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एंटीना सरणी आधुनिक वायरलेस संचार के लिए बुनियादी हैं, बीमफॉर्मिंग, स्थानिक विविधता और उच्च-गैन संकेत संचरण को सक्षम करते हैं। उन अनुप्रयोगों में जहां अंतरिक्ष को बाधित किया जाता है - जैसे कि स्मार्टफोन, आईओटी डिवाइस और सैटेलाइट टर्मिनल - कॉम्पैक्ट एंटीना सरणी आवश्यक हैं। हालांकि, एंटीना तत्वों के बीच रिक्ति को सिकुड़ने से आपसी युग्मन के रूप में जाना जाने वाला एक महत्वपूर्ण विद्युत चुम्बकीय संपर्क शुरू होता है। यह घटना गंभीर रूप से सरणी प्रदर्शन को कम कर सकती है, विकिरण पैटर्न को बदल सकती है, प्रतिबाधा मिलान और समग्र प्रणाली दक्षता। पारस्परिक युग्मन की भौतिकी को समझना और प्रभावी शमन रणनीतियों को लागू करना 5G, 6G और उन्नत रडार सहित अगली पीढ़ी के वायरलेस सिस्टम को डिजाइन करने के लिए आवश्यक है।
एंटीना ऐरे और म्यूचुअल युग्मन के मूल
मूल Array सिद्धांत
एक एंटीना सरणी में कई विकिरण तत्व होते हैं जो वांछित विकिरण पैटर्न का उत्पादन करने की व्यवस्था करते हैं। प्रत्येक तत्व के उत्तेजना के आयाम और चरण को नियंत्रित करके, सरणी इलेक्ट्रॉनिक रूप से बीम को प्रेरित कर सकती है, प्रत्यक्षता बढ़ा सकती है, और हस्तक्षेप को दबा सकती है। आदर्श सरणी कारक की गणना इस बात को समझने की जाती है कि प्रत्येक तत्व स्वतंत्र रूप से विकिरण करता है - एक धारणा जो तत्वों को बारीकी से स्पेस किया जाता है। कॉम्पैक्ट सरणी में, एक तत्व का विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र निकटवर्ती तत्वों पर धाराओं को प्रेरित करता है, जिससे उनके प्रभावी उत्तेजना को संशोधित किया जाता है और संयुक्त पैटर्न को विकृत किया जाता है।
पारस्परिक युग्मन तंत्र
पारस्परिक युग्मन एंटेना के बीच निकट क्षेत्र की बातचीत से उत्पन्न होता है। जब एक तत्व संचालित होता है, तो यह बिजली और चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है जो पड़ोसी तत्वों पर लगाता है, वोल्टेज और धाराओं को प्रेरित करता है। इन माध्यमिक स्रोतों को फिर से विकिरणित किया जाता है, जो मूल क्षेत्र वितरण को विकृत करता है। युग्मन की ताकत तरंग दैर्ध्य के सापेक्ष तत्वों, एंटेना के अभिविन्यास और सब्सट्रेट गुणों के बीच की दूरी पर निर्भर करती है। आधे से कम तरंग दैर्ध्य वाले तत्व रिक्ति वाले कॉम्पैक्ट सरणी में, युग्मन महत्वपूर्ण हो जाता है और सिस्टम डिजाइन में नजर नहीं रख सकता है। प्रभाव गणितीय रूप से आपसी प्रतिबाधा मैट्रिक्स जेड द्वारा वर्णित है, जहां ऑफ-डायगोनल शब्द तत्वों के जोड़े के बीच बातचीत का प्रतिनिधित्व करते हैं।
ऐरे पर विस्तृत प्रभाव
विकिरण पैटर्न विरूपण
