הקדמה: MIMO ואתגר של שיתוף פעולה הדדי

מספר רב של טכנולוגיות של Input (MIMO) הפך לעמוד יסוד של תקשורת אלחוטית מודרנית, מ-Wi-Fi ו- 4G LTE ל-5G האחרונות ו- 6G רשתות. על ידי שימוש באנטנות מרובות הן המשדר והן המקלט, מערכות MIMO מנצלות הפיכה מרחבית וגיוון כדי להגדיל באופן דרמטי את הנתונים באמצעותput, אמינות, ואפקטים ספקטרליים.

הפיכה הדדית מתייחסת לאינטראקציה אלקטרומגנטית בין אלמנטים אנטנה סמוכים.כאשר אנטנה ממוקמת יחד - לעתים קרובות חלק מאורך גל בנפרד - השדות בהתאמה שלהם גורמים זרמים אחד בשני, שינוי האי-ציות של האנטנה האינדיבידואלית, דפוס קרינה, ולהשיג. שינויים אלה יכולים לכווץ את דרגות המרחביות של החופש ש-MIMO מסתמך על הבנה והפיכה הדדית הוא חיוני כדי לממש את הביצועים המלאים של מערכות אנטנה במיוחד של צורות מודולים של מערכות מרובות של מערכות.

מאמר זה מספק מבט מעמיק על האופן שבו הפיכה הדדית אנטנה משפיעה על ביצועי מערכת MIMO, חוקר את המנגנונים הפיזיים הבסיסיים, מסמיך את ההשפעה על מדדים מרכזיים כגון יכולת ערוצים ואיכות אות, ומציג אסטרטגיות ממשלתיות-של הפחתת האמנות.אם אתה מעצב אנטנה, מהנדס מערכת, או חוקר, תפיסה מוצקה של אינטראקציות אלה יעזור לך לבנות קישורים אמינים ויעילים יותר.

הבנה: Antenna Mutual Coupling

מכניזם פיזי

הפיכה הדדית מגיעה משלושה מנגנונים אלקטרומגנטיים עיקריים:

  • (FLT:0) הפיכה שדה-שדה: FLT:1 באזור שדה-הפעולה (עם אורך גל או כזה), שדות חשמליים ומגנטיים של אנטנה סמוכים אינטראקציה ישירות, אחסון אנרגיה וזריזות באלמנטים שכנים.זהו ההשפעה הדומיננטית עבור ספיגה טיפוסית של MIMO - 0.5 או פחות.
  • (FLT:0) הפיכה בשדה:FLT:1ure Antennas יכול גם יחד דרך השדה הרחוק הקרנת כאשר ההתחדשות של אלמנט אחד מתקבל על ידי אחר.אפקט זה בדרך כלל חלש יותר מאשר קרוב הפיכה שדה אבל הופך רלוונטי בערכים גדולים יותר.
  • (FLT:0) הפיכה גלית: FIRLT:1) על מטוסים קרקעיים משותפים או תת-סטריטים דיאלקטריים, גלי פני השטח יכולים להפיץ בין נקודות הזנה האנטנה, יצירת נתיבים נוספים להעברת אנרגיה.

אינטראקציות אלה מתוארות מתמטית על ידי מאטריקס (Z-matrix) או מטריקס S-parameter של רשת אנטנה רב-פורט.האפקט ההפיכה בין שתי אנטנה, לעתים קרובות denoed S12 ב dB, מסמיך את השבריר של כוח המועבר מנמל אחד למשנהו. A טיפוסי ערך מקובל עבור יישומים MIMO הוא S12 מתחת -15B עד dB.

