แนวโน้มอุตสาหกรรมเสาอากาศ: ความท้าทายหลักสามประการและนวัตกรรมที่ขับเคลื่อนการออกแบบ 5G/IoT

ในภูมิทัศน์ของการสื่อสารไร้สายที่พัฒนาอย่างรวดเร็ว เสาอากาศไม่ใช่ตัวนำโลหะธรรมดาอีกต่อไป ด้วยการเปิดตัว คลื่นมิลลิเมตร (mmWave) เทคโนโลยี  แถบ Massive MIMO  ใน 5G และการเชื่อมต่อของ อุปกรณ์ Internet of Things (IoT) นับพันล้านเครื่อง เสาอากาศได้พัฒนาจากส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่ค่อนข้างอิสระมาสู่  มีการผสานรวมในระดับสูง ระบบย่อยอัจฉริยะ ที่  ภายใน Radio Frequency Front-End (RFFE) โดยรวม สถาปัตยกรรม

การออกแบบเสาอากาศในปัจจุบันเผชิญกับความท้าทายหลักสามประการ: การบรรลุการครอบคลุมหลายแบนด์ในเทอร์มินัลที่มีขนาดเล็กมาก; บรรเทาการสูญเสียสูงที่ความถี่สูง และเปิดใช้งานการควบคุมลำแสงแบบไดนามิกที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์ บทความนี้ทำหน้าที่เป็นแนวทางในอุตสาหกรรมของคุณ โดยที่วิศวกรเสาอากาศมืออาชีพจะวิเคราะห์ความท้าทายเหล่านี้อย่างลึกซึ้ง และเผยให้เห็นว่าอุตสาหกรรมตอบสนองอย่างไรด้วยนวัตกรรมที่ก่อกวน

ความท้าทายที่หนึ่ง: การก้าวกระโดดจาก Sub-6GHz ไปสู่ ​​mmWave และปัญหาบูรณาการของ Massive MIMO

การเพิ่มความถี่เป็นทางเลือกที่หลีกเลี่ยงไม่ได้สำหรับ 5G ในการติดตามแบนด์วิดท์ที่สูงเป็นพิเศษ แต่ทำให้เกิดข้อจำกัดทางกายภาพที่รุนแรงในการออกแบบเสาอากาศ

ความขัดแย้งระหว่างการสูญเสียเส้นทางและการชดเชย EIRP คอขวดทางกายภาพ: เมื่อความถี่เพิ่มขึ้นจาก Sub-6GHz เป็น 28 GHz หรือ 39 GHz การสูญเสียเส้นทาง Free-Space  จะเพิ่มขึ้นเป็นกำลังสอง วิศวกรจะต้องชดเชยการลดทอนสัญญาณนี้โดยการเพิ่มกำลังการแผ่รังสีไอโซโทรปิกที่มีประสิทธิภาพ (EIRP) อย่างมีนัยสำคัญ

นวัตกรรมเสาอากาศ: MIMO ขนาดใหญ่และการสร้างลำแสง: นี่เป็นวิธีเดียวที่มีประสิทธิภาพในการเอาชนะการสูญเสียเส้นทาง

• Massive MIMO ใช้อาร์เรย์ขององค์ประกอบเสาอากาศหลายร้อยรายการเพื่อรวมพลังงานที่แผ่ออกมาไว้ในกลีบหลักที่แคบ ดังนั้นจึงได้รับอาร์เรย์ที่เพิ่มขึ้นสูง

• แนวโน้มอุตสาหกรรม: สิ่งนี้นำไปสู่การใช้ Active Antenna Unit (AAU) อย่างกว้างขวาง ซึ่งรวมเอา Power Amplifier (PA), Transceiver (TRX) และองค์ประกอบเสาอากาศเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา ซึ่งช่วยลดการสูญเสียการส่งสัญญาณที่เกิดจากตัวป้อนแบบเดิม และรับประกันเอาท์พุต Total Radiated Power (TRP) สูงของระบบ

