LAR /blog /Antena 2G/3G/4G/5G /Um método de coexistência de múltiplas antenas para matrizes de antenas de estação base FDD + TDD /
Um método de coexistência de múltiplas antenas para matrizes de antenas de estação base FDD + TDD
Uma nova topologia foi proposta para conjuntos de antenas de estação base FDD+TDD. Ao empregar esta topologia junto com antenas coaxiais, técnicas de deslocamento radial e axial de matriz, múltiplas colunas de antenas de estação base 2G/3G/4G/5G podem ser organizadas em uma placa divisora de potência relativamente pequena, atendendo aos requisitos de relação de onda estacionária (SWR) e ganho. Esta abordagem reduz significativamente o tamanho geral das antenas do conjunto FDD+TDD. Através de uma série de medições, foi observado que as antenas da estação base que utilizam esta topologia de arranjo (1400 mm × 490 mm × 105 mm) operam dentro das bandas de frequência desejadas com valores de SWR todos abaixo de 1,4, e a largura do feixe de meia potência permanece dentro da faixa de 65±10 graus.
É proposto um novo projeto de coexistência de múltiplas antenas para arranjos de antenas de estação base FDD + TDD, combinando Antenas de Banda Baixa (LBAs) operando na faixa de 0,69-0,96 GHz e 1,4-2,7 GHz, e Antenas de Banda Média (MBAs) operando na faixa de 1,4-2,7 GHz. Usando uma topologia compacta e incorporando divisores de potência e circuitos de mudança de fase apropriados, as bandas de frequência de transmissão e recepção podem ser controladas e os elementos do arranjo são organizados em duas colunas, reduzindo significativamente o tamanho geral do arranjo de antenas FDD+TDD [1-5]. Além disso, antenas de banda alta (HBAs) operando na faixa de 3,3-3,8 GHz podem formar uma matriz N×M de grande escala de múltiplas entradas e saídas múltiplas (MIMO) quando equipadas com divisores de potência especializados, circuitos de mudança de fase e conectadas a banda base e circuitos ativos, permitindo que as bandas de frequência de uplink e downlink se sobreponham em segmentos de tempo, criando uma antena de estação base de duplexação por divisão de tempo (TDD). array adequado para 5G New Radio (NR) [6-8].
As redes 5G fornecem conectividade contínua em tempo real para comunicação de Internet das Coisas (IoT) e Máquina a Máquina (M2M), permitindo a realização da Internet de Todas as Coisas. No entanto, a implantação de dispositivos 5G traz desafios às operadoras e fabricantes de equipamentos, especialmente em termos de custos operacionais e arquitetura de estação base. Para muitos ambientes específicos, os dispositivos 5G não podem substituir as redes LTE existentes. Como resultado, acredita-se amplamente que os dispositivos 5G e as redes LTE coexistirão por um longo tempo [9]. Com base nisso, o surgimento da topologia de conjunto de antenas de estação base FDD + TDD é um desenvolvimento natural.
Para antenas de estação base FDD+TDD, normalmente, os arranjos FDD são usados nas bandas de frequência de 0,69-0,96 GHz e 1,4-2,7 GHz, enquanto os arranjos TDD são usados na banda de frequência de 3,3-3,8 GHz. Além disso, quando HBAs e seus circuitos ativos de controle, divisores de potência e circuitos de mudança de fase são integrados, e redes de banda base são conectadas, é possível formar um conjunto de antenas de estação base de Unidade de Antena Ativa Duplexada por Divisão de Tempo (AAU).
Para projetar o conjunto de antenas da estação base FDD+TDD acima mencionado, o primeiro passo é colocar LBAs, MBAs e HBAs no mesmo conjunto de antenas, garantindo ao mesmo tempo que funcionem efetivamente em suas respectivas bandas de frequência, sem interferir entre si. Porém, na prática, quando LBAs e MBAs são combinados, o efeito de acoplamento mútuo entre eles pode ser significativo, principalmente quando se reduz o tamanho do array. Devido à diferença de altura entre LBAs e MBAs (os LBAs geralmente são mais altos que os MBAs), quando o MBA opera, alguns campos elétricos se espalham nos LBAs, causando distorção do feixe da antena, ganho reduzido e VSWR degradado. Para resolver isso, os pesquisadores exploraram várias abordagens, incluindo o uso de circuitos de filtragem periódicos ou não periódicos montados na superfície radiante da matriz ou balun e circuitos correspondentes para filtrar a interferência de banda cruzada; usar limites de circuito periódicos ou não periódicos no plano de terra abaixo ou perto dos elementos do conjunto para absorver ondas irradiadas; e aplicar topologias especiais para moldar os feixes do conjunto para formar um padrão "0" e ajustar o ganho controlando a largura do feixe [10-15]. Além disso, existem métodos especiais que utilizam metamateriais, metassuperfícies e superfícies acústicas para resolver problemas de interferência de banda cruzada.
Na terceira categoria de pesquisa, quando os elementos do arranjo estão densamente distribuídos, qualquer topologia utilizada levará a diversas formas de distorção no padrão de radiação da antena do arranjo devido à interferência entre os elementos. Portanto, uma combinação dos resultados da pesquisa acima pode tornar-se uma importante direção futura. No entanto, o uso simultâneo de todas essas abordagens na matriz pode resultar em altos custos de estação base e montagem complexa de componentes, tornando-a inadequada para produção em massa. Portanto, para os fabricantes de equipamentos, o desafio está na escolha dos circuitos de filtragem, superfícies seletivas de frequência e topologia adequados, bem como em como integrá-los para desenvolver e produzir a antena da estação base.
Para HBAs, a tecnologia de beamforming é crítica. Quanto maior o número e a escala das antenas, mais significativo será o papel que a tecnologia de formação de feixe pode desempenhar. No entanto, quando o tamanho do array permanece constante, o acoplamento mútuo entre os elementos da antena pode degradar o desempenho de qualquer HBA individual, resultando em formação de feixe abaixo do ideal. Portanto, é essencial projetar a topologia dos HBAs e definir barras de isolamento entre os elementos. Como os HBAs adotam uma estrutura de múltiplas entradas e múltiplas saídas, diversas portas de entrada precisam ser definidas, o que significa que, ao adotar uma nova topologia para HBAs, os divisores de energia, os circuitos de mudança de fase e o roteamento de cabos precisam ser reprojetados, representando um desafio considerável para os projetistas.
