ГЛАВНАЯ /блог /Антенна 2G/3G/4G/5G /Метод сосуществования нескольких антенн для антенных решеток базовой станции FDD+TDD /
Метод сосуществования нескольких антенн для антенных решеток базовой станции FDD+TDD
Была предложена новая топология для антенных решеток базовых станций FDD+TDD. Используя эту топологию вместе с коаксиальными антеннами, методами радиального и осевого смещения решетки, несколько столбцов антенн базовых станций 2G/3G/4G/5G можно разместить на относительно небольшой плате делителя мощности, при этом соблюдая требования по коэффициенту стоячей волны (КСВ). и получить. Такой подход значительно уменьшает общий размер антенной решетки FDD+TDD. В ходе серии измерений было замечено, что антенны базовых станций, использующие эту топологию решетки (1400 мм × 490 мм × 105 мм), работают в желаемых диапазонах частот со значениями КСВ во всех случаях ниже 1,4, а ширина диаграммы направленности по половинной мощности остается в пределах диапазон 65±10 градусов.
Предлагается новая конструкция сосуществования нескольких антенн для антенных решеток базовых станций FDD+TDD, объединяющая антенны нижнего диапазона (LBA), работающие в диапазоне 0,69–0,96 ГГц и диапазоне 1,4–2,7 ГГц, и антенны среднего диапазона (MBA), работающие в диапазоне 0,69–0,96 ГГц и диапазоне 1,4–2,7 ГГц. Диапазон 1,4-2,7 ГГц. Используя компактную топологию и соответствующие делители мощности и схемы фазового сдвига, можно управлять полосами частот передачи и приема, а элементы решетки организованы в две колонки, что значительно уменьшает общий размер антенной решетки FDD+TDD [1- 5]. Кроме того, высокочастотные антенны (HBA), работающие в диапазоне 3,3–3,8 ГГц, могут образовывать крупномасштабную матрицу N×M с несколькими входами и множеством выходов (MIMO), если они оснащены специализированными делителями мощности, схемами фазового сдвига и подключены к основной полосе частот и активным модулям. схемы, позволяющие полосам частот восходящей и нисходящей линии связи перекрываться во временных сегментах, создавая антенную решетку базовой станции с дуплексной связью с временным разделением (TDD), подходящую для нового радио 5G (NR) [6-8].
Сети 5G обеспечивают бесперебойное подключение в режиме реального времени для Интернета вещей (IoT) и межмашинного взаимодействия (M2M), что позволяет реализовать Интернет всего. Однако развертывание устройств 5G создает проблемы для операторов и производителей оборудования, особенно с точки зрения эксплуатационных расходов и архитектуры базовых станций. Во многих конкретных средах устройства 5G не могут заменить существующие сети LTE. В результате широко распространено мнение, что устройства 5G и сети LTE будут сосуществовать в течение длительного времени [9]. Исходя из этого, появление топологии антенных решеток базовых станций FDD+TDD является естественным развитием.
Для антенн базовых станций FDD+TDD, как правило, решетки FDD используются в диапазонах частот 0,69–0,96 ГГц и 1,4–2,7 ГГц, а решетки TDD используются в полосе частот 3,3–3,8 ГГц. Кроме того, когда HBA и их управляющие активные цепи, делители мощности и схемы фазового сдвига интегрированы, а сети основной полосы частот подключены, можно сформировать антенную решетку базовой станции с активным антенным блоком с временным разделением каналов (AAU).
Чтобы спроектировать вышеупомянутую антенную решетку базовой станции FDD+TDD, первым шагом является размещение LBA, MBA и HBA в одной антенной решетке, гарантируя при этом, что они эффективно работают в своих соответствующих диапазонах частот, не мешая друг другу. Однако на практике при объединении LBA и MBA эффект взаимной связи между ними может быть значительным, особенно при уменьшении размера массива. Из-за разницы в высоте между LBA и MBA (LBA часто выше, чем MBA), при работе MBA некоторые электрические поля рассеиваются на LBA, вызывая искажение луча антенны, снижение усиления и ухудшение КСВ. Чтобы решить эту проблему, исследователи изучили различные подходы, включая использование схем периодической или непериодической фильтрации, установленных на излучающей поверхности массива или балуна, и согласующих схем для фильтрации межполосных помех; использование периодических или непериодических границ цепи на плоскости заземления под или рядом с элементами решетки для поглощения излучаемых волн; и применение специальных топологий для формирования лучей массива для формирования диаграммы направленности «0» и регулировки усиления путем управления шириной луча [10-15]. Кроме того, существуют специальные методы с использованием метаматериалов, метаповерхностей и акустических поверхностей для решения проблем межполосной интерференции.
В третьей категории исследований, когда элементы решетки расположены плотно, любая используемая топология приведет к различным формам искажений диаграммы направленности антенной решетки из-за помех между элементами. Таким образом, сочетание вышеупомянутых результатов исследований может стать основным направлением в будущем. Однако одновременное использование всех этих подходов в массиве может привести к высокой стоимости базовой станции и сложной сборке компонентов, что сделает его непригодным для массового производства. Поэтому перед производителями оборудования задача заключается в выборе подходящих схем фильтрации, частотно-избирательных поверхностей и топологии, а также в том, как их интегрировать для разработки и производства антенны базовой станции.
Для HBA технология формирования луча имеет решающее значение. Чем больше количество и размер антенн, тем более важную роль может играть технология формирования луча. Однако, когда размер массива остается постоянным, взаимная связь между элементами антенны может ухудшить производительность любого отдельного HBA, что приведет к неоптимальному формированию диаграммы направленности. Поэтому крайне важно спроектировать топологию HBA и установить изолирующие панели между элементами. Поскольку HBA используют структуру с несколькими входами и несколькими выходами, необходимо настроить несколько входных портов. Это означает, что при использовании новой топологии для HBA необходимо перепроектировать делители мощности, схемы фазового сдвига и прокладку кабелей, что создает проблему серьезная проблема для дизайнеров.
