Проектирование антенн Yagi для многопользовательских Mimo (множественная входная многократная выходная мощность) Системы

Практическая реализация усиления MU-MIMO критически зависит от способности базовой станции получать точную информацию о состоянии канала нисходящей линии связи (CSI) для каждого пользователя. Это обычно получается с помощью опорных сигналов или явной обратной связи. Антенная система применяет предкодирующие веса, рассчитанные по оценкам канала, для создания пучков с низкой перекрестной корреляцией. В плотных городских развертываниях малых ячеек эти пучки часто должны покрывать узкие угловые сектора от 15 до 30 градусов, сохраняя высокую прибыль для закрытия бюджета связи. Эта точность является именно режимом производительности, где антенны Yagi исторически превосходили, что делает их убедительной альтернативой более сложным фазированным массивным панелям. Системы MU-MIMO также предъявляют строгие требования к изоляции порта антенны и корреляции: коэффициент корреляции оболочки (ECC) ниже 0,3, как правило, требуется для поддержания пространственного усиления мультиплексирования.

Обоснование для антенн Яги в системах MU-MIMO

В то время как полностью цифровые фазированные массивы с десятками элементов патча представляют собой основной подход для базовых станций с макроэлементами, архитектуры на основе Yagi предлагают различные преимущества в конкретных контекстах развертывания. Один Yagi с четырьмя или пятью элементами может обеспечить прирост 12 дБи с использованием немного больше, чем несколько металлических стержней и простой балун. патч-решение потребует по крайней мере четырех элементов, корпоративной сети подачи и наземной плоскости для достижения той же производительности, что приводит к более высокой стоимости, большему весу и более сложному производству. Для чувствительных к стоимости точек доступа с малыми ячейками, оборудования помещений клиентов и стационарных терминалов беспроводного доступа механическая простота Yagi напрямую приводит к снижению стоимости счетов за материалы и более высокой надежности.

Помимо стоимости, присущая Яги направленность обеспечивает пассивное отторжение помех. Сигналы, поступающие извне основного луча, ослабляются на 20 дБ или более без какой-либо активной обработки сигнала. Эта пассивная пространственная фильтрация снижает требования к динамическому диапазону на аналого-цифровых прекодерах и уменьшает вычислительную нагрузку на цифровой прекодер, позволяя системе выделять больше ресурсов обработки для планирования пользователя и пропускной способности данных. В нелицензированных диапазонах, где помехи соканала от соседних сетей являются постоянной проблемой, это встроенное подавление помех является значительным операционным преимуществом. Кроме того, антенны Яги демонстрируют очень низкие омические потери, поскольку они состоят из простых проводников, а не сложных сетей подачи, что приводит к более высокой эффективности излучения (обычно > 90%) по сравнению с патч-решениями, которые страдают от потерь диэлектрика и проводника в линиях подачи.

Очевидное ограничение заключается в том, что один Yagi производит только один луч за раз. Чтобы обслуживать несколько пользователей одновременно, антенная система должна объединить несколько Yagis в переключенной или поэтапной конфигурации или изменить паразитную структуру, чтобы включить электронное управление лучом. Эти архитектурные подходы подробно исследуются в следующих разделах. Дизайнеры также должны бороться с по своей сути узкой полосой пропускания Yagi по сравнению с широкополосными диполями или логарифмическими антеннами, требуя тщательного внимания к импедансу и стабильности шаблона в рабочей полосе.

Критические параметры дизайна для MU-MIMO Yagi Arrays

Оригинальное название: Count and the Gain-Bandwidth Trade-off

Каждый дополнительный элемент директора увеличивает компонент движущейся волны вдоль стрелы, повышая коэффициент усиления вперед и сужая HPBW. Тщательно оптимизированный шестиэлементный Yagi достигает примерно 13 dBi с шириной луча 35 градусов, в то время как десятиэлементная конструкция может достигать 14,5 dBi с шириной луча около 28 градусов. За пределами десяти-двенадцати элементов увеличение усиления на директора уменьшается, явление, известное как насыщение конечным огнем, в то время как для приложений MU-MIMO практическая цель составляет от 8 до 12 dBi с дробной полосой пропускания по крайней мере 5 процентов. Это может быть реализовано с толстыми цилиндрическими элементами, которые снижают коэффициент Q, или с использованием профиля ступенчатого диаметра, который расширяет резонанс. Печатные конструкции Quasi-Yagi на диэлектрических подложках с низким уровнем потерь могут достигать 15 процентов пропускной способности при сохранении чистого передового рисунка, что делает их хорошо подходящими для полос 5G под-6 ГГц, таких как n78 (3.3-3.8 ГГц).

Межэлементное пространство и взаимное соединение

Когда несколько антенн Yagi помещаются в боковой массив для обслуживания независимых лучей, интервал между центром и центром становится критическим параметром. Недостаточное расстояние увеличивает взаимную связь между соседними элементами, изменяет входное сопротивление, искажает структуру излучения и повышает коэффициент корреляции между портами антенн. Высокая корреляция портов напрямую снижает пространственный коэффициент мультиплексирования, от которого зависит MU-MIMO. Обычно принимается минимальное расстояние 0,7 длины волны для поддержания связи ниже -20 дБ. В более плотных установках можно вставлять сети разъединения, линии нейтрализации или электромагнитные полосы разъема (EBG) структуры могут быть вставлены между элементами для восстановления изоляции. Электростатическое экранирование в виде вертикальных металлических заборов между стрелками Yagi также оказалось эффективным в прототипах массивов. Инструменты моделирования, такие как CST Microwave Studio или HFSS, необходимы для оптимизации этих разъемов и разъединения структур.

Широкополосное импедансное соответствие через операционную полосу

Водимый элемент является фокусом проектирования полосы пропускания в любом проекте Yagi. Сложенный диполь естественным образом представляет импеданс около 300 Ом, который может быть преобразован в 75 Ом с использованием бальзана 4:1, но быстрое изменение импеданса от резонанса ограничивает полезную полосу пропускания. Для расширения соответствия по широким каналам 5G дизайнеры используют несколько методов. Конфигурация элементов с двойным приводом - два сложенных диполя, размещенные в непосредственной близости - производит двухрезонансный ответ, который сливается в широкое импедансное соответствие. Треугольные или носовые диполи формы уменьшают Q и расширяют полосу пропускания без ущерба для структуры излучения. Интегрированные совпадающие заглушки, сформированные как часть структуры балуна, могут отменить реактивный компонент входного импеданса в диапазоне частот от 10 до 15 процентов. Для полосы 5G NR n78, VSWR ниже 1,5 по полному диапазону 500 МГц является целью проектирования, обеспечивая максимальную передачу мощности и минимальное напряжение на усилителе мощности.

Ближняя полоса и боковая полоса подавления

В системе MU-MIMO каждая степень ширины луча непосредственно влияет на изоляцию пользователя. Слишком широкий луч непреднамеренно покроет двух пользователей, вызывая межпользовательские помехи, которые ухудшают SINR для обоих. Слишком узкий луч может потерять след пользователя во время небольших движений или из-за вариаций канала. Дизайнер должен адаптировать HPBW к ожидаемому угловому разделению пользователей в предполагаемом сценарии развертывания, как правило, от 20 до 35 градусов для городских сред малых ячеек. Боковые доли требуют одинаково тщательного внимания: видная первая боковая доля может вводить помехи в соседний луч, сводя на нет преимущества формирования луча. Укорочение длины директор - постепенно сокращая последовательные директора вдоль стрелы, причем последний директор является самым коротким - уменьшает уровни боковой ширины на 3-5 дБ. Добавление второго элемента рефлектора позади основного рефлектора дополнительно подавляет задние доли и улучшает соотношение передней и задней частей. Полноволновое электромагнитное моделирование имеет важное значение для оптимизации этих взаимозависимых параметров для каждой конкретной конфигурации массива. Общая