Este artigo propõe um projeto de coexistência de múltiplas antenas adequado para arranjos de antenas de estação base FDD + TDD, reduzindo significativamente o tamanho geral enquanto preserva ROE, ganho e relação de polarização cruzada. O design apresenta cinco aspectos principais:
1. A tecnologia coaxial é usada para montar MBAs acima de LBAs com circuitos de filtragem, criando antenas de abertura compartilhada polarizadas de banda dupla (antenas DSA) para as bandas de frequência de 0,69-0,96 GHz e 1,7-2,7 GHz. Diferentes acopladores direcionais de abertura são colocados acima e abaixo das antenas DSA, garantindo bons SWR e ganho, ao mesmo tempo que reduz substancialmente o tamanho do conjunto de antenas da estação base FDD.
2. Barras de isolamento são instaladas entre os elementos LBA e entre os elementos LBA e MBA, proporcionando isolamento suficiente mesmo quando os elementos estão pouco espaçados, minimizando os efeitos de acoplamento.
3. Os elementos da antena DSA na extremidade axial do conjunto são deslocados radialmente, garantindo que a taxa de polarização cruzada atenda aos padrões, reduzindo a largura do feixe de meia potência (HPBW) do feixe irradiado para todo o conjunto de antenas DSA.4. Barras de isolamento de alturas e orientações variadas são carregadas adequadamente nas direções fora do eixo ou radiais de cada unidade no array 5G para manter um bom isolamento entre HBAs.
5. As duas colunas contendo antenas DSA e MBAs são colocadas em cada lado do array 5G, garantindo que cada coluna não interfira na outra, eliminando assim custos desnecessários associados a barras de isolamento para duas colunas do mesmo tipo de antenas.
As seções a seguir fornecem uma explicação detalhada desse design.
Figura 1: Modelo de antena para o conjunto de antenas de estação base FDD+TDD proposto. O array é dividido em duas regiões: a área da antena FDD e a área da antena TDD, com antenas FDD em ambos os lados das antenas TDD, simetricamente em torno do eixo central do array. Cada região contém uma coluna de LBAs e uma coluna de MBAs, exceto o DSA1 na figura, todos os outros LBAs são coaxiais com MBAs. Deve-se notar que, neste contexto, MBA refere-se tanto a MBA1 quanto a MBA2 na Figura 1, denominados coletivamente como MBA neste artigo.
É proposto um novo projeto de coexistência de múltiplas antenas para arranjos de antenas de estação base FDD + TDD, combinando Antenas de Banda Baixa (LBAs) operando na faixa de 0,69-0,96 GHz e 1,4-2,7 GHz, e Antenas de Banda Média (MBAs) operando na faixa de 1,4-2,7 GHz. Usando uma topologia compacta e incorporando divisores de potência e circuitos de mudança de fase apropriados, as bandas de frequência de transmissão e recepção podem ser controladas e os elementos do arranjo são organizados em duas colunas, reduzindo significativamente o tamanho geral do arranjo de antenas FDD+TDD [1-5]. Além disso, antenas de banda alta (HBAs) operando na faixa de 3,3-3,8 GHz podem formar uma matriz N×M de grande escala de múltiplas entradas e saídas múltiplas (MIMO) quando equipadas com divisores de potência especializados, circuitos de mudança de fase e conectadas a banda base e circuitos ativos, permitindo que as bandas de frequência de uplink e downlink se sobreponham em segmentos de tempo, criando uma antena de estação base de duplexação por divisão de tempo (TDD). array adequado para 5G New Radio (NR) [6-8].
As redes 5G fornecem conectividade contínua em tempo real para comunicação de Internet das Coisas (IoT) e Máquina a Máquina (M2M), permitindo a realização da Internet de Todas as Coisas. No entanto, a implantação de dispositivos 5G traz desafios às operadoras e fabricantes de equipamentos, especialmente em termos de custos operacionais e arquitetura de estação base. Para muitos ambientes específicos, os dispositivos 5G não podem substituir as redes LTE existentes. Como resultado, acredita-se amplamente que os dispositivos 5G e as redes LTE coexistirão por um longo tempo [9]. Com base nisso, o surgimento da topologia de conjunto de antenas de estação base FDD + TDD é um desenvolvimento natural.
Para antenas de estação base FDD+TDD, normalmente, os arranjos FDD são usados nas bandas de frequência de 0,69-0,96 GHz e 1,4-2,7 GHz, enquanto os arranjos TDD são usados na banda de frequência de 3,3-3,8 GHz. Além disso, quando HBAs e seus circuitos ativos de controle, divisores de potência e circuitos de mudança de fase são integrados, e redes de banda base são conectadas, é possível formar um conjunto de antenas de estação base de Unidade de Antena Ativa Duplexada por Divisão de Tempo (AAU).
Para projetar o conjunto de antenas da estação base FDD+TDD acima mencionado, o primeiro passo é colocar LBAs, MBAs e HBAs no mesmo conjunto de antenas, garantindo ao mesmo tempo que funcionem efetivamente em suas respectivas bandas de frequência, sem interferir entre si. Porém, na prática, quando LBAs e MBAs são combinados, o efeito de acoplamento mútuo entre eles pode ser significativo, principalmente quando se reduz o tamanho do array. Devido à diferença de altura entre LBAs e MBAs (os LBAs geralmente são mais altos que os MBAs), quando o MBA opera, alguns campos elétricos se espalham nos LBAs, causando distorção do feixe da antena, ganho reduzido e VSWR degradado. Para resolver isso, os pesquisadores exploraram várias abordagens, incluindo o uso de circuitos de filtragem periódicos ou não periódicos montados na superfície radiante da matriz ou balun e circuitos correspondentes para filtrar a interferência de banda cruzada; usar limites de circuito periódicos ou não periódicos no plano de terra abaixo ou perto dos elementos do conjunto para absorver ondas irradiadas; e aplicar topologias especiais para moldar os feixes do conjunto para formar um padrão "0" e ajustar o ganho controlando a largura do feixe [10-15]. Além disso, existem métodos especiais que utilizam metamateriais, metassuperfícies e superfícies acústicas para resolver problemas de interferência de banda cruzada.
