L'accelerazione della domanda di connettività wireless ad alta velocità, guidata da applicazioni in streaming, IoT e in tempo reale, ha messo una pressione senza precedenti sull'efficienza dello spettro e sul throughput dei dati.

Comprendere le antenne a doppia polarizzazione

Un'antenna bipolarizzata è in grado di trasmettere e ricevere onde elettromagnetiche con due orientamenti di polarizzazione ortogonali simultaneamente. Le coppie comuni di base di polarizzazione includono verticale/orizzontale (V/H) e inclinazione ±45°. isolando questi due stati, l'antenna può supportare due canali di comunicazione indipendenti sulla stessa apertura fisica e l'allocazione di frequenza, raddoppiando efficacemente l'efficienza spettrale rispetto ad un sistema monopolarizzato.

Polarizzazione Diversità Fondamenti

La diversità di polarizzazione si basa sul fatto che i segnali polarizzati ortogonali sperimentano ambienti in gran parte indipendenti di dissolvenza e di interferenza. In uno scenario ricco di multipath, un'onda polarizzata verticale può essere attenuata mentre un'onda polarizzata orizzontale rimane forte. Combinando entrambi i rami al ricevitore, le antenne a doppia polarizzazione forniscono una qualità del segnale robusta e la resilienza alla dissolvenza.

Tipi di elementi antenne a doppia polarizzazione

  • Antenne a sfera (turnstile):[ Due dipoli disposti ad angolo retto; un design classico che offre larghezza di banda larga e schemi ortogonali puliti.
  • Antenne di fissaggio con doppi feed:[] Antenne quadrate o circolari eccitate a bordi ortogonali o con slot a forma di H; compatte e adatte per array.
  • Aperture-coupled patches:[] Linee di alimentazione dietro un piano terra, utilizzando fessure di accoppiamento per eccitare due polarizzazioni con alto isolamento.
  • Macchine a guida rapida:[] Usato in sistemi ad alta potenza o a onde millimetriche, spesso con polarizzatori setti per separare le polarizzazioni.

Ogni tipo di elemento presenta trade-off in larghezza di banda, dimensione, isolamento e costi di produzione. I moderni design sfruttano sempre più i processi PCB multistrato per integrare elementi bipolari con circuiti di teletrasformazione.

Miglioramenti della produttività dei dati attraverso argini dual-Polarizzate

La motivazione primaria per la distribuzione di array dual-polarizzati è il sostanziale aumento del throughput dei dati senza consumare uno spettro aggiuntivo, che si ottiene attraverso due meccanismi complementari: polarizzazione-dominio multiplexing e MIMO migliorato (Multiple-Input Multiple-Output) prestazioni.

Polarizzazione-Domain Multiplexing

Utilizzando due polarizzazioni ortogonali come flussi spaziali indipendenti, un sistema dual-polarizzato può raddoppiare la velocità di dati di un collegamento monopolarizzato in condizioni favorevoli del canale. Ad esempio, in un sistema di backhaul punto-punto, una coppia di antenna bipolarizzata può supportare due flussi di 100 Mbps simultanei, che producono 200 Mbps attraversoput nello stesso canale di 20 Mchie limit.

Dual-Polarized MIMO e Spatial Multiplexing

Nei sistemi MIMO, i sistemi dual-polarizzati offrono un modo compatto per aumentare il numero di canali spaziali indipendenti senza aumentare proporzionalmente la dimensione fisica. Un sistema MIMO 2×2 che utilizza due elementi antenne a doppia polarizzazione (quattro porte totali) può supportare fino a quattro flussi spaziali, mentre un array monopolarizzato della stessa dimensione fisica richiederebbe due volte il numero di elementi per raggiungere lo stesso flusso di dati.

[]Key Metric:[] Nelle implementazioni delle macrocellule urbane, sono stati dimostrati array dual-polarizzati per migliorare la produttività media delle cellule del 60–80% rispetto agli equivalenti monopolari quando si utilizzano schemi di trasmissione di grado-2.

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Sfide di progettazione e strategie di mitigazione

Lo sviluppo di array dual-polarizzati ad alte prestazioni comporta il superamento di diversi ostacoli tecnici che possono degradare l'isolamento, l'efficienza e l'integrità del modello.

