Santrauka: Šiandienos labai susietame pasaulyje belaidžio ryšio įrenginiai sparčiai vystosi link miniatiūrizacijos, aukšto našumo ir daugialypės funkcionalumo. Tradicinės antenos dažnai kovoja su kompromisų tarp dydžio ir našumo balansavimu. Keramikos antenų masyvai, naujoviškas sprendimas, derinantis aukšto našumo keramikos medžiagas su antenų masyvų technologija, iškyla kaip pagrindinė technologija pažangiose srityse – nuo 5G terminalų iki palydovinio ryšio – dėl išskirtinės integracijos, juostos plotis ir spinduliavimo efektyvumo. Šiame straipsnyje pateikiamas išsamus jų veikimo principų, pagrindinių konstrukcinių elementų bei jų platus taikymas apžvalga.
I. Keramikos antenų masyvų pagrindiniai principai
Keramikos antenų masyvų principas paremtas dviem technologiniais stulpais: aukšto našumo keramikos dielektrinėmis medžiagomis ir antenų masyvų teorija.
1. Medžiagų pagrindas: Keramikos dielektriniai rezonatoriai
Skirtingai tradicinėms metalinėms antenoms, kurios remiasi laidininko paviršiaus srovės spinduliavimu, keraminės antenos (tiksliau – dielektrinio rezonatoriaus antenos, DRA) naudoja dielektrinį rezonansą. Pasirinkti keraminiai medžiagų tipai (pvz., bario stroncio titanatas, bario titanatas) pasižymi šiomis pagrindinėmis savybėmis:
• Aukštas leistinumas: Elektromagnetinės bangos ilgis dielektrike sutrumpėja iki 1/√ε_r jos ilgio ore. Tai leidžia žymiai sumažinti antenos dydį, užtikrinant miniatiūrizaciją.
• Mažas nuostolių tangentas: Medžiagos vidiniai elektromagnetinės energijos sugerimo nuostoliai yra labai maži, užtikrindami aukštą spinduliavimo efektyvumą.
• Reguliuojamos temperatūros-daugiopumo charakteristikos: Stabilumas esant skirtingoms aplinkos sąlygoms gali būti pasiektas keičiant medžiagos sudėtį.
Kai keraminio korpuso matmenys artėja prie pusės dielektrinės bangos ilgio, sužadinami specifiniai elektromagnetiniai rezonanso režimai (pvz., TE arba TM režimai), kurie sukuria stiprius kraštinius laukus ant keraminio korpuso paviršių. Šie laukai susijungia su laisvąja erdve, leisdami veiksmingą elektromagnetinę spinduliuotę.
2. Masyvo galia: Spindulio formavimas ir našumo didinimas
Nors vienas keraminis antenos elementas siūlo aukštą našumą, jo galimybės yra ribotos. Kelių keraminių antenos elementų išdėstymas tam tikra geometrija (tiesinis, plokščiasis arba konformalus) siekiant sudaryti „masyvą“ pasiekia kokybės šuolį:
• Spindulio formavimas ir skenavimas: Valdant kiekvienam elementui tiekiamo signalo amplitudę ir fazę, masyvo spinduliavimo diagrama gali būti tiksliai suformuota. Fazės valdymui naudojant fazės keitiklius galima elektroniniu būdu erdvėje nukreipti pagrindinį spindulį be jokio mechaninio judėjimo.
• Aukštas stiprinimas ir stipri kryptingumas: Masyvas erdvėje kohorentiškai sujungia spinduliuojamą energiją iš kelių elementų, pasiekiant daug didesnį stiprinimą ir kryptingumą nei vieno elemento tam tikrose kryptys.
• Lankstus spindulio valdymas: Algoritmai (pvz., adaptuojamas spinduliavimas) gali dinamiškai keisti spindulio formą, įgalinant protingas funkcijas, tokias kaip nulio nukreipimas link trukdžių šaltinių ar sekimas paskirties vartotojams.
3. Trumpas veikimo principo santrauka
Keraminiame antenos masyve RF signalas sukelia rezonansą kiekviename keraminiame elemente per maitinimo tinklą (pvz., mikrojuostinę liniją, koaksialinį zondą arba angos susiejimą). Kiekvieno elemento skleidžiami sferiniai bangavimai interfere far-field srityje. Detaliai suprojektavus elemento tarpus (paprastai apie pusę laisvos erdvės bangos ilgio, kad būtų išvengta gardelinės spinduliuotės) ir maitinimo pasiskirstymą, visų elementų spinduliavimas sudedasi fazėje ir sustiprina norimoje kryptimi, tuo pat metu atmetant nereikalingose kryptyse, taip suformuojant aštrų, kontroliuojamą spindulį.
II. Keraminių antenų masyvų projektavimas ir pagrindiniai aspektai
Aukštos kokybės keraminių antenų masyvo projektavimas yra sudėtingas sistemų inžinerijos uždavinys, reikalaujantis subalansuoti šiuos elementus:
• Elemento konstrukcija: Nustatyti keraminio bloko formą (stačiakampį, cilindrinį, pusrutulinį), dydį ir medžiagos parametrus, kad būtų optimizuota jo rezonansinė dažnis, juostos plotis ir spinduliavimo diagrama.
• Masyvo konfigūracija: Pasirinkti vienmačius tiesinius, dvimačius plokštuminius ar trimatės formos prigludusius masyvus priklausomai nuo taikymo reikalavimų. Elementų tarpai yra kritinis parametras, kurio metu reikia išlaikyti pusiausvyrą tarp gardelės spindulių išvengimo ir abipusio susijungimo slopinimo.
