Θεμελιώδη της Επέμβασης που Ταιριάζει και η Ανάγκη για Αναδιαμόρφωση

Στο πυρήνα του, η αναντιστοιχία της παρέχει μέγιστη ισχύ μεταξύ μιας πηγής και ενός φορτίου ελαχιστοποιώντας το συντελεστή αντανάκλασης &# 915;. Στη μηχανική ραδιοσυχνοτήτων (RF), η αναντιστοιχία προκαλεί ανακλώμενη ισχύ, αυξάνει την αναλογία των κυμάτων τάσης (VSWR), και υποβαθμίζει την ακεραιότητα του σήματος. Παραδοσιακά σταθερά δίκτυα αντιστοίχισης ⁇ τυπικά κατασκευασμένα με διακριτούς πυκνωτές και επαγωγείς ⁇ βελτιστοποιούνται για μια μόνο συχνότητα ή μια στενή ζώνη. Τα προσαρμοστικά συστήματα επικοινωνίας, αντίθετα, πρέπει να λειτουργούν σε πολλαπλές ζώνες συχνοτήτων, ποικίλες παρεμβολές κεραίας λόγω των επιπτώσεων εγγύτητας, και μετατοπίζοντας τις περιβαλλοντικές συνθήκες.

Τα RIMN χρησιμοποιούν συντονισμένα ή εναλλάξιμα αντιδραστικά στοιχεία για να μεταβάλουν την παρεμπόδιση του δικτύου σε πραγματικό χρόνο. Η πρόκληση σχεδιασμού έγκειται στην εξισορρόπηση του εύρους συντονισμού, της απώλειας εισαγωγής, της γραμμικότητας, του χειρισμού ισχύος και της ταχύτητας ελέγχου. Όπως δείχνει [ η έρευνα από τη βιομηχανία και την ακαδημαϊκή κοινότητα, τα καλά σχεδιασμένα RIMNs μπορούν να βελτιώσουν την αποδοτικότητα κατά 20 ⁇ 40% σε συνθήκες μεταβλητού φορτίου, καθιστώντας τα ακρογωνιαίο λίθο των ραδιοσυχνοτήτων που ορίζονται από το λογισμικό (SDRs) και των κυψελωτών υποδομών επόμενης γενιάς.

Βασικές τεχνολογίες για αναδιαμορφώσιμα συστατικά

Διαχωριστές ημιαγωγών

Οι δίοδοι των βαρακτών παρέχουν τάση ελεγχόμενης χωρητικότητας, προσφέροντας συνεχή ρύθμιση. Οι σύγχρονοι varactors πυριτίου και GaAs επιτυγχάνουν λόγο χωρητικότητας άνω των 8:1 με συντελεστές Q άνω των 50 σε συχνότητες gigahertz. Το κύριο μειονέκτημα τους είναι η γραμμικότητα σε υψηλές τάσεις RF, που μπορεί να προκαλέσει στρέβλωση στις διαδρομές μετάδοσης.

Διακόπτες και πυκνωτές RF MEMS

Οι μικροηλεκτρομηχανικές συσκευές (MEMS) παρέχουν απόδοση σχεδόν ιδεατού διακόπτη: πολύ χαμηλή απώλεια εισαγωγής (0.1 ⁇ 0.2 dB), υψηλή απομόνωση (>40 dB), και αμελητέα κατανάλωση ισχύος σε σταθερή κατάσταση. Οι πυκνωτές MEMS μπορούν να επιτύχουν αναλογία χωρητικότητας έως 10:1 με Q να υπερβαίνουν τα 200. Ωστόσο, υποφέρουν από βραδύτερο χρόνο μεταγωγής (microseconds έως milliseconds) και ανησυχίες αξιοπιστίας υπό συνεχή λειτουργία υψηλής ισχύος. Οι πρόσφατες εξελίξεις στις εγκλωβισμένες διαδικασίες MEMS[[LFT:1]] έχουν βελτιώσει τη διάρκεια ζωής τους σε δισεκατομμύρια κύκλους.

Δίοδοι PIN και διακόπτες στερεάς κατάστασης

Οι διόδους PIN παρέχουν γρήγορη μεταγωγής (nanoseconds) και άριστη διαχείριση ισχύος, καθιστώντας τους κατάλληλους για δίκτυα αντιστοίχισης μεταγωγής-τραπεζικής. Η απώλεια εισαγωγής τους (0,5 ⁇ 1,0 dB) και η κατανάλωση ρεύματος DC είναι trade-offs. GaAs και οι διακόπτες FET σιλικόνης-on-μονωτήρες (SOI) προσφέρουν συγκρίσιμη ταχύτητα με χαμηλότερη απώλεια, ειδικά στις ολοκληρωμένες τεχνολογίες CMOS.

