La rápida evolución de las tecnologías de comunicación inalámbrica ha creado una necesidad urgente de sistemas de antenas que pueden manejar tasas de datos crecientes, menor latencia y conectividad más fiable. Las antenas de banda ultra-ancha (UWB) han surgido como piedra angular de redes 5G y futuros estándares inalámbricos, ofreciendo la capacidad de operar en un espectro de frecuencia muy amplio, desde cientos de megahercios a decenas de gigahertz.

Fundamentos de las rayas de antena de banda ultra-ancha

Un array de antena de banda ultra-ancha es una colección de elementos radiantes diseñados para mantener un rendimiento consistente - el ajuste de impacto, el patrón de radiación, la ganancia y la polarización- sobre un rango de frecuencia que normalmente abarca una década o más.Para 5G y más allá, los arrays UWB cubren las variaciones de bandas sub-6 GHz y las frecuencias de onda de milímetro (mmWave) de 24 GHz hasta 60 GHz y hasta mest.

Los elementos comunes de elementos UWB incluyen las antenas Vivaldi (tragación ajustada) y las dipoles de intestino, los monopolios de planación, los parches en forma de fractal y las estructuras de troncos. Antenas Vivaldi, con sus ranuras de bandas de montaje exponencialmente grabadas, ofrecen una excelente impedancia ancho de banda de onda (a menudo fractzive) y patrones de serie lineal

Las configuraciones de Array se eligen en función de la cobertura, la directividad y el factor forma. Los arrays lineales son adecuados para la dirección de haz 1D; los arrays planares proporcionan dirección 2D y son comunes en estaciones base y equipo de usuario; los arrays conformales montan sobre superficies curvas por razones aerodinámicas o estéticas.

Desafíos y soluciones de diseño

Diseñar los arrays de antena UWB introduce varios desafíos interrelacionados que requieren un intercambio cuidadoso y técnicas avanzadas.

Impedancia que coincide en el ancho de banda

Mantener bajo VSWR sobre un amplio rango de frecuencias es a menudo el primer obstáculo. La autoimpresión de cada elemento varía con frecuencia, y el acoplamiento mutuo de elementos adyacentes distorsiona aún más el partido. Los ingenieros emplean redes de acoplamiento de banda ancha, como transformadores de onda trimestral multietapa, transformadores Chebyshev o baluns distribuidos. Para los arrays, la red de alimentación también debe preservar el emparejado de carga de la resistencia a la combinación de la correa en condiciones de carga de la carga de la correa.

El cogollo mutuo y su mitigación

El acoplamiento mutuo entre elementos de matriz altera los patrones de elementos, aumenta los niveles de adelgazamiento lateral y puede causar ceguera de escaneo, una reflexión completa en ciertos ángulos de escaneo. Para los arrays UWB, el efecto es dependiente de frecuencia y difícil de cancelar. Los métodos de de desacoplamiento incluyen estructuras de banda electromagnética (EBG) colocadas entre elementos, estructuras de tierra defectuosas, líneas de neutralización y el uso de alta resistencia.

Consistencia de patrón de radiación

Un patrón de radiación estable sobre ancho de banda es esencial para la determinación de la forma de haz y dirección confiable. Las variaciones en el centro de fase del elemento, ancho de haz y relación frontal a revés son problemáticas. Las soluciones incluyen el uso de geometrías de elementos simétricos (por ejemplo, Vivaldi equilibrado), la adición de directores parasitarios o reflectores de esquina, y el uso de lentes dielectrónicos o estructuras de alta calidad.

Materiales y Fabricación

La selección de materiales afecta directamente al ancho de banda, la pérdida y la estabilidad térmica. Los substratos RF de baja pérdida como Rogers 4003/4350, compuestos PTFE y polímero de cristal líquido (LCP) son comunes para los arrays de nivel de tabla.Para mmWave, el uso de LTCC (cerca co-fuego de baja temperatura) o silicio de alta resistencia con los vias de alta resistencia

Diseño de red de alimentación

La red de alimentación debe distribuir el poder a todos los elementos con fase correcta y amplitud a través de la banda completa. Los alimentadores corporativos (paralelos) son los más anchos pero requieren muchos acopladores híbridos y divisores de potencia. Los alimentadores de serie son más sencillos pero introducen dispersión de fase.

Aplicaciones en 5G y Más Allá

Los arrays de antenas UWB no son una sola solución sino una familia de tecnologías adaptadas a diferentes escenarios 5G y futuros sistemas 6G.

Bandas de agua de 5G de radio nueva Sub-6 GHz y mmWave

Para 5G sub-6 GHz (por ejemplo, n77, n78, bandas n79 de 3.3 a 5 GHz), los arrays UWB se utilizan en estaciones base MIMO masivas. Estos arrays consisten en hasta 64 o 128 elementos de doble poliarizado configurados en un diseño planificado. Cada elemento debe cubrir toda la banda con alta aislamiento (conjunción20 dB) entre polarizaciones.

