Разработка сверхширокополосных антенных лучей для 5g и выше

Быстрая эволюция технологий беспроводной связи создала насущную потребность в антенных системах, которые могут обрабатывать увеличение скорости передачи данных, меньшую задержку и более надежную связь. Ультраширокополосные (UWB) антенные массивы стали краеугольным камнем сетей 5G и будущих беспроводных стандартов, предлагая возможность работать по очень широкому частотному спектру - от сотен мегагерц до десятков гигагерц. Эта широкая полоса пропускания обеспечивает высокоскоростную передачу данных, точное радиолокационное зондирование и надежное позиционирование в помещении. Разработка этих массивов, однако, представляет значительные инженерные проблемы, которые требуют инновационных решений в электромагнитном дизайне, материалах и сетях подачи.

Основы сверхширокополосных антенных массивов

Ультраширокополосная антенная решетка представляет собой набор излучающих элементов, предназначенных для поддержания согласованной производительности - соответствия по напряжению, картины излучения, усиления и поляризации - в диапазоне частот, который обычно охватывает десятилетие или более. Для 5G и за его пределами массивы UWB охватывают полосы суб-6 ГГц, а также миллиметровые частоты (mmWave) от 24 ГГц до 60 ГГц и даже выше. Ключевые показатели производительности включают отношение стоячих волн напряжения (VSWR) ниже 2:1 по полосе, стабильное усиление в пределах вариации 1-2 дБ и минимальное изменение фазового центра для сохранения точности формы волны в импульсных системах UWB.

Выбор излучающего элемента имеет решающее значение. Общие типы элементов UWB включают антенны Vivaldi (застегнутые слоты), диполи Bowtie, плоские монополи, фрактальные патчи и логарифмические структуры. Антенны Vivaldi с их экспоненциально коническими слотами предлагают отличную полосу пропускания импеданса (часто > 10:1) и симметричные узоры, что делает их популярными для линейных и планарных массивов. Элементы Bowtie обеспечивают умеренную полосу пропускания с более простой геометрией, в то время как фрактальные конструкции используют самоподобные геометрии для возбуждения множественных резонансов. Для массивов mmWave часто используются субстратно-интегрированные волноводы (SIW), питаемые Vivaldi и патч-ориентированные конструкции с паразитическими элементами.

Конфигурации массивов выбираются на основе покрытия, направленности и форм-фактора. Линейные массивы подходят для рулевого управления 1D лучом; планарные массивы обеспечивают 2D рулевое управление и распространены в базовых станциях и пользовательском оборудовании; конформные массивы устанавливаются на изогнутых поверхностях по аэродинамическим или эстетическим причинам. Разреженные массивы уменьшают количество элементов при сохранении контроля боковой области, а неравномерное расстояние может улучшить подавление доли решетки на широких полосах пропускания.

Проектирование вызовов и решений

Проектирование антенных решеток UWB сопряжено с рядом взаимосвязанных задач, требующих тщательного компромисса и передовых методов.

Импедансный стыковочный механизм через полосу пропускания

Поддержание низкого VSWR в широком диапазоне частот часто является первым препятствием. Самоимпеданс каждого элемента изменяется с частотой, а взаимная связь с соседними элементами еще больше искажает соответствие. Инженеры используют широкополосные сети соответствия, такие как многоступенчатые четвертьволновые трансформаторы, трансформаторы Чебышева или распределенные балуны. Для массивов сеть подачи также должна сохранять соответствие импеданса в условиях сканирования. Такие методы, как реактивная нагрузка, резистивная нагрузка (для эффективности торговли для полосы пропускания) и использование сбалансированных каналов с интегрированными балунами (например, Marchand balun) являются стандартными.

Взаимные связи и их смягчение

Взаимная связь между элементами массива изменяет шаблоны элементов, увеличивает уровни боковой области и может вызвать слепоту сканирования - полное отражение под определенными углами сканирования. Для массивов UWB эффект зависит от частоты и его сложно отменить. Методы разъединения включают структуры электромагнитного разрыва (EBG), расположенные между элементами, дефектные наземные структуры (DGS), линии нейтрализации и использование поверхностей с высоким сопротивлением. Другой подход заключается в использовании топологий массива с переплетенными элементами (разъединение путем смещения) или в проектировании элементов с изначально низким соединением, таких как слоты с поддержкой полости. Расширенная взаимная компенсация связи в цифровом формовании луча (DBF) может применяться после массива, но добавляет сложность.

Последовательность радиационного шаблона

Стабильный паттерн излучения по полосе пропускания имеет важное значение для надежного формирования луча и определения направления. Вариации в фазовом центре элемента, ширине луча и соотношении фронт-на-зад являются проблематичными. Решения включают использование симметричных геометрий элементов (например, сбалансированных Вивальди), добавление паразитных директоров или угловых отражателей и использование диэлектрических линз или структур, поддерживаемых полостью. Для широких сканирующих массивов деградация рисунка из-за взаимной связи элементов решается путем тщательной оптимизации импеданса и использования широколучевых элементов, таких как магнитоэлектрические (ME) дипольные антенны, которые демонстрируют стабильные рисунки по частоте и сканированию.

