Կերամիկական անտենային զանգվածներ. Սկզբունքներ, դիզայն և ժամանակակից անլար համակարգերի հիմնարար հիմք

Գրառություն: Այսօրվա չափազանց միացված աշխարհում անլար կապի սարքերը արագ ձգտում են մինիատյուրացման, բարձր կատարողականության և բազմաֆունկցիոնության։ Սովորական անտենաները հաճախ դժվարանում են հավասարակշռել չափսն ու կատարողականությունը։ Կերամիկական անտենային զանգվածները, որոնք բարձր կատարողականությամբ կերամիկական նյութերը համատեղում են զանգվածային անտենային տեխնոլոգիայի հետ, դառնում են 5G տերմինալներից մինչև արբանյակային կապի առաջատար ոլորտներում հիմնարար տեխնոլոգիաներ իրենց արտակարգ ինտեգրման, շառավղային լայնության և ճառագայթման արդյունավետության շնորհիվ։ Այս հոդվածը մանրամասն վերլուծություն է տալիս աշխատանքի սկզբունքների, հիմնական նախագծային տարրերի և նրանց լայն կիրառությունների մասին։

I. Կերամիկական անտենային զանգվածների հիմնարար սկզբունքներ

Կերամիկական անտենային զանգվածների սկզբունքը հիմնված է երկու տեխնոլոգիական հիմնարար սյուների վրա՝ բարձր կատարողականությամբ կերամիկական դիէլեկտրիկ նյութեր և անտենային զանգվածի տեսություն։

1. Նյութական հիմք. Կերամիկական դիէլեկտրիկ ռեզոնատորներ

Ավանդական մետաղական անտեններից հակառակ, որոնք հիմնված են հաղորդիչի մակերևույթային հոսանքի ճառագայթման վրա, կերամիկական անտենները (ավելի ճիշտ՝ դիէլեկտրիկ ռեզոնատորային անտեններ, DRAs) օգտագործում են դիէլեկտրիկ ռեզոնանս: Ընտրված կերամիկական նյութերը (օրինակ՝ բարիում-ստրոնցիում տիտանատ, բարիում տիտանատ) ունեն հետևյալ հիմնարար հատկությունները.

• Բարձր դիէլեկտրիկ թափանցելիություն. Էլեկտրամագնիսական ալիքի ալիքի երկարությունը դիէլեկտրիկում կրճատվում է մինչև 1/√ε_r անգամ օդում եղած ալիքի երկարությունից: Սա հնարավորություն է տալիս անտենայի չափերը զգալիորեն փոքրացնել և հասնել նրա մինիատյուրացման:

• Ցածր կորուստների միջև անկյուն. Նյութի ներքին կլանման կորուստը էլեկտրամագնիսական էներգիայի դեպքում շատ ցածր է, որը երաշխավորում է բարձր ճառագայթման արդյունավետություն:

• Ճկուն ջերմաստիճան-հաճախականության բնութագրեր. Կայունությունը տարբեր շրջակա միջավայրի պայմաններում հասնում է նյութի կազմությունը կարգավորելով:

Երբ կերամիկական մարմնի չափսերը մոտենում են դիէլեկտրիկ ալիքի երկարության կեսին, առաջանում են հստակ էլեկտրամագնիսական ռեզոնանսի ռեժիմներ (օրինակ՝ TE կամ TM ռեժիմներ), որոնք ստեղծում են ուժեղ արտանետված դաշտեր կերամիկական մարմնի մակերևույթներին: Այդ դաշտերը համատեղվում են ազատ տարածության հետ՝ ապահովելով արդյունավետ էլեկտրամագնիսական ճառագայթում:

2. Շարքի հզորացում. Ճառագայթման ձևավորում և արդյունավետության բարձրացում

Չնայած մեկ կերամիկական անտենայի տարրը առաջարկում է գերազանց արդյունավետություն, նրա հնարավորությունները սահմանափակ են: Մի քանի կերամիկական անտենայի տարրեր կոնկրետ երկրաչափական դասավորությամբ (գծային, հարթ կամ կոնֆորմ) կազմելով «շարք», հասնում ենք որակական թռիչքի.