גורמים שמשפיעים על כוח השיתוף

  • (FLT:0) יישום ספא: 1FLT:1 coupling מתפתל בערך 1 / 1 למרחקים קטנים (בתחום הקרוב) וכ 1 / 1 / 1 / 2 בתחום הרחוק.
  • גודל המטוס העגול וצורתו: זרם פני השטח של FLT:0Ground בגודל וצורה: 1FLT:1 (FLT) על מטוס קרקע סופי תורם באופן משמעותי להפיכה, במיוחד באנטנות מודפסות-הקרקע, מטוס קרקע גדול יותר יכול לפעמים להפחית את ההפיכה על ידי מתן נתיב החזרה מוגדר יותר.
  • (ב) ⁇ :0) חומרים בעלי חשיבות גבוהה (FLT:1) מתרכזים בתחומים ויכולים להגביר את ההפיכה בין כתמים סמוכים או מונופולטים.
  • (FLT:0) Antenna type and אוריינטציה:FLT:1 Orthogonal קוטל (למשל, אנכי + אופקי) אנאנטנות מבודדות מטבען, בעוד אלמנטים קו קוטביים יחד יותר חזק.דפוס אפס יכול גם להיות תואמים אסטרטגית כדי למזער אינטראקציה.

השפעות הדדיות על ביצועי מערכת MIMO

אפשרויות ל-Fic Numberxing

הבטחתו של MIMO לקיבולת גבוהה מגיעה מהיכולת ליצור ערוצי מרחביים עצמאיים רבים.יכולת הערוץ (ב ביטים לשנייה לכל הרץ) עבור קישור צר MIMO עם Nt משדר Nt ו Nr מקבל אנטנה ניתנת על ידי אנטנות.

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כאשר H הוא ממטריקס ערוץ. הפיכה הדדית על משדר או המקלט מציג מתאם בעמודות (או שורות) של H. Strong מתאם מפחית את דירוג הערוץ, ביעילות מגביל את מספר זרמי נתונים מקבילים שניתן להעביר.מחקר הראה כי עבור מערכת 2×2 עם קידוד נמוך כמו - 10B, את היכולת יכול לעלות על 20% במערך אידיאלי ל-SNRco.

יתר על כן, הפיכה הדדית מעוות את החתימות המרחביות של האנאנטנות.האגוקטורים של הערוץ הופכים פחות אוטגוניים, והערך הייחודי מתפשט עלות, כלומר שהאגן החלש ביותר נושא מעט מאוד אנרגיה.זה ישירות מקטין את הרווח המכפלי המרחבי המגדיר את MIMO.

אותות-to- Noise Ratio ו-Givers

בתוכניות שונות (למשל, אלמוטי או יחס מקסימלי המשלב), הפיכה הדדית מפחיתה את עוצמת האות שהתקבלה באנטנות אינדיבידואליות משום שחלק מכוח האירוע מפוזר או נספג על ידי אלמנטים שכנים.באותו זמן, ההפיכה יכולה להגביר את רמת הרעש האפקטיבית אם האנאנטנות המשותפות מציגות אי התאמה לאתנים למגברי הפחתת רעש, מה שמפחית את יחס הרעש הכולל (NRS).

דאגה קשורה היא ההשפלה של רווח מגוון.עבור תרחיש קידוד ריילי, סדר המגוון של מערכת עם אנטנה ללא קור-קשר הוא Nr. הדדי הפיכה הציגה קורלציה, ביעילות מורידה את הסדר המגוון.לדוגמה, עם ארבע אנטנה זוג הדוק (הפצה -0.2λ, S12 ⁇ 5 dB), את המגוון האפקטיבי יכול לרדת ל 3 או 2, אפילו לעשות יותר פגיעים.

השפעה על Beamforming ו Array Gain

מערךים של Beamforming מסתמכים על שלב מדויק ועל מערכות יחסים בין אלמנטים.הפיכות הדדית משנה את דפוסי היסוד המוטבעים - דפוס אנטנה אחת כאשר כל האחרים נוכחים אך נגמרים.תבנית זו משנה את הכיוון של קרן הדבורים, מרחיבה את הדבורה העיקרית, וגורמת רמות של צד.ברי שלב, שינויים אלה מתורגמים לשגיאה מוגברת והפחתה ישירה, המשפיעה ישירות על המערך והיכולת של המערכת לדחות את ההפרעות.

עבור beamforming (למשל, תגובה מינימלית ללא עיוות), הפיכה הדדית עלולה לגרום לביטול אות או ביטול מילוי אם ההפיכה אינה אחראית על חישוב המשקל.