В этом документе предлагается конструкция сосуществования нескольких антенн, подходящая для антенных решеток базовых станций FDD + TDD, значительно уменьшающая общий размер при сохранении КСВ, усиления и коэффициента кросс-поляризации. Дизайн имеет пять ключевых аспектов:
1. Коаксиальная технология используется для установки MBA над LBA со схемами фильтрации, создавая двухдиапазонные антенны с двойной поляризацией с общей апертурой (антенны DSA) для диапазонов частот 0,69–0,96 ГГц и 1,7–2,7 ГГц. Направленные ответвители с разной апертурой расположены над и под антеннами DSA, обеспечивая хороший КСВ и усиление, при этом существенно уменьшая размер антенной решетки базовой станции FDD.
2. Изолирующие перемычки устанавливаются между элементами LBA, а также между элементами LBA и MBA, обеспечивая достаточную изоляцию даже при близком расположении элементов и сводя к минимуму эффекты связи.
3. Антенные элементы DSA на осевом конце решетки смещаются в радиальном направлении, обеспечивая при этом соответствие коэффициента кросс-поляризации стандартам, уменьшая ширину луча половинной мощности (HPBW) излучаемого луча для всей антенной решетки DSA.4. Изолирующие планки различной высоты и ориентации соответствующим образом нагружаются во внеосевых или радиальных направлениях каждого устройства в массиве 5G, чтобы обеспечить хорошую изоляцию между HBA.
5. Две колонны, содержащие антенны DSA и MBA, размещаются по обе стороны от массива 5G, гарантируя, что каждая колонна не мешает другой, тем самым устраняя ненужные затраты, связанные с изоляционными планками для двух колонн с антеннами одного типа.
В следующих разделах представлено подробное объяснение этой конструкции.
Рисунок 1: Модель антенны для предлагаемой антенной решетки базовой станции FDD+TDD. Решетка разделена на две области: область антенны FDD и область антенны TDD, причем антенны FDD расположены по обе стороны от антенн TDD, симметрично относительно центральной оси решетки. Каждый регион содержит столбец LBA и столбец MBA, за исключением DSA1 на рисунке, все остальные LBA соосны MBA. Следует отметить, что в этом контексте MBA относится как к MBA1, так и к MBA2 на рисунке 1, которые в этой статье вместе называются MBA.
Предлагается новая конструкция сосуществования нескольких антенн для антенных решеток базовых станций FDD+TDD, объединяющая антенны нижнего диапазона (LBA), работающие в диапазоне 0,69–0,96 ГГц и диапазоне 1,4–2,7 ГГц, и антенны среднего диапазона (MBA), работающие в диапазоне 0,69–0,96 ГГц и диапазоне 1,4–2,7 ГГц. Диапазон 1,4-2,7 ГГц. Используя компактную топологию и соответствующие делители мощности и схемы фазового сдвига, можно управлять полосами частот передачи и приема, а элементы решетки организованы в две колонки, что значительно уменьшает общий размер антенной решетки FDD+TDD [1- 5]. Кроме того, высокочастотные антенны (HBA), работающие в диапазоне 3,3–3,8 ГГц, могут образовывать крупномасштабную матрицу N×M с несколькими входами и множеством выходов (MIMO), если они оснащены специализированными делителями мощности, схемами фазового сдвига и подключены к основной полосе частот и активным модулям. схемы, позволяющие полосам частот восходящей и нисходящей линии связи перекрываться во временных сегментах, создавая антенную решетку базовой станции с дуплексной связью с временным разделением (TDD), подходящую для нового радио 5G (NR) [6-8].
Сети 5G обеспечивают бесперебойное подключение в режиме реального времени для Интернета вещей (IoT) и межмашинного взаимодействия (M2M), что позволяет реализовать Интернет всего. Однако развертывание устройств 5G создает проблемы для операторов и производителей оборудования, особенно с точки зрения эксплуатационных расходов и архитектуры базовых станций. Во многих конкретных средах устройства 5G не могут заменить существующие сети LTE. В результате широко распространено мнение, что устройства 5G и сети LTE будут сосуществовать в течение длительного времени [9]. Исходя из этого, появление топологии антенных решеток базовых станций FDD+TDD является естественным развитием.
Для антенн базовых станций FDD+TDD, как правило, решетки FDD используются в диапазонах частот 0,69–0,96 ГГц и 1,4–2,7 ГГц, а решетки TDD используются в полосе частот 3,3–3,8 ГГц. Кроме того, когда HBA и их управляющие активные цепи, делители мощности и схемы фазового сдвига интегрированы, а сети основной полосы частот подключены, можно сформировать антенную решетку базовой станции с активным антенным блоком с временным разделением каналов (AAU).
Чтобы спроектировать вышеупомянутую антенную решетку базовой станции FDD+TDD, первым шагом является размещение LBA, MBA и HBA в одной антенной решетке, гарантируя при этом, что они эффективно работают в своих соответствующих диапазонах частот, не мешая друг другу. Однако на практике при объединении LBA и MBA эффект взаимной связи между ними может быть значительным, особенно при уменьшении размера массива. Из-за разницы в высоте между LBA и MBA (LBA часто выше, чем MBA), при работе MBA некоторые электрические поля рассеиваются на LBA, вызывая искажение луча антенны, снижение усиления и ухудшение КСВ. Чтобы решить эту проблему, исследователи изучили различные подходы, включая использование схем периодической или непериодической фильтрации, установленных на излучающей поверхности массива или балуна, и согласующих схем для фильтрации межполосных помех; использование периодических или непериодических границ цепи на плоскости заземления под или рядом с элементами решетки для поглощения излучаемых волн; и применение специальных топологий для формирования лучей массива для формирования диаграммы направленности «0» и регулировки усиления путем управления шириной луча [10-15]. Кроме того, существуют специальные методы с использованием метаматериалов, метаповерхностей и акустических поверхностей для решения проблем межполосной интерференции.
