در چشم انداز به سرعت در حال تحول ارتباطات بی سیم، آنتن دیگر یک هادی فلزی ساده نیست. با معرفی باند موج میلی متری (mmWave) ، فناوری Massive MIMO در 5G، و اتصال میلیاردها دستگاه اینترنت اشیا (IoT) ، آنتن از یک جزء غیرفعال نسبتا مستقل به یک زیرسیستم هوشمند بسیار یکپارچه در معماری کلی فرکانس رادیویی Front-End (RFFE) تبدیل شده است .
طراحی آنتن فعلی با سه چالش اصلی روبرو است: دستیابی به پوشش چند باند در پایانه های بسیار کوچک. کاهش تلفات بالا در فرکانس های بالا؛ و کنترل پرتو پویا تعریف شده توسط نرم افزار را فعال می کند. این مقاله به عنوان راهنمای صنعت شما عمل می کند، جایی که یک مهندس آنتن حرفه ای عمیقاً این چالش ها را تجزیه و تحلیل می کند و نشان می دهد که صنعت چگونه با نوآوری های مخرب پاسخ می دهد.
چالش اول: جهش از زیر 6 گیگاهرتز به mmWave و معضل یکپارچه سازی MIMO عظیم
افزایش فرکانس یک انتخاب اجتنابناپذیر برای 5G برای دنبال کردن پهنای باند فوقالعاده بالا است، اما محدودیتهای فیزیکی شدیدی را برای طراحی آنتن ایجاد میکند.
تضاد بین از دست دادن مسیر و جبران EIRP تنگنا فیزیکی: وقتی فرکانس از زیر 6 گیگاهرتز به 28 گیگاهرتز یا 39 گیگاهرتز افزایش می یابد، افت مسیر فضای آزاد به صورت درجه دوم افزایش می یابد. مهندسان باید این تضعیف سیگنال را با افزایش قابل توجه توان تابشی ایزوتروپیک موثر (EIRP) جبران کنند.
نوآوری آنتن: MIMO عظیم و شکل دهی پرتو: این تنها روش موثر برای غلبه بر افت مسیر است.
• MIMO عظیم از آرایه ای از صدها عنصر آنتن استفاده می کند تا انرژی تابیده شده را در یک لوب اصلی باریک متمرکز کند و در نتیجه به آرایه بالایی دست یابد.
• روند صنعت: این امر مستقیماً منجر به پذیرش گسترده واحد آنتن فعال (AAU) شد که به شدت تقویت کننده قدرت (PA)، فرستنده گیرنده (TRX) و عناصر آنتن را ادغام می کند. این امر تلفات انتقالی را که توسط فیدرهای سنتی وارد میشود حذف میکند و خروجی کل توان تابشی (TRP) بالای سیستم را تضمین میکند.
H3: 1.2. کوپلینگ المان آنتن و اتلاف گرما در فرکانس های بالا
• جفت متقابل: در آرایه های MIMO عظیم، با کوچک شدن فاصله بین عناصر آنتن، جفت متقابل تشدید می شود. این به شدت بازده تابش و عملکرد شکل دهی پرتو آرایه را کاهش می دهد. راه حل های جداسازی، مانند شبکه های جداسازی یا ساختارهای باند باند الکترومغناطیسی (EBG) مورد نیاز است.
• چالش اتلاف گرما: تعداد زیادی از تراشههای RF و PA در یک AAU گرمای قابلتوجهی را در طول عملیات پرقدرت تولید میکنند. دماهای بالا باعث میشود که ثابت دیالکتریک مواد آنتن رانده شود، که منجر به جداسازی فرکانس تشدید و کاهش عملکرد میشود. شبیهسازی دقیق ترموالکتریک اجباری است.
چالش دوم: معاوضه بین کوچکسازی ترمینال و پوشش چند باندی با راندمان بالا
در پایانههای با محدودیت فضا مانند گوشیهای هوشمند و ساعتهای هوشمند، آنتنها باید از بیش از دوجین باند (4G/5G/Wi-Fi/GPS) با حداقل حجم پشتیبانی کنند که یک سهگانه کلاسیک اندازه-بازده- پهنای باند ایجاد میکند .
فداکاری کارایی: از دست دادن ذاتی در آنتن های کوچک
تکنیک های کوچک سازی: برای کوچک کردن اندازه آنتن به λ /10 یا کمتر، مهندسان اغلب از تکنیک هایی مانند بارگذاری القایی یا خمش سازه استفاده می کنند..
محدودیت فیزیکی: طبق محدودیت چو ، حداکثر نظری برای پهنای باند و کارایی آنتن های کوچک وجود دارد. برای حفظ رزونانس، آنتن های کوچک اغلب دارای ضریب کیفیت بسیار بالایی هستند که منجر به پهنای باند باریک و تلفات اهمی هادی قابل توجهی می شود . در نتیجه، راندمان تابش اغلب به زیر 50% می رسد..
نوآوری آنتن: انقلاب در ساختار، مواد و ساخت
برای غلبه بر این معضل، صنعت بر مواد و فرآیندهای تولید تمرکز می کند:
سرامیک های ثابت با دی الکتریک بالا: در ماژول های GPS/IoT استفاده می شود . آنها به طور موثر اندازه را با استفاده از εᵣ بالا کاهش می دهند و در عین حال کارایی قابل قبولی را حفظ می کنند.
فرآیندهای LDS/FPC: آنتنهای ساختار مستقیم لیزری (LDS) و مدار چاپی انعطافپذیر (FPC) به الگوی آنتن اجازه میدهند که در امتداد قرار گیرد سطوح پیچیده غیرمسطح داخل دستگاه و استفاده از فضای محیطی برای همزیستی چند باند به حداکثر برسد.
ماژولهای تنظیم آنتن (Tuner): این ماژولها از خازنها/سلفهای متغیر قابل برنامهریزی برای تنظیم پویا تطابق امپدانس و طول الکتریکی آنتن در باندهای فرکانسی مختلف استفاده میکنند. این تضمین می کند که VSWR علی رغم تغییرات فرکانس یا جلوه های کاربر دستی، در محدوده بهینه باقی می ماند (مثلاً VSWR < 2:1).
·
چالش سوم: تغییر از سخت افزار غیرفعال به سیستم های هوشمند قابل برنامه ریزی
محیط ارتباطی آینده پویا و پیچیده است. آنتن باید از یک قطعه ایستا سخت افزار به یک جزء نرم افزاری که قادر به سنجش و تطبیق در زمان واقعی باشد، تبدیل شود.
نوآوری مخرب: آنتن در بسته (AiP) و یکپارچه سازی RFFE
تعریف AiP: فناوری Antenna in Package (AiP) عناصر آنتن، تراشههای RFFE (PA، LNA، TRX) و حتی اجزای باند پایه را در یک بسته یا ماژول یکپارچه میکند. این به طور کامل خطوط انتقال فرکانس بالا را بین تراشه و بستر بسته حذف می کند و از دست دادن اتصال را به حداقل می رساند..
روند همگرایی: AiP همکاری عمیق بین مهندسان آنتن، طراحان تراشه و مهندسان بستهبندی را با هدف نهایی دستیابی به AoC (آنتن روی تراشه) ، که در آن آنتن مستقیماً روی سیلیکون قرار میگیرد، هدایت میکند.
فعال کننده کلید 6G: سطوح هوشمند قابل تنظیم مجدد (RIS) / سطح بازتاب هوشمند (IRS)
اصل: سطح بازتاب هوشمند (IRS / RIS) یکی از داغ ترین برنامه های 6G است. RIS از یک آرایه در مقیاس بزرگ استفاده می کند Metasurface که در آن بازتاب فاز هر عنصر توسط برنامه نویسی نرم افزار کنترل می شود. این بازتابندههای محیط (مانند دیوارها و شیشهها) را به «آینههای سیگنال» قابل کنترل تبدیل میکند.
ارزش: RIS به طور موثر بر انسداد سیگنال های mmWave غلبه می کند و انرژی را به سمت مناطقی هدایت می کند که پوشش مستقیم آنها دشوار است. این به طور قابل توجهی بهره وری انرژی و پوشش شبکه را افزایش می دهد و یک محیط بی سیم قابل برنامه ریزی را امکان پذیر می کند..
نتیجه گیری و چشم انداز صنعت
سه چالش اصلی ناشی از عصر 5G/IoT - یکپارچهسازی با فرکانس بالا، کوچکسازی شدید و کنترل پویا - انتقال صنعت به سمت هوشمندی، یکپارچهسازی و قابلیتهای تعریفشده توسط نرمافزار را سرعت میبخشد.
نقش مهندس آنتن تبدیل از یک حل کننده میدان الکترومغناطیسی سنتی به یک سیستم یکپارچه کننده بین رشته ای است . موفقیت آینده به تسلط بر فناوری های پیشرفته مانند AiP و RIS و داشتن مهارت های جامع در مدیریت حرارتی، علم مواد و طراحی به کمک هوش مصنوعی بستگی دارد.
