मल्टी-एंटेन्स एरे में एंटीना अलगाव और युग्मन के सिद्धांत

एन्टेना अलगाव को समझना

एंटीना अलगाव एक माप है कि एंटीना सरणी में पड़ोसी एंटेना से अवांछित ऊर्जा हस्तांतरण का प्रतिरोध कैसे करता है। क्वांटिटेटिव रूप से, दो एंटेना के बीच अलगाव को आम तौर पर अन्य एंटीना द्वारा प्राप्त बिजली के लिए प्रेषित शक्ति के अनुपात के रूप में व्यक्त किया जाता है, जो डिकाइबल्स (dB) में मापा जाता है। उच्च अलगाव (उदाहरण के लिए, > 20 डीबी) इंगित करता है कि प्रत्येक एंटीना लगभग स्वतंत्र रूप से काम करता है, जो MIMO (मल्टीपल-इनपुट मल्टीपल-आउटपुट) जैसे अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है जहां अलग डेटा धाराओं को अलग रखा जाना चाहिए।

क्यों अलगाव मामले

अपर्याप्त अलगाव कई मायनों में सिस्टम प्रदर्शन को कम करता है:

• ]Signal विरूपण: युग्मित संकेत अंतर मॉड्यूलेशन उत्पादों और पैटर्न विरूपण का कारण बन सकते हैं।
• ]Reduced संकेत-से-शोर अनुपात (SNR): Unwanted युग्मन शोर और हस्तक्षेप शुरू करता है, प्रभावी SNR को कम करता है।
• Mutual हस्तक्षेप: पूर्ण-डुप्लेक्स या एक साथ ट्रांसमिट/रिसीव सिस्टम में, खराब अलगाव स्वयं-जैमिंग का कारण बन सकता है।
• Aracray पैटर्न गिरावट: युग्मन प्रत्येक तत्व के विकिरण पैटर्न को बदल देता है, बीमफॉर्मिंग सटीकता को कम करता है।

उदाहरण के लिए, 5G के लिए 4 × 4 MIMO प्रणाली में, आसन्न तत्वों के बीच अलगाव को अक्सर चैनल ऑर्थोगोनलिटी बनाए रखने के लिए कम से कम 15 डीबी होना आवश्यक है। इस विनिर्देश को बैठक करना एक प्रमुख डिजाइन लक्ष्य है।

एंटीना युग्मन के सिद्धांत

युग्मन एंटेना के बीच विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा के अप्रयुक्त विनिमय को संदर्भित करता है। यह निकट क्षेत्र और दूर क्षेत्र के पारस्परिक क्रियाओं से उत्पन्न होता है, साथ ही साथ जमीन के विमान या भोजन नेटवर्क में साझा वर्तमान पथ के माध्यम से भी। अंडरस्टैंडिंग युग्मन तंत्र उन्हें नियंत्रित करने का पहला कदम है।

निकट-फील्ड बनाम सुदूर-फील्ड युग्मन

युग्मन को दो नियमों में वर्गीकृत किया जा सकता है जो तरंग दैर्ध्य के सापेक्ष अलगाव दूरी के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है:

• Near-field युग्मन: जब एंटीना रिक्ति लगभग एक तरंग दैर्ध्य से कम है, तो एंटेना सक्रिय या विकिरण में निकट क्षेत्र में हैं। ऊर्जा मुख्य रूप से विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र (E- और H-field) युग्मन के माध्यम से स्थानांतरित होती है। इस प्रकार कॉम्पैक्ट सरणी में हावी है और तत्व ज्यामिति और अभिविन्यास के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है।
• ]Far-field युग्मन: अधिक अलगाव (आम तौर पर> 2λ) पर, युग्मन प्रत्येक एंटीना के विकिरणित दूर क्षेत्र पैटर्न के माध्यम से होता है। यह युग्मन कमजोर है लेकिन बड़े सरणी में महत्वपूर्ण हो जाता है, खासकर जब साइड लॉब्स संरेखित होते हैं।