В третьей категории исследований, когда элементы решетки расположены плотно, любая используемая топология приведет к различным формам искажений диаграммы направленности антенной решетки из-за помех между элементами. Таким образом, сочетание вышеупомянутых результатов исследований может стать основным направлением в будущем. Однако одновременное использование всех этих подходов в массиве может привести к высокой стоимости базовой станции и сложной сборке компонентов, что сделает его непригодным для массового производства. Поэтому перед производителями оборудования задача заключается в выборе подходящих схем фильтрации, частотно-избирательных поверхностей и топологии, а также в том, как их интегрировать для разработки и производства антенны базовой станции.
Для HBA технология формирования луча имеет решающее значение. Чем больше количество и размер антенн, тем более важную роль может играть технология формирования луча. Однако, когда размер массива остается постоянным, взаимная связь между элементами антенны может ухудшить производительность любого отдельного HBA, что приведет к неоптимальному формированию диаграммы направленности. Поэтому крайне важно спроектировать топологию HBA и установить изолирующие панели между элементами. Поскольку HBA используют структуру с несколькими входами и несколькими выходами, необходимо настроить несколько входных портов. Это означает, что при использовании новой топологии для HBA необходимо перепроектировать делители мощности, схемы фазового сдвига и прокладку кабелей, что создает проблему серьезная проблема для дизайнеров.
В этом документе предлагается конструкция сосуществования нескольких антенн, подходящая для антенных решеток базовых станций FDD + TDD, значительно уменьшающая общий размер при сохранении КСВ, усиления и коэффициента кросс-поляризации. Дизайн имеет пять ключевых аспектов:
1. Коаксиальная технология используется для установки MBA над LBA со схемами фильтрации, создавая двухдиапазонные антенны с двойной поляризацией с общей апертурой (антенны DSA) для диапазонов частот 0,69–0,96 ГГц и 1,7–2,7 ГГц. Направленные ответвители с разной апертурой расположены над и под антеннами DSA, обеспечивая хороший КСВ и усиление, при этом существенно уменьшая размер антенной решетки базовой станции FDD.
2. Изолирующие перемычки устанавливаются между элементами LBA, а также между элементами LBA и MBA, обеспечивая достаточную изоляцию даже при близком расположении элементов и сводя к минимуму эффекты связи.
3. Антенные элементы DSA на осевом конце решетки смещаются в радиальном направлении, обеспечивая при этом соответствие коэффициента кросс-поляризации стандартам, уменьшая ширину луча половинной мощности (HPBW) излучаемого луча для всей антенной решетки DSA.4. Изолирующие планки различной высоты и ориентации соответствующим образом нагружаются во внеосевых или радиальных направлениях каждого устройства в массиве 5G, чтобы обеспечить хорошую изоляцию между HBA.
5. Две колонны, содержащие антенны DSA и MBA, размещаются по обе стороны от массива 5G, гарантируя, что каждая колонна не мешает другой, тем самым устраняя ненужные затраты, связанные с изоляционными планками для двух колонн с антеннами одного типа.
В следующих разделах представлено подробное объяснение этой конструкции.
Рисунок 1: Модель антенны для предлагаемой антенной решетки базовой станции FDD+TDD. Решетка разделена на две области: область антенны FDD и область антенны TDD, причем антенны FDD расположены по обе стороны от антенн TDD, симметрично относительно центральной оси решетки. Каждый регион содержит столбец LBA и столбец MBA, за исключением DSA1 на рисунке, все остальные LBA соосны MBA. Следует отметить, что в этом контексте MBA относится как к MBA1, так и к MBA2 на рисунке 1, которые в этой статье вместе называются MBA.
Антенна DSA на рисунке 1 состоит из LBA и MBA1, где MBA1 — это дипольная антенна с двойной поляризацией, используемая для диапазона частот 1,7–2,7 ГГц [16]. Он расположен над LBA, и они имеют одну и ту же апертуру, т. е. линия, соединяющая центры LBA и MBA1, параллельна вектору нормали массива.
С каждой стороны антенны ДСА расположен МВА2, состоящий из трех слоев излучающих элементов и симметрирующего устройства, отличной от МВА1 формы, но работающий в том же диапазоне частот 1,7-2,7 ГГц [18]. При работе решетки в диапазоне 1,7-2,7 ГГц все MBA1 и MBA2 в зоне антенны FDD возбуждаются одновременно, работая как MBA с коэффициентом усиления до 15 дБи.
Поскольку расстояние между антенными элементами DSA и элементами MBA2 в зоне антенны FDD невелико, на излучающей поверхности LBA размещаются фильтрующие схемы, а между антенными элементами DSA и элементами MBA2 устанавливаются развязывающие планки для предотвращения помех [19]. Используя эти два метода, антенная решетка FDD может излучать нормально, занимая меньше места.
В области антенны TDD имеется пять столбцов HBA, как показано на рисунке 1, каждый столбец содержит 12 элементов, всего 60 элементов, расположенных последовательно в области. HBA представляет собой дипольную антенну с двойной поляризацией, которая использует эффективные методы питания и может использоваться в диапазоне частот 2,3–3,8 ГГц. Антенна в [20] модифицирована путем удаления ответвителя Ланге и изменения размеров излучающего элемента с двойной поляризацией для диапазона частот 2,3–3,8 ГГц. При оснащении эффективными цепями питания и схемами фазового сдвига формируется HBA на рисунке 1. Под элементами расположены делители мощности и схемы фазового сдвига, адаптированные к входным портам. Некоторые платы длиннее и подают ток на два HBA, тогда как другие короче и подают ток только на один HBA. Вокруг элементов расположены изолирующие планки и отражатели, обеспечивающие хорошую изоляцию всех адаптеров шины и сохраняющий общий эффект формирования луча.
