Impedanssin perusteet ja uudelleenkonfiguroituvuuden tarve

Sen ytimessä impedanssin yhteensovittaminen varmistaa suurimman tehonsiirron lähteen ja kuormituksen välillä minimoimalla heijastuskertoimen Γ. Radiotaajuuksien (RF) suunnittelussa eroavuus aiheuttaa heijastuvan tehon, lisää jännitteen seisonta-aaltosuhdetta (VSWR) ja heikentää signaalin eheyttä. Perinteiset kiinteät täsmäytysverkot.Tyypillisesti rakennettuja erilliskondensaattoreilla ja induktoreillaon optimoitu yhden taajuuden tai kapean kaistan varaan. Sopeuttavien viestintäjärjestelmien on sen sijaan toimittava useiden taajuuskaistojen välillä, antennien impedanssien vaihtelut läheisyyden vaikutusten vuoksi ja ympäristöolosuhteiden muuttuminen. Staattinen verkko ei voi ylläpitää alhaisempaa VSWR-arvoa näissä dynaamisissa skenaarioissa; näin ollen uudelleen konfiguroituvien impedanssien yhteensovittamisverkkojen (RIMNs) on oltava välttämättömiä.

RIMNit käyttävät virittäviä tai siirrettäviä reaktiivisia elementtejä muuttaakseen verkkoa . Suunnittelun haasteena on tasapainottaa viritysaluetta, asentaa häviö, lineaarisuus, tehonkäsittely ja ohjausnopeus. Kuten []tutkimus teollisuuden ja korkeakoulujen [[] osoittaa, hyvin suunnitellut RIMN:t voivat parantaa tehokkuutta 20.40% vaihtelevissa kuormitusolosuhteissa, mikä tekee niistä kulmakiven ohjelmiston määrittelemille radioille (SDR) ja seuraavan sukupolven soluinfrastruktuurille.

Uudelleenkonfiguroitujen komponenttien ydinteknologiat

Puolijohteet

Varaktorit tarjoavat jänniteohjattua kapasitanssia, joka tarjoaa jatkuvaa viritystä. Moderni pii ja GaAs varactors saavuttavat kapasitanssisuhteet yli 8:1 Q-tekijöillä yli 50 gigahertsitaajuuksilla. Niiden suurin haittapuoli on rajallinen lineaarisuus suurilla RF-jännitteellä, mikä voi aiheuttaa vääristymiä lähetyspoluilla. Suunnittelijat käyttävät usein varaaktin kokoonpanoja harmonisen sukupolven vähentämiseksi.

RF MEMS-kytkimet ja kondensaattorit

Mikromekaaniset (MEMS) laitteet tuottavat lähes ideaalin kytkimen suorituskyvyn: hyvin pieni insertoinnin menetys (0,1...0,2 dB), suuri eristyminen (>40 dB) ja vähäinen virrankulutus vakaassa tilassa. MEMS-siirtokondensaattorit voivat saavuttaa kapasitanssisuhteet jopa 10:1 Q:n ollessa yli 200. Kuitenkin ne kärsivät hitaammista kytkentäajoista (mikrosekuntia millisekunteihin) ja luotettavuusongelmista korkean tehon jatkuvassa toiminnassa. Viimeaikaiset edistysaskeleet [kapseloiduissa MEMS-prosesseissa[ ovat parantaneet elinkaarta miljardeihin jaksoihin.

PIN-diodit ja kiinteät kytkimet

PIN-diodit tarjoavat nopean kytkimen (nanosekuntia) ja erinomaisen sähkönkäsittelyn, mikä tekee niistä sopivia vaihdetun pankin täsmäytysverkkoihin. Niiden asennushäviöt (0,5...1,0 dB) ja tasavirtakulutus ovat kompromissit. GaA- ja pii-insulaattori (SOI) FET-kytkimet tarjoavat vertailukelpoisen nopeuden ja pienemmät tappiot, erityisesti integroiduissa CMOS-teknologioissa.

Digitaalisesti soitettavat kondensaattorit (BST ja CMOS)

Barium strontiumtitanaatti (BST) kondensaattorit vipuvoima ferrosähköinen materiaali, jonka dielektriset vakiomuutokset sovelletaan jännite. Ne tarjoavat kohtalainen Q (50...100) ja korkea kapasitanssitiheys, sopii kompaktit mallit. CMOS digitaalisesti tunnistinkondensaattorit (DTC) integroida useita kytketty kapasitaattori soluja sirulla, jolloin binääripainotettu kapasitanssi askelia. Kanssa 8...12 bittiä resoluutio, DTC ovat yhä yleisempiä liikkuvissa etupäät antenni impedanssi viritys.

Suunnitteluarkkitehtuuri ja topologian valinnat

Pi-verkko- ja T-verkkovaihtoehdot

Suosittuja topologiaa uudelleen soviteltavuutta sisältävät Pi-verkko (kolme reaktiivista elementtiä: sunttisarja-shunt) ja T-verkko (sarja-shunt-sarja). Molemmat voivat muuttaa monenlaisia impedanssien kun käytetään tonnikalan komponentteja. Π- verkko tarjoaa laajemman kaistanleveyden tietylle viritysalueelle, kun taas T-verkko tarjoaa paremman laadunvalvonnan. Suunnittelijoiden on valittava vaaditun impedanssialueen, käyttökaistanleveyden ja käytettävissä olevien komponenttien arvojen perusteella.

Lumping vs. Jaettu vastaavuus

Alle 6 GHz:n taajuuksilla komponentit (kondensaattorit ja induktorit) ovat käytännöllisiä. Yli 10 GHz:n taajuuksilla tarvitaan hajautettuja elementtejä, kuten varaaktio- tai kytkin-avoin/lyhyin virtapiirein varustettuja siirtojohtoja. Hybridilähestymiset yhdistävät koukkuuntuneet tonnikalakondensaattorit kiinteisiin siirtojohtoihin, jotta voidaan pienentää kokoa ja säilyttää konfiguroituvuus.

Vaihdettavat komponenttipankit

Yksinkertainen mutta tehokas menetelmä käyttää kytkinten kautta valittuja kiinteitä kondensaattoreita ja induktoreita. Tämä erillinen viritys estää varaktien epälineaarisuuden ja mahdollistaa korkean tehon käsittelyn. Mahdollisten tilojen määrä kasvaa kobinatorisesti; kuuden kytketyn kondensaattorin sarja, jossa on kaksitilakytkimet, tuottaa 64 impedanssipistettä. Kytkentäverkon huolellinen suunnittelu minimoi loiskapasitanssin ja induktanssin, jotka rajoittavat korkeataajuista suorituskykyä.

Hallinta- ja sopeutumisalgoritmit

Gradient-desifiointi- ja häiriöntasausmenetelmät

Klassinen lähestymistapa mukautuvaan yhteensovittamiseen on mitata kustannustoimintoa.Näin voidaan mitata heijastuvaa tehoa tai VSWR...ja säätää virikkeitä sen vähentämiseen. Kalliogradientin laskeutumisalgoritmi voidaan toteuttaa käyttämällä pieniä häiriötekijöitä nykytilassa. Lähentymisnopeus riippuu askelten koosta ja mittausmelusta.

Koneoppimisen lähestymistavat

Äskettäin tehty työ soveltaa RIMN-ohjausta vahvistavaa oppimista (RL) ja keinotekoisia hermoverkkoja (ANN). RL-agentti oppii politiikan, joka kartoittaa impedanssimittaukset optimaaliseen viritykseen jopa muissa kuin stationaarisissa ympäristöissä. ANN-järjestelmät voivat mallintaa epälineaarisen kartoituksen ohjausjännitteen ja siitä johtuvan impedanssin transformaation välillä, jolloin syöttökellojen hallinta on mahdollista koulutuksen jälkeen. Nämä tekniikat ovat erinomaisia monikaista- ja moniantenniskenaarioissa, joissa perinteiset algoritmit kamppailevat dimensionaalin kirouksen kanssa.

Reaaliaikainen sensing ja palaute

Tarkka impedanssitunnistus on tehokkaan sopeutumisen kannalta ratkaisevan tärkeää. Suuntakiinnikkeet ja kuusiportiset heijastusmittarit antavat reaaliaikaiset arviot Γ. Integroidut RF-tehonilmaisimet mittaavat eteenpäin ja heijastuvan tehon, josta VSWR voidaan johtaa. Näytteenottonopeuksien on vastattava odotettua kuormitusindtentanssin muutosta.Tyypillisesti ihmisen kehon vaikutusten mikrosekunti-mikuntialueella matkapuhelimissa ja nanosekuntialueella RF-vahvistimissa.

Simulaatio ja prototyyppi-näkökohdat

Sähkömagneettinen (EM) simulointityökalut. Kuten Ansys HSSS, CST Microwave Studio tai Keysight ADS.Ovat välttämättömiä ennustaa suorituskykyä RIMNs. Täysiaaltosimulaatio kaappaa loisvaikutuksia komponenttien paketteja, kautta siirtymiä, ja laudan resonanssia. Simulointi piirin ratkaisija, joka sisältää epälineaarinen varactor malleja tai kytkin loisverkot tuottaa tarkkoja ennusteita viritysalue, asennushäviö ja harmoninen vääristymä.

Alhaisten häviöiden substraattien prototyyppien (esim. Rogers 4350B tai TMM10) prototyypin avulla voidaan validoida ennen tuotantoa. Vektoriverkon analyzerin (VNA) mittaukset kalibroinneilla, joihin sisältyy ohjaushajoavuusverkot, ovat välttämättömiä. Adaptiivisen ohjauksen varmistamiseksi kenttäohjelmoitava porttijärjestelmä (FPGA) tai mikroohjain voi toteuttaa ohjausalgoritmin ja käyttöliittymän varaktin hajautus- tai kytkinajureiden digitaalisten analogisten muuntimien kanssa.

Sovellukset nykyaikaisissa viestintäjärjestelmissä

5G ja mmWave

Viidennen sukupolven (5G) tukiasemat ja käyttäjälaitteet toimivat taajuusalueella 1 (FR1: 0.41..7.125 GHz) ja FR2 (24.25.25.52.6 GHz).MmmWave-järjestelmissä käytettävät vaiheistetut array-antennit kokevat valokeilaohjauksesta ja keskinäisestä kytkimestä johtuvia impedanssivaihteluja. Reconfiguroidut täsmäytysverkot kullakin antennilla voivat kompensoida näitä vaihteluja, ylläpitää matalaa VSWR:ää ja maksimoida [tehokasta isotrooppista säteilytehoa (EIRP)[.

Ohjelmiston määrittelemä radio

SDR-alustojen tavoitteena on kattaa laaja taajuusalue (esim. 100 MHz.................................................................................................................................................................................................................................................

IoT- ja monikaistajärjestelmät

Esineiden internet (IoT) -laitteiden on usein tuettava useita protokollia (sininen, Wi-Fi, LoRa, NB-IoT) eri taajuuskaistoilla. Yksi uudelleen muokattavissa oleva täsmäytysverkko voi korvata useita kiinteitä suodattimia ja vastaavia piirejä, vähentää lautan pinta-alaa ja materiaalilaskua. Virrankulutusta rajoitetaan, ja häviöt ovat erittäin pienet ja erittäin pienet.

Tulevat Suunnat ja haasteet

Merkittävästä edistyksestä huolimatta on edelleen useita haasteita. []Siirtoreittien [ integrointi aktiivisiin piireihin yhdessä CMOS- tai SOI-prosessissa on keskeinen teollinen tavoite. Tämä vähentää lois- ja kustannustehokkuutta, mutta asettaa rajoituksia Q- ja jännitekäsittelylle. [[Lineaarisuus[]] lähetysreitteissä on edelleen huolta, erityisesti varaktoripohjaisissa malleissa; digitaalinen viritys, jossa käytetään vaihdettuja kondensaattoreita, tarjoaa paremman intermodaatiokyvyn. []]Wideband-toiminta [[]]] eri oktaavioissa vaatii uusia malleja, kuten kytkettyjä resonaattoriverkkoja tai muita kuin foster-piirejä, jotka käyttävät negatiivisia impedanssimuuntimia, jotka poistavat loisteita.

Kun viestintäjärjestelmät kehittyvät kohti kognitiivisia ja uudelleen konfiguroituvia arkkitehtuuria, impedanssin yhteensovittamisverkosta tulee täysin mukautuva osajärjestelmä. Edistyneiden ohjausalgoritmien, vähäpäästöisten virikkeiden ja reaaliaikaisten havainnointijärjestelmien integrointi mahdollistaa ennennäkemättömän joustavuuden, tehokkuuden ja signaalin laadun. Tässä kuvatut suunnitteluperiaatteet tarjoavat perustan insinööreille luoda RIMN-järjestelmiä, jotka täyttävät seuraavan sukupolven langattomien verkkojen vaativat vaatimukset.