बढ़ी हुई डेटा थ्रूपुट के लिए दोहरी ध्रुवीकृत एंटीना सरणी का विकास

उच्च गति वायरलेस कनेक्टिविटी की मांग को तेज करना - स्ट्रीमिंग, आईओटी और रीयल-टाइम अनुप्रयोगों द्वारा संचालित - स्पेक्ट्रम दक्षता और डेटा थ्रूपुट पर अभूतपूर्व दबाव रखा गया है। दोहरी ध्रुवीकृत एंटीना सरणी इन चुनौतियों को संबोधित करने के लिए एक महत्वपूर्ण तकनीक के रूप में उभरी है, जो कि एक ही आवृत्ति बैंड पर समानांतर डेटा स्ट्रीम को सक्षम बनाता है, जो ऑर्थोगोनल ध्रुवीकरण राज्यों का उपयोग करके। यह लेख दोहरे ध्रुवीकृत एंटीना सरणी के सिद्धांतों, डिजाइन विचारों, प्रदर्शन के फायदे और भविष्य के प्रक्षेपवक्र की खोज करता है, जो अगली पीढ़ी के वायरलेस सिस्टम पर काम करने वाले इंजीनियरों और सिस्टम आर्किटेक्ट्स के लिए एक व्यापक संसाधन प्रदान करता है।

दोहरी-पॉलाराइज्ड एंटेना को समझना

एक दोहरी ध्रुवीकृत एंटीना एक साथ दो वर्तनीय ध्रुवीकरण अभिविन्यास के साथ विद्युत चुम्बकीय तरंगों को संचारित करने और प्राप्त करने में सक्षम है। आम ध्रुवीकरण के आधार जोड़े में ऊर्ध्वाधर / क्षैतिज (वी / एच) और ± 45 डिग्री slant शामिल हैं। इन दो राज्यों को अलग करके, एंटीना एक ही भौतिक एपर्चर और आवृत्ति आवंटन पर दो स्वतंत्र संचार चैनलों का समर्थन कर सकता है, प्रभावी रूप से एक एकल ध्रुवीकृत प्रणाली की तुलना में वर्णक्रमीय दक्षता को दोगुना कर सकता है।

ध्रुवीकरण विविधता कोष

ध्रुवीकरण विविधता इस तथ्य पर निर्भर करती है कि ऑर्थोगोनल रूप से ध्रुवीकृत संकेतों को बड़े पैमाने पर स्वतंत्र लुप्तप्राय और हस्तक्षेप वातावरण का अनुभव होता है। एक बहुपथ समृद्ध परिदृश्य में, एक ऊर्ध्वाधर ध्रुवीकृत तरंग को क्षीणित किया जा सकता है जबकि एक क्षैतिज ध्रुवीकृत तरंग मजबूत बनी हुई है। रिसीवर पर दोनों शाखाओं के संयोजन से, दोहरे ध्रुवीकृत एंटेना मजबूत संकेत गुणवत्ता और लुप्तप्राय के लिए लचीलापन प्रदान करते हैं। यह विविधता लाभ विशेष रूप से शहरी घाटी और इनडोर वातावरण में मूल्यवान है जहां प्रतिबिंब प्रचुर मात्रा में हैं।

दोहरी-पॉलाराइज्ड एंटीना तत्वों के प्रकार

• Cross द्विध्रुवीय (turnstile) एंटेना: दो द्विध्रुवीय दाहिने कोणों पर व्यवस्था की; एक क्लासिक डिजाइन विस्तृत बैंडविड्थ और स्वच्छ वर्तनीय पैटर्न की पेशकश की।
• ] दोहरी फ़ीड के साथ पैच एंटेना: स्क्वायर या परिपत्र पैच ऑर्थोगोनल किनारों पर या एच-आकार के स्लॉट के साथ उत्साहित; कॉम्पैक्ट और सरणी के लिए उपयुक्त।
• Aperture-coupled पैच: एक जमीन के मैदान के पीछे की रेखाओं को खिलाएं, उच्च अलगाव के साथ दो ध्रुवीकरणों को उत्तेजित करने के लिए युग्मन स्लॉट का उपयोग करना।
• Waveguide-fed arrays: उच्च शक्ति या मिलीमीटर-वेव प्रणालियों में प्रयुक्त, अक्सर ध्रुवीकरण को अलग करने के लिए सेप्टम पोलराइज़र के साथ।

प्रत्येक तत्व प्रकार बैंडविड्थ, आकार, अलगाव और विनिर्माण लागत में व्यापार-बंद प्रस्तुत करता है। आधुनिक डिजाइन तेजी से बहु-परत पीसीबी प्रक्रियाओं का लाभ उठाते हैं ताकि बीमफॉर्मिंग सर्किटरी के साथ दोहरे ध्रुवीकृत तत्वों को एकीकृत किया जा सके।

दोहरी-पॉलराइज्ड सरणी के माध्यम से डेटा थ्रूपुट एन्हांसमेंट

दोहरी ध्रुवीकृत सरणी को तैनात करने के लिए प्राथमिक प्रेरणा अतिरिक्त स्पेक्ट्रम का उपभोग किए बिना डेटा थ्रूपुट में पर्याप्त वृद्धि है। यह दो पूरक तंत्रों के माध्यम से प्राप्त किया जाता है: ध्रुवीकरण-डोमेन मल्टीप्लेक्सिंग और बढ़ी हुई एमआईएमओ (मल्टीपल-इनपुट मल्टीपल-आउटपुट) प्रदर्शन।

ध्रुवीकरण-घर बहुसंकेतक

स्वतंत्र स्थानिक धाराओं के रूप में दो वर्तनीय ध्रुवीकरण का उपयोग करके, एक दोहरी ध्रुवीकृत प्रणाली अनुकूल चैनल स्थितियों के तहत एक एकल ध्रुवीकृत लिंक की डेटा दर को दोगुना कर सकती है। उदाहरण के लिए, एक बिंदु-टू-पॉइंट बैकहॉल सिस्टम में, एक दोहरी ध्रुवीकृत एंटीना जोड़ी दो एक साथ 100 एमबीपीएस धाराओं का समर्थन कर सकती है, जो 200 एमबीपीएस को उसी 20 मेगाहर्ट्ज चैनल में प्रदान करती है। व्यावहारिक कार्यान्वयन को क्रॉस-ध्रुवीकरण हस्तक्षेप (XPI) के लिए जिम्मेदार होना चाहिए जो प्राप्त करने योग्य अलगाव को सीमित कर सकती है। उच्च प्रदर्शन वाली सारणी ध्रुवीकरण बंदरगाहों के बीच 30 डीबी से ऊपर अलगाव मूल्यों के लिए प्रयास करती है।

दोहरे ध्रुवीकृत एमआईएमओ और स्थानिक बहुसंकेतक

एमआईएमओ सिस्टम में, दोहरे ध्रुवीकृत सरणी भौतिक आकार को बढ़ाए बिना स्वतंत्र स्थानिक चैनलों की संख्या को बढ़ाने का एक कॉम्पैक्ट तरीका प्रदान करती है। दो दोहरे ध्रुवीकृत एंटीना तत्वों (चार कुल बंदरगाहों) का उपयोग करके 2 × 2 एमआईएमओ प्रणाली चार स्थानिक धाराओं तक समर्थन कर सकती है, जबकि समान भौतिक आकार की एक एकल ध्रुवीकृत सरणी को समान धारा गिनती प्राप्त करने के लिए तत्वों की संख्या को दोगुना करने की आवश्यकता होगी। यह दोहरी ध्रुवीकृत सरणी को विशेष रूप से आधार स्टेशनों और उपयोगकर्ता उपकरणों के लिए आकर्षक बनाता है जहां अंतरिक्ष को बाधित किया जाता है। अनुसंधान से पता चला है कि दोहरे ध्रुवीकृत बड़े एमआईएमओ सरणी आदर्श पूर्ण-श्रेणी चैनलों की क्षमता को दृष्टिकोण कर सकती है जबकि तत्वों के बीच प्रबंधनीय क्रॉस-कोरिलेशन को बनाए रखा जा सकता है।

]]Key Metric:]] शहरी मैक्रोसेल तैनाती में, दोहरी ध्रुवीकृत सरणी को रैंक-2 ट्रांसमिशन योजनाओं को रोजगार देते समय एकल ध्रुवीकृत समतुल्यताओं की तुलना में 60-80% तक औसत सेल थ्रूपुट में सुधार करने के लिए प्रदर्शित किया गया है।

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डिजाइन चुनौतियां और शमन रणनीतियाँ

उच्च प्रदर्शन वाले दोहरे ध्रुवीकृत सरणी का विकास करने में कई तकनीकी बाधाओं को खत्म करना शामिल है जो अलगाव, दक्षता और पैटर्न अखंडता को कम कर सकते हैं।

क्रॉस-पोलराइजेशन अलगाव (XPI)

दो ध्रुवीकरण बंदरगाहों के बीच अलगाव सबसे महत्वपूर्ण पैरामीटर है। गरीब अलगाव धाराओं के बीच रिसाव (क्रॉस-टॉक) की ओर जाता है, प्रभावी एसएनआर को कम करता है और मॉडुलन आदेश को सीमित करता है। विशिष्ट डिजाइन नियमों में पोर्ट-टू-पोर्ट अलगाव को बनाए रखने> 25 डीबी, 30-40 डीबी उच्च-ऑर्डर क्यूएएम योजनाओं के लिए वांछनीय है। अलगाव में सुधार के लिए रणनीति में शामिल हैं:

• बैलन्स और 90 ° हाइब्रिड्स के साथ अनुकूलित खिला नेटवर्क पारस्परिक युग्मन को रद्द करने के लिए।
• विद्युत चुम्बकीय bandgap (EBG) संरचनाएं, जो सतह की तरंगों को दबाने के लिए दोहरे ध्रुवीकृत तत्वों के बीच होती हैं।
• निश्चित जमीन संरचनाओं (DGS) जो सामान्य मोड धाराओं को अवरुद्ध करके अलगाव को बढ़ाते हैं।

पारस्परिक युग्मन और पैटर्न गिरावट

एक सारणी विन्यास में, तत्वों के बीच पारस्परिक युग्मन विकिरण पैटर्न और प्रत्येक तत्व की प्रभावी ध्रुवीकरण शुद्धता को बदल सकता है। यह विशेष रूप से व्यापक स्कैन कोणों पर समस्याग्रस्त है। तटस्थता लाइनों, स्लॉट आधारित decouplers, या निकट क्षेत्र अनुनादक सरणी का उपयोग करके नेटवर्क को डीकूपलिंग जैसे तकनीक युग्मन को कम कर सकती है। मशीन लर्निंग-चालित अनुकूलन में हालिया प्रगति ने डीकूपलिंग संरचनाओं के स्वचालित डिजाइन को सक्षम किया है जो बैंडविड्थ को त्याग किए बिना 10-15 डीबी के अलगाव सुधार को प्राप्त करते हैं।

बैंडविड्थ और प्रतिबाधा मिलान

दोहरे ध्रुवीकृत सरणी तत्वों में अक्सर दो वर्तनी मोड को खिलाने की आवश्यकता के कारण उनके एकल ध्रुवीकृत समकक्षों की तुलना में संकीर्ण प्रतिबाधा बैंडविड्थ होती है। ब्रॉडबैंड डिज़ाइन स्टैक्ड पैच को रोजगार देते हैं, कई स्लॉट्स के साथ एपर्चर युग्मन, या ढांकता हुआ अनुनाद एंटेना (DRAs)। 3.5-5.0 गीगा रेंज में 5G NR बैंड के लिए, 15–25% की आंशिक बैंडविड्थ सावधानीपूर्वक बहु-अनुनादित तकनीकों के साथ प्राप्त की जा सकती है।

अंशांकन और सरणी ट्यूनिंग

व्यावहारिक सरणी में, विनिर्माण सहिष्णुता और पर्यावरणीय कारकों ने ध्रुवीकरण चैनलों के बीच असंतुलन का कारण बनता है। मजबूत अंशांकन एल्गोरिदम को सरणी में आयाम और चरण प्रतिक्रियाओं को संरेखित करने के लिए आवश्यक हैं। अंतर्निहित परीक्षण कप्लर्स या पारस्परिक युग्मन आधारित विधियों का उपयोग करके ओवर-द-एयर (OTA) अंशांकन को बड़े पैमाने पर एमआईएमओ सिस्टम के लिए अपनाया जाता है जहां मैनुअल ट्यूनिंग अक्षम है।

अगली पीढ़ी के सिस्टम के लिए उन्नत आर्किटेक्चर

दोहरे ध्रुवीकृत सरणी बड़े पैमाने पर एमआईएमओ, मिलीमीटर-तरंग और पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य बुद्धिमान सतहों (आरआईएस) के अभिन्न घटकों की ओर सरल 2 × 2 प्रणालियों से परे विकसित हो रही है।

दोहरी ध्रुवीकरण के साथ विशाल एमआईएमओ

5G और उससे आगे, बेस स्टेशन बड़े सरणी (जैसे 64 × 64 दोहरी ध्रुवीकृत तत्वों) को अत्यधिक दिशात्मक बीमफॉर्मिंग और स्थानिक बहुसंकेतकों का समर्थन करने के लिए रोजगार देते हैं। दोहरी ध्रुवीकरण योजना प्रत्येक भौतिक तत्व को दो आभासी एंटीना बंदरगाहों की सेवा करने की अनुमति देती है, डिजिटल बीमफॉर्मिंग के लिए स्वतंत्रता की डिग्री को दोगुना करती है। यह विन्यास ध्रुवीकरण-घरेलू अलगाव के साथ एक ही समय आवृत्ति संसाधन पर एकाधिक उपयोगकर्ताओं के लिए एक साथ संचरण को सक्षम बनाता है। अध्ययनों से संकेत मिलता है कि 32 × 32 दोहरी ध्रुवीकृत सरणी 64 × 64 एकल ध्रुवीकृत सरणी की क्षमता को भौतिक पदचिह्न को आधा करके टावर-माउंट और छोटे सेल प्रतिष्ठानों के लिए एक महत्वपूर्ण लाभ पर कब्जा कर सकती है।

मिलीमीटर-वेव (mmWave) दोहरी ध्रुवीकृत सरणी

24 गीगाहर्ट्ज से ऊपर की आवृत्तियों पर, तरंग दैर्ध्य सिकुड़ता है, जो एक छोटे क्षेत्र में तत्वों की बड़ी संख्या की अनुमति देता है। दोहरे ध्रुवीकृत mmWave सरणी बढ़ी हुई ओमिक हानि, तंग निर्माण सहनशीलता और पैकेज पैरासिटिक्स के प्रति संवेदनशीलता के कारण अद्वितीय चुनौतियों को प्रस्तुत करती है। सब्सट्रेट-एकीकृत वेवगाइड (SIW) प्रौद्योगिकी और कम तापमान वाले सह-संचालित सिरेमिक (LTCC) प्रक्रियाओं का उपयोग आमतौर पर कॉम्पैक्ट, उच्च-अलगाव दोहरे ध्रुवीकृत रेडिएटरों के कारण किया जाता है। उदाहरण के लिए, 28 गीगाहर्ट्ज बैंड के लिए 2 × 2 दोहरी ध्रुवीकृत SIW स्लॉट सरणी बंदरगाहों के बीच 35 डीबी से अधिक अलगाव के साथ 20 डीबीआई लाभ प्राप्त कर सकती है।

बीमफॉर्मिंग आईसी के साथ एकीकरण

आधुनिक दोहरे ध्रुवीकृत सरणी RF बीमफॉर्मिंग चिप्स के साथ सह-डिज़ाइन की जाती है जिसमें प्रत्येक ध्रुवीकरण के लिए अलग-अलग चरण शिफ्टर्स और एटेन्यूएटर शामिल होते हैं। सिस्टम को दो सिग्नल पथों के बीच तिरछा और क्रॉस-कूपिंग को संभालना चाहिए। उन्नत पैकेज एंटीना सरणी और उसी इंटरपोज़र पर बीमफॉर्मिंग आईसी को एम्बेड करते हैं, अंतर-कनेक्ट नुकसान को कम करते हैं और वास्तविक समय ध्रुवीकरण को फिर से कॉन्फ़िगर करने में सक्षम होते हैं।

Reconfigurable दोहरी ध्रुवीकरण

भविष्य वायरलेस नेटवर्क को गतिशील ध्रुवीकरण की क्षमता की आवश्यकता हो सकती है - ध्रुवीकरण राज्य को स्विच करने या लगातार समायोजित करने की क्षमता (जैसे रैखिक से परिपत्र तक या विभिन्न slant कोणों के बीच) प्रति-symbol आधार पर। इसे पिन डायोड, वैरेक्टर्स या MEMS स्विच का उपयोग करके फ़ीड संरचना में एकीकृत किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एक पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य दोहरी ध्रुवीकृत पैच एंटीना V/H और ± 45° ध्रुवीकरण जोड़े के बीच टॉगल कर सकता है, जो तत्काल चैनल स्थितियों के अनुकूल है ताकि माध्यम से विभाजित या हस्तक्षेप को कम किया जा सके।

निष्कर्ष

दोहरे ध्रुवीकृत एंटीना सरणी उच्च वायरलेस डेटा थ्रूपुट के लिए असंतोषजनक मांग को पूरा करने के लिए एक कोनेस्टोन प्रौद्योगिकी का प्रतिनिधित्व करती है। ध्रुवीकरण-डोमेन मल्टीप्लेक्सिंग के माध्यम से वर्णक्रमीय दक्षता को दोगुना करके और कॉम्पैक्ट, उच्च रैंक वाले एमआईएमओ विन्यास को सक्षम करके, ये सरणी पहले से ही 4G / 5G बेस स्टेशन, mmWave backhaul, और उपग्रह संचार के लिए अभिन्न हैं। उन्नत डिकूपिंग तकनीक, ब्रॉडबैंड तत्व डिजाइन और ध्रुवीकरण-पुनर्भीय वास्तुकला में चल रहे अनुसंधान यह सुनिश्चित करता है कि दोहरी ध्रुवीकृत सरणी वायरलेस नवाचार के आगे रहेगी। चूंकि उद्योग 6G और उप-तार की ओर चल रहा है।

आगे पढ़ने के लिए, एंटीना ध्रुवीकरण पर आईईई मानकों का परामर्श करें (IEEE एंटीना मानक]), दोहरी ध्रुवीकृत एमआईएमओ प्रणालियों पर एक व्यापक सर्वेक्षण (]5G] के लिए दोहरी ध्रुवीकृत एंटेना की सर्वेक्षण, और mmWave arrays (]mmWave Dual-Polarized Array Design]])))।