Все элементы, делители мощности, цепи фазосдвигания и шины изоляции антенны базовой станции покрыты изолирующей прокладкой толщиной 0,2 мм из материала FR4. Эта изолирующая прокладка эффективно изолирует компоненты над заземляющим слоем от заземляющего слоя, обеспечивая правильную интермодуляцию третьего порядка антенны базовой станции в целом. Под слоем земли расположены делители мощности и схемы фазового сдвига, которые контролируют общий ток антенны базовой станции, а также делители мощности и схемы фазового сдвига для области антенны FDD и области антенны TDD. Существуют также коаксиальные кабели, соединяющие различные делители мощности. Поскольку эти модули не связаны с топологией, предлагаемой в этой статье, они далее не обсуждаются.
2.1 Принципы проектирования антенны DSA:
Как показано на рисунке 1, антенна DSA состоит из LBA и MBA1, причем MBA1 расположен непосредственно над LBA, а их линии питания проходят через центр другой. У этих двоих нет прямого контакта. Излучающая поверхность ЛБА состоит из двух частей: одна отвечает за электрическое поле с поляризацией 45°, другая — за электрическое поле с поляризацией -45°. Формы контуров этих двух частей излучающей поверхности идентичны и ориентированы ортогонально друг другу. Каждая часть имеет два набора полосовых фильтров, которые отфильтровывают волны, излучаемые MBA1, предотвращая значительное рассеяние на LBA и позволяя антенне DSA эффективно работать в диапазонах частот 0,69–0,96 ГГц и 1,7–2,7 ГГц.
Излучающее тело LBA изгибается вверх вокруг MBA1, преследуя три цели: во-первых, оно уменьшает площадь поперечного сечения LBA, сохраняя при этом эквивалентный размер апертуры; во-вторых, в нем находится фильтрующая структура, которая удаляет волны, излучаемые MBA1; в-третьих, он образует кольцо полос отражения вокруг MBA1. Поскольку MBA1 расположен над LBA, изогнутое излучающее тело размещается вокруг симметрирующего устройства MBA1, увеличивая направленность MBA1 и увеличивая его энергию в направлении заданного угла. Это гарантирует, что общее усиление восходящего пучка излучения от ЗМБ существенно не уменьшится.
2.2 Принципы топологии антенны FDD:
Когда одна антенна передает сигнал, во время передачи он испытывает многолучевое замирание. Чтобы уменьшить этот эффект, современные базовые станции используют методы разнесения [21] и, в свою очередь, используют замирание из-за многолучевого распространения для повышения эффективности и качества связи. По мере перехода от 2G к нынешнему 5G антенны базовых станций эволюционировали от одного входа с одним выходом до нескольких входов и нескольких выходов. Однако этот режим передачи требует нескольких столбцов элементов, расположенных в небольшом пространстве, что требует специальной конструкции топологии, чтобы избежать помех между элементами. Предполагая, что функция диаграммы направленности равна F e (θ, ), а элементы антенны расположены, как показано на рисунке 2, при этом первый элемент расположен в начале оси координат, обозначен как z 0, а комплексный вектор входного тока обозначим как İ 0. Пусть разность фаз между входными токами первого элемента и второго элемента равна α 0, а координата n-го элемента по оси Z равна z n-1, с его комплексным вектором входного тока обозначается как İ n-1, а разность фаз между ним и предыдущим элементом обозначается как α n-1. Расстояние между решеткой и удаленной точкой P составляет примерно r, и, если α 0 равно 0, в идеальных условиях отсутствия потерь энергии на собственном пути антенны общее поле Ė линейной решетки в точке P(r, θ , ) дан кем-то:
где A — коэффициент масштабирования, введенный в связи с фактической формой антенного элемента и учитывающий различия с идеальным точечным источником из-за фактической формы антенны. Здесь k можно понимать как постоянную распространения.
(Примечание: из-за ограничения на количество символов на данный момент я предоставил перевод. Если вам нужно перевести дополнительный контент, предоставьте его отдельными частями.)
С каждой стороны антенны ДСА расположен МВА2, состоящий из трех слоев излучающих элементов и симметрирующего устройства, отличной от МВА1 формы, но работающий в том же диапазоне частот 1,7-2,7 ГГц [18]. При работе решетки в диапазоне 1,7-2,7 ГГц все MBA1 и MBA2 в зоне антенны FDD возбуждаются одновременно, работая как MBA с коэффициентом усиления до 15 дБи.
Поскольку расстояние между антенными элементами DSA и элементами MBA2 в зоне антенны FDD невелико, на излучающей поверхности LBA размещаются фильтрующие схемы, а между антенными элементами DSA и элементами MBA2 устанавливаются развязывающие планки для предотвращения помех [19]. Используя эти два метода, антенная решетка FDD может излучать нормально, занимая меньше места.
В области антенны TDD имеется пять столбцов HBA, как показано на рисунке 1, каждый столбец содержит 12 элементов, всего 60 элементов, расположенных последовательно в области. HBA представляет собой дипольную антенну с двойной поляризацией, которая использует эффективные методы питания и может использоваться в диапазоне частот 2,3–3,8 ГГц. Антенна в [20] модифицирована путем удаления ответвителя Ланге и изменения размеров излучающего элемента с двойной поляризацией для диапазона частот 2,3–3,8 ГГц. При оснащении эффективными цепями питания и схемами фазового сдвига формируется HBA на рисунке 1. Под элементами расположены делители мощности и схемы фазового сдвига, адаптированные к входным портам. Некоторые платы длиннее и подают ток на два HBA, тогда как другие короче и подают ток только на один HBA. Вокруг элементов расположены изолирующие планки и отражатели, обеспечивающие хорошую изоляцию всех адаптеров шины и сохраняющий общий эффект формирования луча.