צילום וערוץ אסטימו

הערכת ערוץ ב המקלט לעתים קרובות מניחה שהאנטנות עצמאיות.ההפיכה ההדדית מציגה טרנספורמציה ליניארית קבועה (המטריקס ההפיכה C) נספג לתוך הערוץ היעיל H eff = C) H. אם ההפיכה הזאת אינה מחוסמת, היסטמטור רואה ערוץ מעוות, המוביל לשגיאה מקומת יותר והפסד מאוחר יותר בזיהוי.

הקידוד המקדם הקטן בין שתי אנאנטנות ניתן לקטוע מהתבניות המורכבות. A Rule-of- ⁇ for Good MIMO Performance הוא ⁇ < 0.5; הפיכה הדדית נוטה לדחוף גבוה יותר, במיוחד כאשר דפוסים חופפים חזק.

אסטרטגיות ל- Mitigate הדדי

מיקום ואוריינטציה

ההפחתה הפשוטה ביותר היא להגדיל את התכווצות - באופן מזערי 0.5λ או יותר מניבה מספיק נמוך עבור יישומים רבים.עם זאת, במכות סלולריות, מכשירים IoT, ומערךי MIMO מסיביים, שטח פיזי הוא בגיוון פרמיה.אוריינטציה (למשל, אוטאבדון קיטוב) יכול להפחית את ההפיכה אפילו במרכזי ספארקטיביים.

רשתות Decoupling

רשתות של קידוד Lumped-element decoupling (רשתות LC) מוכנסות בין נמלי אנטנה כדי לבטל את הדחף ההדדי.גישה קלאסית היא להוסיף ממריץ או רצף סדרה המהדהד עם התגובה ההדדית.עיצובים מתקדמים יותר משתמשים בסעיפים קו-line או מהפךים יעילים על רוחב פס צר, רשתות אלה להוסיף מורכבות ו, והם חייבים להיות מכוונן בקפידה עבור זוג אנטנה.

המונחים:

פופולרי בעיצובים ניידים, קו נייטרלי (NL) הוא רצועת מתכת דק המחברת שני הזנות אנטנה.על ידי התאמת אורך ומיקום של NL, ניתן להזריק זרם מגובש אשר מבטל את ההפיכה ההדדית. קווי Neutralisation הם פשוטים, בעלות נמוכה, ויכול להשיג 10-15B של שיפור בידוד על פני רוחב פס מתון.

מבנה אלקטרומגנטי (EBG)

מבנים EBG - דפוסים מתכתיים כרוניים של dielectric - לפעול כמו משטחים של ריכוז גבוה מדכאים את ההתפשטות של פני השטח בין אנאנטנות. על ידי גרד דפוס EBG מתאים על המטוס הקרקע בין אלמנטים, הפיכה גלי פני השטח ניתן להפחית על ידי 10-20 dB. Mushroom- EBGs נפוצים, אם כי הם להגדיל עובי תת-סטריט ועלויות ייצור הם מתאימים ביותר עבור מעגלים מקובלים על פני השטח.

מבנה קרקעי מוגן (DGS)

גרסה של EBG, מבנה קרקע פגומה מציג חריצים מכוונת או פגמים במטוס הקרקע כדי ליצור אפקט מסנן עצירה הלהקה כי חוסם תדרי הפיכה. DGS הוא פשוט כדי לדפוס אבל עשוי לקרין אותות מעוררי השראה ולשנות את רוחב הפס של האנטנה אם לא תוכנן בקפידה.

יסודות פרדוקסטיים ו resonators

הוספת אלמנטים טפיליים פסיביים (למשל, גרף גלי פתוח רבע-גל) בין אנאנטנות מונעות יכול להפנות את השדות המעודנים הרחק מהנמל השכן.המורה הפרסיטי פועל כמסנן של הלהקה, הממוקד בתדירות התפעולית.טכניקה זו משמשת לעתים קרובות כדי decouple אנטנות מעוקלות היטב עם אחוזה מינימלית יותר.

