یک روش همزیستی چند آنتنی برای آرایه های آنتن ایستگاه پایه FDD+TDD

یک توپولوژی جدید برای آنتن های آرایه ایستگاه پایه FDD+TDD پیشنهاد شده است. با استفاده از این توپولوژی همراه با آنتن های کواکسیال، تکنیک های جابجایی شعاعی و محوری آرایه، می توان ستون های متعددی از آنتن های ایستگاه پایه 2G/3G/4G/5G را بر روی یک برد تقسیم کننده توان نسبتاً کوچک مرتب کرد و در عین حال الزامات مربوط به نسبت موج ایستاده (SWR) و بهره را برآورده کرد. این رویکرد به طور قابل توجهی اندازه کلی آنتن های آرایه ای FDD+TDD را کاهش می دهد. از طریق یک سری اندازه‌گیری، مشاهده شد که آنتن‌های ایستگاه پایه با استفاده از این توپولوژی آرایه (1400 میلی‌متر × 490 میلی‌متر × 105 میلی‌متر) در باندهای فرکانسی مورد نظر با مقادیر SWR زیر 1.4 عمل می‌کنند و پهنای پرتو نیمه‌توان در محدوده 10±65 درجه باقی می‌ماند.
یک طرح جدید همزیستی چند آنتنی برای آرایه‌های آنتن ایستگاه پایه FDD+TDD پیشنهاد شده است که ترکیبی از آنتن‌های باند پایین (LBA) که در محدوده 0.69-0.96 گیگاهرتز و محدوده 1.4-2.7 گیگاهرتز کار می‌کنند و آنتن‌های باند میانی (MBAs) که در محدوده 1.4 GHz کار می‌کنند. با استفاده از یک توپولوژی فشرده و ترکیب تقسیم کننده های توان مناسب و مدارهای تغییر فاز، می توان باندهای فرکانس ارسال و دریافت را کنترل کرد و عناصر آرایه در دو ستون سازماندهی شدند که به طور قابل توجهی اندازه کلی آرایه آنتن FDD+TDD را کاهش می دهد [1-5]. بعلاوه، آنتن‌های باند بالا (HBA) که در محدوده 3.3 تا 3.8 گیگاهرتز کار می‌کنند، وقتی مجهز به تقسیم‌کننده‌های توان تخصصی، مدارهای تغییر فاز و اتصال به باند پایه و مدارهای فعال باشند، می‌توانند یک آرایه خروجی چندگانه ورودی چندگانه (MIMO) در مقیاس بزرگ N×M تشکیل دهند، و به باندهای فرکانس بالا و پایین‌پیوند اجازه می‌دهند تا باندهای فرکانس پایهD با هم تداخل پیدا کنند (بخش زمانیTD). آرایه آنتن مناسب برای رادیو جدید 5G (NR) [6-8].
شبکه‌های 5G اتصال بی‌وقفه‌ای را برای ارتباطات اینترنت اشیا (IoT) و ماشین به ماشین (M2M) فراهم می‌کنند و امکان تحقق اینترنت همه چیز را فراهم می‌کنند. با این حال، استقرار دستگاه‌های 5G چالش‌هایی را برای اپراتورها و سازندگان تجهیزات به‌ویژه از نظر هزینه‌های عملیاتی و معماری ایستگاه پایه به همراه دارد. برای بسیاری از محیط‌های خاص، دستگاه‌های 5G نمی‌توانند جایگزین شبکه‌های LTE موجود شوند. در نتیجه، به طور گسترده اعتقاد بر این است که دستگاه های 5G و شبکه های LTE برای مدت طولانی با هم وجود خواهند داشت [9]. بر این اساس، پیدایش توپولوژی آرایه آنتن ایستگاه پایه FDD+TDD یک پیشرفت طبیعی است.
برای آنتن های ایستگاه پایه FDD+TDD، به طور معمول، آرایه های FDD در باند فرکانسی 0.69-0.96 گیگاهرتز و 1.4-2.7 گیگاهرتز استفاده می شود، در حالی که آرایه های TDD در باند فرکانسی 3.3-3.8 گیگاهرتز استفاده می شود. علاوه بر این، هنگامی که HBA ها و مدارهای فعال کنترل کننده آنها، تقسیم کننده های توان و مدارهای تغییر فاز یکپارچه می شوند، و شبکه های باند پایه متصل می شوند، می توان یک آرایه آنتن ایستگاه پایه واحد آنتن فعال دوبلکس زمانی (AAU) تشکیل داد.