Ψηφιακά συντονισμένοι πυκνωτές (BST και CMOS)

Οι πυκνωτές του βάριου (BST) εκμεταλλεύονται ένα σιδηροηλεκτρικό υλικό του οποίου οι διηλεκτρικές σταθερές αλλαγές με εφαρμοζόμενη τάση. Παρέχουν μέτρια Q (50 ⁇ 100) και υψηλή πυκνότητα χωρητικότητας, κατάλληλη για συμπαγή σχέδια. Οι πυκνωτές CMOS ψηφιακά συντονίζονται (DTCs) ενσωματώνουν πολλαπλά μεταβαλλόμενα πυκνωτικά κύτταρα on-chip, επιτρέποντας δυαδικά σταθμισμένα βήματα χωρητικότητας. Με 8 ⁇ 12 bits ανάλυσης, τα DTCs είναι όλο και πιο κοινά στα κινητά μπροστινά άκρα για ρύθμιση της παρεμπόδισης της κεραίας.

Αρχιτεκτονική και τοπολογία Design

Παραλλαγές Pi-Network και T-Network

Δημοφιλείς τοπολογίες για αναδιαμορφώσιμο ταίριασμα περιλαμβάνουν το δίκτυο Pi (τρία αντιδραστικά στοιχεία: froft-series-hunt) και το δίκτυο T (σειρά series-shunt-series). Και τα δύο μπορούν να μετατρέψουν ένα ευρύ φάσμα από παρεμβολές όταν χρησιμοποιούν στοιχεία που είναι συντονισμένα. Το δίκτυο &# 928;-προσφέρει ευρύτερο εύρος ζώνης για μια δεδομένη περιοχή συντονισμού, ενώ το δίκτυο T παρέχει καλύτερο έλεγχο πάνω στον παράγοντα ποιότητας. Οι σχεδιαστές πρέπει να επιλέξουν με βάση την απαιτούμενη περιοχή παρεμπόδισης, το εύρος λειτουργίας και τις διαθέσιμες τιμές συστατικών.

Κατανεμημένο ταίριασμα

Σε συχνότητες κάτω των 6 GHz, τα αρθρωτά εξαρτήματα (καπατιωτές και επαγωγείς) είναι πρακτικά. Πάνω από 10 GHz, κατανεμημένα στοιχεία όπως τα αποκόμματα γραμμής μετάδοσης με βαράκτορες ή τα εναλλάσσοντα ανοικτά/σύντομα κυκλώματα γίνονται απαραίτητα. Οι υβριδικές προσεγγίσεις συνδυάζουν τους διογκωμένους πυκνωτές με σταθερές γραμμές μετάδοσης για να μειώσουν το μέγεθος, διατηρώντας παράλληλα την αναδιαμόρφωση.

Τραπεζών Συσκευασιών που μπορούν να μεταβληθούν

Μια απλή αλλά αποτελεσματική μέθοδος χρησιμοποιεί τράπεζες σταθερών πυκνωτών και επαγωγέων που επιλέγονται μέσω διακοπτών. Αυτός ο διακριτός συντονισμός αποφεύγει τη μη γραμμικότητα των βαρακτόρων και επιτρέπει τον χειρισμό υψηλής ισχύος. Ο αριθμός των πιθανών καταστάσεων αυξάνεται συνδυαστικά? ένα σύνολο έξι μεταβαλλόμενων πυκνωτών με διακόπτες δύο καταστάσεων αποδίδει 64 σημεία παρεμπόδισης. Προσεκτικό σχεδιασμό του δικτύου διακόπτη ελαχιστοποιεί παρασιτική χωρητικότητα και επαγωγή που περιορίζει την απόδοση υψηλής συχνότητας.