המונחים:

ברמת המערכת, הפיכה הדדית ניתן מודלק לפצות על השימוש בקידוד דיגיטלי או שווה.לדוגמה, בהגדרה בסיסית עם מאטרקסיזציה ידועה, ניתן לקבוע מראש את האותות המועברים כך שהשדות המתוונים היעילים הופכים אוטגוניים באופן דומה, במקלט, את מריצה ההפיכה ניתן להעריך ולהמנע בבסיס זה.

נושאים מתקדמים: שיתוף פעולה הדדי במערכות מודרניות

MIMO ו-Common Coupling

Massive MIMO (hundreds ofאנטנות בתחנת הבסיס) מסתמכ על החוק של מספרים גדולים בממוצע על העיוות הקטן, בעוד שהפיכה הדדית עדיין גורמת לתואם, ההשפעה שלו מעט מלוטשת על ידי מספר המרכיבים.עם זאת, הפיכה יכולה ליצור אפקט "beam ⁇ " - שבו התבנית היעילה של כל אלמנט שונה - מסבך את המידות ופעולות מדידה מסיביות כבר מציעים.

5G mmWave ו- Sub-6 GHz Arrays

בתדרי גל מילימטר (למשל, 28 GHz, 39 GHz), אנטנות משולבות לעתים קרובות בתוך חבילה אחת או על שבב.אורך הגל הקטן פירושו שאפילו סובלנות ייצור זעירה יכולה לשנות באופן משמעותי את ההפיכה. הפיכה. Substrate-integate-intrated Wave (SIW) ו- על גבי אנטנות שבב עם תצוגות גבוהות של אנטנות תת-קרקעיות יכולות לשנות באופן משמעותי את ההפיכה של 5, אך לא ניתן למזערי את המודולציה רק עבור מודולים של ציוד משותף (SIGup) אך ורק עבור מודולים.

משטחים חכמים (RIS) ו- MIMO

טכנולוגיית RIS משתמשת במערך רחב, פסיבי של תאים יחידה כדי לעצב את הסביבה ה propagation.כאשר אלמנטים RIS ארוזים בקפידה, הפיכה הדדית בין תאי היחידה הופכת לשיקול עיצוב - זה יכול לעזור על ידי הרחבת טווח הכוונון או degrade את הביצועים של שלב שינוי. coupling-aware Unit-aware Unit-cell עיצוב הוא תחום מתפתח של מחקר, עם מערכי משותף המציעים חדשים של חופש להיות מערכי תקשורת.

Machine Learning for Mutual Coupling Mitigation

ההתקדמות האחרונה משתמשת ברשתות עצביות כדי לחזות את המטריקס ההפיכה מפרמטרים גיאומטריים של אנטנה או לעצב רשתות decoupling באופן אוטומטי.רשת עצבית המוכשרת על נתונים סימולציה גלית מלאה יכולה להתאים את האנטנה ספאקינג, מתפתלת לאורך קו, או EBG יחידת תא ממדים הרבה יותר מהר מאשר פותרים מסורתיים.

מסקנה

הפיכה הדדית של אנטנה נשאר גורם קריטי שיכול לערער את היתרונות התיאורטיים של מערכות MIMO. מצמצום יכולת הערוץ ומגוון הרווח לעוות את דפוסי הדבורה וליצור שגיאות estimation, ההשפעות שלה הן רחבות טווח ולעתים קרובות עדינות. כמו מערכות אלחוטיות ממשיכות לארוז יותר אנאנטנות לתוך גורמים בצורת שטיפה אי פעם, וכפועלות משתנות גבוה יותר לתוך ספקטרום ה- גלקסיות מילימטריות, הבנה וניתות הופכות יותר חשוב יותר מאי פעם.

למרבה המזל, קבוצה עשירה של אסטרטגיות הקטנת זמינה – החל ממגוון קלוש וקליקט ועד רשתות מתקדמות של טיהור, EBG מבנים, ופיצול דיגיטלי.אין גישה אחת אופטימלית באופן אוניברסלי; הפתרון הטוב ביותר תלוי במגבלות הספציפיות של החלל, רוחב פס, עלות וטכנולוגיית ייצור בעתיד.

(ב) עיין בספרי לימוד קלאסיים כגון:0Balanis' FLT:1 ;2,3;2,5 ;2,5 ;2; ; ; ; ; ; ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