برای طراحی آرایه آنتن ایستگاه پایه FDD+TDD فوق الذکر، اولین قدم این است که LBA، MBA و HBA را در یک آرایه آنتن قرار دهیم و در عین حال اطمینان حاصل کنیم که آنها به طور موثر در باندهای فرکانسی مربوطه خود بدون تداخل با یکدیگر کار می کنند. با این حال، در عمل، زمانی که LBA و MBA با هم ترکیب می شوند، اثر جفت متقابل بین آنها می تواند قابل توجه باشد، به ویژه در هنگام کاهش اندازه آرایه. به دلیل اختلاف ارتفاع بین LBA و MBA (LBA ها اغلب بلندتر از MBA هستند)، زمانی که MBA کار می کند، برخی از میدان های الکتریکی روی LBA پراکنده می شوند و باعث اعوجاج پرتو آنتن، کاهش بهره و کاهش VSWR می شوند. برای پرداختن به این موضوع، محققان رویکردهای مختلفی را بررسی کرده‌اند، از جمله استفاده از مدارهای فیلتر دوره‌ای یا غیر تناوبی که روی سطح تابش آرایه یا بالون و مدارهای منطبق برای فیلتر کردن تداخل باند متقابل نصب شده‌اند. استفاده از مرزهای مدار دوره ای یا غیر تناوبی در سطح زمین در زیر یا نزدیک عناصر آرایه برای جذب امواج تابشی. و استفاده از توپولوژی های ویژه برای شکل دادن به تیرهای آرایه برای تشکیل یک الگوی "0" و تنظیم بهره با کنترل عرض پرتو [10-15]. علاوه بر این، روش‌های ویژه‌ای با استفاده از متا مواد، متاسرفیس و سطوح صوتی برای حل مسائل تداخل باند متقابل وجود دارد.
در دسته سوم تحقیقات، زمانی که عناصر آرایه به طور متراکم توزیع شده باشند، هر توپولوژی مورد استفاده به دلیل تداخل بین عناصر، منجر به اشکال مختلف اعوجاج در الگوی تابش آنتن آرایه می شود. بنابراین، ترکیبی از نتایج تحقیقات فوق ممکن است به یک مسیر اصلی آینده تبدیل شود. با این حال، استفاده همزمان از همه این رویکردها در آرایه می‌تواند منجر به هزینه‌های بالای ایستگاه پایه و مونتاژ اجزای پیچیده شود و آن را برای تولید انبوه نامناسب کند. بنابراین، برای سازندگان تجهیزات، چالش در انتخاب مدارهای فیلتر مناسب، سطوح انتخابی فرکانس و توپولوژی و همچنین نحوه ادغام آنها برای توسعه و تولید آنتن ایستگاه پایه نهفته است.
برای HBA ها، فناوری شکل دهی پرتو حیاتی است. هرچه تعداد و مقیاس آنتن‌ها بیشتر باشد، فناوری شکل‌دهی پرتو نقش مهم‌تری دارد. با این حال، زمانی که اندازه آرایه ثابت می ماند، جفت شدن متقابل بین عناصر آنتن می تواند عملکرد هر HBA فردی را کاهش دهد و در نتیجه شکل دهی پرتوی بهینه نمی شود. بنابراین، طراحی توپولوژی HBAها و تنظیم نوارهای جداسازی بین عناصر ضروری است. از آنجایی که HBA ها یک ساختار خروجی چند ورودی چندگانه را اتخاذ می کنند، باید درگاه های ورودی متعددی تنظیم شوند، به این معنی که هنگام اتخاذ یک توپولوژی جدید برای HBA، تقسیم کننده های برق، مدارهای تغییر فاز و مسیریابی کابل همگی نیاز به طراحی مجدد دارند که چالش قابل توجهی را برای طراحان ایجاد می کند.