• Ճառագայթի ձևավորում և սկանավորում. Կառավարելով յուրաքանչյուր տարրին մատակարարվող սիգնալի լայնույթն ու փուլը՝ շարքի ճառագայթման օրնամենտը կարող է ճշգրիտ ձևավորվել: Փուլի կառավարման համար փուլային շիթերի օգտագործումը հնարավորություն է տալիս էլեկտրոնային կերպով սկանավորել հիմնական ճառագայթը տարածության մեջ՝ առանց մեխանիկական շարժման:

• Բարձր եկամտաբերություն և ուժեղ ուղղությունայնություն. Զանգվածը տարածության մեջ համատեղ է միավորում բազմաթիվ տարրերից ճառագայթվող էներգիան՝ ձեռք բերելով շահույթ և ուղղահայացություն, որոնք կոնկրետ ուղղություններում զգալիորեն գերազանցում են մեկ տարրինը:

• Ճկուն ճառագայթի կառավարում. Ալգորիթմներ (օրինակ՝ հարմարվող փոխադրման ձևավորում) կարող են դինամիկորեն կարգավորել փոխադրման ձևը՝ հնարավոր դարձնելով խելացի ֆունկցիաներ, ինչպիսիք են վնասակար աղբյուրների կամ թիրախային օգտատերերի հետևումը:

3. Կարճ աշխատանքային սկզբունքի ամփոփում

Կերամիկ անտենայի զանգվածում ՌՉ սիգնալը յուրաքանչյուր կերամիկ տարրում առաջացնում է ռեզոնանս սնուցման ցանցի միջոցով (օրինակ՝ միկրոշղթա, կոաքսիալ զոնդ կամ բացվածքի զուգորդում): Յուրաքանչյուր տարրից ճառագայթվող սֆերիկ ալիքները միմյանց հետ փոխազդում են հեռավոր տիրույթում: Մշակելով տարրերի հեռավորությունը (սովորաբար մոտավորապես ազատ տարածության ալիքի երկարության կեսը՝ ցանցային բուրգերից խուսափելու համար) և սնուցման բաշխումը, բոլոր տարրերի ճառագայթումը համաֆազ է ավելանում և ուժեղանում է ցանկալի ուղղությամբ, մինչդեռ չեզոքացվում է ցանկալի չուղղություններում, այսպիսով ձևավորելով սուր, կառավարվող փոխադրում:

II. Կերամիկական անտենային զանգվածների նախագծում և հիմնական դիտարկումներ

Բարձր կարգավիճակով կերամիկական անտենային զանգվածի նախագծումը բարդ համակարգային ինժեներական խնդիր է, որն անհրաժեշտ է հավասարակշռել հետևյալ գործոնները.

• Տարրերի կոնստրուկցիա. Որոշել կերամիկական բլոկի ձևը (ուղղանկյուն, ցիլինդրային, կիսագնդային), չափը և նյութի պարամետրերը՝ օպտիմալացնելու ռեզոնանսային հաճախականությունը, շառավիղը և ճառագայթման օրինակը:

• Զանգվածի կոնֆիգուրացիա. Ընտրել 1D գծային զանգված, 2D հարթ զանգված կամ 3D կոնֆորմ զանգված՝ կախված կիրառման պահանջներից: Տարրերի հեռավորությունը կարևոր պարամետր է, որն անհրաժեշտ է հավասարակշռել ցանցային լոբուսներից խուսափելու և փոխադարձ կապը ճնշելու համար:

• Մատակարարման ցանց. Նախագծել արդյունավետ, ցածր կորուստներով մատակարարման կառույց՝ ապահովելու անհրաժեշտ լայնույթն ու փուլային բաշխումը: Ժամանակակից նախագծումները հաճախ ինտեգրվում են սիլիցիումի կամ բարդ կիսահաղորդիչ ինտեգրված սխեմաների հետ՝ ակտիվ կառավարման համար:

• Փոխադարձ զուգատեղման էֆեկտ. Շատ մոտ տարրերի միջև էլեկտրամագնիսական զուգորդումը փոխում է տարրի իմպեդանսը և ճառագայթման բնութագրերը, ինչը պահանջում է զտանցման տեխնիկական միջոցների կամ ալգորիթմների կիրառում:

• Փաթեթավորում և ինտեգրում. Կերամիկ անտեննաները հեշտությամբ ինտեգրվում են PCB փաթեթավորման հետ՝ պահանջելով ջերմային ընդարձակման գործակցի համընկնման, մեխանիկական կայունության և շրջակա միջավայրի պաշտպանության համապատասխանություն:

III. Լայն կիրառման ոլորտներ

Կերամիկ անտենային մասսիվների եզակի առավելությունները դրանք անփոխարինելի են դարձնում բազմաթիվ բարդ դեպքերում.

