多アンテナ配列のアンテナ分離およびカップリングの原則

多アンテナ配列におけるアンテナ分離とカップリングの原則

現代のワイヤレス通信システム、5G基地局から衛星通信および高度なレーダーまで、ますますます高データレート、ビームフォーミング、および空間的多様性を達成するためにマルチアンテナ配列に依存しています。しかし、複数のアンテナ要素をコンパクトな開きに梱包することで、重要な課題を紹介します。 ]]アンテナ分離]と]]。 ]。これらの現象は、直接システムに影響を与え、信頼性、これらのアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびアーキテクチャ、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス、およびパフォーマンス

アンテナ分離の理解

アンテナ分離は、アンテナが周囲のアンテナから不要なエネルギー転送に抵抗する頻度です。量的に、2つのアンテナ間の分離は通常、他のアンテナによって受信された電力に対する送信電力の比率として表されます。決定的なデータ(dB)で測定します。高分離(例えば、>20dB)は、各アンテナがほぼ独立して動作していることを示しています。 MIMO(マルチプル入力複数の出力)などのアプリケーションには、異なるデータを分離する必要があります。

なぜ分離のマット

不十分な分離は、いくつかの方法でシステム性能を劣化させます。

信号歪み:]の4つの信号は、変調製品やパターン歪みを引き起こす可能性があります。
信号対ノイズ比(SNR):] 未選択カップリングは、効果的なSNRを下げ、ノイズと干渉を発生させます。
相互干渉:] 双方向通信または同時送信/受信システムでは、悪い分離は自己ジャミングを引き起こす可能性があります。
[]Arrayパターン劣化:[カップリングは、各要素の放射線パターンを変更し、ビームフォーミング精度を削減します。

例えば、5Gの4×4 MIMOシステムでは、隣接する要素間の分離は、チャネルの直角性を維持するために少なくとも15dBであるように要求されることが多い。この仕様を会議することは、キーデザインターゲットである。

アンテナカップリングの原則

カップリングとは、アンテナ間の電磁エネルギーの意図しない交換を指します。それは、ニアフィールドと遠接フィールドの相互作用から始まり、地上平面または供給ネットワークの共有電流パスを介しています。カップリング機構を理解することは、それらを制御するための最初のステップです。

ニア・フィエルド対ファー・フィエルド・カップリング

カップリングは波長 λ の相対的な分離の間隔に基づいて 2 つのレジムに分類することができます:

[] フィールドカップリング:[]] アンテナ間隔が1波長未満の場合、アンテナは反応またはほぼフィールドを放射する。主に電気および磁場(E‐およびH-field)カップリングを介してエネルギー転送。このタイプは、コンパクトな配列で優れており、要素の幾何学と向きに非常に敏感です。
[]Far-field カップリング:]] より大きい分離(典型的に> 2λ)で、カップリングは各アンテナの放射状の遠フィールドパターンによって発生します。このカップリングは弱くなりますが、特にサイドローブが並ぶ場合、大きな配列で有意になります。

相互インピーダンスとカップリングマトリックス

カップリングを記述する正式な方法は、 ] のミューチュアルインピーダンス です。 N の要素配列では、ポート電圧と電流の関係は、 V = Z I[[[]]] と書かれています。Z のオフ対角エントリは、相互カップリングを表します。低相互インピーダンスは、高分離に対応します。エンジニアは、電磁シミュレータ(eGST)とCFS を組み合わせて使用します。

リアル・ワールド・カップリング・原因

単純な電磁界の重なりを超えて、カップリングは、次の方法で分解することができます。

アンテナフィード間で流れる共有地上平面電流。
絶縁アンテナ設計の基板に面波が刺激される。
ケーブルまたは支持構造の共通モード流れ。

これらはそれぞれ、次のセクションで議論されている特定の緩和戦略が必要です。

分離を改良し、カップリングを最小化する方法

エンジニアは、複数のアプローチを組み合わせて、厳しい要件を満たすための分離を強化するために、幅広い技術を採用しています。選択は、周波数、配列サイズ、帯域幅、およびコスト制約によって異なります。

物理的な分離および位置

アンテナ間の距離が最も簡単な方法は増加しています。分離は、遠方領域の分離の倍増率ごとの約6dBによって通常改善します。しかし、スペースで-禁忌プラットフォーム(例えば、スマートフォン、ドローン)では、物理的な分離が制限されます。位置決めアンテナは、または直角的に(例えば、垂直偏光)も10〜20dBでカップリングを減らすことができます。

電磁シールドと吸収材

導電性シールドまたはアンテナ間の損失吸収剤をめっきすることで、近接フィールドカップリングをブロックできます。テクニックは次のとおりです。

[]メタルフェンスまたはビアス:[PCB-ベース配列で、地面を接地した列は、表面波カップリングを抑制する、高インピーダンス壁を作成します。
[]電磁バンドギャップ(EBG)構造:[] 周期誘電または金属パターンは、特定の周波数帯域上の表面波を抑制します。
ゴム材料:[] 磁性または炭素-負荷泡は、要素間で配置され、エネルギーを散らす、いくつかの効率のコストで相互カップリングを減らす。