این مقاله یک طرح همزیستی چند آنتنی مناسب برای آرایه‌های آنتن ایستگاه پایه FDD + TDD را پیشنهاد می‌کند که به طور قابل‌توجهی اندازه کلی را کاهش می‌دهد و در عین حال SWR، بهره و نسبت قطبش متقاطع را حفظ می‌کند. طراحی دارای پنج جنبه کلیدی است:
1. فناوری کواکسیال برای نصب MBA بر روی LBA با مدارهای فیلتر، ایجاد آنتن های دیافراگم مشترک دو قطبی دو باند (آنتن های DSA) برای هر دو باند فرکانسی 0.69-0.96 گیگاهرتز و 1.7-2.7 گیگاهرتز استفاده می شود. کوپلرهای جهتی دیافراگم مختلف در بالا و زیر آنتن‌های DSA قرار می‌گیرند که از SWR و بهره خوب اطمینان حاصل می‌کنند و در عین حال اندازه آرایه آنتن ایستگاه پایه FDD را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند.
2. میله‌های جداسازی بین عناصر LBA و بین عناصر LBA و MBA نصب می‌شوند، حتی زمانی که المان‌ها با هم فاصله دارند، ایزوله کافی را فراهم می‌کنند و اثرات جفت را به حداقل می‌رسانند.
3. عناصر آنتن DSA در انتهای محوری آرایه به صورت شعاعی جابجا شده اند در حالی که اطمینان حاصل می شود که نسبت قطبش متقاطع مطابق با استانداردها است و عرض پرتو نیمه توان (HPBW) پرتو تابشی را برای کل آرایه آنتن DSA کاهش می دهد. میله‌های جداسازی با ارتفاع‌ها و جهت‌گیری‌های مختلف به‌طور مناسب در جهت‌های خارج از محور یا شعاعی هر واحد در آرایه 5G بارگذاری می‌شوند تا ایزوله خوب بین HBA حفظ شود.
5. دو ستون حاوی آنتن‌های DSA و MBA در دو طرف آرایه 5G قرار می‌گیرند و اطمینان می‌دهند که هر ستون با ستون دیگر تداخل نداشته باشد، در نتیجه هزینه‌های غیرضروری مرتبط با میله‌های جداسازی برای دو ستون از همان نوع آنتن‌ها حذف می‌شود.
در بخش های بعدی توضیحات مفصلی در مورد این طرح ارائه شده است.
شکل 1: مدل آنتن برای آرایه آنتن ایستگاه پایه FDD+TDD پیشنهادی. آرایه به دو ناحیه تقسیم می شود: ناحیه آنتن FDD و ناحیه آنتن TDD، با آنتن های FDD در دو طرف آنتن های TDD، به طور متقارن حول محور مرکزی آرایه. هر منطقه شامل یک ستون از LBA و یک ستون از MBA است، به جز DSA1 در شکل، همه LBA های دیگر هم محور با MBA هستند. لازم به ذکر است که در این زمینه، MBA به هر دو MBA1 و MBA2 در شکل 1 اشاره دارد که در این مقاله مجموعاً MBA نامیده می شود.

آنتن DSA در شکل 1 از یک LBA و MBA1 تشکیل شده است، که در آن MBA1 یک آنتن دو قطبی دو قطبی است که برای محدوده فرکانس 1.7-2.7 گیگاهرتز استفاده می شود [16]. بالای LBA قرار می گیرد و هر دو دیافراگم یکسانی دارند، یعنی خطی که مراکز LBA و MBA1 را به هم متصل می کند با بردار معمولی آرایه موازی است.
در هر طرف آنتن DSA، یک MBA2، متشکل از سه لایه عناصر تابشی و یک بالون، با شکلی متفاوت از MBA1 وجود دارد، اما در همان محدوده فرکانس 1.7-2.7 گیگاهرتز کار می کند [18]. هنگامی که آرایه در محدوده 1.7-2.7 گیگاهرتز کار می کند، همه MBA1 و MBA2 در ناحیه آنتن FDD به طور همزمان برانگیخته می شوند و به عنوان MBA با بهره حداکثر 15 dBi کار می کنند.
از آنجایی که فاصله بین عناصر آنتن DSA و عناصر MBA2 در ناحیه آنتن FDD کوچک است، مدارهای فیلتر بر روی سطح تابشی LBA قرار می گیرند و میله های جداسازی بین عناصر آنتن DSA و عناصر MBA2 برای جلوگیری از تداخل تنظیم می شوند [19]. با استفاده از این دو روش، آرایه آنتن FDD می تواند به طور معمول با کاهش ردپای کلی تابش کند.
