ストリーミング、IoT、リアルタイムアプリケーションによって駆動される高速ワイヤレス接続のための加速要求は、スペクトル効率とデータスループットに非前例のない圧力を配置しています。 デュアル偏光アンテナアレイは、これらの課題に対処する重要な技術として登場し、オルソゴン偏光状態を悪用することにより、同じ周波数帯域上の並列データストリームを有効にします。 この記事では、原則、設計検討、性能上の優位性、および将来のレイジェクトを、次世代のアンテナシステムに統合し、次世代のシステムに統合する包括的なシステムを提供します。

デュアル偏光アンテナを理解する

デュアル偏光アンテナは、電磁波を2つの正当性偏光方向に同時に送信および受信することができます。 一般的な偏光ベースのペアには、垂直/水平(V / H)と±45°スラントが含まれます。 これらの2つの状態を分離することにより、アンテナは、同じ物理的な開口部と周波数配分の2つの独立した通信チャネルをサポートし、単一の偏光システムと比較してスペクトル効率を倍増させることができます。

偏波多様性の基礎

偏光多様性は、直角的に偏光信号が大きく独立したフェーディングと干渉環境を経験しているという事実に頼ります。多重なシナリオでは、水平偏波が強いままに垂直偏光波が減衰する可能性があります。受信機の両方の枝を組み合わせることで、デュアル偏光アンテナは、フェーディングに強力な信号品質と弾性を提供します。この多様性は、都市のキャニオンや反射が豊富である屋内環境で特に価値があります。

デュアル偏光アンテナ要素の種類

  • []クロスダイポール(ターンタイル)アンテナ:[[]右角度で配置された2つのダイポール。 広い帯域幅ときれいなオーソゴンパターンを提供する古典的なデザイン。
  • デュアルフィードのパッチアンテナ:[スクエアまたは円形パッチは、オーソゴンエッジで興奮したり、H字型のスロットでしたり、コンパクトで配列に適しています。
  • [] 開口部結合パッチ:[] 接地平面の後ろにフィードライン、カップリングスロットを使用して、高分離で2極性を発現します。
  • []Waveguide-fed配列:[[は、多くの場合、隔偏波を分離するために隔離された偏光子で、高出力またはミリ波システムで使用されます。

各要素タイプは、帯域幅、サイズ、分離、製造コストのトレードオフを提示します。 近代的な設計は、多層PCBプロセスを活用して、デュアル偏光要素をビームフォーミング回路と統合します。

デュアル・ポーラライズされた配列によるデータ・スループットの強化

デュアル偏光配列の展開のための主な動機は、追加のスペクトルを消費することなく、データスループットの実質的な増加です。 これは、2つの補完的なメカニズムによって達成されます。偏光ドメインのマルチプレクアウトプットと強化されたMIMO(マルチプル入力マルチアウトプット)性能。

Polarization-Domain の多重化

独立した空間ストリームとして2つの直角偏光を使用して、デュアル偏光システムは、有利なチャネル条件下にある単一偏光リンクのデータレートを倍増させることができます。例えば、ポイントツーポイントバックホールシステムでは、デュアル偏光アンテナペアは、同じ20 MHzチャネルで200 Mbpsのスループットを収量する2つの同時100 Mbpsストリームをサポートすることができます。実用的な実装は、クロス偏光干渉(XPI)の考慮する必要があります。これは、30dB以上の性能値が制限されるようにします。

デュアル偏光MIMOと空間のマルチプレックス

MIMOシステムでは、デュアル偏光配列は、比例して物理的なサイズを増加させることなく、独立した空間チャネルの数を増やすためのコンパクトな方法を提供します。 2つのデュアル偏光アンテナ要素(合計ポート4つ)を使用して2×2 MIMOシステムは、最大4つの空間ストリームをサポートすることができます。一方、同じ物理サイズの単極配列は、同じストリームカウントを達成するために2倍の要素を必要とします。 これは、デュアル偏光配列をベースステーションやユーザーデバイスに特に魅力的にすることで、MIMOの大規模な領域を管理できるため、MIMOの大きな要素が集中的に維持できます。

キーメトリック:[]]] 都市型マクロセル展開では、都市型マクロセルの出力を60～80%に改善する2極配列が、単極同等物と比較して、ランク2伝送方式を採用した。

デザインチャレンジとミチグレーション戦略

高性能のデュアル偏光配列の開発には、分離、効率性、パターンの完全性を劣化させることができるいくつかの技術的なハードルを克服することが含まれます。

断面解析分離(XPI)

2つの偏光ポート間の分離は、最も重要なパラメータです。 分離率は、ストリーム間で漏れ(クロストーク)につながり、効果的なSNRを減らし、変調順序を制限します。 典型的な設計規則には、ポートからポートまでの分離> 25dB、高順序QAMスキームのために望ましい30〜40dBが含まれています。 分離を改善する戦略は次のとおりです。

  • バルンと90°のハイブリッドで、相互カップリングをキャンセルする最適化された供給ネットワーク。
  • デュアル偏光要素間の電磁バンドギャップ(EBG)構造で表面波を抑制します。
  • 一般的なモード電流をブロックすることで分離を増加させる欠陥のある地上構造(DGS)。

