האתגר של קומפקטית Antenna במכשירים מודרניים Wireless

כמו מכשירים ניידים מתכווץ ואינטרנט של הדברים מתרחב לכל דבר מצופים חכמים לחיישנים תעשייתיים, האנאנטנות בתוכם חייבות לעשות יותר עם עיצובים פחות מ- Space-consated - טלפונים חכמים, לבישים, שיפורים רפואיים מושתלים, ו- קומפקטיים IoT - אנאנטנות הדורשות המספקות קצבי נתונים גבוהים, קישוריות אמינה וביצועים חזקים בפני שינויים אוריינטציה ועיוותים.

מאמר זה חוקר את היסודות של קיטוב מעגלי ו- MIMO, את המכשולים הספציפיים מול כאשר אנטנות מתכווץ, את החידושים האחרונים בעיצוב אנטנה CP MIMO, ואת המדדים המשמשים כדי להעריך ביצועים.We גם להסתכל על יישומים בעולם האמיתי ואת המסלול העתידי של הטכנולוגיה הזו כמו 5G ו 6G מתגלגל החוצה.

יסודות של Polarization ו- MIMO

יסודות Polarization

בתקשורת אלחוטית, אנטנה קורנת גלים אלקטרומגנטיים עם קיטוב מסוים.ה קואר קוטביזציה (מופת או אופקי) הוא נפוץ, אבל קיטוב מעגלי מציע יתרונות נפרדים.גל מקוטב מעגלי יש וקטור שדה חשמלי שמסתובב בדפוס הליקלי כפי שהוא propagates. סיבוב זה יכול להיות יד ימין (RCP) או יד שמאל (LHCP).

היתרון המרכזי של CP מופחת רגישות לאנטנה. במערכות מקוטבות ליניאריות, אי התאמה בין משדר ואנטנות מקלט (לדוגמה, אנטנה אנכית מתקשרת עם אוריינטציה אופקית) יכול לגרום לאובדן משמעותי - לעתים קרובות 20 dB או יותר סירקיזציה מעגלית שומר על העברת כוח קבוע יחסית ללא קשר לסיבוב יחסי, מה שהופך אותו אידיאלי עבור מכשירים ידניים וצפוניים שבו אוריינטציה בלתי צפויה.

בנוסף, גלי CP מושפעים פחות מהשתקפות רב-פתטית.כאשר אות קופץ מקירות, רצפות או אובייקטים אחרים, הקיטוב שלה עשוי לסובב. אותות מקוטבים באופן מעגלי נוטים לשנות כיוון ספין על השתקפות (RHCP הופך ל-LHCP), כך האנטנה המקבלת יכולה לדחות את הגל המשקף אם הוא מיועד רק יד אחת.

טכנולוגיית MIMO

MIMO (multiple-input מרובות- ⁇ ) משתמש באנטנות מרובות בשני משדרים ומקבלים ליצירת מספר זרמי נתונים מקבילים. על ידי ניצול מספר עצום של מספר מרחבי, MIMO יכול להגדיל את דרך התפוקה ללא רוחב פס נוסף או להעביר כוח.במכשירים מאומנים בחלל, עם זאת, אריזה אנאנטנות מרובות היא מאתגרת בגלל המרחב הפיזי המוגבל והצורך לשמור על קשר הדוק בין אלמנטים גבוהים.

למה לשלב את Polarization עם MIMO?

הגדלת CP עם MIMO מספקת יתרון כפול.ראשון, קיטוב מעגלי יכול לשפר את ביצועי MIMO על ידי צמצום הרגישות זווית-של-ריוול ושיפור המגוון הקיטוב.שני, MIMO עוזר להשיג שיעורי נתונים גבוהים יותר אפילו בגורמים קטנים.השילוב הוא חזק במיוחד עבור מכשירים כי חייב לפעול בסביבות רב-פת, כגון חיישנים עיר חכמה או 5G סמארטפונים.

אתגרים ב-Space-Consated Devices

תכנון CP MIMO אנאנטות למכשירים קומפקטיים כולל מספר התנגשויות.המגבלה הבסיסית היא הקשר בין גודל אנטנה ואורך גל. קריין יעיל בדרך כלל דורש נפח מינימלי על סדר של אחד של אורך גל.עבור תת- 6 GHz 5G להקות (למשל, 3.5 GHz), המתורגמת לממדים סביב 8-10 מ"מ, אשר יכול להיות קשה כדי להתאים לצד רכיבים אחרים.

גודל מול ביצועים

ככל שאלמנטים אנטנה מתכווץ, רוחב הפס שלהם ורווח בדרך כלל סובלים.אנטנה קטנה של טלטל עשוי להיות רוחב פס צר ויעילות קרינה נמוכה. coupling בין רכיבי MIMO ממוחזרים היטב ביצועים נוספים.מהנדסים חייבים לאזן את טביעת הרגל של האנטנה עם היכולת שלה לשמור על <חזק>ה>הדלקת> (בדרך כלל טוב יותר מ-15B) ו C).

