I principi dell'isolazione dell'antenna e del accoppiamento in Arrays multiaantennas

Comprendere l'isolamento dell'antenna

L'isolamento dell'antenna è una misura di come bene un'antenna resiste al trasferimento di energia indesiderato dalle antenne vicine nell'array. Quantitativamente, l'isolamento tra due antenne è generalmente espresso come il rapporto di potenza trasmessa all'alimentazione ricevuta dall'altra antenna, misurato in decibel (dB).

Perché l'isolamento Matters

L'isolamento insufficiente degrada le prestazioni del sistema in diversi modi:

• Distorsione di segnale:[ I segnali accoppiati possono causare prodotti di intermodulazione e distorsione del modello.
• Rapporto segnale-rumore ridotto (SNR):[ L'accoppiamento indesiderato introduce rumore e interferenze, abbassando l'efficace SNR.
• Interferenza reciproca:[ In sistemi di trasmissione/ricevibilità full-duplex o simultanei, l'isolamento povero può causare l'auto-jamming.
• Degradazione del pattern arrugginito:[ L'accoppiamento altera il modello di radiazione di ogni elemento, riducendo l'accuratezza della trave.

Ad esempio, in un sistema MIMO 4×4 per 5G, l'isolamento tra elementi adiacenti è spesso richiesto di essere almeno 15 dB per mantenere l'ortogonalità del canale.

Principi di accoppiamento di Antenna

Il raccordiamento si riferisce allo scambio involontario di energia elettromagnetica tra antenne, deriva dalle interazioni di campo e di campo, nonché attraverso percorsi di corrente condivisi nel piano terra o nella rete di alimentazione.

Vicino al Field vs. Far‐Field Coupling

L'accoppiamento può essere classificato in due regimi basati sulla distanza di separazione rispetto alla lunghezza d'onda λ:

• Near-field coupling:[ Quando la spaziatura dell'antenna è inferiore a una lunghezza d'onda, le antenne sono nel campo reattivo o radiante. I trasferimenti energetici principalmente tramite attacco a campo elettrico e magnetico (E‐ e H‐field). Questo tipo domina in array compatti ed è altamente sensibile alla geometria e all'orientamento degli elementi.
• Connessione a campo di base:[ A maggiori separazioni (tipicamente > 2λ), l'accoppiamento avviene attraverso il modello di campo di profondità irradiato di ogni antenna. Questo accoppiamento è più debole ma diventa significativo in grandi array, soprattutto quando lobi laterali allineano.

Impedenza reciproca e Matrice di accoppiamento

Un modo formale per descrivere l'accoppiamento è attraverso mutual impedance. Per un array di N-element, il rapporto tra tensioni di porta e correnti può essere scritto come V = Z I, dove le voci off-diagonali di Z rappresentano l'accoppiamento reciproco.

Cause di accoppiamento reali-mondiali

Oltre a una semplice sovrapposizione del campo elettromagnetico, l'accoppiamento può essere esacerbato da:

• Correnti piane terra condivisa che fluiscono tra i feed dell'antenna.
• Onde di superficie eccitate sul substrato in disegni di antenna dielettrica.
• Correnti comuni a commozione su cavi o strutture di supporto.

Ognuno di questi richiede specifiche strategie di mitigazione, che sono discusse nella sezione successiva.

Metodi per migliorare l'isolamento e minimizzare il accoppiamento

Gli ingegneri impiegano una vasta gamma di tecniche per migliorare l'isolamento, combinando spesso diversi approcci per soddisfare i requisiti stringenti. La scelta dipende dalla frequenza, dimensione della matrice, larghezza di banda e vincoli di costo.

Separazione fisica e posizionamento

L'isolamento migliora tipicamente di circa 6 dB per raddoppiamento della separazione nel regime di campo lontano. Tuttavia, nelle piattaforme a contrasto spaziale (ad esempio, smartphone, droni), la separazione fisica è limitata. Posizionamento delle antenne ortogonalmente (ad esempio, polarizzazione perpendicolare) può anche ridurre l'accoppiamento di 10-20 dB.

Scudo elettromagnetico e aborti

Posizionare scudi conduttivi o ammortizzatori perduti tra antenne può bloccare l'accoppiamento vicino al campo.

• Recinti metallici o via:[ In array basati su PCB, le file di vias a terra creano una parete ad alta impedenza, sopprimendo l'accoppiamento dell'onda di superficie.
• Le strutture di Electromagnetic bandgap (EBG) [ I modelli periodici dielettrici o metalliche sopporto le onde superficiali su una specifica banda di frequenza.
• Materiali assorbenti:[] Schiuma magnetica o caricata a carbone poste tra elementi dissipano l'energia, riducendo l'accoppiamento reciproco al costo di una certa efficienza.