H3: 1.2. การเชื่อมต่อองค์ประกอบเสาอากาศและการกระจายความร้อนที่ความถี่สูง

• การเชื่อมต่อร่วมกัน: ในอาร์เรย์ MIMO ขนาดใหญ่ เนื่องจากระยะห่างระหว่างองค์ประกอบเสาอากาศลดลง การเชื่อมต่อระหว่างกันจะรุนแรงขึ้น สิ่งนี้จะลดประสิทธิภาพการแผ่รังสีของอาเรย์และประสิทธิภาพการสร้างบีมฟอร์มมิ่งลงอย่างมาก จำเป็นต้องใช้โซลูชันการแยก เช่น เครือข่ายแยกส่วนหรือโครงสร้างช่องว่างแถบแม่เหล็กไฟฟ้า (EBG)

• ความท้าทายในการกระจายความร้อน: ชิป RF และ PA จำนวนมากภายใน AAU สร้างความร้อนจำนวนมากระหว่างการทำงานที่ใช้พลังงานสูง อุณหภูมิสูงทำให้ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุเสาอากาศลอย นำไปสู่การลดความถี่เรโซแนนซ์และประสิทธิภาพการทำงานลดลง จำเป็นต้องมีการจำลองร่วมเทอร์โมไฟฟ้าที่แม่นยำ

ความท้าทายที่สอง: การแลกเปลี่ยนระหว่างการย่อขนาดเทอร์มินัลและการครอบคลุมประสิทธิภาพสูงแบบหลายแบนด์

ในเทอร์มินัลที่มีพื้นที่จำกัด เช่น สมาร์ทโฟนและสมาร์ทวอทช์ เสาอากาศจำเป็นต้องรองรับคลื่นความถี่มากกว่าหนึ่งโหล (4G/5G/Wi-Fi/GPS) ในปริมาณที่น้อยที่สุด ทำให้เกิด ขนาดประสิทธิภาพ แบบคลาสสิก Trilemma

การเสียสละอย่างมีประสิทธิภาพ: การสูญเสียโดยธรรมชาติของเสาอากาศขนาดเล็ก

เทคนิคการย่อขนาด:  ในการลดขนาดเสาอากาศให้เหลือ แล /10  หรือน้อยกว่า วิศวกรมักใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การโหลดแบบเหนี่ยวนำ  หรือ การดัดโครงสร้าง.

ข้อจำกัดทางกายภาพ:  ตาม ขีดจำกัดของ Chu มีค่าสูงสุดทางทฤษฎีสำหรับแบนด์วิธและประสิทธิภาพของเสาอากาศขนาดเล็ก เพื่อรักษาเสียงสะท้อน เสาอากาศขนาดเล็กมักจะมีปัจจัยด้านคุณภาพที่สูงมาก ซึ่งนำไปสู่ แบนด์วิธที่แคบ  และ การสูญเสียโอห์มมิ ของตัวนำ อย่างมีนัยสำคัญ ก ดังนั้นประสิทธิภาพการแผ่รังสีจึงมักจะลดลงต่ำกว่า 50%.

นวัตกรรมเสาอากาศ: การปฏิวัติด้านโครงสร้าง วัสดุ และการผลิต

เพื่อเอาชนะภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกนี้ อุตสาหกรรมจึงมุ่งเน้นไปที่วัสดุและกระบวนการผลิต:

เซรามิกค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูง:  ใช้ใน GPS/IoT  โมดูล พวกเขาลดขนาดได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้εᵣสูงในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพที่ยอมรับได้

กระบวนการ LDS/FPC: เสาอากาศ  Laser Direct Structuring (LDS)  และ เสา อากาศวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น (FPC)  ช่วยให้สามารถวางรูปแบบเสาอากาศตาม พื้นผิวที่ไม่ใช่ระนาบที่ ซับซ้อน  ภายในอุปกรณ์ ทำให้ใช้พื้นที่อุปกรณ์ต่อพ่วงให้เกิดประโยชน์สูงสุดสำหรับการอยู่ร่วมกันแบบหลายแบนด์

โมดูลปรับเสาอากาศ (จูนเนอร์):  โมดูลเหล่านี้ใช้ ตัวเก็บประจุ/ตัวเหนี่ยวนำ แบบตั้งโปรแกรมได้  เพื่อปรับการจับคู่อิมพีแดนซ์ของเสาอากาศและความยาวทางไฟฟ้าแบบไดนามิกข้ามคลื่นความถี่ต่างๆ เพื่อให้มั่นใจว่า VSWR  ยังคงอยู่ในช่วงที่เหมาะสมที่สุด (เช่น VSWR < 2:1) แม้ว่าความถี่จะเปลี่ยนไปหรือผลกระทบจากมือถือก็ตาม

· 

ความท้าทายที่สาม: การเปลี่ยนจากฮาร์ดแวร์แบบพาสซีฟเป็นระบบอัจฉริยะที่ตั้งโปรแกรมได้

สภาพแวดล้อมการสื่อสารในอนาคตมีความเปลี่ยนแปลงและซับซ้อน เสาอากาศจะต้องพัฒนาจากชิ้นส่วนฮาร์ดแวร์แบบคงที่ไปเป็นส่วนประกอบที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์ที่สามารถตรวจจับและปรับใช้แบบเรียลไทม์

นวัตกรรมก่อกวน: เสาอากาศในแพ็คเกจ (AiP) และการรวม RFFE

คำจำกัดความของ AiP: เทคโนโลยี  Antenna in Package (AiP)  ผสานรวมองค์ประกอบเสาอากาศ, ชิป RFFE (PA, LNA, TRX) และแม้แต่ส่วนประกอบเบสแบนด์ภายในแพ็คเกจหรือโมดูลเดียวกัน วิธีนี้จะกำจัดสายส่งความถี่สูงระหว่างชิปและซับสเตรตของแพ็คเกจโดยสิ้นเชิง ช่วยลด การสูญเสียการเชื่อมต่อระหว่างกัน.

แนวโน้มการบรรจบกัน:  AiP ขับเคลื่อนการทำงานร่วมกันอย่างลึกซึ้งระหว่างวิศวกรเสาอากาศ นักออกแบบชิป และวิศวกรบรรจุภัณฑ์ โดยมีเป้าหมายสูงสุดในการบรรลุ AoC (เสาอากาศบนชิป) โดยที่เสาอากาศรับรู้โดยตรงบนซิลิคอน

ตัวเปิดใช้งานคีย์ 6G: พื้นผิวอัจฉริยะที่กำหนดค่าใหม่ได้ (RIS) / พื้นผิวสะท้อนแสงอัจฉริยะ (IRS)

หลักการ:  พื้น ผิวสะท้อนแสงอัจฉริยะ (IRS / RIS)  เป็นหนึ่งในแอปพลิเคชั่น 6G ที่ร้อนแรงที่สุด RIS ใช้อาร์เรย์ ขนาดใหญ่ Metasurface  โดยที่การสะท้อนเฟสของแต่ละองค์ประกอบจะถูกควบคุมโดยการเขียนโปรแกรมซอฟต์แวร์ ซึ่งจะเปลี่ยนตัวสะท้อนแสงโดยรอบ (เช่น ผนังและกระจก) ให้เป็น 'กระจกสัญญาณ' ที่ควบคุมได้

ความคุ้มค่า:  RIS เอาชนะ การอุดตัน  ของสัญญาณ mmWave ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยส่งพลังงานไปยังพื้นที่ที่ยากต่อการครอบคลุมโดยตรง สิ่งนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความครอบคลุมด้านพลังงานของเครือข่ายได้อย่างมาก ช่วยให้เกิด สภาพแวดล้อมไร้สายที่ตั้งโปรแกรมได้.

บทสรุปและแนวโน้มอุตสาหกรรม

ความท้าทายหลักสามประการที่เกิดจากยุค 5G/IoT ได้แก่ การบูรณาการความถี่สูง การย่อขนาดสุดขีด และการควบคุมแบบไดนามิก กำลังเร่งการเปลี่ยนแปลงของอุตสาหกรรมไปสู่ ความชาญฉลาด การบูรณาการ และความสามารถที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์

บทบาทของวิศวกรเสาอากาศกำลังเปลี่ยนจาก นักแก้ปัญหาสนามแม่เหล็กไฟฟ้า แบบดั้งเดิม  เป็น ผู้รวมระบบแบบสหวิทยาการ ไป ความสำเร็จในอนาคตจะขึ้นอยู่กับการเรียนรู้เทคโนโลยีขั้นสูงอย่าง AiP  และ RIS และการมีทักษะที่ครอบคลุมในด้าน การจัดการระบายความร้อน วัสดุศาสตร์ และการออกแบบที่ใช้ AI ช่วยเหลือ