טכניקות הדדיות וטכניקות של

כאשר אנאנטנות ממוקמות בתוך חלק של אורכי גל, הן אינטראקציה אלקטרומגנטית.ההפיכה הדדית זו משנה את הדחף קלט, מעוות את דפוסי הקרינה, ומגדילה את הקורלציה. כדי להילחם בזה, מעצבים משתמשים בטכניקות מחוסמות כגון קווי ניטרליזציה, מבנים קרקעיים פגומה (DGS), אלמנטים טפילים ואפילו מזחלות אלקטרומגנטיות (EBG) שיטות אלה להוסיף מורכבות אבל ביעילות יכול להפחית את ההפיכה מתחת ל-DBG.

Bandwidth ו- Polarization Purity

(הקוטב של Circularization דורש שני מצבי אורתול עם שינוי של 90 מעלות.Achieving זה על רוחב פס רחב באנטנה קטנה קשה.TheFLT:0axial יחס מובנים 1 (AR), אשר מודד כמה קרוב הקוטב הוא לעיגול אידיאלי, צריך להיות מתחת 3DB מעל פני הלהקה הפעלה.

חידושים בעיצוב לאחרונה ב-CP MIMO Antennas

חוקרים ומהנדסים פיתחו מגוון של גישות יצירתיות כדי להתגבר על המגבלות של גורמים קטנים.החידושים הבאים הם בעלי ערך מיוחד.

מבנה מטא-חומרי ומטה-surface

חומרים מטאחומריים הם חומרים מהונדסים מלאכותיים שתכונות אלקטרומגנטיות שלהם אינן נמצאות בטבע. על ידי סידור תאי יחידת תת-גלכי, מעצבים יכולים ליצור ערכים המאפשרים יעילים וערכי יכולת שלילי או ליד אפס.חומרים אלה יכולים לכווץ את גודל האנטנה תוך שמירה על ביצועים. עבור CP MIMO אנאנטות, עיצובים המבוססים על חומרים כוללים:

  • (ב) [15] ,9) ,5 ,2, ,2 ,2 , , , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) Metasurface SuperstratesFLT:1) ממוקם מעל האנטנה כדי לשפר את רוחב הפס היחסי ולקבל. A metasurface עם מערך מחזורי של כתמים מוליכים יכול להמיר גלים לינאריים מקוטבים מעגלי ובו זמנית להגדיל את בידוד.
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

לדוגמה, עיצוב 2023 שפורסם ב FLT:0 ;0 [IEEE Antennas ו-WiFial Proagation LettersFLT:1 השתמש metasurface עם 4×4 כרוני רבועים כדי להשיג רוחב פס של 20% ו- 12 AR רוחב רוחב רוחב פס עבור אנטנה של 2-element CPMO רק 0.3 × 0.3 בגודל של ECC היה מתחת ל-0.1.

מבנה קרקעי מוגן (DGS)

DGS כולל דפוסים של הגרד לתוך המטוס הקרקע של מעגל. פגמים אלה ליצור תכונות פס קבוצתי או פס קבוצתי, אשר ניתן להשתמש כדי לדחות הפיכה הדדית לא רצויה.צורות DGS כוללים פעמון, ספירלה, ו חריצים מלנדר. ב CP MIMO אנטנה, DGS יכול לשפר בו זמנית את בידוד ולשפר את רוחב הפס על ידי להפריע את ההפצה הנוכחית. A-DGS מעוצב היטב יכול להפחית את ההפיכה בין אלמנטים מ- MI25 ל-DB.

3D הדפסה ותוספת ייצור

ייצור תוספתי מאפשר גיאוגרפיות תלת מימדיות מורכבות שאינן אפשריות למרקם עם תהליכים מסורתיים של PCB. אנטנות מודפסות תלת מימד יכול לשלב חומרים דיאלקטריים ומוליכים בצורות מותאמות אישית, ומאפשרות:

  • (ב) ויקרא י"א) ו[[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]] ו[[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]
  • (ב) אנטנות קונפורפורמנטליות (FLT) 1 (בקיצור:0) אשר עוטפים סביב משטחים מעוקלים של מכשירים או מסגרת מזל"טים.
  • (ב) ,0) ,ב"מ, עיין ב[[המאה ה-20]], ב[[1924]], ב[[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]

דוגמה אחת היא אנטנה של helix 3D-printed quadrifilar helix (QHA) המיועדת ל- CubeSat.למרות שלא MIMO, אותן טכניקות מוחלפות למערך MIMO שבו כל אלמנט הוא CPator בעל 3D מודפס.האתגר נשאר לשלב מבנים כאלה למכשירים צרכניים מופצים במסה, אך עבור יישומי IoT מיוחדים ואוויר, ייצור תוספת כבר קיימא.

עיצוב כפול-Band ו- Wideband CP MIMO

מכשירים אלחוטיים מודרניים חייבים לכסות להקות תדר מרובות - לדוגמה, 2.4 GHz Wi-Fi, 5 GHz Wi-Fi, Bluetooth ולהקות סלולריות שונות (LTE, 5G תת- -6 GHz) אנטנה אחת CP MIMO שעובדת על פני להקות רבות חוסכת חלל ומפשטת את קצה החזית RF.

  • (ב) ,0) מרביד מהדהד את מצב ה- 1 (בשיתוף עם L-probe Feeds או הפיכה.
  • (ב) ,0) אנטנות חתומות עם פינות מחוספסות ו-SelitsFLT:1 כדי ליצור שני מצבי אורתול.
  • (FLT:0) ⁇ ⁇ ⁇ 1:1 שבו שני כתמים חוזרים בתדרים שונים ולשתף רשת להאכיל משותפת. גישה זו יכולה להניב שתי להקות מקוטבות באופן מעגלי עצמאי עם בידוד גבוה.

לדוגמה, מאמר 2024 תיאר אנטנה של 4 CP MIMO המכסה את 2.4-2.5 GHz ו 4.9-5.1 GHz להקות (Wi-Fi 2.4/5) באמצעות טבעת דה-קופסלינג ו- DGS.הנפח הכולל היה 50 × 50 × 1.6 מ"מ3, מתאים למרכז בית חכם.

ביצועים והערכה

הערכת אנטנה של CP MIMO דורשת יותר מאשר אובדן החזרה (S11) ורווחה. המדדים הבאים הם קריטיים.

Axial Ratio (AR)

יחס צירי מחלחל אל החמקמקות של הקיטוב.גל מקוטב מעגלי אידיאלי יש AR של 0 dB (רכיבי אוטוקונים) בפועל, AR ⁇ 3 dB נחשב מקובל. עבור יישומי MIMO, רוחב הפס AR חייב לכסות את כל הלהקה התפעולית.

⁇ (S21)

בידוד חד אנטנות אחד דולף לתוך השני.עבור MIMO, S21 צריך להיות יותר טוב מ -15 dB, ולעתים קרובות -20 dB הוא הרצוי. בדידות נמוכה מובילה להפיכה הדדית גבוהה, אשר מפחית את היעילות ומגדיל את הטכניקות של ECC. Decoupling (DGS, ניטרליזציה קווי וכו ') נדרשים לעתים קרובות לעמוד בדרישות אלה במערך קומפקטי.

Envelope Correlation Coefficient (ECC)

ECC מציין כיצד שני סניפי אנטנה מתפוגגות.ערך מתחת ל-0.5 מקובל בדרך כלל על מגוון / MIMO, אך עבור יישומים בעלי ביצועים גבוהים (למשל, 4×4 MIMO ב-5G), ECC מתחת ל-0.10 ניתן לחשבונך מ-S-parameters או מתבניות מרוחקות של שדה נמוך. ECC חיוני להשגת רווח מלא.

קבל ויעילות

אנטנה קטנה סובלת באופן חדיר מרווח נמוך ויעילות עקב התנגדות קרינה והפסדים הומימיים.עבור CP MIMO אנטנה, עלייה טיפוסית של עלייה מ 1 עד 5 dBi, בהתאם לגודל.יעילות צריכה להיות מעל 60% עבור רוב היישומים. A Trade-off קיים: שיפור רוחב פס או AR לעתים קרובות להפחית את רווח. מהנדסים חייבים להתאים את מקרה השימוש הספציפי.

יישומים ב-Space-Consated Devices

טלפונים חכמים ו Tablets

טלפונים חכמים מודרניים כבר להשתמש MIMO (2×2, 4×4) עבור LTE ו- 5G, אבל רוב השימוש באנטנות מקוטבות ליניארית.הצגת CP יכול לשפר ביצועים במהלך שיחות קוליות או הזרמת וידאו כאשר הטלפון מוחזק בזווית שונות.האתגר משלב אלמנטים CP לתוך שטח הטלפוני המוגבל ללא הפרעה עם אנטנה אחרת (GPS, Wi-Fi, NFC) מדגים אבטיפוס של 60 מ"מ"מ בגודל של מילימטר של macx.

ללבוש

שעונים חכמים, עוקבים כושר, ומשקפיים מציאות מוגברת יש אפילו מגבלות שטח הדוק יותר. שעון חכם טיפוסי יש קוטר של 40-50 מ"מ, הגבלת מיקום האנטנה לתצוגה perimeter או רצועת. CP MIMO יכול לספק Bluetooth אמין או 5G קישוריות אפילו כאשר הזרוע של הטלטור נעה. מצע גמיש ועיצובים 3D-rated בהתאמה הם מבטיחים במיוחד עבור קטגוריה זו.