Na terceira categoria de pesquisa, quando os elementos do arranjo estão densamente distribuídos, qualquer topologia utilizada levará a diversas formas de distorção no padrão de radiação da antena do arranjo devido à interferência entre os elementos. Portanto, uma combinação dos resultados da pesquisa acima pode tornar-se uma importante direção futura. No entanto, o uso simultâneo de todas essas abordagens na matriz pode resultar em altos custos de estação base e montagem complexa de componentes, tornando-a inadequada para produção em massa. Portanto, para os fabricantes de equipamentos, o desafio está na escolha dos circuitos de filtragem, superfícies seletivas de frequência e topologia adequados, bem como em como integrá-los para desenvolver e produzir a antena da estação base.
Para HBAs, a tecnologia de beamforming é crítica. Quanto maior o número e a escala das antenas, mais significativo será o papel que a tecnologia de formação de feixe pode desempenhar. No entanto, quando o tamanho do array permanece constante, o acoplamento mútuo entre os elementos da antena pode degradar o desempenho de qualquer HBA individual, resultando em formação de feixe abaixo do ideal. Portanto, é essencial projetar a topologia dos HBAs e definir barras de isolamento entre os elementos. Como os HBAs adotam uma estrutura de múltiplas entradas e múltiplas saídas, diversas portas de entrada precisam ser definidas, o que significa que, ao adotar uma nova topologia para HBAs, os divisores de energia, os circuitos de mudança de fase e o roteamento de cabos precisam ser reprojetados, representando um desafio considerável para os projetistas.
Este artigo propõe um projeto de coexistência de múltiplas antenas adequado para arranjos de antenas de estação base FDD + TDD, reduzindo significativamente o tamanho geral enquanto preserva ROE, ganho e relação de polarização cruzada. O design apresenta cinco aspectos principais:
1. A tecnologia coaxial é usada para montar MBAs acima de LBAs com circuitos de filtragem, criando antenas de abertura compartilhada polarizadas de banda dupla (antenas DSA) para as bandas de frequência de 0,69-0,96 GHz e 1,7-2,7 GHz. Diferentes acopladores direcionais de abertura são colocados acima e abaixo das antenas DSA, garantindo bons SWR e ganho, ao mesmo tempo que reduz substancialmente o tamanho do conjunto de antenas da estação base FDD.
2. Barras de isolamento são instaladas entre os elementos LBA e entre os elementos LBA e MBA, proporcionando isolamento suficiente mesmo quando os elementos estão pouco espaçados, minimizando os efeitos de acoplamento.
3. Os elementos da antena DSA na extremidade axial do conjunto são deslocados radialmente, garantindo que a taxa de polarização cruzada atenda aos padrões, reduzindo a largura do feixe de meia potência (HPBW) do feixe irradiado para todo o conjunto de antenas DSA.4. Barras de isolamento de alturas e orientações variadas são carregadas adequadamente nas direções fora do eixo ou radiais de cada unidade no array 5G para manter um bom isolamento entre HBAs.
5. As duas colunas contendo antenas DSA e MBAs são colocadas em cada lado do array 5G, garantindo que cada coluna não interfira na outra, eliminando assim custos desnecessários associados a barras de isolamento para duas colunas do mesmo tipo de antenas.
As seções a seguir fornecem uma explicação detalhada desse design.
Figura 1: Modelo de antena para o conjunto de antenas de estação base FDD+TDD proposto. O array é dividido em duas regiões: a área da antena FDD e a área da antena TDD, com antenas FDD em ambos os lados das antenas TDD, simetricamente em torno do eixo central do array. Cada região contém uma coluna de LBAs e uma coluna de MBAs, exceto o DSA1 na figura, todos os outros LBAs são coaxiais com MBAs. Deve-se notar que, neste contexto, MBA refere-se tanto a MBA1 quanto a MBA2 na Figura 1, denominados coletivamente como MBA neste artigo.
A antena DSA na Figura 1 é composta por um LBA e um MBA1, onde o MBA1 é uma antena dipolo duplamente polarizada usada para a faixa de frequência de 1,7-2,7 GHz [16]. Ele é colocado acima do LBA e os dois compartilham a mesma abertura, ou seja, a linha que liga os centros do LBA e MBA1 é paralela ao vetor normal do array.
Em cada lado da antena DSA, existe um MBA2, composto por três camadas de elementos radiantes e um balun, com formato diferente do MBA1, mas operando na mesma faixa de frequência de 1,7-2,7 GHz [18]. Quando o array opera na faixa de 1,7-2,7 GHz, todos os MBA1 e MBA2 na área da antena FDD são excitados simultaneamente, funcionando como MBAs com ganho de até 15 dBi.
Como o espaçamento entre os elementos da antena DSA e os elementos MBA2 na área da antena FDD é pequeno, circuitos de filtragem são colocados na superfície radiante do LBA e barras de isolamento são colocadas entre os elementos da antena DSA e os elementos MBA2 para evitar interferência [19]. Usando esses dois métodos, o conjunto de antenas FDD pode irradiar normalmente com uma área total reduzida.
Na área da antena TDD existem cinco colunas de HBAs, conforme mostrado na Figura 1, cada coluna contendo 12 elementos, totalizando 60 elementos, dispostos sequencialmente na região. O HBA é uma antena dipolo de dupla polarização que utiliza métodos de alimentação eficientes e pode ser usada na faixa de frequência de 2,3 a 3,8 GHz. A antena em [20] é modificada removendo o acoplador Lange e redimensionando o elemento radiante polarizado de linha dupla para a faixa de frequência de 2,3-3,8 GHz. Quando equipado com circuitos de alimentação eficientes e circuitos de mudança de fase, o HBA da Figura 1 é formado. Abaixo dos elementos, existem divisores de potência e circuitos de mudança de fase adaptados às portas de entrada. Algumas placas de circuito são mais longas e fornecem corrente para dois HBAs, enquanto outras são mais curtas e fornecem corrente para apenas um HBA. Barras de isolamento e refletores são colocados ao redor dos elementos, garantindo um bom isolamento para todos os HBAs e mantendo o efeito geral de formação de feixe.
Todos os elementos, divisores de potência, circuitos de mudança de fase e barras de isolamento da antena da estação base são cobertos com uma almofada isolante de 0,2 mm de espessura feita de material FR4. Esta almofada isolante isola efetivamente os componentes acima do plano de terra do plano de terra, garantindo a intermodulação de terceira ordem adequada da antena da estação base como um todo. Abaixo do plano de terra estão os divisores de potência e os circuitos de mudança de fase que controlam o fluxo geral de corrente da antena da estação base e controlam os divisores de potência e os circuitos de mudança de fase para a área da antena FDD e a área da antena TDD. Existem também cabos coaxiais conectando vários divisores de energia. Como esses módulos não estão relacionados à topologia proposta neste artigo, eles não serão discutidos mais detalhadamente.
2.1 Princípios de Design da Antena DSA:
Conforme mostrado na Figura 1, a antena DSA é composta por um LBA e um MBA1, com o MBA1 posicionado diretamente acima do LBA, e suas linhas de alimentação passando pelo centro do outro. Os dois não têm contato direto. A superfície radiante do LBA consiste em duas partes, uma responsável pelo campo elétrico polarizado de 45° e outra pelo campo elétrico polarizado de -45°. As formas do circuito destas duas partes da superfície radiante são idênticas e orientadas ortogonalmente entre si. Cada parte possui dois conjuntos de filtros de parada de banda que filtram as ondas irradiadas pelo MBA1, evitando espalhamento significativo no LBA e permitindo que a antena DSA funcione efetivamente nas faixas de frequência de 0,69-0,96 GHz e 1,7-2,7 GHz.
O corpo radiante do LBA curva-se para cima em torno do MBA1, servindo a três propósitos: primeiro, reduz a área da seção transversal do LBA enquanto mantém seu tamanho de abertura equivalente; segundo, abriga a estrutura de filtragem que remove as ondas irradiadas pelo MBA1; terceiro, forma um anel de faixas de reflexão em torno do MBA1. Como o MBA1 está localizado acima do LBA, o corpo radiante dobrado é colocado ao redor do balun do MBA1, aumentando a direcionalidade do MBA1 e aumentando sua energia na direção do ângulo pretendido. Isto assegura que o ganho global do feixe de radiação ascendente do MBA não seja significativamente reduzido.
2.2 Princípios de Topologia da Antena FDD:
Quando uma única antena transmite um sinal, ela sofre desvanecimento multipercurso durante a transmissão. Para reduzir este efeito, as estações base modernas utilizam técnicas de diversidade [21] e, por sua vez, utilizam o desvanecimento de múltiplos caminhos para melhorar a eficiência e a qualidade da comunicação. À medida que o tempo avança de 2G para o atual 5G, as antenas de estação base evoluíram de entrada única e saída única para múltiplas entradas e múltiplas saídas. No entanto, este modo de transmissão requer múltiplas colunas de elementos dispostos em um espaço pequeno, necessitando de um projeto de topologia especial para evitar interferência entre os elementos. Assumindo que a função de padrão direcional é F e (θ, ) e os elementos da antena estão dispostos como mostrado na Figura 2, com o primeiro elemento localizado na origem do eixo de coordenadas, denotado como z 0, e o vetor complexo da corrente de entrada denotada como İ 0. Deixe a diferença de fase entre as correntes de entrada do primeiro elemento e do segundo elemento ser α 0, e a coordenada do enésimo elemento no eixo Z ser z n-1, com seu vetor complexo da corrente de entrada denotada como İ n-1, e a diferença de fase entre ela e o elemento anterior denotada como α n-1. A distância entre o arranjo e um ponto distante P é aproximadamente r, e assumindo que α 0 é 0, sob a condição ideal de não haver perda de energia no próprio caminho da antena, o campo total Ė do arranjo linear no ponto P(r, θ, ) é dado por:
onde A é um fator de escala introduzido devido à forma real do elemento da antena, contabilizando as diferenças da fonte pontual ideal devido à forma real da antena. Aqui, k pode ser entendido como a constante de propagação.
(Observação: devido ao limite de caracteres, forneci a tradução até este ponto. Se você tiver mais conteúdo para ser traduzido, forneça-o em partes separadas.)
Em cada lado da antena DSA, existe um MBA2, composto por três camadas de elementos radiantes e um balun, com formato diferente do MBA1, mas operando na mesma faixa de frequência de 1,7-2,7 GHz [18]. Quando o array opera na faixa de 1,7-2,7 GHz, todos os MBA1 e MBA2 na área da antena FDD são excitados simultaneamente, funcionando como MBAs com ganho de até 15 dBi.
Como o espaçamento entre os elementos da antena DSA e os elementos MBA2 na área da antena FDD é pequeno, circuitos de filtragem são colocados na superfície radiante do LBA e barras de isolamento são colocadas entre os elementos da antena DSA e os elementos MBA2 para evitar interferência [19]. Usando esses dois métodos, o conjunto de antenas FDD pode irradiar normalmente com uma área total reduzida.
Na área da antena TDD existem cinco colunas de HBAs, conforme mostrado na Figura 1, cada coluna contendo 12 elementos, totalizando 60 elementos, dispostos sequencialmente na região. O HBA é uma antena dipolo de dupla polarização que utiliza métodos de alimentação eficientes e pode ser usada na faixa de frequência de 2,3 a 3,8 GHz. A antena em [20] é modificada removendo o acoplador Lange e redimensionando o elemento radiante polarizado de linha dupla para a faixa de frequência de 2,3-3,8 GHz. Quando equipado com circuitos de alimentação eficientes e circuitos de mudança de fase, o HBA da Figura 1 é formado. Abaixo dos elementos, existem divisores de potência e circuitos de mudança de fase adaptados às portas de entrada. Algumas placas de circuito são mais longas e fornecem corrente para dois HBAs, enquanto outras são mais curtas e fornecem corrente para apenas um HBA. Barras de isolamento e refletores são colocados ao redor dos elementos, garantindo um bom isolamento para todos os HBAs e mantendo o efeito geral de formação de feixe.
Todos os elementos, divisores de potência, circuitos de mudança de fase e barras de isolamento da antena da estação base são cobertos com uma almofada isolante de 0,2 mm de espessura feita de material FR4. Esta almofada isolante isola efetivamente os componentes acima do plano de terra do plano de terra, garantindo a intermodulação de terceira ordem adequada da antena da estação base como um todo. Abaixo do plano de terra estão os divisores de potência e os circuitos de mudança de fase que controlam o fluxo geral de corrente da antena da estação base e controlam os divisores de potência e os circuitos de mudança de fase para a área da antena FDD e a área da antena TDD. Existem também cabos coaxiais conectando vários divisores de energia. Como esses módulos não estão relacionados à topologia proposta neste artigo, eles não serão discutidos mais detalhadamente.
2.1 Princípios de Design da Antena DSA:
Conforme mostrado na Figura 1, a antena DSA é composta por um LBA e um MBA1, com o MBA1 posicionado diretamente acima do LBA, e suas linhas de alimentação passando pelo centro do outro. Os dois não têm contato direto. A superfície radiante do LBA consiste em duas partes, uma responsável pelo campo elétrico polarizado de 45° e outra pelo campo elétrico polarizado de -45°. As formas do circuito destas duas partes da superfície radiante são idênticas e orientadas ortogonalmente entre si. Cada parte possui dois conjuntos de filtros de parada de banda que filtram as ondas irradiadas pelo MBA1, evitando espalhamento significativo no LBA e permitindo que a antena DSA funcione efetivamente nas faixas de frequência de 0,69-0,96 GHz e 1,7-2,7 GHz.
O corpo radiante do LBA curva-se para cima em torno do MBA1, servindo a três propósitos: primeiro, reduz a área da seção transversal do LBA enquanto mantém seu tamanho de abertura equivalente; segundo, abriga a estrutura de filtragem que remove as ondas irradiadas pelo MBA1; terceiro, forma um anel de faixas de reflexão em torno do MBA1. Como o MBA1 está localizado acima do LBA, o corpo radiante dobrado é colocado ao redor do balun do MBA1, aumentando a direcionalidade do MBA1 e aumentando sua energia na direção do ângulo pretendido. Isto assegura que o ganho global do feixe de radiação ascendente do MBA não seja significativamente reduzido.
2.2 Princípios de Topologia da Antena FDD:
Quando uma única antena transmite um sinal, ela sofre desvanecimento multipercurso durante a transmissão. Para reduzir este efeito, as estações base modernas utilizam técnicas de diversidade [21] e, por sua vez, utilizam o desvanecimento de múltiplos caminhos para melhorar a eficiência e a qualidade da comunicação. À medida que o tempo avança de 2G para o atual 5G, as antenas de estação base evoluíram de entrada única e saída única para múltiplas entradas e múltiplas saídas. No entanto, este modo de transmissão requer múltiplas colunas de elementos dispostos em um espaço pequeno, necessitando de um projeto de topologia especial para evitar interferência entre os elementos. Assumindo que a função de padrão direcional é F e (θ, ) e os elementos da antena estão dispostos como mostrado na Figura 2, com o primeiro elemento localizado na origem do eixo de coordenadas, denotado como z 0, e o vetor complexo da corrente de entrada denotada como İ 0. Deixe a diferença de fase entre as correntes de entrada do primeiro elemento e do segundo elemento ser α 0, e a coordenada do enésimo elemento no eixo Z ser z n-1, com seu vetor complexo da corrente de entrada denotada como İ n-1, e a diferença de fase entre ela e o elemento anterior denotada como α n-1. A distância entre o arranjo e um ponto distante P é aproximadamente r, e assumindo que α 0 é 0, sob a condição ideal de não haver perda de energia no próprio caminho da antena, o campo total Ė do arranjo linear no ponto P(r, θ, ) é dado por:
onde A é um fator de escala introduzido devido à forma real do elemento da antena, contabilizando as diferenças da fonte pontual ideal devido à forma real da antena. Aqui, k pode ser entendido como a constante de propagação.
(Observação: devido ao limite de caracteres, forneci a tradução até este ponto. Se você tiver mais conteúdo para ser traduzido, forneça-o em partes separadas.)
Se o espaçamento entre os elementos for igual e denotado como d, e a diferença de fase relativa das correntes de alimentação entre cada elemento for α, então a Equação (1) pode ser expressa como:
A Equação (2) é obtida a partir da Equação (1) com a suposição de espaçamento igual entre elementos e diferenças de fase relativas das correntes de alimentação.
Para obter o padrão de radiação da área da antena FDD, a variação do campo elétrico com coordenadas pode ser plotada com base na equação acima.
Para a área da antena FDD na Figura 1, o projeto das antenas DSA e MBA pode consultar a literatura [7]. Porém, quando distribuídas conforme mostrado na Figura 1, o acoplamento entre as antenas DSA e MBA pode ser severo. Para resolver isso, são feitas modificações na superfície radiante da antena DSA dobrando a parte externa da superfície radiante do LBA para cima e criando uma estrutura oca que pode formar um circuito de filtragem de parada de banda equivalente com os circuitos na superfície radiante. Esta estrutura permite que as ondas irradiadas pela antena MBA sejam absorvidas pela antena DSA, evitando qualquer espalhamento.
A Equação (2) é obtida a partir da Equação (1) com a suposição de espaçamento igual entre elementos e diferenças de fase relativas das correntes de alimentação.
Para obter o padrão de radiação da área da antena FDD, a variação do campo elétrico com coordenadas pode ser plotada com base na equação acima.
Para a área da antena FDD na Figura 1, o projeto das antenas DSA e MBA pode consultar a literatura [7]. Porém, quando distribuídas conforme mostrado na Figura 1, o acoplamento entre as antenas DSA e MBA pode ser severo. Para resolver isso, são feitas modificações na superfície radiante da antena DSA dobrando a parte externa da superfície radiante do LBA para cima e criando uma estrutura oca que pode formar um circuito de filtragem de parada de banda equivalente com os circuitos na superfície radiante. Esta estrutura permite que as ondas irradiadas pela antena MBA sejam absorvidas pela antena DSA, evitando qualquer espalhamento.
Além disso, existem outros impactos entre as antenas MBA e DSA. Quando o MBA está em funcionamento, a proximidade entre MBA1 e MBA2 resulta em isolamento reduzido. As ondas irradiadas pelo MBA2 tanto na direção do ângulo pretendido quanto na direção oposta causarão correntes de indução quando atingirem o plano de terra. Estas correntes de indução fluirão através das linhas de alimentação sob a antena DSA e atingirão parcialmente o LBA, causando padrões de radiação irregulares. Outra parcela das correntes chegará ao MBA1, deteriorando o isolamento entre MBA1 e MBA2. Para resolver isso, barras de isolamento são colocadas entre o MBA2 e a antena DSA (Barra de Isolamento 1 e Barra de Isolamento 2 na Figura 1) para isolar as correntes entre eles, melhorando assim o isolamento entre o MBA2 e o DSA.
2.3 Princípios de Topologia da Antena TDD:
Na Figura 1 pode-se observar que a área da antena TDD emprega uma disposição escalonada dos elementos HBA em colunas adjacentes. Supondo que a distância entre cada elemento em uma coluna seja d1, eles são deslocados na direção axial positiva ou negativa em d1/2 em relação à coluna adjacente. Para antenas FDD, cada coluna funciona de forma independente, portanto a interferência entre as colunas deve ser completamente eliminada. Por outro lado, para conjuntos de antenas MIMO, a distinção entre colunas e linhas não é tão crucial como nas antenas FDD. O MIMO trata todos os HBAs como um array planar e opera alterando a fase e a amplitude da corrente. Portanto, para o projeto da topologia da área da antena TDD na Figura 1, o espaçamento entre cada HBA é razoavelmente planejado.
Se as quatro colunas do HBA na Figura 1, da esquerda para a direita, forem rotuladas como a 1ª à 4ª coluna, e seus respectivos vetores de campo elétrico total forem Ė1 a Ė4, o campo elétrico total irradiado pela área da antena TDD pode ser representado como Ė. Então:
A equação (3) representa o campo elétrico total irradiado pela área da antena TDD, considerando a contribuição de cada HBA.
Para simplificar o cálculo, todo o arranjo na área da antena TDD pode ser representado conforme mostrado na Figura 3. A primeira coluna permanece alinhada com o eixo z, como no arranjo linear da Figura 2. Cada coluna subsequente é deslocada na direção y por m, e o primeiro elemento em cada coluna (da esquerda para a direita) é deslocado na direção z por n. A distância equivalente da 1ª à 4ª coluna até o ponto P do campo distante é denotada como r1 a r4, e os vetores complexos de corrente de entrada para cada coluna são representados como I1 a I4.
Correto, substituindo as expressões da Equação (1), pode-se calcular o campo elétrico total da área da antena TDD mesmo quando alguns elementos estão deslocados. Como pode ser visto nesta equação, desde que as amplitudes e fases de alguns HBAs sejam controladas, mesmo com deslocamento parcial do elemento, o campo total ainda pode ser semelhante ao de uma topologia convencional. Além disso, a relação de polarização cruzada não apresentará deterioração significativa. Esta propriedade permite controle e otimização eficazes do conjunto de antenas TDD, mantendo as características de desempenho desejadas.
2.3 Princípios de Topologia da Antena TDD:
Na Figura 1 pode-se observar que a área da antena TDD emprega uma disposição escalonada dos elementos HBA em colunas adjacentes. Supondo que a distância entre cada elemento em uma coluna seja d1, eles são deslocados na direção axial positiva ou negativa em d1/2 em relação à coluna adjacente. Para antenas FDD, cada coluna funciona de forma independente, portanto a interferência entre as colunas deve ser completamente eliminada. Por outro lado, para conjuntos de antenas MIMO, a distinção entre colunas e linhas não é tão crucial como nas antenas FDD. O MIMO trata todos os HBAs como um array planar e opera alterando a fase e a amplitude da corrente. Portanto, para o projeto da topologia da área da antena TDD na Figura 1, o espaçamento entre cada HBA é razoavelmente planejado.
Se as quatro colunas do HBA na Figura 1, da esquerda para a direita, forem rotuladas como a 1ª à 4ª coluna, e seus respectivos vetores de campo elétrico total forem Ė1 a Ė4, o campo elétrico total irradiado pela área da antena TDD pode ser representado como Ė. Então:
A equação (3) representa o campo elétrico total irradiado pela área da antena TDD, considerando a contribuição de cada HBA.
Para simplificar o cálculo, todo o arranjo na área da antena TDD pode ser representado conforme mostrado na Figura 3. A primeira coluna permanece alinhada com o eixo z, como no arranjo linear da Figura 2. Cada coluna subsequente é deslocada na direção y por m, e o primeiro elemento em cada coluna (da esquerda para a direita) é deslocado na direção z por n. A distância equivalente da 1ª à 4ª coluna até o ponto P do campo distante é denotada como r1 a r4, e os vetores complexos de corrente de entrada para cada coluna são representados como I1 a I4.
Correto, substituindo as expressões da Equação (1), pode-se calcular o campo elétrico total da área da antena TDD mesmo quando alguns elementos estão deslocados. Como pode ser visto nesta equação, desde que as amplitudes e fases de alguns HBAs sejam controladas, mesmo com deslocamento parcial do elemento, o campo total ainda pode ser semelhante ao de uma topologia convencional. Além disso, a relação de polarização cruzada não apresentará deterioração significativa. Esta propriedade permite controle e otimização eficazes do conjunto de antenas TDD, mantendo as características de desempenho desejadas.