در ناحیه آنتن TDD، پنج ستون HBA وجود دارد، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، هر ستون شامل 12 عنصر، در مجموع 60 عنصر، به ترتیب در منطقه چیده شده است. HBA یک آنتن دو قطبی دو قطبی است که از روش های تغذیه کارآمد استفاده می کند و می تواند در محدوده فرکانس 2.3-3.8 گیگاهرتز استفاده شود. آنتن در [20] با حذف کوپلر Lange و تغییر اندازه عنصر تابش قطبی دو خطی برای محدوده فرکانس 2.3-3.8 گیگاهرتز اصلاح می شود. هنگامی که به مدارهای تغذیه کارآمد و مدارهای تغییر فاز مجهز شود، HBA در شکل 1 تشکیل می شود. در زیر المنت ها، تقسیم کننده های برق و مدارهای تغییر فاز متناسب با پورت های ورودی وجود دارد. برخی از بردهای مدار طولانی‌تر هستند و جریان را به دو HBA می‌رسانند، در حالی که برخی دیگر کوتاه‌تر هستند و جریان را تنها به یک HBA می‌رسانند. میله‌های ایزوله و بازتابنده‌ها در اطراف عناصر قرار می‌گیرند، که ایزولاسیون خوب را برای همه HBA ها تضمین می‌کند و اثر کلی شکل‌دهی پرتو را حفظ می‌کند.
تمام عناصر، تقسیم‌کننده‌های توان، مدارهای تغییر فاز و میله‌های جداسازی آنتن ایستگاه پایه با یک پد عایق به ضخامت 0.2 میلی‌متر ساخته شده از مواد FR4 پوشانده شده‌اند. این پد عایق به طور موثر اجزای بالای صفحه زمین را از سطح زمین جدا می کند و از مدولاسیون مرتبه سوم مناسب آنتن ایستگاه پایه به عنوان یک کل اطمینان می دهد. در زیر صفحه زمین، تقسیم‌کننده‌های توان و مدارهای تغییر فاز قرار دارند که جریان کلی آنتن ایستگاه پایه را کنترل می‌کنند و تقسیم‌کننده‌های توان و مدارهای تغییر فاز را برای ناحیه آنتن FDD و ناحیه آنتن TDD کنترل می‌کنند. کابل های کواکسیال نیز وجود دارد که تقسیم کننده های برق مختلف را به هم متصل می کند. از آنجایی که این ماژول ها با توپولوژی پیشنهادی در این مقاله ارتباطی ندارند، بیشتر مورد بحث قرار نگرفته اند.
2.1 اصول طراحی آنتن DSA:
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، آنتن DSA از یک LBA و MBA1 تشکیل شده است که MBA1 مستقیماً بالای LBA قرار دارد و خطوط تغذیه آنها از مرکز دیگری عبور می کند. این دو ارتباط مستقیمی با هم ندارند. سطح تابشی LBA از دو بخش تشکیل شده است، یکی مسئول میدان الکتریکی قطبی شده 45 درجه و دیگری برای میدان الکتریکی قطبی -45 درجه است. شکل مدار این دو قسمت سطح تابشی یکسان بوده و به صورت متعامد بر روی یکدیگر قرار گرفته اند. هر قسمت دارای دو مجموعه فیلتر باند استاپ است که امواج تابش شده توسط MBA1 را فیلتر می کند و از پراکندگی قابل توجه در LBA جلوگیری می کند و آنتن DSA را قادر می سازد به طور موثر در محدوده فرکانس 0.69-0.96 گیگاهرتز و 1.7-2.7 گیگاهرتز کار کند.
بدنه تابشی LBA در اطراف MBA1 به سمت بالا خم می شود و به سه هدف عمل می کند: اول، سطح مقطع LBA را کاهش می دهد در حالی که اندازه دیافراگم معادل خود را حفظ می کند. دوم، ساختار فیلتری را در خود جای داده است که امواج تابش شده توسط MBA1 را حذف می کند. سوم، حلقه ای از نوارهای بازتابی را در اطراف MBA1 تشکیل می دهد. از آنجایی که MBA1 در بالای LBA قرار دارد، بدنه تابشی خم شده در اطراف بالون MBA1 قرار می گیرد و جهت MBA1 را افزایش می دهد و انرژی آن را در جهت زاویه مورد نظر افزایش می دهد. این تضمین می کند که بهره کلی پرتو تابش رو به بالا از MBA به طور قابل توجهی کاهش نمی یابد.
