インピーダンスマッチングの基礎と再構成性の必要性

コアでは、インピーダンスマッチングは、反射係数のΓを最小限に抑えることにより、ソースと負荷の間の最大の電力転送を保証します。 無線周波数(RF)エンジニアリングでは、不一致の原因は、パワーを反映し、電圧の立方波比(VSWR)を増加させ、信号の完全性を低下させます。 従来の固定マッチングネットワーク - は、分離されたコンデンサーとインダクタと並列に構成され、単一の周波数または狭いバンドに最適化されます。 対照的な状況によって、VSWRは、異なるネットワークを動作させることはできません。 これらは、VNの動作が異なる、VNの動作を変化させることはできません。

RIMNsは、ネットワークのインピーダンス変換をリアルタイムに変更するために、調整可能なまたは切替可能な反応要素を使用します。設計課題は、チューニング範囲、インサートロス、リニアリティ、パワーハンドリング、および制御速度のバランスをとることです。 ]]]として、業界とアカデミア]の検索は、RIMNsが20〜40%の可変荷重条件で効率を改善し、それらに次のラジオ(DR)と定義されたインフラストラクチャのコーナーを作ることができます。

再構成可能なコンポーネントのコア技術

半導体のVaractors

Varactor ダイオードは、電圧制御のキャパシタンスを提供し、連続的な調整を提供します。 現代のシリコンと GaAs varactors は、8:1 を超える Q 要因をギガヘルツ周波数で 50 を超える容量で達成します。 彼らの主な欠点は、送信パスの歪みを引き起こすことができる高 RF 電圧で限られているリニアリティです。 デザイナーは、多くの場合、バックツーバックのバイカー構成を使用して、調和的な生成を削減します。

RF MEMSスイッチおよびコンデンサー

マイクロ電位測定装置(MEMS)は、ほぼ同等スイッチ性能を発揮します。非常に低いインサート損失(0.1〜0.2dB)、高分離(>40dB)、および安定した状態での過失電力消費が欠損します。 MEMS調整可能なコンデンサは、最大10:1の容量率を200超えることができます。 しかし、それらはより遅い切換時間(ミリ秒〜ミリ秒)に苦し、高電力連続運転下での信頼性懸念を改善しました。 [FLT] [F] 寿命: [F] [F] [F] [F]

PIN のダイオードおよび固体状態スイッチ

PIN ダイオードは、高速切替(ナノ秒)と優れた電力処理を提供し、スイッチ付き銀行マッチングネットワークに適した電力を供給します。 インサートロス(0.5〜1.0 dB)と DC の電力消費は、トレードオフです。 GaAs とシリコンオン絶縁体(SOI) FET スイッチは、特に統合 CMOS テクノロジーで、低損失で同等の速度を提供します。

デジタル式調整可能なコンデンサ(BSTおよびCMOS)

バリウムのstrontium titanate (BST)のコンデンサーは応用電圧と誘電率の変更を一定した変化するferroelectric材料を利用します。それらは密集した設計のために適した適当なQ (50–100)および高い容量密度を提供します。CMOSのデジタル調整可能なコンデンサー(DTCs)は破片に複数の切換えられたコンデンサー セルを統合し、バイナリによって重くされたキャパシタンス ステップを可能にします。決断の8–12ビットによって、DTCはより多くの間隔のアンテナを妨げるためにです。

デザインアーキテクチャとトポロジーの選択

パイネットワークとTネットワークのバリアント

再構成可能なマッチングのための人気のトポロジーには、Pi-network(ree reactive element: shunt-series-shunt)とT-network(series-shunt-series)が含まれます。 どちらも、調整可能なコンポーネントを使用するときに、インピーダンスの広い範囲を変換することができます。 Π-networkは、T-networkが品質要因を適切に制御する一方で、特定のチューニング範囲のブロードバンド幅を提供します。 デザイナーは、インピーダンスに基づいて、利用可能な値と利用可能なコンポーネントと動作範囲を選択する必要があります。

麻薬対. 分散マッチング

6GHz以下の周波数では、積層コンポーネント(コンデンサーおよびインダクタ)が実用的です。10GHz以上では、変流器や切換されたオープン/ショート回路などの伝送ラインのスタブなどの分散要素が必要となる。ハイブリッドアプローチは、構成性を維持しながら、固定された伝送線でルーメンされた調整可能なコンデンサーを結合し、サイズを削減します。

切替可能なコンポーネント銀行

シンプルで効果的な方法は、スイッチで選択した固定コンデンサーとインダクタの銀行を使用します。この分離された調整は、バリクタの非線形性を避け、高電力処理を可能にします。可能な状態の数は、組み合わせて成長します。 6つのスイッチ付きコンデンサのセットは、64インピーダンスポイントを収率します。スイッチネットワークの便利な設計は、高い周波数性能を制限する寄生虫キャパシタンスとインダクタンスを最小限に抑えます。

制御と適応アルゴリズム

勾配の白熱とパーチュレーション法

適応マッチングへの古典的なアプローチは、反射した電力やVSWRなどのコスト機能を測定し、それを減らす方向に調整可能な要素を調整することです。 勾配の降下アルゴリズムは、現在の状態の周りの小さな重合を使用して実装することができます。 収束速度は、ステップサイズと測定ノイズに依存します。 いくつかの調整要素を持つシステムでは、この方法は堅牢で、最小限の計算リソースが必要です。