Reti e filtri di decoupling

Questi circuiti sono collegati tra le porte dell'antenna per annullare il segnale accoppiato. Esempi includono:

• Reti di decoupling a elementi lumpati:[] Condensatori e induttori che sintetizzano una impedenza reciproca negativa per neutralizzare l'accoppiamento.
• Accoppiatori a linea di branch o ibridi a ratto:] Usato in array strettamente distanziati per reindirizzare l'energia accoppiata a un carico fittizio o combinarla costruttivamente.
• Linee di neutralizzazione:[ Linee di microstrip che alimentano un segnale fuori fase per annullare l'accoppiamento.

Una rete di decoupling ben progettata può migliorare l'isolamento di 10-30 dB, ma aggiunge complessità e spesso restringe la larghezza di banda.

Elementi di antenna direzionali

Utilizzando elementi con intrinsecamente pattern direzionali (ad esempio, patch, Yagi‐Uda o antenne a corno) riduce l'energia irradiata verso gli elementi vicini.

Progettazione di reti di alimentazione e di aeromobili

Ottimizzare la geometria del piano terra, le trame, le strutture di terra difettose (DGS), o le superfici morbide, possono interrompere i percorsi correnti che causano l'accoppiamento. Allo stesso modo, alimentando ogni elemento attraverso una linea di trasmissione separata con un corretto isolamento tra le linee impedisce la trafila nella rete di alimentazione.

Considerazioni di progettazione per Array Multi‐Antenna

Il design efficiente dell'array richiede una visione olistica che bilancia l'isolamento con altre metriche di prestazione: larghezza di banda di impedenza, efficienza delle radiazioni, guadagno, dimensione e costo.

Scambi tra isolamento e compattezza

L'alto isolamento richiede spesso spaziature più grandi, ma le matrici compatte (ad esempio, per dispositivi mobili) richiedono la separazione degli elementi di 0.2λ–0.5λ. A distanze così ravvicinate, l'accoppiamento vicino al campo è grave. Gli ingegneri poi si affidano a tecniche di decoupling avanzate, ma questi possono restringere la larghezza di banda o ridurre l'efficienza.

Limitazioni di larghezza di banda

Molte strutture di decoupling (ad esempio, EBG, linee di neutralizzazione) sono risonanti e forniscono un elevato isolamento solo su una banda di frequenza stretta. Per i sistemi a banda larga (ad esempio, 5G NR bande 2-8 GHz), le tecniche multi-resonanti o non-resonanti (ad esempio, carico resistivo) sono necessarie, ma possono aumentare la perdita di inserimento.

Diversità della polarizzazione

L'utilizzo di polarizzazioni ortogonali (ad esempio, verticali e orizzontali) per elementi adiacenti può migliorare notevolmente l'isolamento senza strutture aggiuntive, ciò è comune in array di patch bipolarizzati, ma la discriminazione di polarizzazione deve essere mantenuta attraverso la larghezza di banda.

Simulazione e misura

I risolutori a onde complete (metodo di momenti, FDTD, FEM) possono prevedere l'accoppiamento e l'isolamento. I prototipi devono essere misurati utilizzando analizzatori di rete vettoriali (VNA) per verificare i parametri S (ad esempio, S12 o S21). Ansys HFSS e [[FLT: Studio2]

Argomenti avanzati e recenti ricerche

Il campo dell'isolamento dell'antenna continua ad evolversi, di seguito sono approcci all'avanguardia che gli ingegneri possono incontrare in progetti moderni.

Decoupling Metamaterial-Ispirato

Materiali artificiali, come i risonatori a doppia fascio (SRR) o SRR complementari, possono essere posizionati tra le antenne per creare un filtro a bandstop per campi accoppiati. Queste strutture metamateriali sono compatte e possono ottenere l'isolamento >30 dB in fasce strette. Un'indagine di lavoro recente può essere trovata in IEEE Antennas e Propagation Magazine.

Decoupling attivo

Circuiti attivi, come ad esempio loop di feedback che campionano e cancellano i segnali accoppiati, offrono un isolamento dinamico su una larghezza di banda larga. Tuttavia, aggiungono il consumo di energia e la complessità. La ricerca continua a renderli pratici per gli array commerciali.

Imparare la macchina per l'ottimizzazione dei raggi

Gli algoritmi genetici e le reti neurali sono sempre più utilizzati per ottimizzare le posizioni dell'antenna, decoupling dei parametri di rete e anche i modelli di metasurface. Uno studio del 2022 in Rapporti Scientifici[]]] ha dimostrato l'isolamento potenziato dalla macchina per le antenne MIMO 5G.

Decoupling integrato con RF Front Ends

Le tendenze future comportano la co-disegnazione dell'antenna con circuiti integrati RFIC (RFIC), ad esempio, l'utilizzo di alimentatori differenziali o di balun on-chip può rifiutare l'accoppiamento comune-mode.

Conclusioni

L’isolamento e l’accoppiamento reciproco sono sfide fondamentali nel design di array multi-antenna. Attraverso una combinazione di separazione fisica, schermatura, decoupling circuiti e geometria attenta, gli ingegneri possono raggiungere l’alto isolamento richiesto per i moderni sistemi wireless.