障碍匹配和需要重新配置的基本原理

阻碍匹配的核心是通过最小化反射系数XX915,确保源和负载之间最大功率转移; 在无线电频率工程中,不匹配导致反射电源,电压常波比增加,信号完整性下降; 传统的固定匹配网络——通常用离散电容器和导电器构建的网络——被优化为单一频率或窄波段; 相形之下,适应性通信系统必须跨越多个频段运行,由于邻近效应而导致的天线障碍和不断变化的环境条件; 静态网络不能在这些动态情景中保持低频频; 因此,可重组的阻配网络至关重要。

RIMN使用可捕性或可切换的反应性元素实时改变网络的阻力转换。 设计挑战在于平衡调速范围、插入损失、线性、电源处理和控制速度。 正如来自工业和学术界的研究[所示,设计良好的RIMN可以在可变负荷条件下提高效率20—40 % , 使其成为软件定义的无线电(SDR)和下一代蜂窝基础设施的基石。

可配置组件的核心技术

半导体

变压二极管提供电压控制的电容,提供连续调制. 现代硅和GaAs的变压器在千兆赫频率下达到电容比超过8:1,Q因子超过50,其主要缺点是高RF电压的线性有限,这会导致传输路径的扭曲. 设计师经常使用前后变压器配置来减少谐振产生.

RF MEMS 开关和电容器

微电子机能装置可以提供近似理想的开关性能:非常低的插入损失(0.1-0.2 dB),高隔离(>40 dB),稳定状态下可忽略不计的功耗。微电子机能电容器可以达到10:1的功率比,但Q超过200。但是,它们在高功率连续操作下,其转换时间(微秒至毫秒)和可靠性问题受到阻碍。最近封装的MEMS工艺 的进步将寿命提高到数十亿个周期。

PIN 二极管和固态开关

PIN二极管提供快速切换(nanoseconds)和出色的电源处理,使其适合切换银行匹配网络. 它们的插入损失(0.5–1.0 dB)和DC的电源消耗是权衡的. GaAs和硅对接器(SOI) FET交换机提供相当的速度和较低的损失,特别是在集成的CMOS技术中.

数字化金枪鱼可捕电器(BST和CMOS)

钛酸硼(BST)电容器利用一个铁电材料,其电离常数变化与应用电压相同。它们提供适中的Q(50-100)和高电容密度,适合紧凑的设计。 CMOS数字化的金枪鱼电容电容器(DTCs)将多个切换电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电容电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压电压

设计建筑和地形选择

Pi-Network和T-Network 变体

用于可重组匹配的流行地形包括Pi网络(三个反应性元素:shunt-shount)和T网络(sistant-shunt-shount-shount-set),两者在使用金枪鱼组件时都可以改变广泛的障碍. XQ928;-网络为给定调频范围提供更广泛的带宽,而T网络则对质量要素提供更好的控制. 设计者必须根据所需的阻力范围,操作带宽,以及可用的组件值来选择.

倾斜对分布匹配

在频率低于6千兆赫时,整流组件(电容器和插管)是实用的,超过10千兆赫时,分布式元素如带变压器的输电线支或切换开/短路成为必要,混合方法将整流式可捕电容器与固定输电线相结合,以减少大小,同时保持可重塑性.

可切换组件库

一个简单但有效的方法使用通过开关选择的固定电容器和导电器的库。这种离散调制可以避免变电器的非线性,并能够进行高功率处理。可能的状态数量会增加;一套6个具有双态开关的切换电容器产生64个阻断点。切换网络的精心设计可以将寄生电容器和导电功能最小化,从而限制高频性能。

控制和适应算法

渐渐的受降和干扰方法

适应匹配的经典方法是测量成本函数——如反射功率或VSWR——并按降低成本的方向调整可捕金枪鱼元素。梯度下降算法可以使用围绕当前状态的小扰动来实施。趋同速度取决于步数大小和测量噪音。对于没有调制元素的系统来说,这种方法很强,需要最少的计算资源。

机器学习方法

最近的工作将强化学习(RL)和人工神经网络(ANNs)应用于RIMN控制。 RL代理学了一个将阻碍测量图映射到最佳调制状态的政策,即使在非固定环境中也是如此。 ANN可以模拟控制电压和由此产生的阻碍转换之间的非线性绘图,一旦培训后,便能进行向导控制。 这些技术在多波段和多安特纳情景中表现突出,传统算法与维度诅咒相抗衡。

实时遥感和反馈

精确的阻力感应对有效适应至关重要. 方向对角和六端口反射计提供XX915的实时估计; 综合RF电源探测器向前测量和反射功率,从中可以得出VSWR. 采样率必须适应负载阻力的预期变化率——通常在微秒至毫秒范围内,用于移动电话人体效应,在纳米秒范围内用于RF放大器等离子体阻力.

模拟和原型考虑

电磁模拟工具——如Ansys HFSS、CST微波工作室或Keysight ADS——对预测RIMN的性能是必不可少的。全波模拟通过过渡和板共振来捕捉组件包的寄生效应。 与包括非线性变异器模型或交换寄生网络在内的电路解析器共同模拟,对调距、插入损失和谐振扭曲作出准确的预测。

在低损耗底物(如罗杰斯4350B或TMM10)上原型化,允许在生产前进行验证. 矢量网络分析器(VNA)用包括控制偏差网络在内的校准测量是必需的. 对于适应性控制,一个可编程的场门阵列(FPGA)或微控制器可以执行控制算法,并与数字到分析器转换器接口,用于对矢量偏差或切换驱动器进行.

现代通信系统中的应用

5G和毫米宽

第五代(5G)基站和用户设备运行于频率范围1(FR1:0.41–7.125GHz)和FR2(24.25–52.6GHz)之间. mmWave系统使用的相位阵列天线由于束向和相互耦合而发生阻变. 在每个天线元件上重新配置的匹配网络可以弥补这些变化,保持低VSWR并最大化有效的异热带辐射电源(ERP).

软件定义电台

特别提款权平台旨在覆盖一个宽频段(如100 MHz–6 GHz),并有一个单一的RF前端。 一个固定的匹配网络将限制特别提款权的窄带;RIMN可以使整个范围的电源转移接近最佳。 与可重构匹配相结合的可调滤器已经在USRP和HackRF等平台上展示,允许快速的频率跳跃和适应性干扰取消。

电磁图和多管系统

物联网(Iotes)设备往往需要支持多个协议(蓝牙,Wi-Fi,LoRa,NB-Iot)在不同频段运行. 单一的可重组匹配网络可以取代多个固定过滤器和匹配电路,减少板面积和材料单. 由于电能消耗受限,低损失切换电容器库或MEMS设备比需要持续偏差的变压器更受青睐.

未来方向和挑战

尽管取得了显著进展,但仍存在若干挑战。 []将具有活性电路的金枪鱼组件整合在单一CMOS或SOI工艺中是一项关键的工业目标,这减少了寄生体和成本,但对Q和电压处理施加了限制。 在传输路径中的线性[仍然是一个令人关切的问题,特别是对以变压器为基础的设计而言;使用切换电容器进行数字调值,可提供更好的调值性能。 跨多个八维差的Wideband操作需要新的地貌,例如结合的复弦网络或非电路,这些电路使用负阻转换器来取消寄生体。

随着通信系统向认知和可重组架构发展,阻碍匹配网络将成为一个完全适应性强的子系统。 高级控制算法、低损失的金枪鱼成分和实时感知的整合将带来前所未有的灵活性、电源效率和信号质量。 这里概述的设计原则为工程师创建符合下一代无线网络要求的RIMN提供了基础。