Αλγόριθμοι ελέγχου και προσαρμογής

Μέθοδοι Βαθμονόμησης και Διαταράξεως

Η κλασική προσέγγιση για την προσαρμογή της προσαρμογής είναι να μετρηθεί μια συνάρτηση κόστους ⁇ όπως ανακλώμενη ισχύς ή VSWR ⁇ και να ρυθμιστούν τα στοιχεία συντονίσιμο προς την κατεύθυνση που την μειώνει. Ο αλγόριθμος κλίσης καθόδου μπορεί να εφαρμοστεί χρησιμοποιώντας μικρές διαταραχές γύρω από την τρέχουσα κατάσταση. Η ταχύτητα σύγκλισης εξαρτάται από το μέγεθος βήματος και το θόρυβο μέτρησης. Για συστήματα με λίγα στοιχεία συντονισμού, αυτή η μέθοδος είναι ισχυρή και απαιτεί ελάχιστους υπολογιστικούς πόρους.

Προσεγγίσεις Μηχανικής Μάθησης

Πρόσφατα η εργασία εφαρμόζει την ενίσχυση μάθησης (RL) και τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα (ANNs) στον έλεγχο RIMN. Ένας πράκτορας RL μαθαίνει μια πολιτική που χαρτογραφεί μετρήσεις παρεμπόδισης στις βέλτιστες καταστάσεις συντονισμού, ακόμη και σε μη-σταθμικά περιβάλλοντα. Τα ANN μπορούν να μοντελοποιήσουν τη μη γραμμική χαρτογράφηση μεταξύ των τάσεων ελέγχου και του μετασχηματισμού που προκύπτει, επιτρέποντας τον έλεγχο της τροφοδοσίας που έχει εκπαιδευτεί κάποτε.

Αισθητική και Ανατροφοδότηση σε πραγματικό χρόνο

Η ακριβής ανίχνευση της ανακλαστικότητας είναι κρίσιμη για την αποτελεσματική προσαρμογή. Οι κατευθυντικοί ζεύκτες και τα ανακλασόμετρα έξι θυρών παρέχουν εκτιμήσεις σε πραγματικό χρόνο του &# 915;. Ολοκληρωμένοι ανιχνευτές ισχύος RF μετρούν προς τα εμπρός και ανακλώνται ισχύς, από την οποία μπορεί να προκύψει VSWR. Οι ρυθμοί δειγματοληψίας πρέπει να καλύπτουν τον αναμενόμενο ρυθμό αλλαγής της εμποδισμού φορτίου ⁇ τυπικά στο εύρος μικροδευτερόλεπτο έως χιλιοστό δευτερολέπτου για τις επιδράσεις του ανθρώπινου σώματος στα κινητά τηλέφωνα και στο εύρος νανοδευτερόλεπτο για παρεμπόδιση πλάσματος στους ενισχυτές RF.

Εξομοίωση και Προτυποποίηση

Ηλεκτρομαγνητικά εργαλεία προσομοίωσης (EM) ⁇ όπως Ansys HFSS, CST Mikhrows Studio, ή Keysight ADS ⁇ είναι απαραίτητα για την πρόβλεψη της απόδοσης των RIMNs. Η προσομοίωση πλήρων κυμάτων συλλαμβάνει παρασιτικά αποτελέσματα από τα πακέτα συστατικών, μέσω μεταβάσεις, και συντονισμούς του σκάφους. Συν-προσομοίωση με έναν λύτη κυκλωμάτων που περιλαμβάνει μη γραμμικά μοντέλα καραβάκων ή παρασιτικά δίκτυα διακόπτη δίνει ακριβείς προβλέψεις του εύρους συντονισμού, απώλεια εισαγωγής, και αρμονική παραμόρφωση.

Η μέτρηση του αναλυτή δικτύου διανυσματικών διανυσματικών συστημάτων (VNA) με βαθμονόμηση που περιλαμβάνει τα δίκτυα μεροληψίας ελέγχου είναι απαραίτητη. Για τον προσαρμοστικό έλεγχο, μια διάταξη πύλης προγραμματιζόμενης από το πεδίο (FPGA) ή μικροελεγκτής μπορεί να εφαρμόσει τον αλγόριθμο ελέγχου και τη διεπαφή με ψηφιακούς-σε-αναλογικούς μετατροπείς για οδηγούς μεροληψίας ή αλλαγής του συστήματος.

Εφαρμογές σε Σύγχρονα Συστήματα Επικοινωνίας

5G και mmWave

Σταθμοί βάσης πέμπτης γενιάς (5G) και εξοπλισμός χρήστη λειτουργούν σε κλίμακα συχνοτήτων 1 (FR1: 0.41 ⁇ 7.125 GHz) και FR2 (24.25 ⁇ 52.6 GHz). κεραίες βαθμίδων που χρησιμοποιούνται σε mmΤα συστήματα Wave παρουσιάζουν διακυμάνσεις της τάσης λόγω διεύθυνσης δέσμης και αμοιβαίας σύζευξης. Τα επαναρυθμίσιμα δίκτυα αντιστοίχισης σε κάθε στοιχείο κεραίας μπορούν να αντισταθμίσουν αυτές τις διακυμάνσεις, διατηρώντας χαμηλή VSWR και μεγιστοποιώντας την αποτελεσματική ισοτροπική ακτινοβολούμενη ισχύ (EIRP).