2.2 اصول توپولوژی آنتن FDD:
هنگامی که یک آنتن یک سیگنال را ارسال می کند، در طول انتقال، محو شدن چند مسیره را تجربه می کند. برای کاهش این اثر، ایستگاه های پایه مدرن از تکنیک های تنوع [21] استفاده می کنند و به نوبه خود از محو شدن چند مسیری برای بهبود کارایی و کیفیت ارتباط استفاده می کنند. با گذشت زمان از 2G به 5G فعلی، آنتن های ایستگاه پایه از تک ورودی تک خروجی به خروجی چند ورودی چندگانه تبدیل شده اند. با این حال، این حالت انتقال مستلزم چندین ستون از عناصر است که در یک فضای کوچک چیده شده اند، که نیاز به طراحی توپولوژی خاص برای جلوگیری از تداخل بین عناصر دارد. با فرض اینکه تابع الگوی جهت F e (θ, ) است و عناصر آنتن مطابق شکل 2 مرتب شده اند، با اولین عنصر در مبدا محور مختصات، که با z 0 نشان داده شده است، و بردار مختلط جریان ورودی به عنوان İ 0 نشان داده شده است. اجازه دهید اختلاف فاز بین جریان های ورودی عنصر اول و عنصر محوری عنصر دوم روی مختصات 0- و عنصر دوم روی آن باشد. z n-1، با مجموعه آن بردار جریان ورودی با İn-1 و اختلاف فاز بین آن و عنصر قبلی با α n-1 نشان داده می شود. فاصله بین آرایه و یک نقطه دور P تقریباً r است و با فرض اینکه α 0 0 باشد، در شرایط ایده آل عدم اتلاف انرژی در مسیر خود آنتن، مجموع میدان Ė آرایه خطی در نقطه P(r, θ, ) به دست می آید:
که در آن A یک ضریب پوسته پوسته شدن است که به دلیل شکل واقعی عنصر آنتن معرفی شده است و تفاوت ها را از منبع نقطه ایده آل به دلیل شکل واقعی آنتن در نظر می گیرد. در اینجا، k را می توان به عنوان ثابت انتشار درک کرد.
(توجه: با توجه به محدودیت کاراکتر، ترجمه را تا این لحظه ارائه کردم. اگر مطالب بیشتری برای ترجمه دارید، در قسمت های جداگانه ارائه دهید.)

اگر فاصله بین عناصر برابر و با d نشان داده شود و اختلاف فاز نسبی جریان های تغذیه بین هر عنصر α باشد، رابطه (1) را می توان به صورت زیر بیان کرد:
معادله (2) از رابطه (1) با فرض مساوی فاصله عناصر و اختلاف فاز نسبی جریان های تغذیه به دست می آید.
برای به دست آوردن الگوی تابش ناحیه آنتن FDD، می توان تغییرات میدان الکتریکی با مختصات را بر اساس معادله فوق ترسیم کرد.
برای ناحیه آنتن FDD در شکل 1، طراحی آنتن های DSA و MBA می تواند به ادبیات [7] مراجعه کند. با این حال، هنگامی که آنها همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است توزیع می شوند، جفت شدن بین آنتن های DSA و MBA می تواند شدید باشد. برای رفع این مشکل، تغییراتی در سطح تابشی آنتن DSA با خم کردن قسمت بیرونی سطح تابشی LBA به سمت بالا و ایجاد یک ساختار توخالی انجام می‌شود که می‌تواند یک مدار فیلتر باند استاپ معادل با مدارهای روی سطح تابش ایجاد کند. این ساختار باعث می شود امواج تابش شده توسط آنتن MBA توسط آنتن DSA جذب شود و از هرگونه پراکندگی جلوگیری کند.

علاوه بر این، تأثیرات دیگری بین آنتن‌های MBA و DSA وجود دارد. هنگامی که MBA در حال کار است، نزدیکی بین MBA1 و MBA2 منجر به کاهش انزوا می شود. امواج تابش شده توسط MBA2 هم در جهت زاویه مورد نظر و هم در جهت مخالف باعث ایجاد جریان های القایی در برخورد با صفحه زمین می شود. این جریان های القایی از طریق خطوط تغذیه زیر آنتن DSA جریان می یابند و تا حدی به LBA می رسند و باعث ایجاد الگوهای تابشی نامنظم می شوند. بخش دیگری از جریان ها به MBA1 می رسد و ایزوله بین MBA1 و MBA2 را بدتر می کند. برای رفع این مشکل، میله‌های جداسازی بین MBA2 و آنتن DSA قرار می‌گیرند (نوار جداسازی 1 و نوار جداسازی 2 در شکل 1) تا جریان‌های بین آن‌ها را جدا کرده و در نتیجه جداسازی بین MBA2 و DSA را بهبود بخشد.
2.3 اصول توپولوژی آنتن TDD:
در شکل 1، می توان مشاهده کرد که ناحیه آنتن TDD از آرایش پلکانی عناصر HBA در ستون های مجاور استفاده می کند. با فرض اینکه فاصله بین هر عنصر در یک ستون d1 باشد، آنها در جهت مثبت یا منفی محوری نسبت به ستون مجاور d1/2 جابجا می شوند. برای آنتن های FDD، هر ستون به طور مستقل کار می کند، بنابراین تداخل بین ستون ها باید به طور کامل حذف شود. از سوی دیگر، برای آرایه های آنتن MIMO، تمایز بین ستون ها و ردیف ها به اندازه آنتن های FDD حیاتی نیست. MIMO با تمام HBA ها به عنوان یک آرایه مسطح رفتار می کند و با تغییر فاز و دامنه جریان عمل می کند. بنابراین، برای طراحی توپولوژی ناحیه آنتن TDD در شکل 1، فاصله بین هر HBA به طور منطقی برنامه ریزی شده است.
اگر چهار ستون HBA در شکل 1، از چپ به راست، به‌عنوان ستون 1 تا 4 برچسب‌گذاری شوند، و بردارهای میدان الکتریکی کل مربوط به آنها 1 تا Ö4 باشد، کل میدان الکتریکی تابش شده توسط ناحیه آنتن TDD را می‌توان به صورت Ė نشان داد. سپس:
معادله (3) کل میدان الکتریکی تابش شده توسط ناحیه آنتن TDD را با در نظر گرفتن سهم هر HBA نشان می دهد.
برای ساده‌تر کردن محاسبه، کل آرایه در ناحیه آنتن TDD را می‌توان همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است نشان داد. ستون اول مانند آرایه خط در شکل 2 با محور z در یک راستا باقی می‌ماند. فاصله معادل از ستون 1 تا 4 تا نقطه دور میدان P به صورت r1 تا r4 نشان داده می شود و بردارهای مختلط جریان ورودی برای هر ستون به صورت I1 تا I4 نشان داده می شود.
درست است، با جایگزینی عبارات در رابطه (1)، می توان کل میدان الکتریکی ناحیه آنتن TDD را حتی زمانی که برخی از عناصر جابجا شده اند محاسبه کرد. همانطور که از این معادله مشاهده می شود، تا زمانی که دامنه ها و فازهای برخی از HBA ها کنترل می شوند، حتی با جابجایی جزئی عنصر، هنوز می توان میدان کل را شبیه به یک توپولوژی معمولی ساخت. علاوه بر این، نسبت قطبش متقاطع زوال قابل توجهی نشان نخواهد داد. این ویژگی امکان کنترل موثر و بهینه سازی آرایه آنتن TDD را در عین حفظ ویژگی های عملکرد مطلوب فراهم می کند.

با این حال، حتی با این توپولوژی، هنوز نمی توان به طور کامل اثرات جفت متقابل بین HBA های مجاور را حذف کرد. به منظور اطمینان از کوچک‌سازی ایستگاه پایه، این مقاله میله‌های جداسازی را بین برخی از عناصر اضافه می‌کند. بر اساس اندازه‌گیری‌ها، میله‌های جداسازی فقط برای پورت‌های مجاور با سطح ایزولاسیون بیشتر از -20 دسی‌بل اعمال می‌شوند. این امر از تلفات بیش از حد در میدان الکتریکی فضایی به دلیل وجود میله های جداسازی بیش از حد جلوگیری می کند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، در ناحیه آنتن TDD، میله های جداسازی 1 وجود دارد که در امتداد جهت شعاعی آرایه امتداد یافته اند تا دو پورت را با قطبش های مختلف جدا کنند. علاوه بر این، میله‌های جداسازی 2 در امتداد جهت 45 درجه آرایه امتداد دارند تا دو پورت را با قطبش یکسان جدا کنند. بعلاوه، در شکل 1 مشاهده می شود که هیچ میله ایزوله ای بین HBAهایی که برد مدار توزیع برق یکسانی دارند قرار نمی گیرد. این به این دلیل است که این طرح مستقیماً مدارهای فیلتر را روی برد توزیع برق قرار می دهد. این رویکرد به طور موثر جریان های دیگر آنتن ها را که به پورت های مربوطه می ریزند فیلتر می کند، هزینه ها را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد و بدتر شدن نسبت قطبش متقاطع و افزایش را به دلیل افزودن میله های جداسازی بیش از حد بین عناصر به حداقل می رساند.
با توزیع آرایه آنتن 5G همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است و اضافه کردن نوارهای جداسازی مختلف ذکر شده در بالا، نتایج شبیه سازی در شکل 4 نشان داده شده است. جریان المان 5G شکل 4(b) الگوی صفحه عمودی آنتن TDD را در فرکانس 3.5 گیگاهرتز نشان می‌دهد، زمانی که پرتو آنتن به جهت سمت ایستگاه پایه با زاویه ارتفاع 12 درجه اشاره می‌کند، همچنین با کنترل اختلاف فاز جریان‌های عنصر 5G به دست می‌آید.
[توجه: به عنوان یک مدل زبان هوش مصنوعی، من توانایی نمایش مستقیم تصاویر را ندارم. توضیحات ارائه شده در بالا به محتوای توصیف شده در تصاویر اشاره دارد و خود تصاویر را می توان در سند اصلی یا مقاله تحقیقاتی یافت.]

به طور قطع، با جایگزینی معادله (3) به تغییر معادله (4)، در واقع می توان میدان الکتریکی تولید شده توسط کل آرایه را هنگامی که آنتن ترمینال DSA1 به صورت شعاعی نسبت به سایر عناصر DSA جابجا می شود، محاسبه کرد. در نتیجه این طراحی، HPBW (عرض پرتو نیمه توان) آنتن هنگام کار در باندهای فرکانسی 0.69-0.96 گیگاهرتز و 1.7-2.7 گیگاهرتز باریک می شود. این باریک شدن HPBW نشان می‌دهد که پرتو متمرکزتر و جهت‌دارتر می‌شود، که می‌تواند برای دستیابی به بهره بالاتر و عملکرد بهبود یافته در کاربردهای خاص مفید باشد.
نتایج عملی آرایه مونتاژ شده، با مدارهای تقسیم توان یکپارچه و اجزای خارجی، برای تایید اثربخشی طرح پیشنهادی انجام شد. نتایج آزمایش، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، نشان می دهد که آرایه در تمام باندهای فرکانسی به خوبی عمل می کند. نسبت موج ایستاده ولتاژ (VSWR) زیر 1.4 نگه داشته می شود و از انتقال کارآمد توان و حداقل انعکاس سیگنال اطمینان می دهد. علاوه بر این، پرتو هیچ اعوجاجی نشان نمی‌دهد و عرض پرتو نیمه‌توان (HPBW) در محدوده دلخواه 10±65 درجه باقی می‌ماند. این نتایج شواهدی را ارائه می دهد که توپولوژی پیشنهادی قابل اعتماد است و مطابق انتظار عمل می کند.

به منظور بررسی اثربخشی میله‌های جداسازی گنجانده شده در طراحی آرایه، با حذف برخی از میله‌های جداسازی از آرایه و مقایسه نتایج اندازه‌گیری شده با طراحی آرایه کامل، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، مقایسه‌ای انجام شد. 1.7 تا 2.0 گیگاهرتز بزرگتر از -20 دسی بل است که نیازهای آنتن ایستگاه پایه را برآورده نمی کند.