Все элементы, делители мощности, цепи фазосдвигания и шины изоляции антенны базовой станции покрыты изолирующей прокладкой толщиной 0,2 мм из материала FR4. Эта изолирующая прокладка эффективно изолирует компоненты над заземляющим слоем от заземляющего слоя, обеспечивая правильную интермодуляцию третьего порядка антенны базовой станции в целом. Под слоем земли расположены делители мощности и схемы фазового сдвига, которые контролируют общий ток антенны базовой станции, а также делители мощности и схемы фазового сдвига для области антенны FDD и области антенны TDD. Существуют также коаксиальные кабели, соединяющие различные делители мощности. Поскольку эти модули не связаны с топологией, предлагаемой в этой статье, они далее не обсуждаются.
2.1 Принципы проектирования антенны DSA:
Как показано на рисунке 1, антенна DSA состоит из LBA и MBA1, причем MBA1 расположен непосредственно над LBA, а их линии питания проходят через центр другой. У этих двоих нет прямого контакта. Излучающая поверхность ЛБА состоит из двух частей: одна отвечает за электрическое поле с поляризацией 45°, другая — за электрическое поле с поляризацией -45°. Формы контуров этих двух частей излучающей поверхности идентичны и ориентированы ортогонально друг другу. Каждая часть имеет два набора полосовых фильтров, которые отфильтровывают волны, излучаемые MBA1, предотвращая значительное рассеяние на LBA и позволяя антенне DSA эффективно работать в диапазонах частот 0,69–0,96 ГГц и 1,7–2,7 ГГц.
Излучающее тело LBA изгибается вверх вокруг MBA1, преследуя три цели: во-первых, оно уменьшает площадь поперечного сечения LBA, сохраняя при этом эквивалентный размер апертуры; во-вторых, в нем находится фильтрующая структура, которая удаляет волны, излучаемые MBA1; в-третьих, он образует кольцо полос отражения вокруг MBA1. Поскольку MBA1 расположен над LBA, изогнутое излучающее тело размещается вокруг симметрирующего устройства MBA1, увеличивая направленность MBA1 и увеличивая его энергию в направлении заданного угла. Это гарантирует, что общее усиление восходящего пучка излучения от ЗМБ существенно не уменьшится.
2.2 Принципы топологии антенны FDD:
Когда одна антенна передает сигнал, во время передачи он испытывает многолучевое замирание. Чтобы уменьшить этот эффект, современные базовые станции используют методы разнесения [21] и, в свою очередь, используют замирание из-за многолучевого распространения для повышения эффективности и качества связи. По мере перехода от 2G к нынешнему 5G антенны базовых станций эволюционировали от одного входа с одним выходом до нескольких входов и нескольких выходов. Однако этот режим передачи требует нескольких столбцов элементов, расположенных в небольшом пространстве, что требует специальной конструкции топологии, чтобы избежать помех между элементами. Предполагая, что функция диаграммы направленности равна F e (θ, ), а элементы антенны расположены, как показано на рисунке 2, при этом первый элемент расположен в начале оси координат, обозначен как z 0, а комплексный вектор входного тока обозначим как İ 0. Пусть разность фаз между входными токами первого элемента и второго элемента равна α 0, а координата n-го элемента по оси Z равна z n-1, с его комплексным вектором входного тока обозначается как İ n-1, а разность фаз между ним и предыдущим элементом обозначается как α n-1. Расстояние между решеткой и удаленной точкой P составляет примерно r, и, если α 0 равно 0, в идеальных условиях отсутствия потерь энергии на собственном пути антенны общее поле Ė линейной решетки в точке P(r, θ , ) дан кем-то:
где A — коэффициент масштабирования, введенный в связи с фактической формой антенного элемента и учитывающий различия с идеальным точечным источником из-за фактической формы антенны. Здесь k можно понимать как постоянную распространения.
(Примечание: из-за ограничения на количество символов на данный момент я предоставил перевод. Если вам нужно перевести дополнительный контент, предоставьте его отдельными частями.)
Если расстояние между элементами одинаково и обозначено как d, а относительная разность фаз токов питания между каждым элементом равна α, то уравнение (1) можно выразить как:
Уравнение (2) получено из уравнения (1) в предположении равного расстояния между элементами и относительных разностей фаз токов питания.
Чтобы получить диаграмму направленности области антенны FDD, можно построить график изменения электрического поля с координатами на основе приведенного выше уравнения.
Для области антенны FDD на рисунке 1 конструкция антенн DSA и MBA может быть описана в литературе [7]. Однако, когда они распределены, как показано на рисунке 1, связь между антеннами DSA и MBA может быть серьезной. Чтобы решить эту проблему, в излучающую поверхность антенны DSA вносятся изменения путем изгиба внешней части излучающей поверхности LBA вверх и создания полой структуры, которая может образовывать эквивалентную схему полосовой заграждающей фильтрации со схемами на излучающей поверхности. Такая структура позволяет волнам, излучаемым антенной MBA, поглощаться антенной DSA, предотвращая любое рассеяние.
Уравнение (2) получено из уравнения (1) в предположении равного расстояния между элементами и относительных разностей фаз токов питания.
Чтобы получить диаграмму направленности области антенны FDD, можно построить график изменения электрического поля с координатами на основе приведенного выше уравнения.
Для области антенны FDD на рисунке 1 конструкция антенн DSA и MBA может быть описана в литературе [7]. Однако, когда они распределены, как показано на рисунке 1, связь между антеннами DSA и MBA может быть серьезной. Чтобы решить эту проблему, в излучающую поверхность антенны DSA вносятся изменения путем изгиба внешней части излучающей поверхности LBA вверх и создания полой структуры, которая может образовывать эквивалентную схему полосовой заграждающей фильтрации со схемами на излучающей поверхности. Такая структура позволяет волнам, излучаемым антенной MBA, поглощаться антенной DSA, предотвращая любое рассеяние.
