In applicazioni in cui lo spazio è limitato, come smartphone, dispositivi IoT e terminali satellitari, gli array di antenna completi sono essenziali. Tuttavia, riducendo la spaziatura tra gli elementi radar antenna introduce un'interazione elettromagnetica critica nota come accoppiamento reciproco. Questo fenomeno può seriamente dedurre le prestazioni, alterando i modelli di radiazione, impedenza di corrispondenza generale

Fondamenti di Antenna Arrays e Coupling Mutuale

Teoria di base

Un array di antenna consiste di elementi radianti multipli disposti a produrre un modello di radiazione desiderato. Controllando l'ampiezza e la fase dell'eccitazione di ogni elemento, l'array può steer travi elettronicamente, aumentare la direttività e sopprimere le interferenze. Il fattore di array ideale è calcolato supponendo che ogni elemento si irradia in modo indipendente—un presupposto che si rompe quando gli elementi sono strettamente distanziati.

Meccanismo di accoppiamento reciproco

Quando un elemento viene guidato, genera campi elettrici e magnetici che impingiscono su elementi vicini, inducendo tensioni e correnti. Queste fonti secondarie poi ri-radiate, perturbando la distribuzione del campo originale. La forza di accoppiamento dipende dalla distanza tra elementi relativi alla lunghezza d'onda, l'orientamento delle antenne, e le proprietà del substrato.

Effetti dettagliati sulle prestazioni di Array

Distorsione del modello di radiazione

L'accoppiamento reciproco distorce sia la grandezza che la fase dei modelli di elemento. In un array ideale, il modello totale è il prodotto del pattern degli elementi e del fattore di array. Il accoppiamento introduce variazioni di pattern che dipendono dallo stato di eccitazione di tutti gli elementi, portando a squinting del fascio, livelli di sidelobe aumentati e riempimento null.

Impedenza e corrispondenza dell'ingresso

L'impedenza di ingresso di ogni elemento antenna è alterata dalla presenza di vicini. In una schiera accoppiata, l'auto-impedenza cambia come l'impedenza vista alla porta include contributi da impedenze reciproche. Questo errore riduce il trasferimento di potenza dalla rete di alimentazione e può causare riflessi significativi, soprattutto in array con stretta impedenza. L'impedenza attiva - l'impedenza quando tutti gli elementi vengono guidati la scansione - può variare ampiamente a seconda di alcuni effetti di cietenza

Efficienza e riduzione dei guadagni

L'energia persa a elementi accoppiati non si irradia nella direzione prevista, ma si dissipa un po' di potenza nei carichi vicini o si ri-radifica con una fase casuale. Questo riduce l'efficienza complessiva della radiazione dell'array. Inoltre, l'impedenza aumenta ulteriormente le perdite. L'effetto combinato è una riduzione del guadagno realizzato, spesso da diversi decibel in array altamente accoppiati.

Errori di formazione e di rilevamento della direzione

Gli algoritmi di stima e di travettura adattiva si basano su una conoscenza accurata del collettore dell'array, il set di vettori di guida per tutti gli angoli. L'accoppiamento reciproco introduce errori di fase e ampiezza sconosciuti che corrompono il collettore, portando a stime angolari biased e a scarse interferenze nulling.

Impatto sui sistemi wireless moderni

MIMO e 5G/6G Comunicazioni

I sistemi di multi-uscita (MIMO) sfruttano il multiplexing spaziale per aumentare la capacità. I sistemi MIMO compatti nei dispositivi utente si basano sulla bassa correlazione tra i canali dell'antenna. L'accoppiamento reciproco introduce la correlazione, riducendo il numero effettivo di flussi spaziali indipendenti. In 5G stazioni di base con i sistemi di accoppiamento massiccio del MIMO, centinaia di elementi sono imballati in una piccola area; l'accoppiamento può degradare l'accuratezza di trave e ridurre la capacità.

Applicazioni radar e sensori

radar automobilistico, radar di apertura sintetica (SAR), e radar meteorologici phased-array dipendono da sterzo accurato del fascio e da bassi sidelobes. L'accoppiamento reciproco in array radar compatti provoca errori di stima dell'angolo e obiettivi falsi. Nel radar automobilistico che funziona a 77 GHz, la piccola spaziatura dell'antenna è necessaria per l'integrazione in paraurti e griglie; l'accoppiamento limita la risoluzione angolare.

Tecniche di mitigazione espanse

Separazione fisica e ingegneria substrata

L'approccio più diretto per ridurre l'accoppiamento è aumentare la spaziatura degli elementi, ma questo è spesso impossibile a causa di vincoli di dimensione. Gli ingegneri invece utilizzano substrati ad alta permissività per ridurre la distanza elettrica efficace, ma questo può eccitare le onde di superficie che aumentano l'accoppiamento.

Decoupling e Matching Networks

Le reti di assemblaggio passanti possono essere inserite tra le porte dell'antenna per annullare l'impedenza reciproca. Queste reti, spesso basate su una topologia di linea o di trasformatore, aggiungono la perdita di inserimento e occupano lo spazio della tavola. Le tecniche di decoupling attive che utilizzano i convertitori di impedenza negativi mostrano la promessa nella simulazione ma soffrono di problemi di stabilità.

Bandgap elettromagnetico (EBG) e strutture Metamateriali

Le strutture EBG sono modelli periodici che creano una banda di stop per le onde superficiali, impedendo l'energia di propagarsi tra le antenne. Posizionando le celle EBG tra gli elementi di array, l'isolamento può essere migliorato di 10-20 dB senza influenzare significativamente i modelli di radiazione.

Decoupling avanzato utilizzando elementi parassitari

Le antenne parassitarie poste tra gli elementi azionabili possono fungere da linee di neutralizzazione, accoppiando l'energia fuori fase per annullare l'accoppiamento reciproco. Questa tecnica è comune nell'isolamento dell'antenna del portatile. Gli elementi parassitari devono essere attentamente progettati per presentare la corretta impedenza alla frequenza accoppiata.

Misurazione e caratterizzazione del accoppiamento reciproco

Misurazioni di S-Parametro

L'accoppiamento reciproco è misurato dai parametri di dispersione dell'array.|, misurato con un analizzatore di rete vettoriale (VNA). In un array N-element, l'intera S-matrix include i termini di auto-impedenza sull'accoppiamento diagonale

Coefficienti di accoppiamento Mutual e calibrazione dell'array

Oltre ai parametri S, la matrice comune di accoppiamento (MCM) viene estratta da tensioni di segnale ricevute misurate sotto campi di incidente noti. Questa matrice viene utilizzata per calibrare algoritmi di teletrasformazione. Tecniche come il metodo di tensione a circuito aperto o l'approccio di massima probabilità forniscono stime accurate.

Conclusioni

L'accoppiamento reciproco è un fenomeno inesatta in array di antenne compatte che influiscono direttamente sui modelli di radiazione, sull'impedenza, sull'efficienza e sulle prestazioni di sistema nella comunicazione wireless, sul radar e sul rilevamento.