Материалы и изготовление

Выбор материала напрямую влияет на пропускную способность, потерю и термостабильность. RF-подложки с низкими потерями, такие как Rogers 4003/4350, композиты PTFE и жидкокристаллический полимер (LCP), являются общими для матриц на уровне платы. Для mmWave увеличивается использование LTCC (низкотемпературная ко-огневая керамика) или кремниевого кремния с сквозными кремниевыми проволоками. 3D-печать позволяет создавать сложные геометрии (линзы с индексом градиента, полости структур), которые традиционно трудно обрабатывать. В некоторых конструкциях ферритовые материалы используются для достижения расширения полосы пропускания низкой частоты, хотя с добавленным весом и потерей.

Дизайн сети питания

Корпоративные (параллельные) каналы являются наиболее широкополосными, но требуют много гибридных соединителей и делителей мощности. Серийные каналы проще, но вводят фазовую дисперсию. Для UWB распространен гибридный подход, сочетающий корпоративный канал со встроенными фазовыми сдвигателями или линиями истинной задержки времени (TTD). Элементы TTD - такие как переключаемые длины линии передачи или фотонные линии задержки - устраняют прищуренный луч по частоте. Интегрированные формирующие луч IC (BFIC) для массивов mmWave теперь включают усилители переменного усиления и фазовые сдвигатели, работающие на нескольких гигагерцах полосы пропускания, но они все еще сталкиваются с проблемами в точности фазы и линейности в широких диапазонах.

Приложения в 5G и за его пределами

Антенные решетки UWB — это не просто решение, а семейство технологий, адаптированных к различным сценариям 5G и будущим 6G-системам.

5G Новое радио Sub-6 GHz и mmWave

Для 5G суб-6 ГГц (например, n77, n78, n79 полос от 3,3 до 5 ГГц) в массивных базовых станциях MIMO используются UWB-решения. Эти массивы состоят из до 64 или 128 двухполяризованных элементов, сконфигурированных в плоской компоновке. Каждый элемент должен покрывать всю полосу с высокой изоляцией (>20 дБ) между поляризациями. Вивальди или сложенные патч-проекты с паразитарными резонансными структурами достигают требуемой полосы пропускания. Сеть подачи для таких массивов сложна, часто с использованием многослойных печатных плат со встроенными балунами и делителями мощности. Для mmWave 5G (n257, n258, n260, n261 полосы от 24,25 до 40 ГГц) массивы меньше по размеру из-за длины волны, но соотношение полосы пропускания все еще значительно (например, используются широкополосные SIW-образные слот-решения или микрополосные патч-решения с апертур

Радар высокого разрешения и сенсор

UWB-решения используются в автомобильных радарах (24 ГГц ближнего радиуса действия, 77 ГГц дальнего действия), где широкая полоса пропускания обеспечивает разрешение тонкого диапазона. Для 5G-радарного сосуществования массивы UWB могут служить как функциям связи, так и функциям зондирования (совместная связь и радар, JC&S). В межстенных радарах низкочастотные UWB (0,5-4 ГГц) массивы со сбалансированными антиподальными конструкциями Vivaldi проникают через стены и обнаруживают движущиеся объекты. Большая мгновенная полоса пропускания (500 МГц или более) обеспечивает разрешение на сантиметровом уровне.

Точный позиционирование внутри помещения

Системы времени прибытия (ToA) и разности времени прибытия (TDoA) полагаются на UWB-массивы для точности оценки задержки. При пропускной способности, превышающей 500 МГц, системы могут достигать ошибок локализации ниже 10 см. UWB-массивы с несколькими элементами также могут измерять угол прибытия (AoA) с помощью фазовой интерферометрии, что еще больше повышает точность. Массивы для этого приложения часто малы и низкопрофильны, например, четырехэлементные планарные монопольные массивы, интегрированные с чипом приемопередатчика UWB.

Беспроводные сенсорные сети и IoT

UWB-решения привлекательны для маломощных IoT-устройств с высокой скоростью передачи данных, поскольку они могут работать в режиме лопнувшей волны с низкими рабочими циклами. Короткая продолжительность импульсов UWB (субнаносекунда) снижает потребление энергии и позволяет осуществлять многократный доступ с разделением по времени. Направленные массивы улучшают бюджет канала связи, позволяя увеличить дальность без увеличения мощности передачи. Гибкие и конформные массивы, напечатанные на пластиковых или тканевых подложках, разрабатываются для носимых датчиков.