تنها با افزودن نوار جداسازی 1، ایزولاسیون تقریباً 7 دسی بل در محدوده فرکانس 1.7 تا 2.0 گیگاهرتز بهبود می یابد، اما همچنان از نیازهای آنتن ایستگاه پایه فاصله دارد. با این حال، هنگامی که هر دو نوار جداسازی 1 و نوار جداسازی 2 به طور همزمان نصب می شوند، ایزوله در کل محدوده فرکانس کاری زیر -28 دسی بل باقی می ماند و با مشخصات آنتن ایستگاه پایه مطابقت دارد. این نتایج تأثیر قابل توجه میله های جداسازی را در افزایش ایزوله بین آنتن ها و اطمینان از معیارهای عملکرد برای کل آنتن ایستگاه پایه تأیید می کند.

نتیجه گیری
در این مطالعه، ما طرحی را برای آرایه آنتن ایستگاه پایه پیشنهاد کردیم که عملکردهای FDD و TDD را ترکیب می‌کند. با استفاده از یک پیکربندی هم محور آنتن های DSA با LBA و MBA، ردپای کلی LBA و MBA را در ایستگاه پایه کاهش دادیم. برای اطمینان از عملکرد مؤثر MBA و DSA با فاصله کمتر، از نوارهای جداسازی مختلف برای جداسازی پورت‌های مختلف استفاده کردیم که باعث شد ناحیه آنتن FDD در هر دو باند فرکانس 0.69-0.96 گیگاهرتز و 1.7-2.7 گیگاهرتز به خوبی کار کند.
برای اطمینان از عملکرد مستقل هر ستون آرایه آنتن FDD در ایستگاه پایه، ما دو آرایه آنتن FDD را در دو طرف ایستگاه پایه قرار دادیم و از عدم تداخل بین دو ستون اطمینان حاصل کردیم. علاوه بر این، آنتن انتهایی DSA1 را نسبت به سایر آنتن‌های DSA به‌طور شعاعی نادرست کردیم تا پهنای پرتو در باندهای فرکانسی 0.69-0.96 گیگاهرتز و 1.7-2.7 گیگاهرتز کاهش یابد. در ناحیه آنتن TDD، ما از ناهماهنگی محوری جزئی واحدهای HBA استفاده کردیم و آنها را به طور مناسب با انواع مختلف میله‌های جداسازی جفت کردیم تا جداسازی بین هر واحد HBA را بهینه کنیم و عملکرد بهینه آرایه HBA را تضمین کنیم.
از طریق اندازه‌گیری‌های عملی، ما قابلیت اطمینان این طرح را تأیید کردیم و با موفقیت به کوچک‌سازی آرایه FDD+TDD رسیدیم. کار آینده بر بهینه سازی بیشتر آرایه با معرفی بازتابنده های کارآمدتر برای دستیابی به بهره بالاتر و در عین حال حفظ اندازه فشرده آن تمرکز خواهد کرد.
این طراحی به طور قابل توجهی اندازه آرایه آنتن ایستگاه پایه FDD+TDD را بدون به خطر انداختن عملکرد آن کاهش می دهد و آن را در بازارهای 5G و حتی 6G آینده بسیار رقابتی می کند.
★ کد QR را برای دسترسی و دانلود مقاله کامل در مورد CNKI (زیرساخت دانش ملی چین) اسکن کنید. ★مقاله اصلی منتشر شده در Mobile Communications, 2022, Issue 3. doi: 10.3969/j.issn.1006-1010.2022.03.010 شماره طبقه بندی کتابخانه چینی: TN929.5 کد شناسایی سند: شناسه مقاله: 1006-1010(2022)03-0055-07
مشخصات نویسنده: لیو مولین: مهندس ارشد، دارای مدرک کارشناسی ارشد از دانشگاه Xidian، در حال حاضر به عنوان معاون رئیس و مدیر بخش آنتن در Guangdong Tongyu Communication Co., Ltd.، که عمدتاً در توسعه پروژه آنتن و تحقیق مشغول است، خدمت می کند. Yue Cailong: فارغ التحصیل مدرک لیسانس از دانشگاه علوم و فناوری الکترونیک چین، در حال حاضر به عنوان مدیر تحقیق و توسعه در Guangdong Tongyu Communication Co., Ltd. که عمدتاً در کار تحقیق و توسعه آنتن مشغول به کار است، با تمرکز بر طراحی محصول چند سیستمی چند فرکانس، طراحی شبکه باند فوق العاده، طراحی واحد شبکه شیفت فاز، مشغول به کار است.