म्यूचुअल इम्पीडेंस और कपलिंग मैट्रिक्स

युग्मन का वर्णन करने का एक औपचारिक तरीका Mutual impedance] के माध्यम से है। एक N-element सरणी के लिए, पोर्ट वोल्टेज और धाराओं के बीच संबंध को V = Z I] के रूप में लिखा जा सकता है, जहां Z की ऑफ-डायगोनल प्रविष्टियों में पारस्परिक युग्मन का प्रतिनिधित्व होता है। कम पारस्परिक प्रतिबाधा उच्च अलगाव के अनुरूप होती है। इंजीनियर अक्सर इस मैट्रिक्स और डिजाइन डीकॉपिंग संरचनाओं को पूरा करने के लिए विद्युत चुम्बकीय सिम्युलेटर (जैसे, CST, HFSS) का उपयोग करते हैं।

रियल-वर्ल्ड कपलिंग का कारण बनता है

सरल विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र ओवरलैप से परे, युग्मन को बढ़ाकर बढ़ाया जा सकता है:

• साझा जमीन विमान धारा जो एंटीना फ़ीड के बीच प्रवाहित होती है।
• सतह की लहरें ढांकता हुआ एंटीना डिजाइन में सब्सट्रेट पर उत्साहित होती हैं।
• केबलों या सहायक संरचनाओं पर आम-मोड धाराओं।

इनमें से प्रत्येक को विशिष्ट शमन रणनीतियों की आवश्यकता होती है, जो अगले अनुभाग में चर्चा की जाती है।

अलगाव में सुधार करने और युग्मन को कम करने के तरीके

इंजीनियर अलगाव को बढ़ाने के लिए तकनीकों की एक विस्तृत श्रृंखला को रोजगार देते हैं, अक्सर कड़े आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए कई दृष्टिकोणों को जोड़ते हैं। विकल्प आवृत्ति, सरणी आकार, बैंडविड्थ और लागत बाधाओं पर निर्भर करता है।

भौतिक पृथक्करण और पोजिशनिंग

सबसे सरल विधि एंटेना के बीच की दूरी को बढ़ा रही है। अलगाव आम तौर पर दूर क्षेत्र व्यवस्था में अलग होने के प्रति लगभग 6 डीबी तक की वृद्धि करता है। हालांकि, अंतरिक्ष-संविदा प्लेटफार्मों (जैसे, स्मार्टफोन, ड्रोन) में भौतिक अलगाव सीमित है। पोजिशनिंग एंटेना ऑर्थोगोनल (जैसे, लंबवत ध्रुवीकरण) 10-20 डीबी द्वारा युग्मन को भी कम कर सकता है।

विद्युत चुम्बकीय परिरक्षण और अवशोषक

एंटीना के बीच प्रवाहकीय ढाल या हानि रहित अवशोषक को रखने से क्षेत्र युग्मन के पास ब्लॉक हो सकता है। तकनीकों में शामिल हैं:

• धातु बाड़ या थ्रू: पीसीबी आधारित सरणी में, ग्राउंडेड थ्रू की पंक्तियां एक उच्च-impedance दीवार बनाती हैं, सतह तरंग युग्मन को दबाती हैं।
• ]Electromagnetic bandgap (EBG) संरचनाओं: आवधिक ढांकता हुआ या धातु पैटर्न एक विशिष्ट आवृत्ति बैंड पर सतह तरंगों को दबाते हैं।
• Absorber सामग्री: चुंबकीय या कार्बन लोड फोम तत्वों के बीच रखा ऊर्जा को अलग करने, कुछ दक्षता की लागत पर पारस्परिक युग्मन को कम करने।

Decoupling नेटवर्क और फिल्टर

ये सर्किट दो-तरफा संकेत को रद्द करने के लिए एंटीना बंदरगाहों के बीच जुड़े हुए हैं। उदाहरणों में शामिल हैं:

• ]Lumped-element decoupling नेटवर्क: संधारित्र और प्रारंभ करनेवाला जो युग्मन को बेअसर करने के लिए नकारात्मक पारस्परिक प्रतिबाधा को संश्लेषित करते हैं।
• ]Branch-line couplers या चूहा-race hybrids: एक dummy भार के लिए युग्मित ऊर्जा को फिर से निर्देशित करने के लिए कसकर स्पेस्ड सरणी में इस्तेमाल किया गया या इसे रचनात्मक रूप से जोड़ दिया गया।
• Neutralization लाइनों: Microstrip लाइनों कि एक संकेत बाहर से बाहर के लिए चरण को रद्द करने के लिए युग्मन।

एक अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए डीकूपलिंग नेटवर्क 10-30 डीबी द्वारा अलगाव में सुधार कर सकता है, लेकिन यह जटिलता को जोड़ता है और अक्सर बैंडविड्थ को संकुचित करता है।

दिशात्मक एंटीना तत्व

स्वाभाविक रूप से दिशात्मक पैटर्न (जैसे पैच, यागी-उडा, या सींग एंटेना) के साथ तत्वों का उपयोग पड़ोसी तत्वों की ओर विकिरणित ऊर्जा को कम कर देता है। चरणबद्ध सरणी में, तत्वों की सावधानीपूर्वक नियुक्ति और आयामों की टेपिंग भी साइड-लोब इंटरैक्शन को कम कर सकती है।

ग्राउंड प्लेन और फीड नेटवर्क डिजाइन

जमीन के विमान ज्यामिति का अनुकूलन - स्लॉट्स, दोषित जमीन संरचनाओं (डीजीएस), या सॉफ्ट सतहों - वर्तमान पथ को बाधित कर सकते हैं जो युग्मन का कारण बनते हैं। इसी तरह, प्रत्येक तत्व को एक अलग ट्रांसमिशन लाइन के माध्यम से खिलाना लाइन के बीच उचित अलगाव के साथ फीड नेटवर्क में क्रॉस-टॉक को रोकता है।

मल्टी-एंटीना ऐरे के लिए डिजाइन विचार

प्रभावी सरणी डिजाइन के लिए एक समग्र दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है जो अन्य प्रदर्शन मीट्रिक के साथ अलगाव को संतुलित करती है: प्रतिबाधा बैंडविड्थ, विकिरण दक्षता, लाभ, आकार और लागत। यहां महत्वपूर्ण विचार हैं।

अलगाव और कॉम्पैक्टनेस के बीच व्यापार-बंद

उच्च अलगाव अक्सर बड़े रिक्ति की मांग करता है, लेकिन कॉम्पैक्ट सरणी (जैसे मोबाइल उपकरणों के लिए) को 0.2λ-0.5λ के तत्व अलगाव की आवश्यकता होती है। ऐसी नज़दीकी दूरी पर, निकट क्षेत्र युग्मन गंभीर है। इंजीनियर तब उन्नत डीकूपलिंग तकनीकों पर भरोसा करते हैं, लेकिन ये बैंडविड्थ को कम कर सकते हैं या दक्षता को कम कर सकते हैं। एक आम समझौता छोटे फॉर्म फैक्टर के बदले में 10-15 डीबी के अलगाव को स्वीकार करना है।

बैंडविड्थ सीमा

कई अलग संरचनाओं (जैसे, EBGs, तटस्थता लाइनों) अनुनादित हैं और केवल एक संकीर्ण आवृत्ति बैंड पर उच्च अलगाव प्रदान करते हैं। वाइडबैंड सिस्टम (जैसे, 5G NR बैंड 2-8 GHz), बहु-अनुनायक या गैर-अनुनायक तकनीक (जैसे, प्रतिरोधी लोडिंग) के लिए आवश्यक हैं, लेकिन वे सम्मिलन हानि को बढ़ा सकते हैं।

ध्रुवीकरण विविधता

निकटवर्ती तत्वों के लिए वर्तनीय ध्रुवीकरण (जैसे, ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज) का उपयोग करके, बिना किसी अतिरिक्त संरचनाओं के अलगाव को नाटकीय रूप से सुधार कर सकता है। यह दोहरी ध्रुवीकृत पैच सरणी में आम है। हालांकि, बैंडविड्थ में पार-ध्रुवीकरण भेदभाव को बनाए रखा जाना चाहिए।