• Maitinimo tinklas: Suprojektuoti efektyvią, mažų nuostolių maitinimo struktūrą, teikiančią reikiamą amplitudžių ir fazės pasiskirstymą. Šiuolaikiniai projektai dažnai integruojami su silicio arba sudėtinių puslaidininkių integrinėmis mikroschemomis aktyviajam valdymui.
• Abipusio susiejimo efektas: Elektromagnetinis susiejimas tarp artimai esančių elementų keičia elemento impedansą ir spinduliavimo charakteristikas, todėl reikia kompensuoti naudojant atsijungimo technikas ar algoritmus.
• Pakavimas ir integracija: Keramikos antenos lengvai integruojamos su PCB pakavimu, reikia atsižvelgti į šiluminio plėtimosi koeficiento suderinamumą, mechaninį stabilumą ir aplinkos apsaugą.
III. Plačios taikymo sritys
Keramikos antenų masyvų unikalūs pranašumai daro juos nepakeičiamus daugelyje reikalaujančių scenarijų:
1. Penktos kartos ir būsimos mobiliosios ryšio technologijos
• 5G/6G išmanieji telefonai ir terminalai: Vidinė erdvė yra ribota. Keramikos antenų masyvai suteikia kompaktišką sprendimą „Massive MIMO“ ir milimetrinių bangų siųjimo formavimui, kurie yra būtini aukštos spartos, žemo delsimo 5G ryšiui.
• 5G mažosios ląstelės ir fiksuotas belaidis prieigos įrenginiai: Naudojamos tankiai užstatytose miesto vietovėse, jų didelis stiprinimas ir elektroninis nustatymas leidžia tiksliai aptarnauti vartotojus, pagerinant tinklo talpą ir energijos efektyvumą.
2. Palydovinės ryšio technologijos
• Žemos orbitos palydovų grupuotės (pvz., Starlink): Palydovų platformos keliamas griežtas reikalavimai antenų svoriui, tūriui ir patikimumui. Keraminės fazių masyvų antenos siūlo lengvą konstrukciją, žemą profiliu, daugiakanalių spindulių generavimą ir greitą spindulio perjungimą, atitinkant „ryšys judėjimo metu“ poreikius didelio našumo palydovams.
• Vartotojo žemės terminalai: Nešiojamieji ar transporto priemonėse montuojamieji palydoviniai terminalai, naudojantys keraminius masyvus, leidžia automatiškai ir greitai sekti palydovus, užtikrinant stabilų ryšį.
3. Automobilių elektronika ir autonominis važiavimas
• Automobilių radaras: 77 GHz milimetrinės bangos keraminės antenos yra pažangios vairuotojo pagalbos sistemų (ADAS) ir autonominės eigos automobilių pagrindinės „akys“, naudojamos tiksliai nustatyti objektų atstumą, greitį ir kampą aplink automobilį.
• Intelektuali transporto priemonių tinklinė: Integruotos V2X ryšio antenos užtikrina patikimą duomenų apsikeitimą tarp transporto priemonių ir infrastruktūros.
4. Dėvimojų įrenginių ir „Daugeliškumas“
• IoT jutikliai, laikrodžiai ir kiti įrenginiai, labai jautrūs dėl dydžio ir energijos suvartojimo, naudoja miniatiūrinius keramikinius antenų masyvus, kad ribotoje erdvėje išlaikytų stabilų belaidį ryšį:
5. Gynyba ir aviacija
• Sistemos radarui, elektroninei kovai ir saugiam ryšiui reikalauja aukštos kokybės, labai patikimų fazės valdymo antenų, veikiančių ekstremaliomis sąlygomis. Keraminių medžiagų aukštos temperatūros stabilumas ir atsparumas korozijai daro jas idealias:
IV. Ateities perspektyva
Medžiagų mokslui (pvz., žemo degimo temperatūros keraminė technologija), integravusiems grandynams (silicio pagrindu veikiantys mmWave mikroschemos) ir dirbtinio intelekto algoritmams vystantis, aiškėja keraminių antenų masyvų ateities tendencijos:
• Aukštesni dažniai ir platesnės juostos: Pereinama prie terahercų diapazono, kad būtų užtikrintos itin didelės duomenų perdavimo spartos.
• Aukštesnis integravimas: Plėtojamas link „antenos pakete“ ir visiško integravimo su RF priekiniuoju skyriumi.
• Intelektas ir prisitaikymas: Gili AI integracija, skirta realaus laiko aplinkos jutimui ir savarankiškai sijų valdymo optimizacijai.
• Naujų funkcijų integravimas: Tiriama galimybė integruoti jutiklius, energijos kaupimą ir kitas funkcijas ant antenos masyvo fizinio sluoksnio.
Išvada
Keramikiniai antenos masyvai yra toli gražu ne paprastas antenos elementų išdėstymas. Jie yra giliai suintegruotos medžiagų mokslo, elektromagnetinės teorijos ir signalų apdorojimo algoritmų produktas. Jie pakelia belaidžių sistemų „jutimo organą“ į naują lygmenį – mažesnį, protingesnį ir galingesnį. Nuo kiekvieno žmogaus ryšio prie visko ryšio, nuo sausumos tinklų iki erdvės-orų-žemės integracijos, keramikiniai antenos masyvai, kaip šiuolaikinių belaidžių informacinių sistemų pagrindas, tyliai skatina gilų ryšių revoliuciją, kurios ribos nuolat plečiasi.
EN