Introduzione alle Antenne flessibili e conformi

Le antenne flessibili e conformi si sono trasformate da curiosità di laboratorio in componenti essenziali di sistemi wireless di prossima generazione. Utilizzando substrati realizzati in polimeri, tessuti, carta, o ceramica flessibile sottile, queste antenne possono piegare, piegare, piegare o avvolgere intorno superfici curve senza danni significativi.

Il vantaggio di definizione – adattabilità meccanica – influenza direttamente il comportamento elettrico che i progettisti quantificano attraverso parametri di spargimento (S-parametri)[. I parametri S-parola descrivono come un segnale riflette, trasmette le basi, o le coppie tra porte di un dispositivo multi-porta.

Perché Accurate le matrici di misura S-Parameter

Tuttavia per antenne conformi, piccole inesattezze in S11 o termini di accoppiamento possono cascata in errori di grandi dimensioni quando il calcolo dei bilanci di collegamento, la potenza totale radiata, o la conformità specifica del tasso di assorbimento (SAR). Un'antenna che appare ben abbinata a 2,45 GHz su una panca piana può detunare drasticamente i rischi di arresto della batteria quando si spostano in curva.

Inoltre, molte antenne flessibili sono a banda stretta dal design, così piccoli cambiamenti di frequenza di alcuni megahertz—spesso indotti da stress meccanico—può spingere la banda operativa fuori dalle specifiche. In array phased o sistemi MIMO, l'accoppiamento reciproco misurato tramite S21 e S31 colpisce l'accuratezza della teletrasformazione e la capacità del canale.

Sfide di misura uniche

Deformazione meccanica e sensibilità forma

A differenza delle antenne rigide, un elemento flessibile può cambiare la curvatura se l'apparecchio di prova applica la pressione non uniforme o se il materiale dell'antenna scorre nel tempo. Anche alcuni gradi di variazione di curvatura possono spostare la frequenza di risonanza da diversi per cento.

Connettorizzazione e alimentazione

L'attacco di cavi di misura di tipo coassiale può essere frenato da una regione, creando una concentrazione di stress che modifica le condizioni di confine dell'antenna. I connettori saldati possono rompere con una piegatura ripetuta, mentre i contatti di pressione conduttiva possono introdurre una reazione parassita imprevedibile se non mantenuta in forza costante.

Progettazione di sistemi di prova

I dispositivi convenzionali di prova dell'antenna si basano su staffe rigide di montaggio, distanziatori dielettrici e stadi di posizionamento che assumono geometrie planari. Per le antenne conformi, un apparecchio deve replicare la superficie di montaggio prevista, se è un arto fantasma cilindrico, una curva di fusoliera degli aerei o un parabrezza curvo.

Sensibilità ambientale

Le antenne flessibili impiegano spesso substrati igroscopici come il cotone, i tessuti di poliestere o gli idrogeli che assorbono l'umidità. Le oscillazioni di umidità possono cambiare l'efficacia del substrato di autorizzazione e di perdita tangente, che influenzano direttamente i coefficienti di correzione S11 e di trasmissione.

Materiale Nonlinearità e invecchiamento

I substrati antenne flessibili sono spesso polimeri che mostrano un comportamento viscoelastico. Quando sono sottoposti a deformazione ciclica, il materiale non può tornare alle sue dimensioni iniziali esatte, introducendo isteesi nelle misurazioni a parametri S.I.I.I.I.I.I.I.M.I.I.I.M.I.I.I.I.I.I.O.I.I.O.I.I.I.O.I.I.I.I.O.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I.I

Radiazioni e manufatti di accoppiamento

Le misurazioni dei parametri S assumono che il dispositivo sotto test (DUT) sia una rete lineare e invariante. Quando un'antenna conformale è montata su una struttura metallica o composito, i campi irradiati interagiscono con i dispersioni vicini, e l'antenna può ricevere l'energia indietro attraverso il proprio modello di radiazione. Questo accade anche in una camera anechoic se l'impuenza o il corpo dell'operatore è nel campo vicino.

Ambiguità del piano di riferimento

Nelle misure di antenna rigide, il piano di riferimento di calibrazione è tipicamente stabilito in un'interfaccia di connettore coassiale utilizzando le caratteristiche di breve-open-load-thru (SOLT) o thru-reflect-line (TRL) standard. Per le antenne flessibili, l'elemento di radiante effettivo è spesso un dipolo stampato o un algoritmo di patch che inizia al bordo di una linea di trasmissione flessibile.

Metodi di misura emergenti

Fissaggio di prova flessibile su misura

Per portare ripetibilità agli stati di deformazione, diversi laboratori hanno sviluppato dei sistemi di piegatura motorizzati che possono impostare un raggio preciso di curvatura e tenerlo durante la spazzata. Un approccio utilizza un paio di tamburi rotanti avvolti con un sottile, a bassa dielettrico-consistente pellicola che preme l'antenna contro una superficie curva senza contatto metallico.