⁇ Καθορισμένο λογισμικό

Οι πλατφόρμες ΕΤΔ αποσκοπούν στην κάλυψη ενός μεγάλου εύρους συχνοτήτων (π.χ. 100 MHz ⁇ 6 GHz) με ένα μόνο RF εμπρόσθιο άκρο. Ένα σταθερό δίκτυο που ταιριάζει θα περιόριζε το ΕΤΔ σε στενές ζώνες. Τα RIMN επιτρέπουν σχεδόν βέλτιστη μεταφορά ισχύος σε όλο το εύρος. Τα συνδυασμένα φίλτρα σε συνδυασμό με αναδιαμορφώσιμα ταίριασμα έχουν αποδειχθεί σε πλατφόρμες όπως το USRP και το HackRF, επιτρέποντας γρήγορη συχνότητα hopping και προσαρμοστική ακύρωση παρεμβολών.

IoT και συστήματα πολλαπλών σωμάτων

Οι συσκευές Internet of Things (IoT) συχνά χρειάζεται να υποστηρίζουν πολλαπλά πρωτόκολλα (Bluetooth, Wi-Fi, LoRa, NB-IoT) που λειτουργούν σε διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων. Ένα ενιαίο δίκτυο που μπορεί να αναδιαμορφωθεί μπορεί να αντικαταστήσει πολλαπλά σταθερά φίλτρα και κυκλώματα που ταιριάζουν, μειώνοντας την περιοχή του σκάφους και τον λογαριασμό των υλικών. Με την κατανάλωση ενέργειας περιορίζεται, χαμηλή απώλεια μεταβαλλόμενες τράπεζες πυκνωτών ή συσκευές MEMS προτιμάται από τους βαρακτότες που απαιτούν συνεχή ρεύμα προκατάληψης.

Μελλοντικές Οδηγίες και Προκλήσεις

Παρά την σημαντική πρόοδο, παραμένουν αρκετές προκλήσεις. Η ενσωμάτωση [[LFT:1]] των συντονισμένων συστατικών με ενεργό κύκλωμα σε ένα ενιαίο CMOS ή διαδικασία SOI είναι ένας βασικός βιομηχανικός στόχος. Αυτό μειώνει τα παρασιτικά και το κόστος αλλά επιβάλλει όρια στον χειρισμό Q και τάσης. Η λειτουργία του Wideband[ σε διαδρομές μετάδοσης παραμένει ανησυχητική, ειδικά για τα σχέδια βασισμένα σε βαρακτορικούς παράγοντες· ο ψηφιακός συντονισμός με τη χρήση μεταβαλλόμενων πυκνωτών προσφέρει καλύτερες επιδόσεις διατροποποίησης. ]Η λειτουργία του Wideband[]] σε πολλαπλές οκτάβες απαιτεί νέες τοπολογίες, όπως δίκτυα συζευγμένων αντηχητικών ή μη-Foster κυκλώματα, τα οποία χρησιμοποιούν αρνητικούς μετατροπείς εμποτισμούς για να ακυρώσουν παρασιτικά.

Καθώς τα συστήματα επικοινωνίας εξελίσσονται προς τις γνωστικές και αναδιαμορφώσιμες αρχιτεκτονικές, το δίκτυο αναδιαμορφώσιμων παρεμβολών θα γίνει ένα πλήρως προσαρμοστικό υποσύστημα. Η ενσωμάτωση προηγμένων αλγορίθμων ελέγχου, στοιχείων που συνδέονται με χαμηλή απώλεια, και αίσθησης σε πραγματικό χρόνο θα επιτρέψει πρωτοφανή ευελιξία, απόδοση ισχύος και ποιότητα σήματος. Οι αρχές σχεδιασμού που περιγράφονται εδώ παρέχουν ένα θεμέλιο για τους μηχανικούς για τη δημιουργία RIMNs που πληρούν τις απαιτητικές απαιτήσεις των ασύρματων δικτύων επόμενης γενιάς.