सिमुलेशन और मापन

सटीक विद्युत चुम्बकीय अनुकरण अनिवार्य है। पूर्ण तरंग सॉलर्स (टाइम्स का कुछ हिस्सा, FDTD, FEM) युग्मन और अलगाव की भविष्यवाणी कर सकते हैं। प्रोटोटाइप को S-parameters (जैसे S12 या S21) को सत्यापित करने के लिए वेक्टर नेटवर्क विश्लेषकों (VNA) का उपयोग करके मापा जाना चाहिए। Ansys HFSS] और ]CST स्टूडियो सूट इस उद्देश्य के लिए उद्योग मानक उपकरण हैं।

उन्नत विषय और हाल के अनुसंधान

एंटीना अलगाव का क्षेत्र विकसित होना जारी है। नीचे अत्याधुनिक दृष्टिकोण हैं जो इंजीनियरों को आधुनिक डिजाइनों में सामना कर सकते हैं।

Metamaterial-Inspired Decoupling

कृत्रिम सामग्री, जैसे विभाजित-रिंग रेज़ोनेटर (SRRs) या पूरक SRRs, को जोड़ों के क्षेत्रों के लिए एक बैंडस्टॉप फ़िल्टर बनाने के लिए एंटेना के बीच रखा जा सकता है। ये मेटामटेरियल संरचनाएं कॉम्पैक्ट हैं और संकीर्ण बैंड में अलगाव> 30 डीबी प्राप्त कर सकते हैं। हाल के काम का एक सर्वेक्षण IEEE एंटेना और प्रोपेगेशन मैगज़ीन] में पाया जा सकता है।

सक्रिय Decoupling

सक्रिय सर्किट, जैसे कि फीडबैक लूप्स जो कि दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-दो-

मशीन लर्निंग के लिए ऐरे ऑप्टिमाइज़ेशन

आनुवंशिक एल्गोरिदम और तंत्रिका नेटवर्क का तेजी से एंटीना पदों, नेटवर्क मापदंडों को हटाने और मेटासफेस पैटर्न को अनुकूलित करने के लिए उपयोग किया जाता है। वैज्ञानिक रिपोर्टों में ए 2022 अध्ययन ने 5G MIMO एंटीना के लिए मशीन-लर्निंग-एनहांस्ड अलगाव का प्रदर्शन किया।

RF फ्रंट एंड्स के साथ एकीकृत डीकूपलिंग

भविष्य के रुझानों में आरएफ एकीकृत सर्किट (आरएफआई) के साथ एंटीना सरणी को डिजाइन करना शामिल है। उदाहरण के लिए, अंतर भोजन या चिप baluns का उपयोग आम मोड युग्मन को अस्वीकार कर सकते हैं। यह विशेष रूप से मिलीमीटर-तरंग सरणी के लिए प्रासंगिक है जहां तरंग दैर्ध्य छोटे हैं और एकीकरण घनत्व उच्च है।

निष्कर्ष

एंटीना अलगाव और पारस्परिक युग्मन बहु-antenna सरणी डिजाइन में मूलभूत चुनौतियों हैं। भौतिक अलगाव, परिरक्षण, decoupling सर्किट, और सावधान ज्यामिति के संयोजन के माध्यम से, इंजीनियर आधुनिक वायरलेस सिस्टम के लिए आवश्यक उच्च अलगाव को प्राप्त कर सकते हैं। अंतर्निहित विद्युत चुम्बकीय सिद्धांतों को समझना - क्षेत्र बनाम दूर क्षेत्र युग्मन, पारस्परिक प्रतिबाधा और सतह तरंगों - डिजाइनरों को सूचित व्यापार-बंद करने के लिए। चूंकि सरणी घनी और आवृत्ति बैंड विस्तार हो जाती है, मेटामटेरियल्स, सक्रिय डिकूपलिंग और मशीन लर्निंग से नए समाधान सीमाओं को धक्का देना जारी रहेगा। आगे पढ़ने के लिए, आधिकारिक संसाधनों जैसे कि [FLT: 3]