Isolamento di polarizzazione (XPI)

L'isolamento tra le due porte di polarizzazione è il parametro più critico: il mancato isolamento porta a perdite (traversa-talk) tra i flussi, riducendo l'efficace SNR e limitando l'ordine di modulazione.

  • Ottimizzato reti di alimentazione con balun e ibridi di 90° per annullare l'accoppiamento reciproco.
  • Bandgap elettromagnetico (EBG) strutture tra elementi bipolarizzati per sopprimere le onde superficiali.
  • Strutture di terra difetti (DGS) che aumentano l'isolamento bloccando correnti di movimento comune.

Coupling e Degradazione Motivo Mutual

In una configurazione di array, l'accoppiamento reciproco tra gli elementi può alterare i modelli di radiazione e l'efficace purezza di polarizzazione di ogni elemento. Ciò è particolarmente problematico in ampi angoli di scansione. Tecniche come la decoupling di reti utilizzando linee di neutralizzazione, decoupler basati su slot, o array di risonatori vicino al campo possono mitigare l'accoppiamento.

Larghezza di banda e corrispondenza di impedenza

Gli elementi di array a doppia polarizzazione hanno spesso una larghezza di banda più stretta rispetto alle loro controparti monopolari, a causa della necessità di alimentare due modalità ortogonali. I disegni a banda larga impiegano patch impilati, l'accoppiamento di apertura con più slot, o antenne dielettriche (DRAs).

Calibrazione e Array Tuning

In array pratici, tolleranze di produzione e fattori ambientali causano squilibri tra i canali di polarizzazione. Gli algoritmi di calibrazione robusti sono necessari per allineare l'ampiezza e le risposte di fase attraverso l'array. La calibrazione dell'aria (OTA) con gli accoppiatori di prova integrati o i metodi basati sull'accoppiamento reciproco è sempre più adottata per i sistemi MIMO di massa dove l'ottimizzazione manuale è infesa.

Architetture avanzate per i sistemi di generazione successiva

I sistemi a doppia polarizzazione si stanno evolvendo oltre i semplici sistemi 2×2 verso componenti integrali di superfici intelligenti MMO, MIM e RS (Millimetro-wave).

Mimo massiccio con doppia polarizzazione

In 5G e oltre, le stazioni di base impiegano grandi array (ad esempio, 64×64 elementi dual-polarizzati) per supportare la trave di direzione e la multisala spaziale. Il sistema di doppia polarizzazione consente a ogni elemento fisico di servire due porte virtuali dell'antenna, raddoppiando i gradi di libertà per la teletrasformazione digitale.

Millimetro-Wave (mmWave) Arraggi a doppia polarizzazione

A frequenze superiori a 24 GHz, la lunghezza d'onda si restringe, permettendo un gran numero di elementi in una piccola area. I array di mmWave dual-polarizzati presentano sfide uniche a causa di maggiori perdite ohmiche, tolleranze di fabbricazione più strette e sensibilità al pacchetto parassita.

Integrazione con gli IC di Beamforming

I moderni array dual-polarizzati sono co-progettati con chip di teletrasformazione RF che includono turni di fase separati e attenuatori per ogni polarizzazione. Il sistema deve gestire lo skew e il cross-coupling tra i due percorsi di segnale. I pacchetti avanzati hanno incorporato l'array dell'antenna e il beamforming IC sullo stesso interposer, riducendo le perdite di interconnessione e consentendo la riconfigurazione in tempo reale.

Doppia polarizzazione riconfigurabile

Le future reti wireless possono richiedere l'agilità di polarizzazione dinamica, la capacità di commutare o regolare continuamente lo stato di polarizzazione (ad esempio, da lineare a circolare, o tra diversi angoli inclinati) su base per-simbolo.

Conclusioni

I sistemi di analisi a doppio polarizzazione, che superano le frequenze wireless, sono già integrati nelle stazioni di simulazione 4G/5G, in cui si effettuano operazioni di backhaul e comunicazioni via satellite.

Per ulteriori informazioni, consultare gli standard IEEE sulla polarizzazione dell'antenna ([[IEEE Antenna Standards]), un'indagine completa sui sistemi MIMO a doppia polarizzazione (]]]Survey of Dual-Polarized Antennas for 5G]), e le ultime linee guida di progettazione per gli array di mmWavelarized [F[Fray[[[[[[[F]