म्यूचुअल युग्मन तत्व पैटर्न के परिमाण और चरण दोनों को विकृत करता है। एक आदर्श सरणी में, कुल पैटर्न तत्व पैटर्न और सरणी कारक का उत्पाद है। युग्मन पैटर्न विविधताओं को पेश करता है जो सभी तत्वों की उत्तेजना स्थिति पर निर्भर करता है, जिससे बीम squinting, बढ़े हुए sidelobe स्तर और null भरने की ओर जाता है। चरणबद्ध सरणी के लिए, यह मुख्य बीम को इच्छित दिशा से स्थानांतरित करने का कारण बन सकता है, उपग्रह ट्रैकिंग और रडार लक्ष्यिंग जैसे अनुप्रयोगों को गंभीर रूप से प्रभावित कर सकता है। विरूपण आवृत्ति-निर्भर है, जो अनुनाद के पास अधिक स्पष्ट हो जाता है।
इनपुट प्रतिबाधा और मिलान
प्रत्येक एंटीना तत्व के इनपुट प्रतिबाधा को पड़ोसियों की उपस्थिति से बदल दिया जाता है। एक युग्मित सरणी में, बंदरगाह पर देखी गई प्रतिबाधा के रूप में स्वयं-प्रतिष्ठा में परिवर्तन में पारस्परिक प्रतिबाधा से योगदान शामिल है। यह धुंध फीड नेटवर्क से बिजली हस्तांतरण को कम करती है और महत्वपूर्ण प्रतिबिंब पैदा कर सकती है, विशेष रूप से तंग रिक्ति के साथ सरणी में। सक्रिय प्रतिबाधा - प्रतिबाधा जब सभी तत्वों को संचालित किया जाता है - स्कैन कोण के आधार पर व्यापक रूप से भिन्न हो सकती है, जिससे कुछ कोणों पर अंधापन को स्कैन किया जाता है जहां प्रतिबाधा पूरी तरह से प्रतिक्रियाशील हो जाती है। कॉम्पैक्ट सरणी में मिलान करने वाले चौड़े खंडों को हासिल करने के लिए युग्मन प्रभावों पर ध्यान रखने की आवश्यकता होती है।
दक्षता और लाभ में कमी
युग्मित तत्वों से हारने वाली ऊर्जा का उद्देश्य दिशा में विकिरणित नहीं होती है। इसके बजाय, कुछ शक्ति पड़ोसी भार में असंतुष्ट होती है या फिर यादृच्छिक चरण के साथ विकिरणित होती है। इससे सरणी की समग्र विकिरण दक्षता को कम कर देता है। इसके अलावा, प्रतिबाधा धुंध आगे हानि को बढ़ाती है। संयुक्त प्रभाव महसूस किया गया लाभ में कमी है, अक्सर अत्यधिक युग्मित सरणी में कई डेसिबलों द्वारा। कॉम्पैक्ट एमआईएमओ सिस्टम के लिए, यह दक्षता सीधे संकेत-से-नाम अनुपात और डेटा थ्रूपुट को प्रभावित करती है।
बीमफॉर्मिंग और दिशा खोज त्रुटियाँ
दिशा-निर्देश-अग्रिम (DOA) अनुमान और अनुकूली बीमफॉर्मिंग एल्गोरिदम सरणी मैनिफोल्ड के सटीक ज्ञान पर निर्भर करते हैं - सभी कोणों के लिए स्टीयरिंग वेक्टर का सेट। म्यूचुअल युग्मन अज्ञात चरण और आयाम त्रुटियों को पेश करता है जो कई गुना को भ्रष्ट करता है, जिससे पूर्वाग्रह कोण अनुमान और खराब हस्तक्षेप शून्य होता है। अंशांकन तकनीक आंशिक रूप से इन त्रुटियों को ठीक कर सकती है, लेकिन तापमान, संरचनात्मक कंपन या निकट क्षेत्र के बिखरने के कारण समय-समय पर युग्मन एक चुनौती बनी हुई है। बड़े पैमाने पर एमआईएमओ और मिलीमीटर-तरंग सरणी में, युग्मन त्रुटियां अधिक जटिल हो जाती हैं क्योंकि तत्वों की संख्या बढ़ जाती है।
आधुनिक वायरलेस सिस्टम पर प्रभाव
एमआईएमओ और 5 जी / 6 जी संचार
