Аннотация: В современном сверхсвязанном мире устройства беспроводной связи стремительно развиваются в направлении миниатюризации, высокой производительности и многофункциональности. Традиционные антенны зачастую не в состоянии сбалансировать размер и производительность. Керамические антенные решетки, новое решение, объединяющее высокопроизводительные керамические материалы и технологию антенных решеток, становятся ключевой технологией в передовых областях — от терминалов 5G до спутниковой связи — благодаря исключительной степени интеграции, широкой полосе пропускания и высокой эффективности излучения. В данной статье представлен подробный анализ их принципов работы, основных элементов проектирования и всесторонний обзор их широкого применения.
I. Основные принципы керамических антенных решеток
Принцип работы керамических антенных решеток основан на двух технологических столпах: высокопроизводительных керамических диэлектрических материалах и теории антенных решеток.
1. Материальная основа: керамические диэлектрические резонаторы
В отличие от традиционных металлических антенн, которые основаны на излучении поверхностного тока проводника, керамические антенны (более точно — диэлектрические резонаторные антенны, DRAs) используют диэлектрический резонанс. Используемые керамические материалы (например, титанат бария-стронция, титанат бария) обладают следующими ключевыми характеристиками:
• Высокая диэлектрическая проницаемость: Длина волны электромагнитной волны внутри диэлектрика сокращается до 1/√ε_r по сравнению с длиной волны в воздухе. Это позволяет значительно уменьшить размер антенны, обеспечивая миниатюризацию.
• Низкий тангенс угла диэлектрических потерь: Внутренние потери материала при поглощении электромагнитной энергии очень малы, что обеспечивает высокую эффективность излучения.
• Регулируемые температурно-частотные характеристики: Стабильность в различных условиях окружающей среды может быть достигнута за счёт изменения состава материала.
Когда размеры керамического тела приближаются к половине длины волны диэлектрика, возбуждаются определённые электромагнитные резонансные режимы (например, TE или TM режимы), создающие сильные краевые поля на поверхностях керамического тела. Эти поля взаимодействуют со свободным пространством, обеспечивая эффективное электромагнитное излучение.
2. Массивы: формирование диаграммы направленности и повышение производительности
Хотя одиночный керамический антенный элемент обеспечивает превосходные характеристики, его возможности ограничены. Размещение нескольких керамических антенных элементов в определённой геометрии (линейной, плоской или конформной) для создания «массива» позволяет достичь качественного скачка:
• Формирование и сканирование луча: Управляя амплитудой и фазой сигнала, подаваемого на каждый элемент, можно точно формировать диаграмму направленности излучения массива. Использование фазовращателей для управления фазой позволяет осуществлять электронное сканирование основного луча в пространстве без механического перемещения.
• Высокий коэффициент усиления и сильная направленность: Массив когерентно объединяет излучаемую энергию от нескольких элементов в пространстве, обеспечивая коэффициент усиления и направленность, значительно превосходящие показатели одного элемента в определённых направлениях.
• Гибкое управление лучом: Алгоритмы (например, адаптивное формирование луча) могут динамически изменять форму луча, обеспечивая интеллектуальные функции, такие как формирование нулевых диаграмм в направлении источников помех или сопровождение целевых пользователей.
3. Краткое описание принципа работы
В керамической антенной решётке ВЧ-сигнал возбуждает резонанс в каждом керамическом элементе через систему питания (например, микрополосковую линию, коаксиальный зонд или апертурную связь). Сферические волны, излучаемые каждым элементом, интерферируют в дальней зоне. Тщательным проектированием расстояния между элементами (обычно около половины длины волны в свободном пространстве, чтобы избежать побочных лепестков) и распределением питания достигается сложение в фазе излучения всех элементов и его усиление в нужном направлении, при этом подавляются излучения в нежелательных направлениях, формируя узкий, управляемый луч.
II. Конструкция и основные аспекты проектирования керамических антенных решёток
Проектирование высокопроизводительной керамической антенной решётки представляет собой сложную задачу системной инженерии, требующую сбалансированного подхода к следующим элементам:
• Конструкция элементов: Определение формы керамического блока (прямоугольной, цилиндрической, полусферической), его размеров и параметров материала для оптимизации резонансной частоты, ширины полосы пропускания и диаграммы направленности.
• Конфигурация решётки: Выбор одномерной линейной решётки, двумерной плоской решётки или трёхмерной конформной решётки в зависимости от требований применения. Шаг между элементами является критическим параметром, требующим баланса между предотвращением появления дифракционных лепестков и подавлением взаимосвязи между элементами.