Contudo, mesmo com esta topologia, ainda não é possível eliminar completamente os efeitos de acoplamento mútuo entre HBAs adjacentes. Para garantir a miniaturização da estação base, este artigo adiciona barras de isolamento entre alguns elementos. Com base nas medições, as barras de isolamento são aplicadas apenas em portas adjacentes com nível de isolamento superior a -20 dB. Isto evita perdas excessivas no campo elétrico espacial devido à presença de muitas barras de isolamento. Conforme mostrado na Figura 1, dentro da área da antena TDD, existem barras de isolamento 1 que se estendem ao longo da direção radial do conjunto para isolar as duas portas com polarizações diferentes. Além disso, existem barras de isolamento 2 que se estendem ao longo da direção de 45° do conjunto para isolar as duas portas com a mesma polarização. Além disso, observa-se na Figura 1 que não são colocadas barras de isolamento entre os HBAs que compartilham a mesma placa de circuito de distribuição de energia. Isso ocorre porque este projeto incorpora diretamente circuitos de filtragem no quadro de distribuição de energia. Esta abordagem filtra efetivamente as correntes de outras antenas que fluem para as respectivas portas, reduz significativamente os custos e minimiza a deterioração da relação de polarização cruzada e do ganho devido à adição de barras de isolamento excessivas entre os elementos.
Ao distribuir o conjunto de antenas 5G conforme mostrado na Figura 3 e adicionar as várias barras de isolamento mencionadas acima, os resultados da simulação são mostrados na Figura 4. A Figura 4 (a) ilustra o padrão do plano vertical da antena TDD em 3,5 GHz quando o feixe da antena aponta para a direção lateral da estação base com um ângulo de elevação de 2°, obtido controlando a diferença de fase das correntes do elemento 5G. A Figura 4 (b) representa o padrão do plano vertical da antena TDD em 3,5 GHz quando o feixe da antena aponta para a direção lateral da estação base com um ângulo de elevação de 12°, também obtido controlando a diferença de fase das correntes do elemento 5G.
[Nota: Como modelo de linguagem de IA, não tenho a capacidade de exibir imagens diretamente. A descrição fornecida acima refere-se ao conteúdo descrito nas imagens, e as próprias imagens podem ser encontradas no documento original ou artigo de pesquisa.]
Ao distribuir o conjunto de antenas 5G conforme mostrado na Figura 3 e adicionar as várias barras de isolamento mencionadas acima, os resultados da simulação são mostrados na Figura 4. A Figura 4 (a) ilustra o padrão do plano vertical da antena TDD em 3,5 GHz quando o feixe da antena aponta para a direção lateral da estação base com um ângulo de elevação de 2°, obtido controlando a diferença de fase das correntes do elemento 5G. A Figura 4 (b) representa o padrão do plano vertical da antena TDD em 3,5 GHz quando o feixe da antena aponta para a direção lateral da estação base com um ângulo de elevação de 12°, também obtido controlando a diferença de fase das correntes do elemento 5G.
[Nota: Como modelo de linguagem de IA, não tenho a capacidade de exibir imagens diretamente. A descrição fornecida acima refere-se ao conteúdo descrito nas imagens, e as próprias imagens podem ser encontradas no documento original ou artigo de pesquisa.]
Absolutamente, substituindo a Equação (3) na variação da Equação (4), é de fato possível calcular o campo elétrico gerado por todo o arranjo quando a antena terminal DSA1 é deslocada radialmente em relação a outros elementos DSA. Como resultado deste projeto, o HPBW (largura de feixe de meia potência) da antena diminui ao operar nas bandas de frequência de 0,69-0,96 GHz e 1,7-2,7 GHz. Este estreitamento do HPBW indica que o feixe se torna mais focado e direcional, o que pode ser vantajoso para obter maior ganho e melhor desempenho em determinadas aplicações.
Os resultados práticos do conjunto montado, com circuitos integrados de divisão de potência e componentes externos, foram conduzidos para validar a eficácia do projeto proposto. Os resultados do teste, conforme mostrado na Figura 5, indicam que o array opera bem em todas as bandas de frequência. A relação de onda estacionária de tensão (VSWR) é mantida abaixo de 1,4, garantindo transferência de energia eficiente e reflexão mínima do sinal. Além disso, o feixe não apresenta distorção e a largura do feixe de meia potência (HPBW) permanece dentro da faixa desejada de 65±10 graus. Esses resultados fornecem evidências de que a topologia proposta é confiável e funciona conforme o esperado.
Os resultados práticos do conjunto montado, com circuitos integrados de divisão de potência e componentes externos, foram conduzidos para validar a eficácia do projeto proposto. Os resultados do teste, conforme mostrado na Figura 5, indicam que o array opera bem em todas as bandas de frequência. A relação de onda estacionária de tensão (VSWR) é mantida abaixo de 1,4, garantindo transferência de energia eficiente e reflexão mínima do sinal. Além disso, o feixe não apresenta distorção e a largura do feixe de meia potência (HPBW) permanece dentro da faixa desejada de 65±10 graus. Esses resultados fornecem evidências de que a topologia proposta é confiável e funciona conforme o esperado.
Para verificar a eficácia das barras de isolamento incorporadas no projeto do arranjo, foi realizada uma comparação removendo algumas barras de isolamento do arranjo e comparando os resultados medidos com o projeto completo do arranjo, conforme mostrado na Figura 6. Pode-se observar que, quando as barras de isolamento 1 e 2 usadas para a área da antena FDD são removidas, o isolamento entre as antenas MBA1 e MBA2 em 1,7~2,0 GHz é superior a -20 dB, não atendendo aos requisitos da antena da estação base.
Ao adicionar apenas a barra de isolamento 1, o isolamento melhora em aproximadamente 7 dB na faixa de frequência de 1,7 a 2,0 GHz, mas ainda fica aquém dos requisitos da antena da estação base. No entanto, quando a barra de isolamento 1 e a barra de isolamento 2 são instaladas simultaneamente, o isolamento permanece abaixo de -28 dB em toda a faixa de frequência operacional, atendendo às especificações da antena da estação base. Estes resultados confirmam o impacto significativo das barras de isolamento no aumento do isolamento entre antenas e na garantia dos critérios de desempenho para toda a antena da estação base.
Ao adicionar apenas a barra de isolamento 1, o isolamento melhora em aproximadamente 7 dB na faixa de frequência de 1,7 a 2,0 GHz, mas ainda fica aquém dos requisitos da antena da estação base. No entanto, quando a barra de isolamento 1 e a barra de isolamento 2 são instaladas simultaneamente, o isolamento permanece abaixo de -28 dB em toda a faixa de frequência operacional, atendendo às especificações da antena da estação base. Estes resultados confirmam o impacto significativo das barras de isolamento no aumento do isolamento entre antenas e na garantia dos critérios de desempenho para toda a antena da estação base.
Conclusão
Neste estudo, propusemos um projeto para um arranjo de antenas de estação base que combina funcionalidades FDD e TDD. Ao usar uma configuração coaxial de antenas DSA com LBA e MBA, reduzimos a área ocupada global por LBA e MBA na estação base. Para garantir a operação eficaz de MBA e DSA com espaçamento reduzido, empregamos várias barras de isolamento para isolar diferentes portas, permitindo que a área da antena FDD funcionasse bem nas bandas de frequência de 0,69-0,96 GHz e 1,7-2,7 GHz.
Para garantir a operação independente de cada coluna do conjunto de antenas FDD na estação base, colocamos dois conjuntos de antenas FDD em cada lado da estação base, garantindo que não haja interferência entre as duas colunas. Além disso, desalinhamos radialmente a antena DSA1 final em relação a outras antenas DSA para reduzir a largura do feixe nas bandas de frequência de 0,69-0,96 GHz e 1,7-2,7 GHz. Na área de antenas TDD, empregamos o desalinhamento axial parcial das unidades HBA e as emparelhamos adequadamente com diferentes tipos de barras de isolamento para otimizar o isolamento entre cada unidade HBA, garantindo o desempenho ideal do array HBA.
Através de medições práticas, verificamos a confiabilidade deste projeto e alcançamos com sucesso a miniaturização do array FDD+TDD. O trabalho futuro se concentrará na otimização adicional do conjunto, introduzindo refletores mais eficientes para obter maior ganho, mantendo seu tamanho compacto.
Este design reduz significativamente o tamanho do conjunto de antenas da estação base FDD+TDD sem comprometer seu desempenho, tornando-o altamente competitivo nos futuros mercados 5G e até mesmo 6G.
★ Digitalize o código QR para acessar e baixar o artigo completo sobre CNKI (China National Knowledge Infrastructure). ★Artigo original publicado em Mobile Communications, 2022, Edição 3. doi: 10.3969/j.issn.1006-1010.2022.03.010 Classificação da Biblioteca Chinesa No.: TN929.5 Código de identificação do documento: A ID do artigo: 1006-1010(2022)03-0055-07
Perfis do autor: Liu Mulin: Engenheiro sênior, possui mestrado pela Xidian University, atualmente atua como vice-presidente e gerente da divisão de antenas na Guangdong Tongyu Communication Co., Ltd., principalmente envolvida no desenvolvimento e pesquisa de projetos de antenas. Yue Cailong: Graduado pela Universidade de Ciência Eletrônica e Tecnologia da China, atualmente atua como Gerente de Pesquisa e Desenvolvimento na Guangdong Tongyu Communication Co., Ltd., principalmente envolvido em trabalhos de pesquisa e desenvolvimento de antenas, com foco em design de produto multissistema multifrequência, design de unidade de banda ultralarga, design de rede de mudança de fase e design de topologia de array.
Neste estudo, propusemos um projeto para um arranjo de antenas de estação base que combina funcionalidades FDD e TDD. Ao usar uma configuração coaxial de antenas DSA com LBA e MBA, reduzimos a área ocupada global por LBA e MBA na estação base. Para garantir a operação eficaz de MBA e DSA com espaçamento reduzido, empregamos várias barras de isolamento para isolar diferentes portas, permitindo que a área da antena FDD funcionasse bem nas bandas de frequência de 0,69-0,96 GHz e 1,7-2,7 GHz.
Para garantir a operação independente de cada coluna do conjunto de antenas FDD na estação base, colocamos dois conjuntos de antenas FDD em cada lado da estação base, garantindo que não haja interferência entre as duas colunas. Além disso, desalinhamos radialmente a antena DSA1 final em relação a outras antenas DSA para reduzir a largura do feixe nas bandas de frequência de 0,69-0,96 GHz e 1,7-2,7 GHz. Na área de antenas TDD, empregamos o desalinhamento axial parcial das unidades HBA e as emparelhamos adequadamente com diferentes tipos de barras de isolamento para otimizar o isolamento entre cada unidade HBA, garantindo o desempenho ideal do array HBA.
Através de medições práticas, verificamos a confiabilidade deste projeto e alcançamos com sucesso a miniaturização do array FDD+TDD. O trabalho futuro se concentrará na otimização adicional do conjunto, introduzindo refletores mais eficientes para obter maior ganho, mantendo seu tamanho compacto.
Este design reduz significativamente o tamanho do conjunto de antenas da estação base FDD+TDD sem comprometer seu desempenho, tornando-o altamente competitivo nos futuros mercados 5G e até mesmo 6G.
★ Digitalize o código QR para acessar e baixar o artigo completo sobre CNKI (China National Knowledge Infrastructure). ★Artigo original publicado em Mobile Communications, 2022, Edição 3. doi: 10.3969/j.issn.1006-1010.2022.03.010 Classificação da Biblioteca Chinesa No.: TN929.5 Código de identificação do documento: A ID do artigo: 1006-1010(2022)03-0055-07
Perfis do autor: Liu Mulin: Engenheiro sênior, possui mestrado pela Xidian University, atualmente atua como vice-presidente e gerente da divisão de antenas na Guangdong Tongyu Communication Co., Ltd., principalmente envolvida no desenvolvimento e pesquisa de projetos de antenas. Yue Cailong: Graduado pela Universidade de Ciência Eletrônica e Tecnologia da China, atualmente atua como Gerente de Pesquisa e Desenvolvimento na Guangdong Tongyu Communication Co., Ltd., principalmente envolvido em trabalhos de pesquisa e desenvolvimento de antenas, com foco em design de produto multissistema multifrequência, design de unidade de banda ultralarga, design de rede de mudança de fase e design de topologia de array.
Tempo de lançamento: 2023-07-22
Tecnologia de processamento de cavidade de antena de perfil de alumínio: aplicações importantes em comunicação de rádio
Recommended Blogs
For more questions please
contact us