1. Հինգերորդ սերնդի և ապագայի շարժական կապ

• 5G/6G ինտելեկտուալ հեռախոսներ և տերմինալներ. Ներքին տարածքը սահմանափակ է: Կերամիկ անտենային մասսիվները առաջարկում են կոմպակտ լուծում Massive MIMO-ի և միլիմետրային ալիքների ճառագայթման ձևավորման համար, որը հիմնարար է բարձր արագությամբ, ցածր իներցիայով 5G կապի համար:

• 5G փոքր բջիջներ և ֆիքսված անլար մուտք. Խիտ քաղաքային ծածկույթի համար օգտագործվում են, որտեղ բարձր եկամտաբերությունը և էլեկտրոնային սկանավորման կարողությունը հնարավորություն է տալիս ճշգրիտ սպասարկել օգտագործողներին՝ բարելավելով ցանցի հզորությունն ու էներգաօգտագործման արդյունավետությունը:

2. Արբանյակային հաղորդակցություններ

• Ցածր ուղեծրի արբանյակային կազմավորումներ (օրինակ՝ Starlink). Արբանյակային հարթակները ալեհավաքների զանգվածի, ծավալի և հուսալիության նկատմամբ խիստ պահանջներ են ներկայացնում: Կերամիկական փուլային ալեհավաքային համակարգերը թեթև, ցածր պրոֆիլային, բազմաշառակային արտադրման և արագ շառակների փոխանցման հնարավորություն են ընձեռում, բավարարելով բարձր թողունակությամբ արբանյակների «շարժման ընթացքում կապ» պահանջները:

• Հողային օգտագործողական տերմինալներ. Պորտատիվ կամ տրանսպորտային արբանյակային տերմինալները, որոնք օգտագործում են կերամիկական մասսիվներ, հնարավորություն են տալիս ավտոմատ և արագ հետևել արբանյակին՝ կայուն կապ հաստատելու համար:

3. Ավտոմեքենաների էլեկտրոնիկա և ինքնավար վարում

• Ավտոմոբիլային ռադար. 77 ԳՀց միլիմետրային ալիքի կերամիկական ալեհավաքային համակարգերը Advanced Driver-Assistance Systems-ի և ինքնավար տրանսպորտային միջոցների հիմնական «աչքերն» են, որոնք օգտագործվում են ավտոմեքենայի շուրջ գտնվող առարկաների հեռավորությունը, արագությունը և անկյունը ճշգրիտ որոշելու համար:

• Ինտելեկտուալ տրանսպորտային ցանցային համակարգեր. Ինտեգրված V2X հաղորդակցության ալեհավաքները հնարավորություն են տալիս վստահելի տվյալների փոխանակում տրանսպորտային միջոցների և ենթակառուցվածքների միջև:

4. Հետեւեք Բաների ինտերնետը եւ հագնվող սարքերը

• IoT սենսորներ, ինտելեկտուալ ժամացույցներ և այլ սարքեր, որոնք չափազանց զգայուն են չափսի և էներգասպառության նկատմամբ, օգտագործում են փոքր չափի կերամիկական անտենային զանգվածներ՝ սահմանափակ տարածությունում ապահովելու համար կայուն անլար կապի կատարում.

5. Հինգերորդ Պաշտպանություն եւ օդատիեզերություն

• Ռադարային, էլեկտրոնային պատերազմի և ապահով կապի համակարգերը պահանջում են բարձր կատարողականություն ունեցող՝ արտակարգ պայմաններում աշխատող փուլային զանգվածի անտենաներ: Կերամիկական նյութերի բարձր ջերմաստիճանային կայունությունն ու կոռոզիայի դիմադրությունը դրանք դարձնում են իդեալական.

IV. Ապագայի հեռանկարներ

Մատերալների գիտության առաջընթացը (օրինակ՝ ցածր ջերմաստիճանի համաօջախային կերամիկ տեխնոլոգիան), ինտեգրված շրջանները (սիլիկոնային հիմքով mmWave չիպեր) եւ AI ալգորիթմները ցույց են տալիս, որ կերամիկ անտենային

• Բարձր հաճախադիր գոտիներ և ավելի լայն շառավիղներ. Տերահերցի տիրույթում է փոխանցվում տվյալների ծայրահեղ արագությունը:

• Բարձր ինտեգրում. "Անտեննա-պակետում" եւ ռադիոֆոնիկ ֆրենտ-ենդի հետ լիարժեք ինտեգրման ուղղությամբ զարգանում է:

• Ինտելեկտ և հարմարվողականություն. ԱԻ-ի խորը ինտեգրում՝ իրական ժամանակում շրջակա միջավայրը զգալու և ինքնաօպտիմիզացվող ճառագայթի կառավարման համար:

• Նոր ֆունկցիաների ինտեգրում. Ուսումնասիրվում է զգայունության, էներգիայի հավաքագրման և այլ ֆունկցիաների ինտեգրումը անտենայի ցանցի ֆիզիկական շերտում:

Արդյունք

Կերամիկ անտենայի ցանցերը հեռու են անտենայի տարրերի պարզ շարադրման հասկացությունից: Դրանք նյութերի գիտության, էլեկտրամագնիսական տեսության և սիգնալների մշակման ալգորիթմների խորը ինտեգրման արդյունք են: Դրանք անվանել են անվանել անաղարտ «զգայուն օրգան» անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ անաղարտ ան......