Апстракт: Во денешниот свет кој е силно поврзан, безжичните комуникациски уреди брзо еволуираат кон минијатурна големина, високи перформанси и повеќе функционалност. Традиционалните антени често имаат проблем со балансирање на големината и перформансите. Керамичките антенски низи, ново решение кое ги комбинира високоперформантните керамички материјали со технологијата на антенски низи, се појавуваат како клучна технологија во напредните области од 5G терминали до сателитски комуникации, благодарение на нивната исклучителна интеграција, широка лента и ефикасност на зрачење. Во овој труд се дава длабока анализа на нивните работни принципи, основни елементи на дизајн и комплексен преглед на нивната широка примена.
I. Основни принципи на керамичките антенски низи
Принципот на керамичките антенски низи се заснова на два технолошки столба: диелектрични керамички материјали со високи перформанси и теоријата за антенски низи.
1. Материјална основа: Керамички диелектрични резонатори
За разлика од традиционалните метални антени кои се засноваат на струја на површината на проводникот, керамичките антени (попрецизно, диелектрични резонантни антени, DRAs) користат диелектричен резонанс. Избраните керамички материјали (како што се бариум-стронциум титанат, бариум титанат) поседуваат следниве клучни карактеристики:
• Висока пермитивност: Брановата должина на електромагнетниот бран внатре во диелектрикот се скратува на 1/√ε_r од нејзината бранова должина во воздух. Ова овозможува значително намалување на големината на антената, овозможувајќи минијатуризација.
• Низок тангенс на загуби: Внатрешните губитоци на материјалот при апсорпција на електромагнетна енергија се многу ниски, осигурувајќи висока ефикасност на зрачење.
• Прилагодливи карактеристики на температура-фреквенција: Стабилноста под различни работни услови може да се постигне со прилагодување на составот на материјалот.
Кога димензиите на керамичкото тело ќе се приближат на половина од брановата должина на диелектрикот, се возбудуваат специфични електромагнетни резонантни модови (на пример, ТЕ или ТМ модови), создавајќи силни полиња на ивиците на површините на керамичкото тело. Овие полиња комуницираат со слободниот простор, овозможувајќи ефикасно електромагнетно зрачење.
2. Зголемување на низата: Формирање на зрак и подобрување на перформансите
Иако еден поединечен керамички антенски елемент нуди превесни перформанси, неговите можностите се ограничени. Со распоредување на повеќе керамички антенски елементи во одредена геометрија (линеарна, рамнинска или конформална) за да се формира „низа“, се постигнува квалитативен скок:
• Формирање и скенирање на зрак: Со контрола на амплитудата и фазата на сигналот доведен до секој елемент, зрачниот облик на низата може прецизно да се обликува. Употребата на фазни поместувачи за контрола на фазата овозможува електронско скенирање на главниот зрак во просторот без механичко движење.
• Висок добивок и силна насоченост: Низата когерентно ги комбинира зрачните енергии од повеќе елементи во просторот, постигнувајќи добивка и усмереност далеку подобри од еден поединечен елемент во специфични насоки.
• Флексибилно управување со зракот: Алгоритми (на пр., адаптивно формирање на сноп) можат динамички да ја прилагодуваат формата на снопот, овозможувајќи интелигентни функции како што се насочување нулите кон изворите на сметување или следење на корисниците-цели.
3. Краток резиме на работниот принцип
Во керамичка антенска низа, РF сигналот ја возбудува резонанцата во секој керамички елемент преку мрежа за напојување (на пр., микротрака, коаксијален проб или апертурно спојување). Сферните бранови зрачени од секој елемент интерферираат во далечното поле. Со прецизно дизајнирање на размакот меѓу елементите (обично околу половина од слободната бранова должина за да се избегнат решеткести лобови) и дистрибуцијата на напојувањето, зрачењето од сите елементи се собира фазно и се засилува во желената насока, додека се поништува во непожелните насоки, така формирајќи остар, управувачки сноп.
II. Дизајн и клучни аспекти за низи на керамички антени
Дизајнирањето на низа на керамички антени со високи перформанси е комплексна задача од областа на системско инженерство, која бара рамнотежа меѓу следните елементи:
• Дизајн на елементи: Одредување на обликот на керамички блок (правоаголен, цилиндричен, полусферичен), големината и параметрите на материјалот за оптимизирање на резонантната фреквенција, ширината на опсегот и дијаграмот на зрачење.
• Конфигурација на низата: Избор на еднодимензионална линеарна низа, дводимензионална рамнинска низа или тродимензионална конформна низа, во зависност од барањата на примената. Разделувањето меѓу елементите е критичен параметар, што бара рамнотежа помеѓу избегнување на решеткестите лобуси и потиснување на меѓусебното спојување.