एकाधिक इनपुट एकाधिक आउटपुट (MIMO) सिस्टम क्षमता बढ़ाने के लिए स्थानिक बहुसंकेतक का उपयोग करते हैं। उपयोगकर्ता उपकरणों में कॉम्पैक्ट MIMO सरणी एंटीना चैनलों के बीच कम सहसंबंध पर निर्भर करती हैं। म्यूचुअल युग्मन सहसंबंध की शुरूआत करता है, जिससे स्वतंत्र स्थानिक धाराओं की प्रभावी संख्या कम हो जाती है। बड़े पैमाने पर MIMO के साथ 5G बेस स्टेशनों में, सैकड़ों तत्वों को एक छोटे क्षेत्र में पैक किया जाता है; युग्मन बीमफॉर्मिंग सटीकता को कम कर सकता है और क्षमता को कम कर सकता है। 6G के लिए, जो छोटे रूप कारकों के साथ उप-टेराहर्ट्ज फ़्रिक्वेंसी का उपयोग कर सकता है, नई युग्मन शमन तकनीक महत्वपूर्ण हैं।
रडार और सेंसिंग एप्लीकेशन
मोटर वाहन रडार, सिंथेटिक एपर्चर रडार (एसएआर) और चरणबद्ध-array मौसम रडार सटीक बीम स्टीयरिंग और कम sidelobes पर निर्भर करता है। कॉम्पैक्ट रडार सरणी में पारस्परिक युग्मन कोण अनुमान त्रुटियों और झूठे लक्ष्यों का कारण बनता है। मोटर वाहन रडार 77 GHz पर काम करते हुए, छोटे एंटीना रिक्ति को बम्पर और ग्रिल में एकीकरण के लिए आवश्यक है; युग्मन कोणीय रिज़ॉल्यूशन को सीमित करता है। [FLT: 0] आधुनिक रडार सिस्टम [FLT: 1] डिजिटल बीमफॉर्मिंग और अंशांकन एल्गोरिदम को रोजगार देते हैं जो युग्मन के लिए जिम्मेदार हैं, लेकिन हार्डवेयर डिकॉपिंग सादगी के लिए पसंद किया जाता है।
शमन तकनीक का विस्तार
भौतिक पृथक्करण और सब्सट्रेट इंजीनियरिंग
युग्मन को कम करने के लिए सबसे सीधा दृष्टिकोण तत्व रिक्ति को बढ़ाता है, लेकिन यह अक्सर आकार की बाधाओं के कारण असंभव है। इंजीनियर्स इसके बजाय प्रभावी विद्युत दूरी को कम करने के लिए उच्च-प्रेरितता सब्सट्रेट का उपयोग करते हैं, लेकिन यह सतह की लहरों को उत्तेजित कर सकता है जो युग्मन को बढ़ाते हैं। आवधिक संरचनाओं के साथ ढांकता हुआ अनुनादक और इंजीनियर सब्सट्रेट सतह की लहरों को दबा सकते हैं। एक आम जमीन के समतल के विपरीत तरफ एंटीना को रखकर या स्टैक्ड कॉन्फ़िगरेशन का उपयोग करके अलगाव को भी बेहतर बनाता है, जिससे मोटाई में वृद्धि होती है।
डीकूपलिंग और मिलान नेटवर्क
निष्क्रिय एकमुश्त-element नेटवर्क को आपसी प्रतिबाधा को रद्द करने के लिए एंटीना बंदरगाहों के बीच डाला जा सकता है। ये नेटवर्क अक्सर एक युग्मित-लाइन या ट्रांसफार्मर टोपोलॉजी पर आधारित होते हैं, सम्मिलन हानि को जोड़ते हैं और बोर्ड स्थान पर कब्जा करते हैं। नकारात्मक प्रतिबाधा परिवर्तकों का उपयोग करके सक्रिय डीकूपलिंग तकनीक अनुकरण में वादा दिखाते हैं लेकिन स्थिरता के मुद्दों से ग्रस्त होते हैं। संकीर्ण अनुप्रयोगों के लिए, स्टब आधारित मिलान एक एकल आवृत्ति पर पारस्परिक युग्मन के लिए क्षतिपूर्ति कर सकता है। वाइडबैंड डीकूपलिंग एक सक्रिय अनुसंधान क्षेत्र बना रहता है; देखें Johanson प्रौद्योगिकी के decoupling समाधान ] व्यावहारिक उदाहरण के लिए।
विद्युत चुम्बकीय Bandgap (EBG) और मेटामटेरियल संरचनाएं