Кроме того, существуют и другие взаимодействия между антеннами MBA и DSA. Когда MBA работает, непосредственная близость между MBA1 и MBA2 приводит к уменьшению изоляции. Волны, излучаемые MBA2 как в направлении предполагаемого угла, так и в противоположном направлении, будут вызывать индукционные токи при попадании на заземляющую поверхность. Эти индукционные токи будут течь через линии питания под антенной DSA и частично достигать LBA, вызывая неравномерную диаграмму направленности. Другая часть токов достигнет MBA1, ухудшая изоляцию между MBA1 и MBA2. Чтобы решить эту проблему, между MBA2 и антенной DSA размещаются изолирующие планки (изолирующая планка 1 и изолирующая планка 2 на рисунке 1), чтобы изолировать токи между ними, тем самым улучшая изоляцию между MBA2 и DSA.
2.3 Принципы топологии антенны TDD:
На рисунке 1 можно заметить, что в области антенны TDD элементы HBA расположены в шахматном порядке в соседних столбцах. Предполагая, что расстояние между каждым элементом в столбце равно d1, они смещаются в осевом положительном или отрицательном направлении на d1/2 относительно соседнего столбца. В антеннах FDD каждая колонка работает независимо, поэтому помехи между колонками должны быть полностью устранены. С другой стороны, для антенных решеток MIMO различие между столбцами и строками не так важно, как в антеннах FDD. MIMO рассматривает все адаптеры шины как планарный массив и работает путем изменения фазы и амплитуды тока. Таким образом, при проектировании топологии области антенны TDD на рисунке 1 разумно запланировано расстояние между каждым HBA.
Если четыре столбца HBA на рисунке 1, слева направо, обозначены как столбцы с 1-го по 4-й, а их соответствующие векторы общего электрического поля составляют от 1 до 4, общее электрическое поле, излучаемое областью антенны TDD, может быть представлено как Э. Затем:
Уравнение (3) представляет общее электрическое поле, излучаемое площадью антенны TDD, с учетом вклада каждого HBA.
Для упрощения расчета всю решетку в области антенны TDD можно представить, как показано на рисунке 3. Первый столбец остается выровненным по оси z, как в линейном массиве на рисунке 2. Каждый последующий столбец смещается по оси y. -направлении на m, а первый элемент в каждом столбце (слева направо) смещается в направлении z на n. Эквивалентное расстояние от 1-го по 4-й столбец до точки P в дальней зоне обозначается как от r1 до r4, а комплексные векторы входного тока для каждого столбца представлены как от I1 до I4.
Правильно, подставив выражения в уравнение (1), можно рассчитать полное электрическое поле площади антенны TDD даже при смещении некоторых элементов. Как видно из этого уравнения, пока амплитуды и фазы некоторых HBA контролируются, даже при частичном смещении элемента, общее поле все равно можно сделать таким же, как в традиционной топологии. Более того, коэффициент кроссполяризации не будет значительно ухудшаться. Это свойство позволяет эффективно управлять и оптимизировать антенную решетку TDD, сохраняя при этом желаемые рабочие характеристики.
2.3 Принципы топологии антенны TDD:
На рисунке 1 можно заметить, что в области антенны TDD элементы HBA расположены в шахматном порядке в соседних столбцах. Предполагая, что расстояние между каждым элементом в столбце равно d1, они смещаются в осевом положительном или отрицательном направлении на d1/2 относительно соседнего столбца. В антеннах FDD каждая колонка работает независимо, поэтому помехи между колонками должны быть полностью устранены. С другой стороны, для антенных решеток MIMO различие между столбцами и строками не так важно, как в антеннах FDD. MIMO рассматривает все адаптеры шины как планарный массив и работает путем изменения фазы и амплитуды тока. Таким образом, при проектировании топологии области антенны TDD на рисунке 1 разумно запланировано расстояние между каждым HBA.
Если четыре столбца HBA на рисунке 1, слева направо, обозначены как столбцы с 1-го по 4-й, а их соответствующие векторы общего электрического поля составляют от 1 до 4, общее электрическое поле, излучаемое областью антенны TDD, может быть представлено как Э. Затем:
Уравнение (3) представляет общее электрическое поле, излучаемое площадью антенны TDD, с учетом вклада каждого HBA.
Для упрощения расчета всю решетку в области антенны TDD можно представить, как показано на рисунке 3. Первый столбец остается выровненным по оси z, как в линейном массиве на рисунке 2. Каждый последующий столбец смещается по оси y. -направлении на m, а первый элемент в каждом столбце (слева направо) смещается в направлении z на n. Эквивалентное расстояние от 1-го по 4-й столбец до точки P в дальней зоне обозначается как от r1 до r4, а комплексные векторы входного тока для каждого столбца представлены как от I1 до I4.
Правильно, подставив выражения в уравнение (1), можно рассчитать полное электрическое поле площади антенны TDD даже при смещении некоторых элементов. Как видно из этого уравнения, пока амплитуды и фазы некоторых HBA контролируются, даже при частичном смещении элемента, общее поле все равно можно сделать таким же, как в традиционной топологии. Более того, коэффициент кроссполяризации не будет значительно ухудшаться. Это свойство позволяет эффективно управлять и оптимизировать антенную решетку TDD, сохраняя при этом желаемые рабочие характеристики.