Архитектура для одновременной многопользовательской поддержки

Секторализованные многоягийские стрелки

Наиболее простой подход к обслуживанию нескольких пользователей с антеннами Yagi заключается в развертывании нескольких фиксированных элементов, каждый из которых покрывает отдельный угловой сектор. Четыре Yagi с 30-градусными лучами, расположенными на общей мачте, могут в совокупности покрывать 120-градусный горизонтальный пролет. Процессор базовой полосы выбирает, какой антенный порт обслуживает, какой пользователь на основе измерений качества канала из каждого сектора. Эта архитектура переключаемого луча является аппаратно простой, не требующей фазовых сдвигателей или переменных реактивных эффектов, и предлагает надежную надежность. Компромисс ограничен угловым разрешением в каждом секторе: пользователи не могут индивидуально отслеживаться, если Yagis не механически перепозиционированы, что непрактично для мобильных абонентов. Подход хорошо работает для сценариев фиксированного беспроводного доступа, где местоположения пользователей статичны, и служит в качестве базовой линии для оценки более продвинутых архитектур. Для улучшения углового разрешения некоторые конструкции используют перекрывающиеся сектора с более узкими лучами и алгоритм выбора луча, который выбирает лучшую комбинацию для каждого пользователя.

Электронно управляемые пассивные радиаторы (ESPAR)

Концепция электронно-управляемого пассивного излучателя луча (ESPAR) представляет собой значительное продвижение в лучеобразовании на основе Yagi. Антенна ESPAR состоит из одного приводного элемента - обычно монополя или диполя - окруженного кольцом паразитных элементов, каждый из которых загружен переменным реактивным сопротивлением, таким как диод PIN или варактерный диод. Регулируя смещение постоянного тока на каждом паразитном элементе, антенна может управлять основным лучом через плоскость азимута, создавать несколько одновременных лучей или размещать нуль в определенных направлениях. ESPAR с шестью-двенадцатью паразитными элементами может достигать усиления до 10 дБи с диапазоном сканирования луча 360 градусов. Критически, для всей сборки требуется только одна RF-цепь, резко снижая стоимость и энергопотребление по сравнению с полностью цифровыми фазированными массивами. Недавние исследования продемонстрировали, что MU-MIMO работает с одним семиэлементным ESPAR с использованием совместного использования луча во временной области или путем синтеза нескольких ортогональных состояний шаблон

Поэтапные массивы элементов Яги

Для более высокопроизводительных систем линейный или планарный массив антенн Yagi может подаваться через корпоративную сеть фазовых сдвигателей и аттенюаторов. Этот гибридный подход использует высокий прирост отдельных Yagis для уменьшения общего количества активных модулей передачи / приема, необходимых по сравнению с обычным патч-массивом. Фактор массива обеспечивает электронное управление лучом и нулевое размещение по сектору покрытия, в то время как фактор массива - нативный шаблон Yagi - подавляет помехи задней панели и уменьшает доли решетки. Системы прототипов, работающие на частоте 28 ГГц для фиксированного беспроводного доступа 5G, продемонстрировали эту концепцию с использованием печатных квази-Yagi элементов на подложках с низким уровнем потерь, подключенных к сети кормов Butler. Матрица Butler генерирует несколько ортогональных пучков из одной пассивной сети, позволяя одновременное многопользовательское пространственное мультиплексирование без вычислительных накладных расходов цифрового формирования пучка. Матрица Butler 4×4, питающая четыре элемента Yagi, производит четыре пучка с точками кроссовера -

Мультилучевые системы Butler Matrix

Матрица Батлера — пассивная сеть подачи, которая при подключении к массиву антенных элементов производит набор пространственно-ортогональных лучей из нескольких входных портов. Матрица Батлера 4×4, питающая линейный массив из четырёх антенн Яги, генерирует четыре отдельных луча, каждый из которых указывает в другом направлении и демонстрирует минимальное совпадение шаблонов. Эта присущая ортогональность значительно упрощает задачу предварительного кодирования MU-MIMO, поскольку лучи уже пространственно разделены и требуют менее агрессивного снятия цифровых помех. Подход был принят в нескольких коммерческих точках доступа Wi-Fi 6, которые используют внутренние печатные матрицы Яги со встроенными матричными каналами Батлера, обеспечивая надежную многопользовательскую пропускную способность в сценариях развертывания высокой плотности, таких как аудитории и конференц-центры. Основное ограничение заключается в том, что матрица Батлера фиксируется после изготовления; направления луча не могут быть адаптированы в реальном времени к изменяющимся местоположениям пользователей. Однако гибридные подходы объединяют матрицу Батлера с небольшим количеством радиочастотных цепей и цифровое формирование

