generale à una dimensione più chjuca. Ancu se l'antenne descritte in a Sezione 5.46 anu un isolamentu più altu ch'è e nostre antenne pruposte, queste antenne soffrenu di grande dimensione, guadagnu bassu, larghezza di banda stretta è scarsa prestazione MIMO. L'antenna MIMO 4-portu pruposta in 45 mostra un altu guadagnu è efficienza, ma u so disignu hà un isolamentu bassu, grande dimensione è un rendimentu di diversità povira. Per d 'altra banda, u sistema di antenna di piccula dimensione pruposta in 47 hà un guadagnu assai bassu è una larghezza di banda operativa, mentre chì u nostru sistema MIMO à 4 porti basatu in MS presenta una piccula dimensione, un altu guadagnu, un altu isolamentu è un megliu rendimentu MIMO. Cusì, l'antenna MIMO metasuperficiale pruposta pò diventà un grande contendente per i sistemi di cumunicazione 5G sub-6 GHz.
Una antenna MIMO di banda larga basata in un riflettore metasuperficiale di quattru porti cù un altu guadagnu è isolamentu hè pruposta per sustene l'applicazioni 5G sottu 6 GHz. A linea di microstrip alimenta una sezione radiante quadrata, chì hè troncata da un quadratu à i cantoni diagonali. L'emettitore MS è l'antenna pruposti sò implementati nantu à materiali di sustrato simili à Rogers RT5880 per ottene un rendimentu eccellente in sistemi di cumunicazione 5G d'alta velocità. L'antenna MIMO presenta una larga gamma è un altu guadagnu, è furnisce un isolamentu di u sonu trà i cumpunenti MIMO è un'eccellente efficienza. L'antenna unica sviluppata hà dimensioni miniatura di 0.58?0.58?0.02? cù una matrice di metasuperficie 5 × 5, furnisce una larghezza di banda operativa larga di 4.56 GHz, un guadagnu di punta di 8 dBi è una efficienza misurata superiore. L'antenna MIMO à quattru porti pruposta (array 2 × 2) hè cuncepita allineendu ortogonalmente ogni antenna unica proposta cù una altra antenna cù dimensioni di 1.05λ × 1.05λ × 0.02λ. Hè cunsigliatu di assemblà un array 10 × 10 MM sottu una antenna MIMO di 12 mm d'altezza, chì pò riduce a radiazione posteriore è riduce l'accoppiamentu mutuale trà i cumpunenti MIMO, migliurà cusì u guadagnu è l'isolamentu. I risultati sperimentali è di simulazione mostranu chì u prototipu MIMO sviluppatu pò operà in una larga gamma di freccia di 3.08-7.75 GHz, chì copre u spettru 5G sottu 6 GHz. Inoltre, l'antenna MIMO pruposta basata in MS migliurà u so guadagnu da 2.9 dBi, ottenendu un guadagnu massimu di 8.3 dBi, è furnisce un isolamentu eccellente (> 15.5 dB) trà cumpunenti MIMO, validendu a cuntribuzione di MS. Inoltre, l'antenna MIMO pruposta hà una alta efficienza media generale di 82% è una distanza inter-elementu bassa di 22 mm. L'antenna mostra eccellenti prestazioni di diversità MIMO cumpresi un DG assai altu (più di 9,98 dB), un ECC assai bassu (menu di 0,004) è un mudellu di radiazione unidirezionale. I risultati di a misurazione sò assai simili à i risultati di simulazione. Queste caratteristiche cunfirmanu chì u sistema di antenna MIMO sviluppatu à quattru porti pò esse una scelta viable per i sistemi di cumunicazione 5G in a gamma di freccia sottu à 6 GHz.
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Tempu di pubblicazione: 10-10-2024