Ускоряющийся спрос на высокоскоростную беспроводную связь, управляемую потоковой передачей, IoT и приложениями реального времени, оказал беспрецедентное давление на эффективность спектра и пропускную способность данных. Двуполяризованные антенные массивы стали критической технологией для решения этих проблем, позволяя параллельные потоки данных по одной и той же частотной полосе, используя ортогональные поляризованные состояния. В этой статье рассматриваются принципы, соображения дизайна, преимущества производительности и будущая траектория двухполяризованных антенных массивов, предоставляя всеобъемлющий ресурс для инженеров и системных архитекторов, работающих над беспроводными системами следующего поколения.

Понимание двойных поляризованных антенн

Двуполяризованная антенна способна передавать и принимать электромагнитные волны с двумя ортогональными поляризованными ориентациями одновременно.Общие поляризованные пары оснований включают вертикальные/горизонтальные (V/H) и ±45° наклона.Выделяя эти два состояния, антенна может поддерживать два независимых канала связи на одной физической апертуре и распределении частоты, эффективно удваивая спектральную эффективность по сравнению с однополяризованной системой.

Фундаментальные основы многообразия поляризации

Многообразие поляризации зависит от того, что ортогонально поляризованные сигналы испытывают в значительной степени независимые затухающие и интерференционные среды. В многолучевом сценарии вертикально-поляризованная волна может ослабляться, в то время как горизонтально-поляризованная волна остается сильной. Объединив обе ветви на приемнике, двухполяризованные антенны обеспечивают надежное качество сигнала и устойчивость к затуханию. Это увеличение разнообразия особенно ценно в городских каньонах и в помещениях, где отражения многочисленны.

Типы двухполярных элементов антенны

  • Перекрестнодипольные (поворотные) антенны: Два диполя, расположенных под прямым углом; классический дизайн, предлагающий широкую полосу пропускания и чистые ортогональные узоры.
  • Антенны с двойными каналами: Квадратные или круглые пятна, возбуждаемые по ортогональным краям или с H-образными слотами; компактные и подходящие для массивов.
  • Пластыри с апертурой: Кормовые линии позади наземной плоскости, используя соединительные слоты для возбуждения двух поляризаций с высокой изоляцией.
  • Волноводные массивы: Используются в мощных или миллиметровых волновых системах, часто с поляризаторами перегородки для разделения поляризации.

Каждый тип элементов представляет компромиссы в пропускной способности, размере, изоляции и стоимости производства. Современные конструкции все чаще используют многослойные процессы ПХД для интеграции двухполяризованных элементов с схемами формирования луча.

Улучшение пропускной способности данных с помощью двухполярных массивов

Основной мотивацией для развертывания двухполяризованных массивов является существенное увеличение пропускной способности данных без потребления дополнительного спектра. Это достигается за счет двух взаимодополняющих механизмов: мультиплексирования поляризации домена и повышения производительности MIMO (Multiple-Input Multiple-Output).

Поляризация домена Multiplexing

Используя две ортогональные поляризации в качестве независимых пространственных потоков, двухполяризованная система может удвоить скорость передачи данных однополяризованной линии связи при благоприятных условиях канала. Например, в системе обратной связи точка-точка двухполяризованная антенная пара может поддерживать два одновременных потока со скоростью 100 Мбит/с, обеспечивая пропускную способность 200 Мбит/с в одном и том же канале с частотой 20 МГц. Практические реализации должны учитывать помехи кроссполяризации (XPI), которые могут ограничивать достижимое разделение. Высокопроизводительные массивы стремятся к значениям изоляции выше 30 дБ между портами поляризации.

Двуполяризованная MIMO и пространственное мультиплексирование

В системах MIMO двухполяризованные массивы предлагают компактный способ увеличения числа независимых пространственных каналов без пропорционального увеличения физического размера. Система MIMO 2×2 с использованием двух двухполяризованных антенных элементов (четыре полных порта) может поддерживать до четырех пространственных потоков, тогда как однополяризованный массив одного и того же физического размера потребует вдвое большего количества элементов для достижения одного и того же количества потока. Это делает двухполяризованные массивы особенно привлекательными для базовых станций и пользовательских устройств, где пространство ограничено. Исследования показали, что двухполяризованные массивные MIMO массивы могут приближаться к емкости идеальных полноуровневых каналов при сохранении управляемой перекрестной корреляции между элементами.

Ключевая метрика: В городских развертываниях макроэлементов было продемонстрировано, что двухполяризованные массивы улучшают среднюю пропускную способность ячеек на 60-80% по сравнению с однополяризованными эквивалентами при использовании схем передачи ранга-2.

Вызовы проектирования и стратегии смягчения

Разработка высокопроизводительных двухполяризованных массивов включает в себя преодоление нескольких технических препятствий, которые могут ухудшить изоляцию, эффективность и целостность шаблона.

Кросс-поляризация изоляции (XPI)

Изоляция между двумя портами поляризации является наиболее важным параметром. Плохая изоляция приводит к утечке (перекрестному разговору) между потоками, снижая эффективный SNR и ограничивая порядок модуляции. Типичные правила проектирования включают поддержание изоляции порт-порт > 25 дБ, при этом 30–40 дБ желательны для схем QAM высокого порядка. Стратегии улучшения изоляции включают:

  • Оптимизированные сети подачи с балунами и 90° гибридами для отмены взаимной связи.
  • Электромагнитный разрыв (EBG) между двухполяризованными элементами для подавления поверхностных волн.
  • Дефектированные наземные структуры (DGS), которые увеличивают изоляцию, блокируя токи в обычном режиме.

