האתגר הגדל של אינטגרציה MIMO Antenna במכשירים קומפקטיים

מערכות אנטנה מרובות של Input (MIMO) הפכו אבן הפינה של תקשורת אלחוטית גבוהה, המאפשרת זרמי נתונים בו זמנית להגביר באופן דרמטי את יעילות ספקטרלית ואמינות קישורים. מ LTE-התקדמות ל-Wi-Fi 6/6E ו- 5G NRs מתקדמות משתמשים בקבצי אבטחה מתקדמים, אך תצורה MIMO היא כעת סטנדרטית בכל מכשיר מחובר כמעט.

Space Constraints ו- Antenna Element Miniaturization

האתגר המיידי והברור ביותר הוא העדר נפח פיזי בתוך מכשיר מודרני.טלפון רגיל עשוי להכיל 4 עד שמונה אנטנה MIMO עבור התא, בתוספת אנטנה נוספת עבור Wi-Fi, Bluetooth, GNSS ו- NFC, הכל בתוך נפח של 70-80 ס"מ בערך.כל אלמנט אנטנה חייב לקחת חלק מהחוזה הזמין, לעתים קרובות מוגבל להיות דלפק, קצוות, או פינות.

ביצועיאנטנה קשורים ביסודו לאורכו של חשמל.ד.פול גלי למחצה עבור הלהקה 2.4 GHz ISM, למשל, אמצעים כ-6.25 ס"מ בחלל חופשי - יכולת דחוסה להכיל מכשיר רק 15 ס"מ גבוה מהנדסים חייב לפנות ל-FLT:0miniaturization טכניקות FLT:1 לטעון באופן מלאכותי את האנטנה כדי להשיג התחדשות בטביעה פיזית קטנה יותר:

  • (ב) ויקרא: ויקרא י"ד: ויקרא י"ד): "התחילו את המוליכים לדפוסי נחשין כדי להגדיל את אורך החשמל מבלי להגדיל את המעטפה הכוללת.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ (Fractal Geometries: FLT:1) שימוש בצורות דומות עצמיות שמציפות נתיב מוליכים יותר לאזור נתון, כגון עקומת הילברט או האי מינוקובסקי.
  • (FLT:0) ,Capacitive or inductive טעינה: קיד 1) הוספת אלמנטים מלוטשים (צ'יפ אינדוקטורים, קפיאוף) כדי לשנות את התדר המהדהד כלפי מטה, ומאפשר מבנה רדיו קצר יותר.
  • (FLT:0) דמי טעינה חשמליים:0) 1 מקיף את האנטנה עם חומר דיאלקטרי בעל רגישות גבוהה, אשר מפחית את אורך הגל ובכך את גודל האנטנה הנדרשת.

בעוד גישות אלה מאפשרות אנטנה קטנה יותר, הם לעתים קרובות באים עלות רוחב פס מופחת ויעילות קרינה נמוכה יותר.המסחר הבסיסית, הידוע כגבול צ'ו-ההרינגטון, מתכתיבים כי כמו אנטנה נעשה קטן מבחינה חשמלית, Q factor שלה עולה, צמצום רוחב הפס שניתן יהיה לנו.עבור מערכות MIMO כי חייב לפעול על פני להקות מרובות תדרים (למשל, n77, n78, n79 עבור 5G-band), הופך להיות בעל מתח משמעותי.

מקום מסחר-offs in a Crowded Chassis

גם עם אלמנטים מיניים, המיקום של אנטנה מרובים בתוך לחיצת קומפקטי הוא חידה מרחבית.אנטנות ממוקמים בדרך כלל בארבע פינות של מסגרת המכשיר, לאורך הקצוות העליון והתחתונים, או בחתכים של הצדדיים המתכתיים.כל מיקום מציע מאפיינים שונים של אימפולסים ודפוסי קרינה.עם זאת, נוכחות המטוס - שהוא בעצם המעגל המודפס כולו (PCB) ואפקטים באופן ישיר של מבנה חזק (F) משפיע על מבנה האנטנה, כמו גם על מבנה חזק, או על פני השטח, כמו גם על פני השטח, או על מבנה חזק, כמו גם על פני השטח, או אנטנה, כמו גם על פני השטח, כמו גם על ידי קרינה, כמו גם על פני השטח, כמו אפקט חזק, או אנטנה, או אנטנה, אפקט, או אנטנה, אפקט, או אנטנה, אפקט חזק (F) או אנטנה, אפקט, אפקט, אפקט, כמו גם על פני השטח של פעילות).