חיישנים של IoT ו-Smart City Nodes

חיישני סביבה, מ"ר שירותים ובניית מכשירים אוטומציה לעתים קרובות צריך לתקשר על פני מרחקים ארוכים עם כוח נמוך (LoRa, NB-IoT) אנטנות CP לשפר את חוזקות הקישור בסביבות מחוספסות, בעוד MIMO יכול להגדיל נתונים מצטברים באמצעות ספוט עבור מרכזי חיישן.מודולים רבים IoT הם רק כמה סנטימטרים מעבר, מה שהופך CPMO מערכי מפתח עבור תשתיות חכמות הבאות.

רשתות של Implants ו- Body Area

מכשירים רפואיים מושתלים (pacemakers, נוירו-סנסולטורים) דורשים אנאנטות כי הם ביו-תואמים ופועלים באופן אמין בתוך הגוף האנושי - בינוני, heterogeneous. Circularization עוזר כי הכיוון של השתל עשוי להשתנות לאחר השתלת.טכניקות MIMO יכול לשפר את שיעור הנתונים עבור העברת תמונות ברזולוציה גבוהה או ניטור נתונים. A 2022 הראה מחקר שני-eCPlement עבור אנטנה 10 / mMO2 (D) עם 10 = 10 מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ נמוך יותר מ - 10 / 10 / 2.

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

5G ו- 6G אינטגרציה

רשתות הדור החמישי (5G) פועלות הן תת--6 GHz והן מילימטר גלי (mmWave) להקות. עבור תת- 6 GHz, אנטנות CP MIMO חייבות לכסות להקות מרובות (למשל, n41, n78) עם בידוד טוב.ב- At mmWave תדרים, 39 GHz), אנטנה הם זעירים - לעתים קרובות על מנת כמה מילימטרים - ו-CP של טרה- אפילו יותר חשוב כדי לדחוף חומרים סגסוגת דיסקרטיקולאריבית (D).

גמישות ומתיחה של Antennas

מכשירים לבישים דורשים יותר ויותר אנאנטנות שיכולות להיות מתוחות ומתמתחות ללא שבר.סגסוגת מתכת נוזלית (למשל, EGain) ופולימרים מוליכים מאפשרים עיצובים גמישים של CP MIMO. החוקרים הוכיחו אנטנה CP על תת-שכבות סיליקון כי לשמור AR מתחת 3DB אפילו לאחר 50% מתחנן תצורה של MIMO על טקסטיל גמישים נחקר גם עבור בגדים חכמים.

AI-Driven Antenna Design

למידת מכונה ואלגוריתמים אבולוציוניים משמשים לאופטימיזציה של גיאומטריה אנטנה באופן אוטומטי.על ידי ציון מטרות ביצועים (גודל, רוחב פס, AR, בידוד), רשתות עצביות יכולות לייצר פריסות לא קונבנציונליות שבני אדם לא יכולים לשקול. גישה זו כבר יצרה אנטנה של CP MIMO עם יותר מולטי-conjective סחר-offs מאשר עיצובים ידניים.

מסקנה

הנישואין של קיטוב מעגלי וטכנולוגיה MIMO מתייחסות לשתי צרכים בסיסיים של מכשירים אלחוטיים מודרניים: קישוריות אמינה בסביבות דינמיות ויעילות ספקטרליות גבוהה.חדשנות כגון metamaterials, מבנים פגומים קרקע, הדפסה תלת מימדית, וטכניקות עיצוב פס רחב מאפשרים לממש את האנטנות האלה במגבלות הדוקות של טלפונים חכמים, עונדים, חיישנים, והשתלות רפואיות.

בעוד אתגרים נשארים - במיוחד בשמירה על יחס צירי נמוך, בידוד גבוה, ורווחה נאותה בו זמנית - קצב ההתקדמות הוא מהיר. כמו 5G ו -6G סטנדרטים מתפתחים וגורמי טופס המכשיר הופכים אפילו קטנים יותר, מקוטבים באופן מעגלי, יהיה לשחק תפקיד מרכזי יותר במתן אפשרות לחוויות האלחוטיות שצרכנים ומצפים.

(ב) לקריאה נוספת, לחקור את ה-FLT:0;0) אנטנות ומכתבים להפצת מכשירים אלחוטיים (FLT:2;2; אנטנה-המדריך של Antenna-theory.com על מנת לקוטב מעגלי של קיטובים 3 עבור ידע בסיסי בעיצוב מעשי ניתן למצוא הנחיות עיצוב מעשי ב-FLT:4: