Abstrak: Dalam dunia yang sangat bersambung hari ini, peranti komunikasi tanpa wayar berkembang pesat ke arah pengecilan saiz, prestasi tinggi, dan pelbagai fungsi. Antena tradisional sering menghadapi cabaran untuk menyeimbangkan saiz dan prestasi. Tatasusunan antena seramik, satu penyelesaian baharu yang menggabungkan bahan dielektrik seramik prestasi tinggi dengan teknologi antena tatasusunan, kini muncul sebagai teknologi teras dalam bidang-bidang terkini daripada terminal 5G hingga komunikasi satelit, berkat integrasi luar biasa, lebar jalur, dan kecekapan pancaran yang dimilikinya. Artikel ini memberikan analisis mendalam mengenai prinsip operasinya, elemen reka bentuk utama, dan gambaran menyeluruh tentang aplikasi luasnya.
I. Prinsip Utama Tatasusunan Antena Seramik
Prinsip tatasusunan antena seramik berpaksi kepada dua tiang teknologi: bahan dielektrik seramik prestasi tinggi dan teori antena tatasusunan.
1. Asas Bahan: Resonator Seramik Dielektrik
Tidak seperti antenna logam tradisional yang bergantung pada pancaran arus permukaan konduktor, antenna seramik (lebih tepatnya, Antena Resonator Dielektrik, DRAs) menggunakan resonans dielektrik. Bahan seramik yang dipilih (seperti barium strontium titanate, barium titanate) memiliki ciri-ciri utama berikut:
• Kebenaran Tinggi: Panjang gelombang gelombang elektromagnetik di dalam dielektrik menjadi lebih pendek iaitu sebanyak 1/√ε_r daripada panjang gelombang di udara. Ini membolehkan pengurangan saiz antenna secara ketara, membolehkan pengecilan antenna.
• Tangen Kehilangan Rendah: Kehilangan penyerapan bahan terhadap tenaga elektromagnetik adalah sangat rendah, memastikan kecekapan pancaran yang tinggi.
• Ciri Suhu-Frekuensi Boleh Laras: Kestabilan di bawah pelbagai keadaan persekitaran boleh dicapai dengan melaraskan komposisi bahan.
Apabila dimensi badan seramik menghampiri separuh panjang gelombang dielektrik, mod resonans elektromagnetik tertentu (contohnya mod TE atau TM) akan terangsang, mencipta medan pinggir yang kuat pada permukaan badan seramik. Medan ini berkait dengan ruang bebas, membolehkan pancaran elektromagnetik yang berkesan.
2. Penguatan Tatasusunan: Pembentukan Sinar dan Peningkatan Prestasi
Walaupun satu elemen antena seramik tunggal menawarkan prestasi unggul, keupayaannya adalah terhad. Penyusunan berbilang elemen antena seramik dalam geometri tertentu (linear, satah, atau konformal) untuk membentuk "tatasusunan" mencapai lompatan kualitatif:
• Pembentukan Dan Penjajaran Sinar: Dengan mengawal amplitud dan fasa isyarat yang diberikan kepada setiap elemen, corak pancaran tatasusunan boleh dibentuk secara tepat. Menggunakan pengalih fasa untuk kawalan fasa membolehkan imbasan elektronik sinar utama di ruang angkasa tanpa pergerakan mekanikal.
• Gandaan Tinggi dan Arah yang Kuat: Tatasusunan ini menggabungkan secara koheren tenaga radiasi dari pelbagai elemen dalam ruang, mencapai gandaan dan keanjalan yang jauh lebih unggul berbanding satu elemen tunggal dalam arah-arah tertentu.
• Kawalan Sinar Fleksibel: Algoritma (contohnya, pembentukan sinar adaptif) boleh menyesuaikan bentuk sinaran secara dinamik, membolehkan fungsi pintar seperti mengarahkan sifar ke arah punca gangguan atau mengesan pengguna sasaran.
3. Ringkasan Prinsip Kerja Ringkas
Dalam tatasusunan antenna seramik, isyarat RF mengaktifkan resonans dalam setiap elemen seramik melalui rangkaian penyuaian (contohnya, talian mikrosrip, probe koaksial, atau perkopelan bukaan). Gelombang sfera yang dipancarkan daripada setiap elemen saling berinterferens di kawasan medan jauh. Dengan merekabentuk dengan teliti jarak antara elemen (biasanya sekitar separuh panjang gelombang ruang bebas untuk mengelakkan lobus kisi) dan taburan suapan, pancaran daripada semua elemen akan bercampur sefasa dan menguat dalam arah yang diingini, manakala dibatalkan dalam arah yang tidak diingini, seterusnya membentuk sinaran yang tajam dan terkawal.
II. Reka Bentuk dan Pertimbangan Utama untuk Tatasusunan Antena Seramik
Mereka bentuk tatasusunan antena seramik berprestasi tinggi merupakan satu tugas kejuruteraan sistem yang kompleks, memerlukan keseimbangan antara elemen-elemen berikut:
• Reka Bentuk Elemen: Menentukan bentuk blok seramik (segi empat, silinder, separa bulat), saiz, dan parameter bahan untuk mengoptimumkan frekuensi resonannya, lebar jalur, dan corak pancaran.
• Konfigurasi Tatasusunan: Memilih tatasusunan linear 1D, tatasusunan satah 2D, atau tatasusunan konformal 3D berdasarkan keperluan aplikasi. Jarak antara elemen adalah parameter penting yang memerlukan keseimbangan antara mengelakkan lobus kisi dan menekan turapan salingan.
• Rangkaian Suapan: Mereka bentuk struktur suapan yang cekap dan rendah kehilangan untuk memberikan agihan amplitud dan fasa yang diperlukan. Reka bentuk moden kerap diintegrasikan dengan litar bersepadu berasaskan silikon atau semikonduktor sebatian untuk kawalan aktif.
• Kesan Kopling Mutual: Pemautan elektromagnet antara elemen yang rapat mengubah rintangan elemen dan ciri pancaran, yang memerlukan pemampasan melalui teknik atau algoritma penyahsambungan.
• Pengepakan dan Integrasi: Antena seramik mudah diintegrasikan dengan pembungkusan PCB, memerlukan pertimbangan padanan pekali pengembangan haba, kestabilan mekanikal, dan perlindungan persekitaran.
III. Domain Aplikasi Luas
Kelebihan unik tatasusunan antena seramik menjadikannya penting dalam pelbagai senario mencabar:
1. Komunikasi Mudah Alih Generasi Kelima dan Masa Depan
• Telefon Pintar dan Terminal 5G/6G: Ruang dalaman sangat terhad. Tatasusunan antena seramik memberi penyelesaian padat untuk Massive MIMO dan pembentukan alur gelombang milimeter, yang penting untuk membolehkan komunikasi 5G berkelajuan tinggi dan latensi rendah.
• Sel Kecil 5G dan Akses Tanpa Wayar Tetap: Digunakan untuk liputan bandar yang padat, keupayaan gandaan tinggi dan imbasan elektroniknya boleh melayani pengguna secara tepat, meningkatkan kapasiti rangkaian dan kecekapan tenaga.
2. Komunikasi Satelit
• Konstelasi Satelit Orbit Rendah Bumi (contoh, Starlink): Platform satelit mengenakan keperluan ketat terhadap berat, isipadu, dan kebolehpercayaan antena. Antena tatarajah fasa seramik menawarkan ciri ringan, profil rendah, penjanaan pelbagai pancaran, dan keupayaan lompatan pancaran yang pantas, memenuhi keperluan "komunikasi dalam pergerakan" bagi satelit berkapasiti tinggi.
• Terminal Pengguna Darat: Terminal satelit mudah alih atau kenderaan yang menggunakan tatarajah seramik membolehkan penjejakan satelit automatik dan pantas untuk menubuhkan sambungan yang stabil.
3. Elektronik Automotif dan Pemanduan Autonomous
• Radar Automotif: tatarajah antena gelombang milimeter 77 GHz seramik merupakan "mata" utama Sistem Bantuan Pemandu Lanjutan dan kenderaan autonomous, digunakan untuk pengesanan tepat jarak, kelajuan, dan sudut objek di sekeliling kenderaan.
• Rangkaian Kenderaan Pintar: Antena komunikasi V2X bersepadu membolehkan pertukaran data yang boleh dipercayai antara kenderaan dan infrastruktur.
4. Internet of Things dan Peranti Boleh Pakai
• Sensor IoT, jam tangan pintar, dan peranti lain yang sangat sensitif terhadap saiz dan penggunaan kuasa menggunakan tatasusunan antena seramik miniatur untuk mengekalkan prestasi sambungan tanpa wayar yang stabil dalam ruang terhad.
5. Pertahanan dan Aeroangkasa
• Sistem untuk radar, peperangan elektronik, dan komunikasi selamat memerlukan antena fasa tersusun berprestasi tinggi dan sangat boleh dipercayai yang beroperasi dalam persekitaran ekstrem. Kestabilan suhu tinggi dan rintangan kakisan bahan seramik menjadikannya ideal.
IV. Gambaran Masa Depan
Kemajuan dalam sains bahan (contohnya, teknologi Seramik Terbakar pada Suhu Rendah), litar bersepadu (cip mmWave berasaskan silikon), dan algoritma AI menunjukkan trend masa depan yang jelas bagi tatasusunan antenna seramik:
• Julat Frekuensi Lebih Tinggi dan Jalur Lebar Lebih Luas: Bergerak ke julat terahertz untuk menyokong kadar data yang sangat tinggi.
• Integrasi Lebih Tinggi: Berkembang ke arah "Antenna-dalam-Peket" dan integrasi penuh dengan bahagian hadapan RF.
• Kecerdasan dan Kebolehsesuaian: Integrasi mendalam dengan AI untuk pengesanan persekitaran masa nyata dan pengurusan pancaran yang mengoptimumkan diri.
• Integrasi Fungsi Baharu: Meneroka pengintegrasian pengesanan, penuaian tenaga, dan fungsi lain pada lapisan fizikal tatasusunan antena.
Kesimpulan
Tatasusunan antena seramik jauh dari sekadar susunan mudah elemen antena. Ia merupakan hasil integrasi mendalam antara sains bahan, teori elektromagnetik, dan algoritma pemprosesan isyarat. Ia meningkatkan "organ deria" sistem tanpa wayar ke tahap baharu—lebih kecil, lebih pintar, dan lebih berkuasa. Dari menyambung setiap individu kepada menyambung segala-galanya, daripada rangkaian terestrial kepada integrasi angkasa-udara-darat, tatasusunan antena seramik, sebagai asas sistem maklumat tanpa wayar moden, sedang diam-diam memacu revolusi komunikasi yang mendalam, dengan sempadannya yang terus berkembang.
EN