Стратегии управления помехами и разделения пользователей

Способность системы MU-MIMO различать пользователей зависит от пространственной корреляции между их сигнатурами канала. Высокое соотношение фронт-на-зад в антенне Yagi — обычно 20 до 30 дБ — является естественным преимуществом, поскольку оно сильно ослабляет сигналы от направлений позади основного луча. Когда несколько Yagi используются одновременно, угловое разделение между их направлениями ренты должно быть достаточным для поддержания низкого коэффициента корреляции оболочки. эмпирическое правило заключается в том, что пики луча должны быть разделены по меньшей мере одним HPBW, чтобы сохранить корреляцию ниже 0,3. Достижимый пространственный мультиплексирующий коэффициент может быть аппроксимирован количеством одновременных лучей, которые могут быть сформированы с заданным угловым расстоянием, при условии, что SINR каждого пользователя остается выше порога модуляции и схемы кодирования.

В плотных городских развертываниях малых ячеек пользовательский трафик обычно распределяется неравномерно. Адаптивное формирование луча с помощью ESPAR или фазированного массива Yagi позволяет системе направлять лучи к кластерам пользователей высокой плотности при размещении нулей к источникам помех соканала. Эта гибкость шаблона особенно ценна в нелицензионных диапазонах спектра, таких как полосы 5 ГГц и 6 ГГц, где помехи от соседних точек доступа и радиолокационных систем непредсказуемы. Возможность изменять структуру излучения в реальном времени, адаптируясь к мгновенной среде помех, обеспечивает измеримое улучшение пропускной способности по сравнению с сегментированными подходами с фиксированным лучом, особенно в сценариях с высокой плотностью перекрывающихся базовых наборов услуг. Расширенные приемники также используют последовательное аннулирование помех (SIC) для дальнейшего разделения пользователей, которые не полностью изолированы в пространственной области.

Технология полосы пропускания для современных широкополосных стандартов

5G NR, работающая в полосах частот до 6 ГГц, таких как n77 (3.3-4.2 ГГц) и n78 (3.3-3.8 ГГц), требует полосы пропускания канала до 100 МГц. Обычная антенна Yagi, предназначенная для одного узкого резонанса, не может покрывать этот диапазон без неприемлемого изменения коэффициента усиления и входного импеданса. Для расширения рабочей полосы частот антенн Yagi для этих приложений используются несколько установленных методов:

• Лог-периодическое масштабирование: Длины и интервалы элементов-директоров масштабируются в геометрической прогрессии, так что различные участки массива резонируют на разных частотах. Активная область смещается вдоль стрелки по мере изменения частоты, производя непрерывный широкополосный отклик с относительно постоянным усилением и характеристиками шаблона. Такой подход может достигать полосы пропускания, превышающей 3:1.
• Толстые и ступенчатые элементы: Использование цилиндрических проводников с большим диаметром относительно длины волны уменьшает Q-фактор каждого элемента, расширяя полосу пропускания импеданса. Шагая диаметр вдоль профиля элемента вводит множество резонансов, которые могут быть объединены в одно широкополосное соответствие. Диаметры до 0,05λ распространены в широкополосных конструкциях.
• Паразитическая загрузка заглушек: Заглушки линии передачи с коротким или открытым замыканием, прикрепленные к приводному элементу, вводят дополнительные резонансы на контролируемых частотах. При тщательной конструкции эти резонансы могут быть расположены для перекрытия с основным резонансом, эффективно расширяя полосу пропускания импеданса на 50-100%.
• Кормовые сигналы с субстратным интегрированным волноводом (SIW): Для частот миллиметровых волн печатные квази-яги-антенны, питаемые структурами SIW, могут достигать фракционной полосы пропускания, превышающей 20%, при сохранении высокой эффективности излучения и стабильности рисунка по полосе.

Инженерная цель для большинства коммерческих широкополосных конструкций Yagi - VSWR ниже 2:1 с вариацией усиления менее 2 дБ по всей лицензированной полосе. Достижение этих спецификаций одновременно с требованиями к направленности и чистоте шаблонов MU-MIMO - сложный итеративный процесс проектирования, который требует обширного полноволнового электромагнитного моделирования и оптимизации. Современные инструменты моделирования позволяют параметрам охватывать миллионы точек проектирования для поиска оптимальных геометрий.