Взаимная связь и деградация моделей

В конфигурации массива взаимная связь между элементами может изменять паттерны излучения и эффективную чистоту поляризации каждого элемента. Это особенно проблематично при широких углах сканирования. Такие методы, как разъединительные сети с использованием линий нейтрализации, разъемы на основе слотов или резонаторные массивы ближнего поля, могут смягчать связь. Недавние достижения в оптимизации на основе машинного обучения позволили автоматизировать проектирование структур разъединения, которые достигают улучшений изоляции 10-15 дБ без ущерба для пропускной способности.

Совместимость Bandwidth и Impedance

Двуполяризованные элементы массива часто имеют более узкую полосу пропускания импеданса, чем их однополяризованные аналоги, из-за необходимости подачи двух ортогональных режимов. В конструкциях широкополосной связи используются сложенные патчи, апертурная связь с несколькими слотами или диэлектрические резонаторные антенны (DRA). Для полос 5G NR в диапазоне 3,5-5,0 ГГц достижимы дробные полосы пропускания 15-25% с тщательными многорезонансными методами.

Калибровка и настройка массива

В практических массивах производственные допуски и факторы окружающей среды вызывают дисбаланс между каналами поляризации. Для выравнивания амплитуды и фазовых ответов по массиву необходимы надежные алгоритмы калибровки. Калибровка по воздуху (OTA) с использованием встроенных тестовых соединителей или методов на основе взаимной связи все чаще применяется для массивных систем MIMO, где ручная настройка невозможна.

Передовые архитектуры для систем следующего поколения

Двуполяризованные массивы развиваются за пределы простых систем 2×2 в направлении интегральных компонентов массивных MIMO, миллиметровых волн и перенастраиваемых интеллектуальных поверхностей (RIS).

МММО с двойной поляризацией

В 5G и за его пределами базовые станции используют большие массивы (например, 64×64 с двумя поляризованными элементами) для поддержки высоконаправленного формирования луча и пространственного мультиплексирования. Схема с двумя поляризациями позволяет каждому физическому элементу обслуживать два виртуальных порта антенны, удваивая степени свободы для цифрового формирования луча. Эта конфигурация позволяет одновременно передавать нескольким пользователям на одном и том же ресурсе с разделением домена поляризации. Исследования показывают, что 32×32 с двумя поляризованными массивами могут приближаться к емкости 64×64 однополяризованного массива, занимая половину физического следа - критическое преимущество для установок на башне и малых ячейках.

Миллиметровые (mmWave) двухполярные лучи

На частотах выше 24 ГГц длина волны сжимается, позволяя использовать большое количество элементов на небольшой площади. Двуполяризованные массивы mmWave представляют уникальные проблемы из-за увеличения омических потерь, более жестких допусков к изготовлению и чувствительности к пакетным паразитам. Технология субстратного интегрированного волновода (SIW) и низкотемпературные ко-огневые керамические (LTCC) процессы обычно используются для реализации компактных, высокоизоляционных двухполяризованных радиаторов. Например, двухполяризованный SIW-решетка 2×2 для полосы 28 ГГц может достигать усиления 20 дБи с изоляцией более 35 дБ между портами.

Интеграция с Beamforming ICs

Современные двухполяризованные массивы совместно проектируются с RF-формирующими чипами, которые включают отдельные фазовые сдвигатели и аттенюаторы для каждой поляризации. Система должна обрабатывать перекос и перекрестное соединение между двумя сигнальными путями. Расширенные пакеты встраивают антенную решетку и формирующую луч ИС на одном и том же интерпостере, уменьшая потери межсоединений и позволяя реконфигурировать поляризацию в реальном времени.

Реконфигурируемая двойная поляризация

Будущие беспроводные сети могут потребовать динамической гибкости поляризации — способности переключаться или непрерывно регулировать состояние поляризации (например, от линейного до кругового или между различными углами наклона) на основе символа. Это может быть реализовано с использованием PIN-диодов, варакторов или коммутаторов MEMS, интегрированных в структуру подачи. Например, реконфигурируемая двухполяризованная патч-антенна может переключаться между парами поляризации V/H и ±45°, адаптируясь к мгновенным условиям канала для максимизации пропускной способности или уменьшения помех.

Заключение

Двуполяризованные антенные решетки представляют собой краеугольную технологию для удовлетворения ненасытного спроса на более высокую пропускную способность беспроводных данных. Удвоение спектральной эффективности за счет мультиплексирования поляризованных доменов и обеспечение компактных высококачественных конфигураций MIMO, эти массивы уже являются неотъемлемой частью базовых станций 4G / 5G, магистрального ремонта и спутниковой связи. Продолжающиеся исследования передовых методов разъединения, конструкций широкополосных элементов и поляризованных конфигурируемых архитектур гарантируют, что двухполяризованные массивы останутся на переднем крае беспроводных инноваций. По мере того, как отрасль движется к частотам 6G и суб-Терагерца, роль двойной поляризации в достижении экстремальных скоростей передачи данных - потенциально превышающих 100 Гбит / с - не может быть переоценена. Инженеры и системные архитекторы должны продолжать инвестировать в усовершенствованные инструменты моделирования, новые материалы и методологии калибровки, чтобы раскрыть весь потенциал этой зрелой, но быстро развивающейся технологии.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к стандартам IEEE по поляризации антенн (]IEEE Antenna Standards), комплексному обзору двухполяризованных MIMO-систем (]Обзор двухполяризованных антенн для 5G) и последним руководящим принципам проектирования для массивов mmWave (]mmWave Dual-Polarized Array Design.