מעצבים חייבים גם להקצות מקום עבור רכיבי ממשק משתמשים.לדוגמה, דובר האוזן, מצלמה מול הפנים, חיישן קרבה לתפוס את הבצק העליון, לעזוב מקום קטן עבור אנטנה MIMO ביצועים גבוהה שם. בדומה, הקצוות התחתונים להכיל את החיבור USB-C, מיקרופון, ורמקול גריל, מגביל עוד יותר מיקום אנטנה.האתגר הוא מורכב על ידי הדרישה עבור אנטנה להיות ממוצבת לפחות כמה מ"מ מ"ג ממתכת להימנע ממרכיבים ממתכת.

אתגרים משותפים ושיקום

עם אלמנטים אנטנה מרובים ממוקמים לעתים קרובות בתוך כמה סנטימטרים אחד של השני - לפעמים קרוב כמו λ/20 בלהקות תדר נמוך יותר - הפיכה מילולית הופכת למגבלה ביצועים קריטי. Coupling מתרחשת כאשר השדה האלקטרומגנטי של אנטנה אחת גורם זרמים על אנטנה קרובה, המוביל להעברת כוח בין הנמלים.התוצאה היא צמצום היעילות האנטנה, גדל בין אותות (אשר de MIgrads), לבין עיוותים של תבניות קרינה.

עבור מערכות MIMO, המדד העיקרי הוא ה-FLT:0 ,envelope מתאם coefficient (ECC)BuildFLT:1, אשר מודד כמה דומה דפוסי הקרינה של שתי אנזים הם. ACC מתחת ל-0.5 נחשב לעתים קרובות מקובל עבור 2×2 MIMO, אבל עבור 4×4 או יותר תצורה, ערכים נמוכים יותר ( ⁇ ) הם רצויים.

טכניקות לשיפור השיקום

מהנדסים פיתחו תיק עשיר של טכניקות כדי להפחית את ההפיכה ההדדית.אלה יכולים להיות מסווגים באופן רחב לארבע גישות:

1. קווי ניטראליזציה

קו נייטרלי הוא רצועה התנהגותית צר המחבר שני אלמנטים אנטנה בנקודה שנבחרה בקפידה. על ידי הצגת נתיב נוכחי מבוקר אשר מבטל את הזרם המזוג, הקו יכול להפחית את הדחף ההדדי.העיצוב כרוך אופטימיזציה של אורך קו, רוחב ונקודת חיבור כדי להשיג שינוי 180 מעלות עבור אות ההפיכה. בעוד יעיל, ניטרליזציה להוסיף מורכבות וייתכן כי רוחב הפס הצר.

רשתות Decoupling ו- Parasitic Elements

רשתות decoupling Lumped-Component decoupling להציב בין נמלי האנטנה להאכיל יכול לספק ביטול תגובה הדדית. Alternatively, אלמנט parasitic (מוליכים לא מעופש) ממוקם בין שתי אנטנה יכול לפעול כמפוזר שמפנה את השדה המעודף הרחק מהנמל הסמוך.טכניקה זו משמשת באופן נרחב במערכי תחנות בסיס, אך דורש כוונון זהה זה עבור מכשירים ניידים בשל החלל המוגבל.

מבנה אלקטרומגנטי (EBG)

מבנים EBG הם דפוסים תקופתיים של מתכת ודיאלקטריים המציגים מאפיין של הלהקה לגלי פני השטח.כאשר ממוקמים בין רכיבי אנטנה, הם מדכאים את ההתפשטות של זרמי פני השטח שתורמים להפיכה. EBG הואלators יכול להיות מובן כמו מנצח מגנטי מלאכותי (AMCs) או כמו מבנים דמויי פטריות חרטות על ה- PCB יעיל, למרות שהם תופסים נדל"ן יקר ולעתים קרובות דורשים תאים מרובים, אשר מעוררים אתגרים אולטרה-סוגים.