• Хранељанска мрежа: Дизајнирање на ефикасна, нискогубитна напојна структура за осигурување на потребната распределба на амплитудата и фазата. Современите дизајни често се интегрирани со интегрални кола врз основа на силициум или композитни полупроводници за активно управување.
• Ефект на меѓусебно спојување: Електромагнетната спrega меѓу блиските елементи ја менува импедансата и зрачните карактеристики на елементот, што бара надоместување преку техники или алгоритми за десплошување.
• Пакување и интеграција: Керамичките антени лесно се интегрираат со PCB пакување, при што треба да се земе предвид совпаѓањето на коефициентот на топлинско ширење, механичка стабилност и заштита од околината.
III. Широки домени на примена
Уникатните предности на низите на керамички антени ги прават незаменливи во многу напорни сценарија:
1. Петто и идни мобилни комуникации
• 5G/6G паметни телефони и терминали: Внатрешниот простор е ограничен. Низите на керамички антени обезбедуваат компактно решение за Massive MIMO и формирање зраци на милиметарски бранови, клучно за овозможување висока брзина и ниска задоцнување кај 5G комуникациите.
• 5G мали ќелии и фиксен безжичен пристап: Користени за густо урбано покривање, нивниот висок добивок и можност за електронско скенирање можат прецизно да им служат на корисниците, подобрувајќи ја капацитетот и енергетската ефикасност на мрежата.
2. Сателитска комуникација
• Констелации на сателити на ниска орбита околу Земјата (на пр., Starlink): Сателитските платформи поставуваат строги захтеви во однос на тежината, волуменот и сигурноста на антените. Фазните низи со керамички антени се лесни по тежина, имаат ниска профилна височина, можат да генерираат повеќе зраци и брзо да преминуваат од зрак на зрак, исполнувајќи ги потребите за „комуницирање во движење“ кај сателитите со висок проток.
• Наземни кориснички терминали: Преносни или возилски сателитски терминали кои користат керамички низи овозможуваат автоматско и брзо следење на сателитот за постабилно воспоставување на врската.
3. Автомобилска електроника и автономно возење
• Автомобилски радар: милиметарските бранови керамички антенски низи на 77 GHz се основните „очи“ на напредните системи за помош при возењето и автономните возила, кои се користат за прецизно откривање на растојанието, брзината и аголот на објектите околу возилото.
• Интелигентни возни мрежи: Интегрирани V2X комуникациски антени овозможуваат сигурна размена на податоци помеѓу возилата и инфраструктурата.
4. Интернет на нештата и носени уреди
• IoT сензори, паметни часовници и други уреди кои многу зависат од големината и потрошувачката на енергија користат минијатурни керамички антенски низи за одржување на стабилни перформанси на безжичната врска во ограничени простори.
5. Одбрана и аерокосмичка индустрија
• Системи за радар, електронска војна и сигурни комуникации бараат фазирани антенски низи со високи перформанси и висока сигурност кои работат во екстремни услови. Стабилноста на керамичките материјали на висока температура и нивната отпорност кон корозија ги прават идеални.
IV. Идни перспективи
Напредокот во материјалната наука (на пр. технологија за нискотемпературно спојување на керамика), интегрирани кола (silicon-based mmWave чипови) и AI алгоритми укажуваат на јасни идни трендови за керамичките антенски низи:
• Повисоки фреквенциски опсези и пошироки ленти: Поместување кон терахерцов опсег за поддршка на екстремни брзини на пренос на податоци.
• Поголема интеграција: Развивање кон „Антена во пакет“ и целосна интеграција со RF предниот дел.
• Интелигентност и прилагодливост: Длабока интеграција со вештачка интелигенција за детекција на животната средина во реално време и самоподобрување на управувањето со зраците.
• Нова функционална интеграција: Истражување на интеграцијата на сензори, собирање на енергија и други функции на физичкиот слој на антенските низи.
Заклучок
Керамичките антенски низи се далеку од едноставно натрупани антенски елементи. Тие се производ на длабока интеграција меѓу материјалната наука, електромагнетната теорија и алгоритмите за обработка на сигнали. Тие го подигнуваат „сетилниот орган“ на безжичните системи на ново ниво — помали, попаметни и посилни. Од поврзување на секој поединец до поврзување на сè, од наземни мрежи до интеграција на простор-воздух-земја, керамичките антенски низи, како темел на современите безжични информациски системи, тивко ја поттикнуваат длабоката комуникациска револуција, чии граници се прошируваат.
EN