La rapida evoluzione delle tecnologie di comunicazione wireless ha creato un'urgente necessità di sistemi di antenne che possono gestire i tassi di dati crescenti, latenza inferiore e la connettività più affidabile.

Fondamenti di Arrays Antenna a banda ultra-larga

Un array di antenna a banda ultra-larga è una raccolta di elementi radianti progettati per mantenere prestazioni costanti—miglioramento, pattern di radiazione, guadagno e polarizzazione—su un range di frequenza che in genere abbraccia un decennio o più.Per 5G e oltre, gli array UWB coprono le bande sub-6 GHz e i vari sistemi di frequenza millimetro-wave (mmWaform) frequenze da 24 GHz fino a 60 GHz fase e anche più alta.

Gli elementi comuni di elementi UWB includono le antenne di Vivaldi (spiaggiata), le dipoli di cervice, i monopoli planari, le patch di frattale e le strutture log-periodiche.

Le configurazioni a raggi sono scelte in base alla copertura, alla direttività e al fattore forma. Le linee lineari sono adatte per lo sterzo del fascio 1D; gli array planari forniscono lo sterzo 2D e sono comuni nelle stazioni di base e nelle attrezzature degli utenti; gli array conformali montano su superfici curve per motivi aerodinamici o estetici.

Sfide e soluzioni di progettazione

La progettazione di array di antenne UWB introduce diverse sfide intercorrenti che richiedono scambi e tecniche avanzate.

Impedenza corrispondenza tra larghezza di banda

Mantenere VSWR basso su un ampio range di frequenza è spesso il primo ostacolo. L'auto-impedenza di ogni elemento varia con frequenza e l'accoppiamento reciproco da elementi adiacenti ulteriormente distorte la partita. Gli ingegneri utilizzano reti di corrispondenza a banda larga, come trasformatori multistadio a onde quadrate, trasformatori di Chebyshev o ballun distribuiti.

Mutual Coupling e la sua mitigazione

L'accoppiamento reciproco tra elementi di array altera i modelli degli elementi, aumenta i livelli del lobo laterale e può causare la cecità della scansione—una riflessione completa a certi angoli di scansione. Per gli array UWB, l'effetto è dipendente dalla frequenza e stimolante per annullare. I metodi di decoupling includono le strutture di accoppiamento elettromagnetico (EBG) poste tra elementi, strutture di terra difettose (DGS), linee di neutralizzazione e l'uso di superfici di allineamento ad alta impedenza.

Consistenza del modello di radiazione

Le variazioni nel centro di fase dell'elemento, la larghezza di trave e il rapporto anteriore-back sono problematiche. Le soluzioni includono l'utilizzo di geometrie di elementi simmetrici (ad esempio, Vivaldi bilanciato), l'aggiunta di registi parassitari o riflettori di angolo, e l'utilizzo di strutture di ottimizzazione di cavità-backed di elementi di degrado di scansione largamente, schema di degradazione

Materiali e fabbricazione

La selezione dei materiali influisce direttamente sulla larghezza di banda, sulla perdita e sulla stabilità termica. I substrati RF a basso rendimento come Rogers 4003/4350, i compositi PTFE e il polimero di cristallo liquido (LCP) sono comuni per le matrici a livello di bordo. Per mmWave, l'uso di LTCC (bassa temperatura co-fuoco in ceramica) o silicio ad alta densità con lenti attraverso-sgradoco permette è in aumento.

Progettazione di rete di alimentazione

La rete di alimentazione deve distribuire il potere a tutti gli elementi con la giusta fase e ampiezza attraverso la banda piena. I feed aziendali (parallel) sono la banda più ampia ma richiedono molti accoppiatori ibridi e divisori di potenza. I feed della serie sono più semplici ma introducono la dispersione di frequenza.

Applicazioni in 5G e oltre

Gli array di antenne UWB non sono una soluzione unica ma una famiglia di tecnologie su misura per diversi scenari 5G e futuri sistemi 6G.

5G Nuove bande radio Sub-6 GHz e mmWave

Per i modelli di espansione 5G sotto-6 GHz (ad esempio, n77, n78, n79 bande da 3.3 a 5 GHz), gli array UWB sono utilizzati in enormi stazioni di base MIMO.

Radar e Sensing ad alta risoluzione

Gli array UWB sono impiegati nel radar automobilistico (24 GHz a corto raggio, 77 GHz a lungo raggio) dove la larghezza di banda larga fornisce una risoluzione fine della gamma. Per la coesistenza 5G-radar, gli array UWB possono servire sia le funzioni di comunicazione che di rilevamento (comunicazione comune e radar, JC&S).

Posizionamento interno di precisione

I sistemi di trasmissione a distanza (TDoA) e di intervallo temporale (TDoA) si basano su array UWB per l'accuratezza della stima dei ritardi. Con le larghezza di banda superiore a 500 MHz, i sistemi possono raggiungere errori di localizzazione inferiori a 10 cm. Gli array UWB con elementi multipli possono anche misurare l'angolo di arrivo (AoA) utilizzando interferometria di fase, migliorando ulteriormente l'accuratezza.

Reti di sensori wireless e IoT

Gli array UWB sono attraenti per dispositivi IoT a bassa potenza, ad alta velocità, perché possono funzionare in modalità di scoppio con cicli a bassa velocità. La breve durata di impulsi UWB (sub-nanosecond) riduce il consumo energetico e consente l'accesso multiplo a tempo di divisione.

Case study: Wideband Phased Array per la stazione di base 5G

Un tipico disegno per un'antenna di stazione di base 5G nella banda n77 (3.3-4.2 GHz) utilizza un array dual-polarizzato a 64 elementi. Ogni elemento è una patch di espansione-piastrello con un alimentatore integrato a balun. Lo stack di subfili consiste di uno strato superiore del radiatore, uno spazio di schiuma, uno slot di accoppiamento su un piano di terra e uno strato di alimentazione con linee di microstrip.

Le direzioni future

La traiettoria di UWB antenna array punti di sviluppo verso una maggiore integrazione, intelligenza e agilità di frequenza.

Array riconfigurabili e aggressivi

Gli array futuri incorporano componenti sintonizzati elettronicamente (varatori, diodi perno, MEMS RF) per cambiare la forma della banda o del fascio. Le matrici di frequenza-reconfigurabili permettono un'apertura singola per coprire più bande 5G, ad esempio, sia sotto-6 GHz che mmWave. L'agilità di polarizzazione (switching tra verticale, orizzontale o circolare) è anche desiderata per la gestione della diversità di polarizzazione.

Arricchimento di metasuperficie

Le metasuperficie, che spesso richiedono una maggiore efficienza di trasmissione, possono essere posizionate di fronte o integrate con gli array UWB per migliorare il raggio di sterzo, ridurre l'accoppiamento reciproco o raggiungere la messa a fuoco simile alle lenti.

Progettazione e Beamforming ad alta tecnologia

Gli algoritmi di apprendimento automatico vengono utilizzati per progettare elementi di array UWB esplorando ampi spazi di parametri per ottimizzare la larghezza di banda di impedenza e la purezza del pattern. Le reti adversariali (GAN) Generative sono state utilizzate per creare nuovi profili di slot Vivaldi. Sul lato di trave, le reti neurali profonde possono sostituire travi tradizionali per la soppressione di autoaccoppiamento e di interferenze, soprattutto in ampi scenari di larghezza di banda istantanea consentono di allineamento dove i metodi di sterzo analogici limitati analogici sono limitati.

Tecniche di fabbricazione avanzate

La produzione additiva (3D Print) è in grado di produrre array UWB con geometrie complesse come retice, ondulato o strutture in gradiente-index. La stampa a getto d'inchiostro di inchiostri conduttivi su substrati flessibili consente di ottenere array conformi per droni, indossabili e applicazioni automobilistiche.

Integrazione con 6G: Terahertz Arrays

Oltre 5G, 6G mira a utilizzare frequenze da 100 GHz a 1 THz. A queste frequenze, sono disponibili le lunghezze di banda di decine di gigahertz. Gli array UWB per THz si basano su antenna-on-chip (AoC) o su antenna-in-package (AiP) progetta.

Conclusioni

Gli array di antenne a banda larga sono indispensabili per soddisfare le esigenze di banda e capacità dei sistemi wireless 5G e futuri. Il loro design richiede un attento equilibrio tra geometria degli elementi, selezione dei materiali, topologia dell'alimentazione e tecniche di decoupling per ottenere prestazioni a banda larga costanti.

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