相互カップリングおよびパターン分解

配列構成では、要素間の相互結合は、放射線パターンと各要素の効果的な偏光純度を変更することができます。これは、特に広いスキャン角度で問題があります。中和線、スロットベースのデコープラー、またはニアフィールドレソナレーター配列を使用してデカップリングネットワークなどの技術は、カップリングを緩和することができます。最近の機械学習主導の最適化の進歩は、帯域幅を犠牲にすることなく10〜15dBの分離改善を達成するデカップリング構造の自動化設計を有効にしました。

帯域幅とインピーダンスマッチング

デュアル偏光配列要素は、多くの場合、二つの直角モードをフィードする必要があるため、単極対向よりも狭小のインピーダンス帯域幅を持っています。ブロードバンド設計は、スタックされたパッチ、複数のスロットと絞りカップリング、または誘電共振器アンテナ(DRAs)を採用しています。 3.5〜5.0 GHz帯域内の5G NRバンドの場合、15〜25%の僅か帯域幅は、慎重なマルチ共鳴技術で達成可能です。

校正と配列の調整

実用的な配列では、製造の許容と環境要因は偏光チャネル間の不均衡を引き起こします。 強力な校正アルゴリズムは、配列全体に振幅と相応答を合わせる必要があります。 内蔵のテストカプラーまたは相互カップリングベースのメソッドを使用して、オーバーザエア(OTA)校正は、手動調整が不可視である大規模なMIMOシステムのためにます採用されています。

次世代システム向け高度なアーキテクチャ

デュアル偏光配列は、大規模なMIMO、ミリ波、および再構成可能なインテリジェントな表面(RIS)の不可欠なコンポーネントに向かって、単純な2×2システムを超えて進化しています。

二重偏光による大規模なMIMO

5G 以上のベースステーションでは、大配列 (例えば、64×64 の二極要素) を採用し、高度方向のビームフォーミングと空間の多重化をサポートする。 デュアル偏光方式は、各物理要素が 2 つの仮想アンテナポートを機能させ、デジタルビームフォーミングの自由度を倍増させることを可能にします。 この構成は、偏光の分離と複数のユーザーに対して同時伝送を可能にします。 調査では、32×32 個の足の半分の容量を同時に使用することができることを示します。

ミリ波波(mmWave) デュアル偏光配列

24 GHz を超える周波数で、波長の収縮は、小さな領域の要素の多数の数を可能にします。 二重偏光 mmWave 配列は、オウムムムロスの増加、より堅い加工許容、パッケージのパラティクスに対する感度によるユニークな課題を提示します。 基板統合式ウェーブガイド (SIW) 技術と低温共同燃焼セラミック (LTCC) プロセスは、コンパクトで高照度デュアル偏光を実現するために一般的に使用され、 偏光子の 2 GHz 以上のバンドは、より 2 GHz 以上のバンドが、より 2 GHz 以上のバンドが得られる。

ビームフォーミングICとの統合

近代的な二極配列は、各偏光のための別のフェーズのシフトャーおよび減衰器を含むRFのビームフォーミングチップと共同設計されています。システムは、2つの信号経路間のスカウと交差カップリングを処理する必要があります。 高度なパッケージは、アンテナ配列と同じインターポザーのビームフォーミングICを埋め、相互接続の損失を減らし、リアルタイムの偏光再構成を有効にします。

再構成可能な二重分極

将来のワイヤレスネットワークは、動的偏光性を必要とするかもしれません。 偏光状態を切り替えたり、継続的に調整する機能 (例えば、線形から円、または異なる傾斜角度間) を1つのシンボルベースで調整できます。 これは、PINダイオード、varactors、またはMEMSスイッチを使用してフィード構造に統合することができます。 例えば、再構成可能なデュアル偏光パッチアンテナは、V / Hと±45°偏光条件の間で切り替えることができます。 瞬時にチャンネルを合わせるか、または最大にすることができます。

コンテンツ

デュアル偏光アンテナ配列は、より高いワイヤレスデータスループットのための不安定な要求を満たすためのコーナーストーン技術を表しています。偏光ドメインの多重化によるスペクトル効率を倍増し、コンパクトで高ランクのMIMO構成を可能にすることにより、これらの配列はすでに4G / 5Gベースステーション、mmWaveバックホール、および衛星通信に不可欠です。 高度なデカップリング技術、ブロードバンド要素設計、偏光再構成に継続的な研究は、このアーキテクチャの拡張および拡張機能が維持され、この技術は、従来の技術が向上し、この技術が向上し、この技術が向上する可能性を保証します。

更に読みたい場合は、アンテナ偏光()のIEEE規格、デュアル偏光MIMOシステム([])に関する包括的な調査、デュアル偏光アンテナの5G[]])の調査、およびmmWave配列の最新の設計ガイドライン([mmWave Dual-Polarized Array])[FLT:]][FLT:]]]])を、MIMOシステムに関する包括的なガイドを参照してください。