EBG संरचनाओं आवधिक पैटर्न है कि सतह तरंगों के लिए एक स्टॉपबैंड बनाने, ऊर्जा को एंटेना के बीच प्रचार से रोकता है। सरणी तत्वों के बीच EBG कोशिकाओं को रखने से, अलगाव को विकिरण पैटर्न को काफी प्रभावित किए बिना 10-20 डीबी तक सुधार किया जा सकता है। मेटामटेरियल-प्रेरित decouplers, जैसे विभाजित-रिंग अनुनादक या पूरक विभाजन-रिंग अनुनादक, सबवेव लम्बाई अलगाव प्रदान करते हैं। ये संरचनाएं संकीर्ण हैं लेकिन ऑपरेटिंग आवृत्ति को देखते हैं। विकिपीडिया पर Electromagnetic Bandgap ट्यूटोरियल सिद्धांतों का एक अच्छा अवलोकन प्रदान करता है।
पैरासिटिक तत्वों का उपयोग करके उन्नत डीकूपलिंग
संचालित तत्वों के बीच रखी पैरासिटिक एंटेना तटस्थता लाइनों के रूप में कार्य कर सकते हैं, पारस्परिक युग्मन को रद्द करने के लिए चरण से बाहर युग्मन ऊर्जा। यह तकनीक हैंडसेट एंटीना अलगाव में आम है। परजीवी तत्वों को सावधानीपूर्वक युग्मित आवृत्ति पर सही प्रतिबाधा पेश करने के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए। मल्टीबैंड सरणी के लिए ऐसी संरचनाओं के डिजाइन को स्वचालित करने के लिए मशीन लर्निंग ऑप्टिमाइज़ेशन का हाल ही में उपयोग किया गया है।
मापन और आपसी युग्मन की विशेषता
S-Parameter मापन
पारस्परिक युग्मन को सरणी के बिखरने वाले मापदंडों द्वारा मात्राबद्ध किया जाता है। दो तत्वों के बीच युग्मन गुणांक ] |S]21]]] |], एक वेक्टर नेटवर्क विश्लेषक (VNA) के साथ मापा। एक एन-element सरणी में, पूर्ण S-matrix में ऑफ-डायगोनल पर विकर्ण और युग्मन की शर्तों पर स्वयं-अध्याय शब्द शामिल हैं। एक अच्छी तरह से युग्मित सरणी के लिए, ] |S21[FLT]
पारस्परिक युग्मन गुणांक और ऐरे कैलिब्रेशन
एस-parameters से परे, पारस्परिक युग्मन मैट्रिक्स (MCM) को ज्ञात घटना क्षेत्रों के तहत मापा गया संकेत वोल्टेज से निकाला जाता है। इस मैट्रिक्स का उपयोग बीमफॉर्मिंग एल्गोरिदम को कैलिब्रेट करने के लिए किया जाता है। ओपन-सर्किट वोल्टेज विधि या अधिकतम संभावना दृष्टिकोण जैसे तकनीक सटीक अनुमान प्रदान करती हैं। स्वचालित निकट क्षेत्र स्कैनिंग सिस्टम सरणी एपर्चर के पार पारस्परिक युग्मन का नक्शा कर सकते हैं, जो मॉडल सत्यापन में सहायक हो सकते हैं। उत्पादन सरणी के लिए, अंतर्निहित आत्म-परीक्षण सर्किट युग्मन गुणांक को माप सकते हैं और अनुकूल रूप से बीमफॉर्मिंग वजन को समायोजित कर सकते हैं।
निष्कर्ष
पारस्परिक युग्मन कॉम्पैक्ट एंटीना सरणी में एक अक्षम घटना है जो सीधे विकिरण पैटर्न, प्रतिबाधा मिलान, दक्षता और वायरलेस संचार, रडार और संवेदन में सिस्टम स्तर के प्रदर्शन को प्रभावित करती है। चूंकि प्रौद्योगिकी रुझान उच्च आवृत्तियों, छोटे रूप कारकों और बड़े पैमाने पर एमआईएमओ विन्यास की ओर धक्का देते हैं, पारस्परिक युग्मन द्वारा प्रस्तुत की गई चुनौतियों को अधिक तीव्र हो जाता है। इंजीनियरों को भौतिक डिजाइन, डिकॉप्लिंग नेटवर्क, मेटामटेरियल संरचनाओं और डिजिटल अंशांकन के संयोजन को अपने प्रभावों को कम करने के लिए रोजगार देना चाहिए। उपन्यास डीकॉप्लिंग तकनीकों और माप पद्धतियों में निरंतर अनुसंधान भविष्य में 5G / 6G नेटवर्क में उच्च प्रदर्शन वाले कॉम्पैक्ट सरणी की तैनाती को सक्षम करेगा, जो केवल एक व्यावहारिक तकनीक है।