Однако даже при такой топологии полностью устранить эффекты взаимной связи между соседними адаптерами HBA все еще невозможно. Чтобы обеспечить миниатюризацию базовой станции, в этой статье между некоторыми элементами добавлены изолирующие перемычки. Согласно измерениям, изолирующие планки применяются только к соседним портам с уровнем изоляции выше -20 дБ. Это предотвращает чрезмерные потери пространственного электрического поля из-за наличия слишком большого количества изолирующих стержней. Как показано на рисунке 1, внутри области антенны TDD имеются изолирующие перемычки 1, идущие вдоль радиального направления решетки для изоляции двух портов с различной поляризацией. Кроме того, имеются изолирующие перемычки 2, проходящие вдоль направления матрицы под углом 45° для изоляции двух портов с одинаковой поляризацией. Кроме того, на рисунке 1 видно, что между HBA, использующими одну и ту же плату распределения питания, не размещаются изолирующие перемычки. Это связано с тем, что данная конструкция включает в себя непосредственно схемы фильтрации на плате распределения питания. Такой подход эффективно отфильтровывает токи от других антенн, протекающие в соответствующие порты, значительно снижает затраты и минимизирует ухудшение коэффициента кроссполяризации и усиления из-за добавления чрезмерных изолирующих планок между элементами.
Распределив антенную решетку 5G, как показано на рисунке 3, и добавив различные изолирующие полосы, упомянутые выше, результаты моделирования показаны на рисунке 4. Рисунок 4(a) иллюстрирует диаграмму направленности антенны TDD в вертикальной плоскости на частоте 3,5 ГГц, когда луч антенны направлен в сторону базовой станции с углом места 2°, что достигается за счет управления разностью фаз токов элементов 5G. На рисунке 4(b) изображена диаграмма направленности антенны TDD в вертикальной плоскости на частоте 3,5 ГГц, когда луч антенны направлен в сторону базовой станции с углом места 12°, что также достигается за счет управления разностью фаз токов элементов 5G.
[Примечание: как модель языка ИИ у меня нет возможности напрямую отображать изображения. Приведенное выше описание относится к содержанию, описанному на изображениях, а сами изображения можно найти в оригинальном документе или исследовательской работе.]
Распределив антенную решетку 5G, как показано на рисунке 3, и добавив различные изолирующие полосы, упомянутые выше, результаты моделирования показаны на рисунке 4. Рисунок 4(a) иллюстрирует диаграмму направленности антенны TDD в вертикальной плоскости на частоте 3,5 ГГц, когда луч антенны направлен в сторону базовой станции с углом места 2°, что достигается за счет управления разностью фаз токов элементов 5G. На рисунке 4(b) изображена диаграмма направленности антенны TDD в вертикальной плоскости на частоте 3,5 ГГц, когда луч антенны направлен в сторону базовой станции с углом места 12°, что также достигается за счет управления разностью фаз токов элементов 5G.
[Примечание: как модель языка ИИ у меня нет возможности напрямую отображать изображения. Приведенное выше описание относится к содержанию, описанному на изображениях, а сами изображения можно найти в оригинальном документе или исследовательской работе.]
Разумеется, подставив уравнение (3) в вариант уравнения (4), действительно можно рассчитать электрическое поле, генерируемое всей решеткой, когда оконечная антенна DSA1 радиально смещена относительно других элементов DSA. В результате такой конструкции HPBW (Half-Power Beam Width) антенны сужается при работе в диапазонах частот 0,69-0,96 ГГц и 1,7-2,7 ГГц. Такое сужение HPBW указывает на то, что луч становится более сфокусированным и направленным, что может быть полезно для достижения более высокого усиления и улучшения производительности в определенных приложениях.
Практические результаты собранного массива с интегрированными схемами разделения мощности и внешними компонентами были проведены для подтверждения эффективности предложенной конструкции. Результаты испытаний, показанные на рисунке 5, показывают, что массив работает хорошо во всех диапазонах частот. Коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) поддерживается ниже 1,4, что обеспечивает эффективную передачу мощности и минимальное отражение сигнала. Кроме того, луч не имеет искажений, а ширина луча половинной мощности (HPBW) остается в пределах желаемого диапазона 65±10 градусов. Эти результаты свидетельствуют о том, что предложенная топология надежна и работает так, как ожидалось.
Практические результаты собранного массива с интегрированными схемами разделения мощности и внешними компонентами были проведены для подтверждения эффективности предложенной конструкции. Результаты испытаний, показанные на рисунке 5, показывают, что массив работает хорошо во всех диапазонах частот. Коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) поддерживается ниже 1,4, что обеспечивает эффективную передачу мощности и минимальное отражение сигнала. Кроме того, луч не имеет искажений, а ширина луча половинной мощности (HPBW) остается в пределах желаемого диапазона 65±10 градусов. Эти результаты свидетельствуют о том, что предложенная топология надежна и работает так, как ожидалось.
Чтобы проверить эффективность изолирующих стержней, включенных в конструкцию массива, было проведено сравнение путем удаления некоторых изолирующих стержней из массива и сравнения результатов измерений с полной конструкцией массива, как показано на рисунке 6. Можно заметить, что , когда полосы изоляции 1 и 2, используемые для области антенны FDD, удалены, изоляция между антеннами MBA1 и MBA2 на частоте 1,7 ~ 2,0 ГГц превышает -20 дБ, что не соответствует требованиям для антенны базовой станции.
При добавлении только планки изоляции 1 изоляция улучшается примерно на 7 дБ в диапазоне частот 1,7–2,0 ГГц, но все равно не соответствует требованиям к антенне базовой станции. Однако при одновременной установке изолирующей планки 1 и изолирующей планки 2 изоляция остается ниже -28 дБ во всем диапазоне рабочих частот, что соответствует спецификациям антенны базовой станции. Эти результаты подтверждают значительное влияние изолирующих планок на улучшение изоляции между антеннами и обеспечение критериев производительности для всей антенны базовой станции.
При добавлении только планки изоляции 1 изоляция улучшается примерно на 7 дБ в диапазоне частот 1,7–2,0 ГГц, но все равно не соответствует требованиям к антенне базовой станции. Однако при одновременной установке изолирующей планки 1 и изолирующей планки 2 изоляция остается ниже -28 дБ во всем диапазоне рабочих частот, что соответствует спецификациям антенны базовой станции. Эти результаты подтверждают значительное влияние изолирующих планок на улучшение изоляции между антеннами и обеспечение критериев производительности для всей антенны базовой станции.