Пример: широкополосный фазированный массив для базовой станции 5G

Типичная конструкция антенны базовой станции 5G в полосе n77 (3.3-4.2 ГГц) использует 64-элементную двухполяризованную матрицу. Каждый элемент представляет собой уложенный, с диафрагмой соединенный пластырь со встроенным балуновым подачей. Подложка стека состоит из верхнего слоя радиатора, пенопластового пробела, соединительного прорези на плоскости земли и питающего слоя с линиями микрополосы. Для покрытия полной полосы пропускания 900 МГц добавляются паразитные элементы или L-зондные подачи. В матрице используется структура EBG между колоннами для уменьшения взаимной связи. В сети подачи используются делители мощности 1:2 Wilkinson со ступенчатыми трансформаторами импеданса для поддержания полосы пропускания. Измеренные результаты показывают VSWR < 1,5 по полосе, получают плоскость менее 1,5 дБ и стабильность рисунка в пределах ±5° для углов сканирования до 60°. Такие массивы уже развернуты в массивных системах MIMO, что позволяет пространственное мультиплексирование с 16-

Будущие направления

Траектория развития антенной решетки UWB указывает на большую интеграцию, интеллект и гибкость частоты.

Реконфигурируемые и гибкие массивы

Будущие массивы будут включать в себя электронно настраиваемые компоненты (варакторы, пин-диоды, RF MEMS) для изменения рабочей полосы или формы луча. Частотно-перестраиваемые массивы позволяют одной апертуре покрывать несколько полос 5G, например, как под-6 ГГц, так и ммВаув. Для разнообразия поляризации также желательна гибкость поляризации (переключение между вертикальным, горизонтальным или круговым). Проблемы включают поддержание полосы пропускания при использовании реактивной настройки и управления повышенной сложностью управления.

Метаповерхностно-усиленные массивы

Метаповерхности — тонкие плоские структуры с спроектированными субволновыми блок-ячейками — могут быть размещены перед или интегрированы с UWB-массивами для улучшения дальности управления лучом, уменьшения взаимной связи или достижения фокусировки, подобной линзе. Метаповерхности Гюйгенса обеспечивают высокую эффективность передачи и могут адаптировать фазовый профиль для сканирования без громоздкой линзы. Для целей UWB дисперсные метаповерхности должны быть разработаны для поддержания производительности по всей полосе, что часто требует многорезонансных блок-ячеек.

AI-оптимизированный дизайн и формирование луча

Алгоритмы машинного обучения используются для проектирования элементов массива UWB путем изучения больших пространств параметров для оптимизации пропускной способности импеданса и чистоты шаблонов. Для создания новых профилей слотов Vivaldi использовались генеративные состязательные сети (GAN). С точки зрения формирования луча глубокие нейронные сети могут заменить традиционные лучообразующие устройства для адаптивного нулирования и подавления помех, особенно в сценариях с широкой мгновенной пропускной способностью, где аналоговое рулевое управление ограничено. Эти методы ИИ позволяют массивам самокалибровки, правильной для взаимной связи и адаптации к изменяющимся средам.

Передовые технологии изготовления

Аддитивное производство (3D-печать) становится жизнеспособным для производства UWB-решений со сложными геометриями, такими как решетки, гофрированные или градиентно-индексные структуры. Струйная печать проводящих чернил на гибких подложках позволяет использовать конформные массивы для беспилотных летательных аппаратов, носимых устройств и автомобильных приложений. Для массивов mmWave и THz применяются методы фотолитографии и изготовления MEMS для создания антенных структур с тонкими размерами характеристик.

Интеграция с 6G: Терагерцевые массивы

Заглядывая за пределы 5G, 6G стремится использовать частоты от 100 ГГц до 1 ТГц. На этих частотах доступны полосы пропускания в десятки гигагерц. UWB-решения для THz будут полагаться на антенны на кристалле (AoC) или антенны в упаковке (AiP) конструкции. На кристалле антенны ограничены в приросте из-за потерь кремния, поэтому разрабатываются линзы или суперстратные массивы. Плазмонические антенны и структуры на основе графена могут позволить реконфигурируемые массивы THz. Проблемы в сетях питания, фазовых сдвигателях и рассеивании тепла огромны, но ранние прототипы с использованием микрополосок на бензоциклобутене (BCB) или кварцевых подложках показали полосы пропускания, превышающие 40%.

Заключение

Ультраширокополосные антенные массивы необходимы для удовлетворения потребностей в пропускной способности и пропускной способности 5G и будущих беспроводных систем. Их конструкция требует тщательного баланса геометрии элементов, выбора материала, топологии подачи и методов разъединения для достижения согласованной широкополосной производительности. По мере расширения приложений от высокоскоростной связи до зондирования высокого разрешения и точного позиционирования, следующее поколение массивов станет реконфигурируемым, метаповерхностным и совместно разработанным с управлением на основе ИИ. Продолжение достижений в области производства - особенно 3D-печати, струйного осаждения и интеграции на основе кремния - приведет эти массивы в повседневные устройства, обеспечивая бесшовное соединение с высокой скоростью передачи данных, которое определяет следующую эру телекоммуникаций.

Читать далее: