Nopean langattoman yhteyden kasvava kysyntä ...johtuu streaming-, IoT- ja reaaliaikaisista sovelluksista.Taajuustehoon ja datan läpimenoon kohdistuu ennennäkemättömiä paineita. Kaksipolarisoitu antennirakenteet ovat muodostuneet kriittiseksi teknologiaksi, joka mahdollistaa rinnakkaiset datavirrat samalla taajuuskaistalla hyödyntämällä ortogonaalisia polarisaatiotiloja. Tässä artikkelissa tarkastellaan kaksipolarisoitujen antennijärjestelmien periaatteita, suunnittelunäkökohtia, suorituskykyetuja ja tulevaa kehityspolkua, joka tarjoaa kattavan resurssin seuraavan sukupolven langattomia järjestelmiä käsitteleville insinööreille ja järjestelmäarkkitehdeille.

Kaksinkertaisen antennin ymmärtäminen

Kaksipolarisoitu antenni pystyy lähettämään ja vastaanottamaan samanaikaisesti sähkömagneettisia aaltoja kahdella ortogonaalisella polarisaatiosuuntauksella. Yhteiset polarisaatioparit sisältävät pystysuoran/horisontaalisen (V/H) ja ±45° vinon. Eristämällä nämä kaksi tilaa antenni voi tukea kahta itsenäistä viestintäkanavaa samassa fyysisessä aukossa ja taajuuden jakamisessa, mikä tehokkaasti kaksinkertaistaa spektritehokkuuden verrattuna yhden polarisaatiojärjestelmän.

Polarisointi Monimuotoisuus Perusasiat

Polarization Diversity perustuu siihen, että ortogonaalisesti polarisoituneet signaalit kokevat pitkälti riippumattomia haalistumis- ja häiriöympäristöjä. Monipolarisoivassa skenaariossa pystysuuntainen polarisoitu aalto voi heikentyä samalla kun vaakasuora-polarisoitu aalto pysyy vahvana. Yhdistämällä molemmat haarat vastaanottimessa, kaksipolarisoitu antennit tarjoavat vankan signaalin laadun ja sietokyvyn haalistumiseen. Tämä moninaisuusvoitto on erityisen arvokas kaupunkikanjonissa ja sisätiloissa, joissa heijastuksia on runsaasti.

Kaksihaaraisten antennielementtien tyypit

  • Cross-dipole (kääntösuunta) antennit:[ Kaksi dipoleja järjestetty suorakulmaisesti; klassinen muotoilu tarjoaa laajan kaistanleveyden ja puhtaat ortogonaaliset kuviot.
  • Tyhjiöantennit, joissa on kaksisyöttöisiä:[] Neliö- tai pyöreitä laastareita, jotka ovat innostuneet ortogonaalisista reunoista tai H-muotoisista lähtökohdista; kompakti ja sopiva rakenteisiin.
  • Applement-sidotut paikat:[] syöttölinjat maatason takana, käyttäen kytkentäpaikkoja kahden polarisaation kiihdyttämiseksi suurella eristyksellä.
  • Waveguide-syötejärjestelmät: Käytetään suurteho- tai millimetriaaltojärjestelmissä, usein seplum polarizereilla polarisaatioiden erottamiseksi.

Jokainen elementtityyppi esittelee kompromissit kaistanleveyden, koon, eristyksen ja valmistuskustannusten. Modernit mallit yhä enemmän vipuvaikutus monikerroksinen PCB prosesseja integroida kaksipolarized elementtejä sädemuovaus piiristö.

Datan läpisyöteparannukset kaksihaaraisten arkkien avulla

Kaksipolarisoitujen järjestelmien käyttöönoton ensisijainen motivaatio on datan läpiviennin huomattava lisääntyminen ilman lisätaajuuksia. Tämä saavutetaan kahdella toisiaan täydentävällä mekanismilla: polarisaatio-dominaalin multipleksointi ja parannettu MIMO-suorituskyky (Monipuoli-input-monitoimi-output).

Polarization-Domain Multiplexing

Kaksi ortogonaalista polarisaatiota itsenäisinä tilavirtoina voi kaksinkertaistaa yhden polarisaation datanopeuden suotuisissa kanavaolosuhteissa. Esimerkiksi pisteenvälisessä backhaul-järjestelmässä kaksipolarisoidulla antennilla voidaan tukea kahta samanaikaista 100 Mbps:n virtaa, jotka tuottavat 200 Mbps:n läpimenon samassa 20 MHz:n kanavassa. Käytännön toteutusten on vastattava ristipolarisaatiohäiriöstä (XPI), joka voi rajoittaa saavutettavissa olevaa erotusta. Korkeatehoiset antennijärjestelmät pyrkivät eristämään yli 30 dB:n polarisaatioporttien välillä.

Kaksinkertainen MIMO ja Spatial Multiplexing

MIMO-järjestelmissä kaksipolarisoitujen järjestelmien avulla voidaan lisätä riippumattomien tilakanavien määrää kasvattamatta suhteellisesti fyysistä kokoa. 2×2 MIMO-järjestelmä, jossa käytetään kahta kaksipolarisoitua antennin elementtiä (neljä kokonaisporttia), voi tukea jopa neljää tilavirtaa, kun taas samankokoinen yksipolarisoitu järjestelmä vaatisi kaksi kertaa enemmän elementtejä saman virtamäärän saavuttamiseksi. Tämä tekee kaksipolarisoituja elementtejä erityisen houkuttelevaksi tukiasemille ja käyttölaitteille, joissa tilaa on rajoitettu. Tutkimus on osoittanut, että kaksipolarisoitu massiiviset MIMO-rakenteet voivat lähestyä ihanteellisten täysimittaisten kanavien kapasiteettia säilyttäen hallittavan ristiretken eri elementtien välillä.

[Key Metric: Kaupunkien makrosolukäytössä kaksipolarisoitujen järjestelmien on osoitettu parantavan keskimääräistä soluvirtaa 60..80% verrattuna yhden polarisoidun ekvivalenttisen kentän siirtojärjestelmiin.[

Suunnitteluhaasteet ja lieventämisstrategiat

Korkean suorituskyvyn kaksipolarisoitujen järjestelmien kehittäminen edellyttää useiden teknisten esteiden poistamista, jotka voivat heikentää eristäytymistä, tehokkuutta ja kuvion eheyttä.

Polarisointierotus (XPI)

Kriittisin parametri on kahden polarisaatioportin välinen eristyminen. Huono eristyneisyys johtaa vuotoihin (ristikkäispuheisiin) virtojen välillä, vähentää tehokasta SNR-arvoa ja rajoittaa modulaatiojärjestystä. Tyypillisiä suunnittelusääntöjä ovat satamasta satamaan -eristyksen säilyttäminen > 25 dB, 30...40 dB on toivottavaa korkeatilaus-QAM-järjestelmille. Eristämisen parantamiseen tähtääviä strategioita ovat:

  • Optimoidut ruokintaverkot, joissa on baluneita ja 90° hybridiä, jotka voivat peruuttaa keskinäisen kytkennän.
  • Sähkömagneettinen kaistanleveys (EBG) -rakenteet kaksipolarisoitujen elementtien välillä pintaaaltojen tukahduttamiseksi.
  • Vialliset maarakenteet, jotka lisäävät eristämistä estämällä yleistilan virtauksia.

Molemmat liittimet ja kuviot hajoavat

Asettelukokoonpanossa elementtien keskinäinen kytkentä voi muuttaa säteilymalleja ja kunkin elementtien polarisaation tehokkuutta. Tämä on erityisen ongelmallista laajassa skannauskulmassa. Tekniikat, kuten irtikytkentäverkot, joissa käytetään neutralisointilinjoja, lähtö- ja saapumisaika- ja lähikenttäresonaattorijärjestelmiä, voivat lieventää kytkentää. Viimeaikaiset edistysaskeleet koneoppimisohjatussa optimoinnissa ovat mahdollistaneet automaattisen suunnittelun irrotusrakenteista, jotka saavuttavat 10.15 dB:n eristämisparannukset ilman kaistanleveyden uhraamista.

Kaapelinleveys ja impedanssin vastaavuus

Kaksipolarisoitujen ryhmäelementtien impedanssikaista on usein kapeampi kuin niiden yksipolarisoitujen elementtien, koska ne tarvitsevat syöttää kaksi ortogonaalista tilaa. Laajakaistamallit käyttävät pinottuja laastareita, aukkoliitintä, jossa on useita lähtö- ja saapumisaikoja, tai dielektrisiä resonaattoriantenneja (DRA). 5G NR-taajuuksilla 3.5.15 GHz:n taajuusalueella, murtokaistat 15.25%:n ovat saavutettavissa huolellisella moniresonanssitekniikalla.

Kalibrointi ja kaariviritys

Käytännön järjestelmissä tuotannon toleranssit ja ympäristötekijät aiheuttavat epätasapainoa polarisaatiokanavien välillä. Vahvat kalibrointialgoritmit ovat tarpeen, jotta amplitudi- ja vaihevasteet voidaan sovittaa eri puolille. Over-the-air (OTA) -kalibrointia käytetään yhä enemmän sisäänrakennetuissa testikiinnikkeissä tai keskinäiseen kytkentään perustuvissa menetelmissä massiivisissa MIMO-järjestelmissä, joissa manuaalinen viritys on mahdotonta.

Next Generation Systemsin kehittyneet arkkitehtuurit

Kaksipolarisoituja järjestelmiä kehittyy yksinkertaisten 2×2 järjestelmien lisäksi kohti massiivisten MIMO-, millimetriaalto- ja uudelleenkonfiguroituvien älykkäiden pintojen (RIS) integraaliosia.

Massive MIMO ja kaksoispolarisaatio

Vuonna 5G ja sen jälkeen, tukiasemat käyttävät suuria järjestelmiä (esim. 64×64 kaksipolarisoituja elementtejä) tukemaan erittäin suuntasäteen muotoilua ja spatiaalista multipleksointia. Kaksoispolarisaation avulla jokainen fyysinen elementti voi palvella kahta virtuaalista antenniporttia, kaksinkertaistaa vapausasteet digitaalisen säteenmuodostuksen. Tämä kokoonpano mahdollistaa samanaikaisen siirron useille käyttäjille samaan aikaan taajuusresurssi polarisaatio-domain erotus. Tutkimukset osoittavat, että 32×32 kaksipolarisoidulla matriisilla voidaan lähestyä kapasiteettia 64×64 yksipolarisoidulla matriisilla samalla miehittää puolet fyysisestä jalanjäljestä.

Millimetri-Wave (mmWave) Kaksihaaraiset haaraketjut

Yli 24 GHz:n taajuuksilla aallonpituus kutistuu, jolloin pieniä elementtejä on paljon. Kaksipolarisoituja mmWave-rakenteita käytetään yleisesti kompaktien, korkea-eristeisten kaksipolaaristen jäähdyttimien toteuttamiseen. Esimerkiksi 2×2 kaksipolaarinen SIW-välitysjärjestelmä 28 GHz:n taajuusalueelle voi saavuttaa 20 dBi:n hyödyn yli 35 dB:n eristyksen porttien välillä.

Integrointi beamforming IC:ien kanssa

Modernit kaksipolarisoitut järjestelmät on suunniteltu yhdessä RF säteenmuodostuksen piirit, jotka sisältävät erilliset vaihevaihtimet ja vaimentimet kunkin polarisaatio. Järjestelmän on käsiteltävä vino ja ristisidonta kahden signaalin polarisointi polarisointi polarisointi polarisointi. Advanced packments upottaa antenni-ja säteenmuodostamisen IC sama interposer, vähentää yhteenliitäntöhäviöt ja mahdollistaa reaaliaikainen polarisointi uudelleenkonfiguraatio.

Uudelleenkonfiguroitava dual polarization

Tulevaisuudessa langattomat verkot voivat vaatia dynaamista polarisaatiota agity. Kyky vaihtaa tai jatkuvasti säätää polarisaatiotilaa (esim. lineaarisesta pyöreään tai eri vinokulmien väliin) per-symbolin perusteella. Tämä voidaan toteuttaa käyttämällä PIN-diodeja, varaktioita tai MEMS-kytkimiä, jotka on integroitu syöttörakenteeseen. Esimerkiksi uudelleensäädettävä kaksipolarisoiva laastariantenni voi siirtyä V/H:n ja ±45°:n polarisaatioparien välille, sopeutua hetkellisiin kanavaolosuhteisiin maksimoidakseen läpimenon tai vähentääkseen häiriöitä.

Päätelmät

Kaksipolarisoitu antennirakenteet ovat kulmakivi teknologia, jolla voidaan vastata kyltymättömään kysyntään suuremmassa langattomassa datassa. Kaksinkertaistamalla spektritehokkuus polarisaatio-domain multiplexingilla ja mahdollistamalla kompaktit, korkea-arvoiset MIMO-kokoonpanot nämä järjestelmät ovat jo kiinteä osa 4G/5G-tukiasemia, mmWave backhaul, ja satelliittiviestintä. Käynnissä oleva tutkimus edistyneistä irtikytkentätekniikoista, laajakaistaelementtien malleista ja polarisaatio-konfiguroituvista arkkitehtuurista takaa, että kaksipolarisoituja järjestelmiä pysyy langattoman innovoinnin eturintamassa. Teollisuuden siirtyessä kohti 6G- ja osaterahertsitaajuuksia, kaksoispolarisointia ääridatan saavuttamisessa ei voida liioitella.

Lisätietoja saat antennipolarisaatiota koskevista IEEE-standardeista ([]) ja IEEE-antennien standardista ), kattavasta tutkimuksesta kaksipolarisoituja MIMO-järjestelmiä koskevista ([]]-tutkimuksista, joissa on mukana kaksipolarisoituja antenneja 5G[-komentoja varten sekä uusimmista suunnitteluohjeista mmWave-järjestelmille ([mmWave Dual-Polarized Array Design[]).