機械学習のアプローチ

最近の仕事は、強化学習(RL)と人工ニューラルネットワーク(ANN)をRIMNコントロールに適用します。 RLエージェントは、非静止環境でも、最適な調整状態にインピーダンス測定をマッピングするポリシーを学習します。 ANNは、制御電圧と結果のインピーダンス変換の間の非線形マッピングをモデル化し、一度訓練されたフィードフォワードコントロールを有効にすることができます。 これらの技術は、マルチバンドおよびマルチアンテナシナリオでエクセルを加速し、従来の曲線の曲線と戦うことができます。

リアルタイム感知とフィードバック

正確なインピーダンスセンシングは、効果的な適応のために不可欠です。 方向のカプラーと6ポートのリフレクメーターは、Γのリアルタイムの推定値を提供します。 統合されたRFパワーディテクタは、VSWRが誘導することができるパワーを前方および反映します。 サンプリングレートは、マイクロ秒で携帯電話における人体効果とRFアンプで障害を起こすためのナノ秒の範囲に、負荷インピーダンスの期待される速度を収容しなければなりません。

シミュレーションと試作検討

Ansys HFSS、CST マイクロウェーブ スタジオ、Keysight ADSなどの電磁シミュレーションツールは、RIMNの性能を予測するために不可欠です。フルウェーブシミュレーションは、コンポーネントパッケージ、トランジション、およびボード共鳴による、パラシティック エフェクトをキャプチャします。非線形バイラクタモデルを含む回路ソルと協調することで、パラシティック ネットワークは、調整範囲、インサート損失、および調停の正確な予測を生成します。

低損失基板(例えば、ロジャース4350BまたはTMM10)で試作することで、製造前に検証できます。 制御バイアスネットワークを含む校正によるベクトルネットワークアナライザ(VNA)測定は不可欠です。 適応制御のために、フィールドプログラム可能なゲートアレイ(FPGA)またはマイクロコントローラは、制御アルゴリズムとインターフェイスを、バイアスまたはスイッチドライバ用のデジタル・ツー・アナログコンバータで実装できます。

現代コミュニケーションシステムの適用

5GとmmWave

ファイフス・ジェネレーション(5G)基地局およびユーザー・機器は、周波数範囲1(FR1:0.41–7.125 GHz)およびFR2(24.25–52.6 GHz)で動作します。 フェーズド・アレイ・アンテナは、ビーム・ステアリングと相互カップリングによる、mmWaveシステムの経験のインピーダンスのバリエーションを使用しています。 各アンテナ・エレメントで構成可能なマッチング・ネットワークは、これらのバリエーションに対応し、低VSWRを維持し、最大化は、パワー・放射[F]を低減します。 [FORF]は、パワー・ラジケート・パワー[F]を低減](R]:[FORF]:[FORFORF]を低減]します。

ソフトウェア定義されたラジオ

SDRプラットフォームは、単一のRFフロントエンドで、幅広い周波数範囲(100MHz〜6GHz)をカバーすることを目指しています。 固定マッチングネットワークは、SDRを狭いバンドに制限します。 RIMNsは、範囲全体にわたって近流電力転送を可能にします。 調整可能なフィルタは、再構成可能なマッチングと組み合わせることで、USRPやHackerRFなどのプラットフォームで実証され、迅速な周波数のホッピングと適応干渉のキャンセルを可能にします。

IoT・マルチバンドシステム

モノ(IoT)デバイスは、異なる周波数帯で動作する複数のプロトコル(Bluetooth、Wi-Fi、LoRa、NB-IoT)をサポートすることが多いです。 単一の再構成可能なマッチングネットワークは、複数の固定フィルタとマッチング回路を交換し、ボードエリアと材料の法案を削減することができます。 消費電力が節約され、低損失のスイッチ付きコンデンサバンクまたはMEMSデバイスは、連続バイアス電流を必要とするvaractorsよりも優先されます。

今後の方向と課題

重要な進歩にもかかわらず、いくつかの課題は残っています。 ]Integration]は、単一のCMOSまたはSOIプロセスでアクティブ回路を持つ調整可能なコンポーネントの重要な産業目標です。 これは、Qおよび電圧処理の制限を低下させるが、インポスメントします。 透過パスのLinearityは、特に、Varactorベースの設計のために、特に、Varactorベースのソリューションの拡張機能が、M&Dの制御回路を切り替えるには、M&Dのパフォーマンスが異なる[FLT]を切り替える必要があります。

コミュニケーションシステムが認知と再構成可能なアーキテクチャに進化するにつれて、インピーダンスマッチングネットワークは完全に適応サブシステムになります。 高度な制御アルゴリズム、低損失の調整可能なコンポーネント、およびリアルタイムセンシングの統合により、非推奨の柔軟性、電力効率、および信号品質が可能になります。 設計原則は、ここで説明した技術は、次世代ワイヤレスネットワークの要求要件を満たす RIMN を作成する基礎を提供します。