Radar y Sensing de alta resolución

Los arrays UWB se emplean en radares automotrices (24 GHz de corto alcance, 77 GHz de largo alcance) donde el ancho de banda ancho proporciona una resolución de gama fina. Para la coexistencia de 5G-radar, los arrays UWB pueden servir tanto funciones de comunicación como de detección instantánea (comunicación conjunta y radar, JC adyacentes).

Posición de interior de precisión

Los sistemas de tiempo de arival (ToA) y tiempo de diferenciación (TDoA) dependen de los arrays UWB para la exactitud de estimación de demoras. Con anchos de banda superiores a 500 MHz, los sistemas pueden lograr errores de localización por debajo de 10 cm. Los arrays UWB con varios elementos también pueden medir el ángulo de arbordo (AoA) utilizando los arrays de transmisiones de fase, mejorando a menudo la precisión.

Redes de sensores inalámbricos e IoT

Los arrays UWB son atractivos para dispositivos IoT de baja potencia y de alta calidad porque pueden operar en modo de explosión con ciclos de bajo nivel. La corta duración de los pulsos UWB (sub-nanosecond) reduce el consumo de energía y permite un acceso múltiple de la visión del tiempo. Los arrays orientativos mejoran el presupuesto de enlace, permitiendo un mayor rango sin aumentar la potencia de transmisión.

Estudio de caso: Anillo de banda ancha en fase de estación de 5G

Un diseño típico para una antena de estación base 5G en la banda n77 (3.3-4.2 GHz) utiliza una matriz de doble polarización de 64 elementos. Cada elemento es un parche apilado, con una abertura de apertura con un alimento de balón integrado. La pila de substrato consiste en una capa de radiador superior, un espaciadora de espuma, una ranura de acoplamiento en un plano de tierra, y una capa de alimentación con líneas de micros.

Future Directions

La trayectoria de la antena UWB apunta hacia una mayor integración, inteligencia y agilidad de frecuencia.

Arrayos reconfigurables y ágiles

Los futuros arrays incorporarán componentes electrónicos ajustables (varacadores, diodos de pin, RF MEMS) para cambiar la forma de banda o de haz. Los arrays reconfigurables de frecuencia permiten una sola abertura para cubrir múltiples bandas 5G, por ejemplo, tanto sub-6 GHz como mmWave. La agilidad de polarización (switching entre vertical, horizontal o circular) también se desea para la gestión de bandas Challenge.

Arrays mejorados por metasuperficie

Las metáforas, en estructuras de planificación con células de unidad de subonlength diseñadas, pueden colocarse frente a las matrizs de UWB o integrarse con ellas para mejorar el rango de dirección de haz, reducir el acoplamiento mutuo o lograr un enfoque similar a la lente. Las metásurgas de Huygens proporcionan una alta eficiencia de transmisión y pueden adaptar el perfil de fase a la exploración sin una lente voluminosa.

Diseño y Beamforming optimizados por AI

Los algoritmos de aprendizaje automático se utilizan para diseñar elementos de matriz UWB explorando grandes espacios para optimizar el ancho de banda de impedancia y la pureza de patrón. Las redes adversarias generativas (GAN) se han utilizado para crear nuevos perfiles de tragaperras Vivaldi. En el lado de la viga, las redes neuronales profundas pueden reemplazar a los formadores tradicionales para la supresión de de desnudos y interferencias, especialmente en los escenarios de anchos de autos de bandas ajustados.

Técnicas de fabricación avanzada

Fabricación aditiva (3D de impresión) se está convirtiendo en viable para producir arrays UWB con geometrías complejas como lattice, corrugada o gradiente-index. Impresión de tintas conductivas en sustratos flexibles permite arrays conformales para aplicaciones de drones, desgastes y automotrices. Para los arrays mmWave y THz, fotolitografía y técnicas de fabricación MEMS se están ampliando para producir estructuras de antena.

Integración con 6G: Arrays Terahertz

Los modelos de bandas de alta calidad (AiP) se muestran en las frecuencias más allá de 5G, 6G tiene disponibles frecuencias de 100 GHz a 1 THz. Los modelos UWB para THz se basan en las redes de antena-en-chip (AoC) o antena-en-empaquetado (AiP) de alta velocidad pueden ser limitados en las redes de subtipos

Conclusión

Los arrays de antena de banda ultra-ancha son indispensables para satisfacer las exigencias de ancho de banda y de capacidad de los sistemas inalámbricos 5G y futuros. Su diseño requiere un equilibrio cuidadoso de la geometría de elementos, la selección de materiales, la topología de alimentación y técnicas de desacoplamiento para lograr un rendimiento de banda ancha constante.

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