Пример: 3,5 ГГц ESPAR-решетка для 5G малых ячеек

Чтобы проиллюстрировать эти принципы проектирования в конкретном приложении, рассмотрим базовую станцию с малой ячейкой, предназначенную для полосы n78, центрированной на 3,5 ГГц. Антенна ESPAR построена с использованием центрального полуволнового приводного элемента, окруженного шестью паразитными монопольными элементами, расположенными в круговой конфигурации с радиусом 0,35 длины волны. Каждый паразитный элемент завершается через ряд варактерных диодов (например, Skyworks SMV1405), который обеспечивает диапазон настройки емкости от 0,3 pF до 3,0 pF. Изменяя напряжение смещения на каждом варактере (0-20 V), паразитные элементы могут быть сконфигурированы как отражатели или директоры, направляя луч с шагом 10 градусов по всей 360-градусной азимутальной плоскости. Для подачи приводного элемента требуется только одна цепь радиочастотного приемопередатчика, устраняя необходимость в матрице радиочастотного переключателя и нескольких нисходящих преобразователей.

Измеренная производительность этого прототипа ESPAR показывает 9,5 дБи коэффициента невозврата, превышающего 25 дБ в рабочей полосе. ширина полосы пропускания 10 дБ охватывает полный диапазон 3,3-3,8 ГГц. В полевом испытании с четырьмя устройствами пользовательского оборудования, размещенными в случайных положениях вокруг базовой станции, система использовала схему планирования круглого столба, в которой луч последовательно направлялся к каждому пользователю во время его назначенного временного интервала. С OFDM-символами 66,7 мкс, луч можно было переключать менее чем в 1 мкс, используя быстрые PIN-диодные переключатели для изменения состояний смещения, позволяя лучу обновлять каждый символ. Измеренная пропускная способность на пользователя достигла 65 процентов теоретической однопользовательской MIMO-емкости, в то время как система одновременно поддерживала четырех пользователей на одном и том же частотном ресурсе времени. Это представляет собой чистый спектральный прирост эффективности в 2,6 раза по базовой линии одного пользователя, ясно демонстрируя MU-MIMO-жизнеспособность архитектуры ESP

Новые направления и будущая эволюция

По мере продвижения беспроводной индустрии к системам шестого поколения концепция антенны Yagi масштабируется до новых частотных режимов и интегрируется с передовыми материалами. Антенны на чипе Yagi-Uda, изготовленные в процессах CMOS и SiGe, уже демонстрируются для приложений WiGig на частотах 60 ГГц, и текущие исследования расширяют эти конструкции до D-диапазона (110 - 170 ГГц) для фиксированного беспроводного доступа следующего поколения и обратных линий связи. Использование настраиваемых диэлектрических материалов, таких как жидкие кристаллы и графеновые варакторы, может обеспечить сверхбыструю реконфигурацию паразитных нагрузок без омических потерь и ограничений линейности обычных полупроводниковых варакторов. Например, фазовые сдвигатели на основе жидких кристаллов могут обеспечить непрерывное фазовое управление на частотах миллиметровых волн с потерей вставки ниже 1 дБ.

Концепция Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) имеет глубокие эксплуатационные сходства с большими паразитическими массивами Yagi. Панель RIS можно рассматривать как двумерный массив паразитных рассеивателей, фаза отражения которых индивидуально управляема, образуя лучи и нули посредством пассивного формирования луча. Гибридные архитектуры, сочетающие активный корм Yagi с пассивным отражателем RIS, могут предлагать динамическое рулевое управление лучом с исключительно низким энергопотреблением, что делает их привлекательными для развертываний с ограниченным зарядом батареи, таких как шлюзы IoT и мобильные маршрутизаторы горячих точек. Исследования в Калифорнийском университете в Сан-Диего продемонстрировали такую архитектуру на 28 ГГц с использованием печатного корма Yagi, освещающего 256-элементный RIS, достигая усиления 15 дБи с электронным рулевым управлением лучом над сектором 60 градусов.