ניתוח מצב האופיואיסטי (CMA)

כלי סימולציה מתקדמים מאפשרים כעת למהנדסים ליישם CMA לכל מכשיר ה- .על ידי זיהוי מצבי ההחזר הטבעי של המטוס הקרקע, מעצבים יכולים למקם מספר אנזימים אנטנה כגון אלה שהם מעוררים מצבים אורטוקונים. מצבי אורתולוגיים מייצרים תבניות קרינה כי הם באופן טבעי עיצובי, השגת הפיכה נמוכה ללא בידוד נוסף. גישה זו מבטיחה במיוחד עבור מערכות MIMO קומפקטיות עתידיות אבל דורשות הבנה מעמיקה של שיטות פעולה מכנית ופעולות עם מגבלות.

השפעות חומריות וסביבתיות

החומרים המשמשים לבניית מכשירים - צבירת, תמיכה פנימית, סוללות אלקטרוליטים, ואפילו יד המשתמש - משפיעות באופן ניכר על ביצועי האנטנה MIMO. לכל חומר יש מותרות (εr) וכושר (μr) שמשנה את התפשטות הגלים האלקטרומגנטיים.

דיאלקטרי מטען מ- Enclosures

סמארטפונים מודרניים לעתים קרובות תכונה מתכת או זכוכית אחורית, מסגרות פלסטיק, ורכיבי קרמיקה.בעוד שמתחמי מתכת מספקים קשיחות מבנית תחושה פרמיה, הם מגבילים את קרינת האנטנה: כיסוי אחורי יפעל כמגן אלא אם הוא מחולק פערים לא מוליכים או חריצים.זכוכית וקרמיקה יש קבוע דיאלקטרי גבוה יחסית ( ⁇ 4-10), אשר deאנטנות להשתנות על ידי שינוי קצבה למטה של תכונות של מעצבי, לעתים קרובות.

שיעור האבסטוריון (SAR) ואפקטים של הערמונית

במכשירים המוחזקים, יד המשתמש וראשו מייצגים גמישות גבוהה, דיאלקטריות אובדן סופגות כוח משמעותי ומשנה אנטנות SAR תקנות (למשל, FCC 1.6 W/kg בארה"ב, EU 2/kg) להגביל את הכוח להעביר, אשר משפיע ישירות על שיעור הנתונים הניתנים להשגה במערכות MIMO.אנטנות חייב להיות מתוכנן עם זיהוי חיישנים או אלמנטים של קוגניציה בהתאם לעוצמה אחידה (כלומר, כדי להפחית את המורכבות של אנטנות).

Bandwidth and Multi-Band Operation

אלמנט אנטנה יחיד בסמארטפון 5G מודרני חייב לכסות להקות תדר מרובים: תת-1 GHz (LTE להקות 12, 13, 20), 1-2.7 GHz (להקות סלולריות, Wi-Fi, Bluetooth), ו mmWave (24-39 GHz, אם כי כיום לעתים קרובות מגוון נפרד) עבור תת- 6 GHz MIMO, השגת רוחב פס של 25-30% או יותר מ miniaturized היא אסטרטגיות מאוד מאתגרות.

  • (ב) ,0) מבנים מסולטי-ריי-רמונים: קיד 1 (FLT:1) באמצעות סניפים מרובים או חריצים כדי להציק מספר רב של חזרות אשר מכסים יחדיו את הלהקות הרצויות.
  • (FLT:0) Reconfigurable tuning:FLT:1 משלבים קפיצינים טוטליים (למשל, MEMS varactors או בנקים מרופפים) אשר באופן דינמי לשנות את האנטנה מחדש ללהקות שונות.זה מאפשר אלמנט פיזי יחיד לכסות טווח תדר רחב, אך מציג הפסדים של רכיבי הכוונון ודורש שליטה מורכבת.
  • (FLT:0)Carrier aggregation: FLT:1 מערכות MIMO חייבות לתמוך בו זמנית להקות תדר מרובים (למשל, הדבקה בין-band) כל אנטנה חייבת להיות מיועדת להציג התאמה טובה על כל הלהקות המצטברות, לעתים קרובות הדורשות רשתות רחבות התאמה עם שלבים מרובים.

שילוב עם שותפים אחרים ו-EMI

אנטנות אינן מבודדות במכשיר; הן חולקות את ה- משככי-המחישים עם תצוגות, מצלמות, רמקולים, מנועים וחבילות סוללות.לוח התצוגה, במיוחד AMOLED עם שכבות המתכת הדקות שלה, יכול לשמש כמשקף קצבה פרסיטית המאמת את דפוס הקרינה האנטנה. סוללת גדולה עם תאי ליתיום-יון יש חפיסות התנהגותיות שיכולות לקלקל אנטנה מגנטית בקרבת מקום (EM) ממזגים, מתחנות כוח-מתאים חשמליים-מתאים בעלי עוצמה גבוהה, מאנרגיה-מדומים (מהירות) ואנטנות-מתאים בעלי עוצמה דיגיטלית, ואנטנות-מחדשהעוצמה גבוהה, מאנרגיה גבוהה, מאנרגיה-מתאים בעלי-מתאים בעלי יכולת גבוהה, מאנרגיה-מחדשת-מחדשת-מחדשת-מחדשת-מחדשת (D) ואנטנות-מחדשת) מאנרגיה-מחדשהאטים (מחדשת) מאנרגיה-מחדשה, עם תאים עם תאים עם תאים עם תאים עם תאים-מחדשה, עם תאים עם תאים-מחדשת-מחדשהאטים-מחדשת-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מ

כדי להפחית את EMI, מהנדסים לעתים קרובות להשתמש FLT:0 shieldingpher ( 1 טכניקות כגון צינורות התנהגות, EMI סופגנים (פרטרינים), ושפך הקרקע מעוצב בקפידה.עם זאת, מגן יכול גם להפחית את קרינת הקרינה האפקטיבי של האנטנה.האתגר הוא לאזן את הדחקה EMI עם ביצועים אנטנה, לעתים קרובות על ידי הצבת האנטנה כמה שיותר מרעשים ומקורות מזון שונים לשימוש קווי מזון.

עיצוב ואופטימיזציה אסטרטגיות

בהתחשב במגוון רחב של עסקאות מסחר, עיצוב אנטנה מודרנית MIMO עבור גורמים קטנים טופס מסתמכים מאוד על סימולציה אלקטרומגנטית גלית מלאה. כלים כמו CST מיקרוגל Studio, Ansys HFSS, ואלטראייר FEKO משמשים כדי מודל הגיאומטריה כולה - כולל כל רכיבי מתכת ודיאלקטרי - וכדי לפיזור פרמטרים, דפוסי קרינה, ו- ECC.

אופטימיזציה של Algorithms

כוונון ידני של מידות אנטנה הוא לא מעשי כאשר מתמודדים עם 8 או יותר אלמנטים MIMO. מהנדסים יותר ויותר פונים שיטות אופטימיזציה אוטומטיות:

  • (FLT:0 אלגוריתםGenetic (GA): FLT:1ir משתמש מפעילי אבולוציוניים (מעבר, מוטציות) כדי לחקור את המרחב העיצוב של פרמטרים אנטנה (אורכות, רוחב, עמדות) כדי לעמוד ביעדים מרובים (אובדן חוזר, בידוד, רוחב פס, יעילות).
  • (ב) ⁇ 0 (Particle) ,Particle שטף את האופטימיזציה (PSO): מירל 1:1 , Mimics התנהגות חברתית של ציפורים נוהרות למצוא פתרונות אופטימליים.
  • (FLT:0) סקרן מודלים: FLT:1 בנתה אפליקציה זולה חישובית של סימולציה EM כדי לאפשר חקירה מהירה, לעתים קרובות באמצעות רשתות עצביות מלאכותיות.

טכניקות אלה מאפשרות למעצבים למצוא ג'ממות שאינן אינטואיטיביות אשר מאזן את הדרישות המתחרות של החלל, ההפיכה, רוחב הפס.עם זאת, העלות החישובית נותרה גבוהה - סימולציה אחת של מודל חיקוי מלא עם ארבע אנטנות יכול לקחת כמה שעות, ואת אופטימיזציה עשוי לדרוש אלפי הערכות.כדי להאיץ את התהליך, מעצבים עובדים לעתים קרובות עם מודלים פשוטים (למשל, טיפול ב- chassisassis כמו קרקע מושלמת) ואז סימולציה מפורטת יותר.