• Фидерная сеть: Разработка эффективной малошумящей питающей структуры, обеспечивающей требуемое распределение амплитуды и фазы. В современных конструкциях часто используется интеграция с кремниевыми или компаундными полупроводниковыми интегральными схемами для активного управления.
• Влияние взаимной связи: Электромагнитная связь между близко расположенными элементами изменяет импеданс и характеристики излучения, что требует компенсации с помощью методов или алгоритмов развязки.
• Упаковка и интеграция: Керамические антенны легко интегрируются с печатными платами, при этом необходимо учитывать соответствие коэффициентов теплового расширения, механическую устойчивость и защиту от внешних воздействий.
III. Широкие области применения
Уникальные преимущества керамических антенных решёток делают их незаменимыми во многих сложных сценариях:
1. Пятое и будущие поколения мобильной связи
• 5G/6G смартфоны и терминалы: Внутреннее пространство ограничено. Керамические антенные решётки обеспечивают компактное решение для Massive MIMO и формирования лучей в миллиметровом диапазоне — ключевых технологий для высокоскоростной и малозадержной связи 5G.
• 5G малые соты и фиксированный беспроводной доступ: Используются для плотного охвата городских районов; их высокий коэффициент усиления и возможность электронного сканирования позволяют точно обслуживать пользователей, повышая ёмкость сети и энергоэффективность.
2. Спутниковая связь
• Спутниковые группировки на низкой околоземной орбите (например, Starlink): Спутниковые платформы предъявляют жесткие требования к весу, объему и надежности антенн. Фазированные антенные решетки из керамики обеспечивают легкий вес, низкий профиль, возможность формирования нескольких лучей и быстрое переключение луча, удовлетворяя потребность в «связи в движении» для высокопроизводительных спутников.
• Наземные пользовательские терминалы: Портативные или транспортные спутниковые терминалы с использованием керамических решеток позволяют автоматически и быстро осуществлять слежение за спутником для установления стабильного соединения.
3. Автомобильная электроника и автономное вождение
• Автомобильный радар: фазированные антенные решетки миллиметрового диапазона 77 ГГц из керамики являются основными «глазами» систем помощи водителю и автономных транспортных средств, используемыми для точного определения расстояния, скорости и угла объектов вокруг автомобиля.
• Интеллектуальные транспортные сети: Интегрированные антенны связи V2X обеспечивают надежный обмен данными между транспортными средствами и инфраструктурой.
4. Интернет вещей и носимые устройства
• Датчики Интернета вещей, умные часы и другие устройства, чрезвычайно чувствительные к размеру и энергопотреблению, используют миниатюрные керамические антенные решётки для обеспечения стабильной производительности беспроводного соединения в ограниченном пространстве.
5. Оборона и аэрокосмическая отрасль
• Системы радиолокации, электронной борьбы и защищённой связи требуют высокопроизводительных и надёжных фазированных антенных решёток, работающих в экстремальных условиях. Высокая температурная стабильность и коррозионная стойкость керамических материалов делают их идеальными.
IV. Перспективы развития
Достижения в области материаловедения (например, технология низкотемпературного совместного обжига керамики), интегральных схем (кремниевые mmWave-чипы) и алгоритмов искусственного интеллекта указывают на чёткие перспективы развития керамических антенных решёток:
• Более высокие частотные диапазоны и более широкая полоса пропускания: Переход в терагерцовый диапазон для поддержки сверхвысоких скоростей передачи данных.
• Более высокая степень интеграции: Развитие концепции «антенна в корпусе» и полная интеграция с ВЧ-передающим трактом.
• Интеллект и адаптивность: Глубокая интеграция с ИИ для сенсорного восприятия окружающей среды в реальном времени и самооптимизирующегося управления лучом.
• Интеграция новых функций: Исследуется интеграция функций зондирования, сбора энергии и других функций на физическом уровне антенной решётки.
Заключение
Керамические антенные решётки — это далеко не простое наслоение антенных элементов. Они являются результатом глубокой интеграции материаловедения, теории электромагнетизма и алгоритмов обработки сигналов. Они поднимают «орган чувств» беспроводных систем на новый уровень — более компактный, умный и мощный. От объединения каждого человека к соединению всего сущего, от наземных сетей к интеграции космос-воздух-земля, керамические антенные решётки, как основа современных беспроводных информационных систем, незаметно способствуют глубокой революции в связи, границы которой продолжают расширяться.
EN