ネットワークとフィルタのデカップリング

これらの回路は、アンテナポート間で接続され、結合された信号をキャンセルします。例は次のとおりです。

[]Lumped-element デコパーネットワーク:[[]) カップリングを中和する負の相互インピーダンスを合成するコンデンサとインダクタ。
[]ブランチラインカプラーまたはラットレースの雑種:[[]]は、カプラードのエネルギーをダミーロードにリダイレクトしたり、コンストラクティブに結合したりするために、密接に間隔をあいた配列で使用されます。
]中性化線:[ 結合をキャンセルする段階から信号を出すマイクロストリップ線。

設計したデカップリングネットワークは、10～30dBの分離を改善できますが、複雑性が増大し、帯域幅が狭くなります。

指向性アンテナ要素

周囲の要素に対して放射されるエネルギーを、本来方向パターン(例、パッチ、八木‐宇田、またはホーンアンテナ)で使用することで、周囲の要素に対して放射されるエネルギーを削減します。フェーズされた配列では、要素の慎重な配置と振幅のテーピングも、サイド・クローブの相互作用を最小限に抑えることができます。

地上船とフィードネットワークの設計

地上平面形状の形状を最適化し、欠陥のある地上構造(DGS)、または軟表面を変形させ、カップリングを招く電流経路を破壊することができます。同様に、ライン間の適切な分離による各要素に供給することで、フィードネットワークのクロストークを防ぎます。

多角形配列の設計検討

効果的な配列設計は、他の性能メトリックと分離のバランスをとった全体的なビューを必要とします。インピーダンス帯域幅、放射線効率、ゲイン、サイズ、およびコスト。ここでは、重要な考慮事項です。

分離と小型化のトレードオフ

高分離は、多くの場合、より大きな間隔を要求しますが、コンパクトな配列(モバイルデバイスの場合など)は、0.2λ〜0.5λの要素分離を必要とします。このような距離では、近接のフィールドカップリングは厳しいです。エンジニアは高度なデカップリング技術に依存していますが、これらは帯域幅が狭く、または効率が低下する可能性があります。一般的な妥協は、10〜15dBの分離を小規模なフォームファクターと交換することを受け入れることです。

帯域幅制限

多数のデカップリング構造(例えば、EBG、中和線)は、共鳴性であり、狭い周波数帯域にのみ高い分離を提供します。ワイドバンドシステム(例えば、5G NRバンド2～8GHz)、マルチゾルまたは非共鳴技術(例えば、抵抗負荷)が必要ですが、インサート損失を増やす可能性があります。

偏波多様性

隣接する要素のオーソゴン式偏光(例、垂直、水平)を使用して、構造を追加することなく、分離を劇的に改善できます。これは、デュアル偏光パッチ配列で共通しています。しかし、クロス偏光差別は、帯域幅にわたって維持されなければなりません。

シミュレーションと測定

正確な電磁シミュレーションは必須です。フルウェーブソルバー(瞬間の方法、FDTD、FEM)は、カップリングと分離を予測できます。プロトタイプは、ベクトルネットワークアナライザ(VNA)を使用してS-パラメータ(S12またはS21など)を検証する必要があります。 [Ansys HFSS[とCST Studio Suiteは、この目的のために標準ツールです。

先端トピックと最近の研究

アンテナ分離の分野は進化し続けています。以下は、エンジニアが現代のデザインで遭遇する最先端のアプローチです。

メタマテリアル・インスパイアされたデカップリング

分離リング共振器(SRR)や補完SRRなどの人工材料は、アンテナ間で結合されたフィールド用のバンドストップフィルタを作成することができます。これらのメタマテリアル構造はコンパクトであり、狭いバンドで分離> 30dBを達成することができます。最近の作業の調査は、IEEEアンテナと伝播雑誌で見つけることができます。

アクティブデカップリング

フィードバックループなどのアクティブ回路は、相続信号をサンプルおよびキャンセルするなど、幅広い帯域幅にわたって動的分離を提供します。しかし、彼らは電力消費と複雑性を追加します。調査は、商業配列のためにそれらを実用化するために進行中です。

配列最適化のための機械学習

遺伝子アルゴリズムとニューラルネットワークは、アンテナの位置を最適化し、ネットワークパラメータをデカップリングし、メタスバルスパターンをさらに最適化するためにます使用されています。 []]]科学レポートで2022の研究]は、5G MIMOアンテナ用の機械学習 - 強化絶縁を実証しました。

RFの前部端との統合された解凍

将来の傾向は、RF集積回路(RFIC)でアンテナ配列を共同設計することを含みます。例えば、差動供給やオンチップバランを使用して、一般的なモード結合を拒否することができます。これは、波長が小さく、統合密度が高いミリメートル波配列のために特に関連しています。

コンテンツ

アンテナ分離と相互カップリングは、マルチアンテナ配列設計における基本的な課題です。物理分離、シールド、デカップリング回路、および注意深い幾何学の組み合わせにより、エンジニアは現代のワイヤレスシステムに必要な高い分離を達成することができます。基礎的な電磁原理を理解する - フィールドと遠フィールドのカップリング、インピーダンス、および表面波 - 通知された取引をするためのデザイナー。さらなる配列がデンザーになり、周波数帯域が拡張するにつれて、LTR1は、そのような研究を行うために、これらのモデルを継続します。 [FOR]