פתרונות עתידיים ופתרונות מתעוררים

בעוד מכשירים ממשיכים להתפתח לקראת קפלות, לבישים ואפילו חיישנים רפואיים מושתלים, הדרישות בתכנון אנטנה MIMO יתגברו.כמה כיוונים מחקר מבטיח מתעוררים:

חידוש ורך אנטנות

באמצעות חומרי שינוי שלב כמו נדרום דו חמצני (VO2) או מתכת נוזלית (למשל, Galinstan), אנטנה יכולה לשנות את הגיאומטריה שלהם באופן דינמי.זה מאפשר אנטנה אחת לכסות טווח תדר רחב ולהתאים לתרחישים שונים של שימוש (למשל, נוף לעומת דיוקנאות) ללא צורך אלמנטים פיזיים מרובים.

⁇ מבוססת מטאפורצ'נד

משטחים מנדסיים הם משטחים דקים מנדסיים מלאכותיים שיכולים לתמרן גלים אלקטרומגנטיים בדרכים שאינן אפשריות עם חומרים טבעיים.עבודה חדשה הוכיחה כי metasurface דק ממוקם בין שתי אנטנה יכול לפעול כ"מסנן הססגוני" המאפשרת הדבקה של המצב הרצוי תוך דיכוי המצב המטבולי.מ. אלה מטבוליים metasurface יכול להיות דק מאוד (מיקרומטר) ו מודפס ישירות על המכשיר, מה שמאפשר יישום אידיאלי עבור מינופים.

עיצוב AI-Driven

מודלים של למידת מכונות מאומנים לחזות ביצועים אנטנה מדדים ישירות מהגאומטריה, עקפים את הצורך בסימולציה גלית גלית מלאה.

אינטגרטיבית Antenna-in-Package (AiP) עבור mmWave

עבור מילימטר-גל MIMO, אלמנטים הם קטנים מספיק פיזית כדי להשתלב ישירות לתוך חבילת השבבים. Sony, Qualcomm, ואחרים הוכיחו מודולים AiP המכילים אלמנטים אנטנה מרובים (למשל, 2×2 או 4×4 ⁇ ) יחד עם המודולים האלה ממוקמים בקצה המכשיר ולהשתמש להיות מתוכנת כדי לנווט את הקרינה כאן הוא מייצר חום וקווי הגנה (הרכב נמוך) עבור מודולים העיקריים (הצורך) עבור המודולים).

מסקנה

השילוב של אנטנות MIMO למכשירים קטנים-לשעבר מייצג את אחת הבעיות הנדסיות RF התובעניות ביותר של העשור. אילוצים חלל, הפיכה הדדית, אפקטים חומריים, ואת הצורך במערכות מרובות-אנטנה דורש גישה הוליסטית אשר משנה את הביצועים עם יכולת ייצור טובה יותר, באמצעות טכניקות מינון מתקדמות יותר, שימוש באופטימיזציה ממוקדת סימולציה, מהנדסים עשו התקדמות משמעותית ככל האפשר כדי לקדם את החומרים הקומפקטיים יותר, כמו גם בעתיד, כדי לקדם את התהליכים האלחוטיים יותר, כמו גם את הטכניקות אלחוטיות, ככל האפשר, כדי לקדם את הטכנולוגיה האלחוטית, כמו גם יותר, כמו גם יותר, כדי לקדם את התהליכים היעילים יותר, כדי לקדם את הטכנולוגיה האלחוטית, כמו גם את תהליכי קישוריות אלחוטית, כמו גם יותר, כדי לצפות, כדי לקדם את תהליכי קישוריות יעילה יותר, כמו גם יותר, כמו גם את התהליכים היעילים יותר, כמו גם יותר, כדי לקדם את התהליכים האלחוטית, כדי לקדם את תהליכי קישוריות יעילה יותר, כמו גם יותר, כדי לקדם את תהליכי שיפור יעיל יותר, כמו גם יותר, כמו גם יותר, כדי לקדם את הטכנולוגיה האלחוטית, כדי לקדם את הטכנולוגיה האלחוטית, כמו גם יותר, כדי לקדם את שיטות אנטנות גבוהה יותר, כדי לקדם את שיטות בידוד מתקדמים יותר, כמו גם את הטכנולוגיה האלחוטי