В быстро развивающейся сфере беспроводной связи антенна больше не является простым металлическим проводником. С появлением диапазона миллиметровых волн (mmWave) , технологии Massive MIMO в 5G и подключения миллиардов устройств Интернета вещей (IoT) антенна превратилась из относительно независимого пассивного компонента в высокоинтегрированную интеллектуальную подсистему в рамках общей архитектуры радиочастотного интерфейса (RFFE) .
Современная конструкция антенн сталкивается с тремя основными проблемами: обеспечение многодиапазонного покрытия в чрезвычайно миниатюрных терминалах; снижение высоких потерь на высоких частотах; и обеспечение программно-определяемого динамического управления лучом. Эта статья служит для вас отраслевым руководством, в котором профессиональный инженер по антеннам глубоко анализирует эти проблемы и показывает, как отрасль реагирует на них прорывными инновациями.
Задача первая: переход от частоты ниже 6 ГГц к миллиметровому диапазону и дилемма интеграции Massive MIMO
Увеличение частоты является неизбежным выбором для 5G, стремящимся к сверхширокой полосе пропускания, но оно накладывает крайние физические ограничения на конструкцию антенны.
Конфликт между потерями на трассе и компенсацией EIRP. Физическое узкое место: когда частота увеличивается с частоты менее 6 ГГц до 28 ГГц или 39 ГГц, потери на трассе в свободном пространстве увеличиваются квадратично. Инженеры должны компенсировать это затухание сигнала путем значительного увеличения эффективной изотропной излучаемой мощности (EIRP).
Инновации в области антенн: Massive MIMO и формирование луча: это единственный эффективный метод преодоления потерь на трассе.
• Массивный MIMO использует решетку из сотен антенных элементов для концентрации излучаемой энергии в узком главном лепестке, тем самым обеспечивая высокий коэффициент усиления решетки.
• Тенденция в отрасли: Это непосредственно привело к широкому распространению активного антенного блока (AAU), который тесно объединяет усилитель мощности (PA), приемопередатчик (TRX) и антенные элементы. Это устраняет потери при передаче, вносимые традиционными фидерами, и обеспечивает высокую выходную мощность системы (TRP).
Н3: 1.2. Связь элементов антенны и рассеивание тепла на высоких частотах
• Взаимная связь. В массивах Massive MIMO по мере уменьшения расстояния между антенными элементами взаимная связь усиливается. Это серьезно ухудшает эффективность излучения массива и характеристики формирования луча. Требуются изолирующие решения, такие как развязывающие сети или структуры с электромагнитной запрещенной зоной (EBG).
• Проблема рассеивания тепла: Большое количество радиочастотных микросхем и усилителей мощности внутри AAU выделяют значительное количество тепла во время работы на высокой мощности. Высокие температуры вызывают изменение диэлектрической проницаемости материалов антенны, что приводит к расстройке резонансной частоты и ухудшению характеристик. Точное термоэлектрическое совместное моделирование является обязательным.
Задача вторая: компромисс между миниатюризацией терминалов и многодиапазонным высокоэффективным покрытием
В терминалах с ограниченным пространством, таких как смартфоны и умные часы, антенны должны поддерживать более десятка диапазонов (4G/5G/Wi-Fi/GPS) при минимальном объеме, создавая классическую трилемму « размер-эффективность-пропускная способность» .
Жертва эффективности: неизбежные потери в миниатюрных антеннах
Методы миниатюризации. Чтобы уменьшить размер антенны до λ /10 или меньше, инженеры часто используют такие методы, как индуктивная нагрузка или изгиб конструкции..
Физическое ограничение: согласно «Пределу Чу» , существует теоретический максимум ширины полосы пропускания и эффективности небольших антенн. Для поддержания резонанса миниатюрные антенны часто имеют очень высокую добротность, что приводит к узкой полосе пропускания и значительным омическим потерям в проводнике . Следовательно, эффективность излучения часто падает ниже 50%.
Инновации в области антенн: революция в конструкции, материалах и производстве
Чтобы преодолеть эту дилемму, промышленность фокусируется на материалах и производственных процессах:
Керамика с высокой диэлектрической постоянной: используется в GPS/IoT . модулях Они эффективно уменьшают размер за счет использования высокого εᵣ, сохраняя при этом приемлемую эффективность.
Процессы LDS/FPC: антенны с прямым лазерным структурированием (LDS) и гибкими печатными схемами (FPC) позволяют расположить диаграмму направленности антенны вдоль сложных неплоских поверхностей внутри устройства, максимально используя периферийное пространство для сосуществования нескольких диапазонов.
Модули настройки антенны (тюнер): в этих модулях используются программируемые переменные конденсаторы/индукторы для динамической регулировки согласования импеданса и электрической длины антенны в различных диапазонах частот. Это гарантирует, что КСВ остается в оптимальном диапазоне (например, КСВ < 2:1), несмотря на изменения частоты или воздействие пользователя с рук.
·
Задача третья: переход от пассивного оборудования к программируемым интеллектуальным системам
Будущая коммуникационная среда динамична и сложна. Антенна должна превратиться из статического аппаратного средства в программно-определяемый компонент, способный воспринимать и адаптироваться в режиме реального времени.
Прорывные инновации: антенна в корпусе (AiP) и интеграция RFFE
Определение AiP: Технология «Антенна в корпусе» (AiP) объединяет антенные элементы, RFFE-чипы (PA, LNA, TRX) и даже компоненты основной полосы частот в одном корпусе или модуле. Это полностью исключает высокочастотные линии передачи между чипом и подложкой корпуса, сводя к минимуму потери межсоединений..
Тенденция конвергенции: AiP способствует тесному сотрудничеству между инженерами антенн, разработчиками микросхем и инженерами по упаковке с конечной целью достижения AoC (антенна на кристалле) , когда антенна реализуется непосредственно на кристалле.
Ключевой фактор 6G: реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (RIS)/умная отражающая поверхность (IRS)
Принцип: интеллектуальная отражающая поверхность (IRS/RIS) — одно из самых популярных приложений 6G. RIS использует крупномасштабный массив Metasurface , где отражение фазы каждого элемента контролируется программным обеспечением. Это превращает окружающие отражатели (например, стены и стекло) в управляемые «сигнальные зеркала».
Ценность: RIS эффективно преодолевает блокировку сигналов миллиметрового диапазона, направляя энергию в области, которые трудно охватить напрямую. Это значительно повышает энергоэффективность и покрытие сети, позволяя создать программируемую беспроводную среду..
Выводы и перспективы отрасли
Три основные проблемы, возникшие в эпоху 5G/IoT — высокочастотная интеграция, чрезвычайная миниатюризация и динамическое управление — ускоряют переход отрасли к интеллектуальным, интеграционным и программно-определяемым возможностям.
Роль антенного инженера трансформируется из традиционного специалиста по определению электромагнитного поля в междисциплинарного системного интегратора . Будущий успех будет зависеть от освоения передовых технологий, таких как AiP и RIS , а также от владения комплексными навыками в области терморегулирования, материаловедения и проектирования с использованием искусственного интеллекта.