Misurazioni in-Situ e On-Body

Per i dispositivi indossabili, i dati più significativi del parametro S spesso provengono da misurazioni effettuate direttamente sul corpo umano o su un fantasma anatomico. I VNA portatili come il Keysight FieldFox handheld analyzers permettono misurazioni di riflessione a un rapporto mentre un soggetto indossa l'antenna.

Scansione a distanza (OTA)

Quando i connettori fisici sono indesiderati, si possono indurre i parametri S indirettamente da scansioni ravvicinate. Un'antenna di sonda analizza la regione di prossimità del DUT flessibile, e gli algoritmi di retroproiezione ricostruiscono il coefficiente di riflessione dell'antenna.

Sistemi di misura riconfigurabili con manipolatori robotizzati

Per catturare i parametri S attraverso un'intera gamma di curve o condizioni di stretch, alcune strutture integrano bracci robotizzati a sei assi che possono piegare delicatamente l'antenna mentre un VNA spazza continuamente. Il robot può applicare una sequenza predefinita di deformazioni, registrando i parametri S ad ogni passo.

Rilevamento del tempo per gli artefatti di riflessione

La riflettoristica del tempo-dominio (TDR) incorporata in VNA moderni può essere sfruttata per separare la risposta dell'antenna da riflessi spuri a causa di apparecchi o oggetti vicini. Trasformando i parametri S-domini di frequenza al dominio del tempo, un operatore può applicare un'algoritmo che passa solo la parte della risposta corrispondente all'antenna stessa. Questa tecnica è particolarmente utile per le antenne conformali montate su strutture dove l'assorbente

Calibrazione avanzata e correzione degli errori

Correggere i non ideali di una configurazione di test flessibile richiede spesso di andare oltre la calibrazione standard SOLT. TRL (Thru-Reflect-Line) calibrazione può essere implementato sul substrato flessibile si può confrontare con gli standard di stampa che flex insieme all'antenna. Quando lo stesso substrato e processo di produzione sono utilizzati per le strutture di calibrazione, molti errori sistematici annullano.

Esempi di casi e applicazioni

Antenna mobile per la salute

Un altro modello di misura dell'umidità del cotone, che ha permesso di ottenere un controllo dell'umidità inferiore a quello del 60%, ha rivelato un'umidità relativa del diametro di 50 mm, che ha ridotto il peso dell'umidità del prodotto.

Antenna aeronautica conformale

Un'antenna a banda larga integrata in un raggio di comando ala composito necessario per mantenere un VSWR inferiore a 2:1 da 500 MHz a 3 GHz. Le misure tradizionali di fissaggio a pianta hanno previsto prestazioni accettabili, ma quando l'antenna è stata incollata su una sezione ala curva rappresentativa e testata in una camera anechoic, S11 ha mostrato un null profondo a 1.8 GHz.

Tag RFID flessibile su imballaggio curvo

Per le applicazioni di distribuzione, i tag di laboratorio RFID UHF devono essere letti in modo affidabile quando sono appositi a bottiglie o pacchetti curvi. L'impedenza del tag IC è coniugata-abbinata alla S11 dell'antenna a 915 MHz su una superficie piana. Una batteria di misurazioni S-parametro eseguita con il tag montato su cilindri di varia diametro ha mostrato che l'impedance match degradato rapidamente a cicli di seguito.

Raggio flessibile 5G mmWave

Il gruppo di misuratori di curvatura a 4 GHz 1x4 stampato su un substrato di cristallo liquido è stato progettato per un display a schermo curvo. Le misurazioni planari hanno mostrato un reciproco accoppiamento tra le patch adiacenti sotto -20 dB, ma quando l'array è stato conforme ad un raggio di 40 mm (tipico per un bordo del telefono), l'accoppiamento dell'algoritmo è aumentato a -14 dB.

Avanzamenti in attrezzature di prova e direzioni future

I VNA modulari, definiti software, ora combinano fattori di forma compatti con moduli di estensione di frequenza che coprono le bande di mmWave dove molti futuri array flessibili funzioneranno.

Le organizzazioni standard di RST stanno aggiornando attivamente i metodi di prova.IEE Antennas e Propagation Society sta espandendo raccomandazioni per includere le tecniche di misura per le antenne riconfigurabili e conformi, riconoscendo che il paradigma statico, di campo lontano, non si traduce direttamente in strutture che cambiano forma durante il funzionamento.

In parallelo, la produzione additiva e l'elettronica stampata consentono la co-fabrificazione delle antenne insieme alle strutture di calibrazione dedicate direttamente sul substrato flessibile. Questo permetterà agli standard TRL di sperimentare gli stessi carichi meccanici dell'antenna, eliminando molti ambiguità di de-embedding. L'integrazione di piattaforme di accelerazione ottica per monitorare lo sforzo in tempo reale durante una spazzata VNA può presto fornire un controllo indipendente sui cambiamenti di stato meccanico dell'antenna

Conclusioni

La misurazione dei parametri S per le antenne flessibili e conformi richiede un approccio multidisciplinare che fonde l'ingegneria RF, la scienza dei materiali e la meccanica di precisione. La sensibilità della forma, il design dell'apparecchio, il carico ambientale e la definizione del piano di riferimento interagiscono in modi che non sono presenti nel test antenna rigida.