Заключение
В этом исследовании мы предложили конструкцию антенной решетки базовой станции, которая сочетает в себе функции FDD и TDD. Используя коаксиальную конфигурацию антенн DSA с LBA и MBA, мы уменьшили общую площадь, занимаемую LBA и MBA на базовой станции. Чтобы обеспечить эффективную работу MBA и DSA с уменьшенным расстоянием между ними, мы использовали различные изолирующие планки для изоляции разных портов, что позволило антенне FDD хорошо работать как в диапазонах частот 0,69–0,96 ГГц, так и в диапазонах 1,7–2,7 ГГц.
Чтобы обеспечить независимую работу каждой колонны антенной решетки FDD в базовой станции, мы разместили две антенные решетки FDD по обе стороны от базовой станции, гарантируя отсутствие помех между двумя колоннами. Кроме того, мы радиально сместили концевую антенну DSA1 относительно других антенн DSA, чтобы уменьшить ширину луча в диапазонах частот 0,69–0,96 ГГц и 1,7–2,7 ГГц. В области антенны TDD мы применили частичное осевое смещение блоков HBA и соответствующим образом соединили их с различными типами изолирующих планок, чтобы оптимизировать изоляцию между каждым блоком HBA и обеспечить оптимальную производительность массива HBA.
Путем практических измерений мы проверили надежность этой конструкции и успешно добились миниатюризации массива FDD+TDD. Будущая работа будет сосредоточена на дальнейшей оптимизации решетки за счет внедрения более эффективных отражателей для достижения более высокого усиления при сохранении ее компактных размеров.
Такая конструкция значительно уменьшает размер антенной решетки базовой станции FDD+TDD без ущерба для ее производительности, что делает ее очень конкурентоспособной на будущих рынках 5G и даже 6G.
★Отсканируйте QR-код, чтобы получить доступ к полной статье о CNKI (Китайской национальной инфраструктуре знаний) и загрузить ее. ★Оригинальная статья опубликована в журнале Mobile Communications, 2022, выпуск 3. doi: 10.3969/j.issn.1006-1010.2022.03.010 Классификационный номер китайской библиотеки: TN929.5 Идентификационный код документа: A Идентификатор статьи: 1006-1010(2022)03 -0055-07
Профили авторов: Лю Мулин: старший инженер, имеет степень магистра Университета Сидиан, в настоящее время является вице-президентом и руководителем отдела антенн в компании Guangdong Tongyu Communication Co., Ltd., в основном занимается разработкой и исследованиями антенных проектов. Юэ Цайлун: окончила Китайский университет электронных наук и технологий со степенью бакалавра, в настоящее время работает менеджером по исследованиям и разработкам в компании Guangdong Tongyu Communication Co., Ltd., в основном занимается исследованиями и разработками антенн, уделяя особое внимание многофункциональным технологиям. проектирование многосистемных продуктов, проектирование сверхширокополосных устройств, проектирование сети с фазовым сдвигом и проектирование топологии массива.
В этом исследовании мы предложили конструкцию антенной решетки базовой станции, которая сочетает в себе функции FDD и TDD. Используя коаксиальную конфигурацию антенн DSA с LBA и MBA, мы уменьшили общую площадь, занимаемую LBA и MBA на базовой станции. Чтобы обеспечить эффективную работу MBA и DSA с уменьшенным расстоянием между ними, мы использовали различные изолирующие планки для изоляции разных портов, что позволило антенне FDD хорошо работать как в диапазонах частот 0,69–0,96 ГГц, так и в диапазонах 1,7–2,7 ГГц.
Чтобы обеспечить независимую работу каждой колонны антенной решетки FDD в базовой станции, мы разместили две антенные решетки FDD по обе стороны от базовой станции, гарантируя отсутствие помех между двумя колоннами. Кроме того, мы радиально сместили концевую антенну DSA1 относительно других антенн DSA, чтобы уменьшить ширину луча в диапазонах частот 0,69–0,96 ГГц и 1,7–2,7 ГГц. В области антенны TDD мы применили частичное осевое смещение блоков HBA и соответствующим образом соединили их с различными типами изолирующих планок, чтобы оптимизировать изоляцию между каждым блоком HBA и обеспечить оптимальную производительность массива HBA.
Путем практических измерений мы проверили надежность этой конструкции и успешно добились миниатюризации массива FDD+TDD. Будущая работа будет сосредоточена на дальнейшей оптимизации решетки за счет внедрения более эффективных отражателей для достижения более высокого усиления при сохранении ее компактных размеров.
Такая конструкция значительно уменьшает размер антенной решетки базовой станции FDD+TDD без ущерба для ее производительности, что делает ее очень конкурентоспособной на будущих рынках 5G и даже 6G.
★Отсканируйте QR-код, чтобы получить доступ к полной статье о CNKI (Китайской национальной инфраструктуре знаний) и загрузить ее. ★Оригинальная статья опубликована в журнале Mobile Communications, 2022, выпуск 3. doi: 10.3969/j.issn.1006-1010.2022.03.010 Классификационный номер китайской библиотеки: TN929.5 Идентификационный код документа: A Идентификатор статьи: 1006-1010(2022)03 -0055-07
Профили авторов: Лю Мулин: старший инженер, имеет степень магистра Университета Сидиан, в настоящее время является вице-президентом и руководителем отдела антенн в компании Guangdong Tongyu Communication Co., Ltd., в основном занимается разработкой и исследованиями антенных проектов. Юэ Цайлун: окончила Китайский университет электронных наук и технологий со степенью бакалавра, в настоящее время работает менеджером по исследованиям и разработкам в компании Guangdong Tongyu Communication Co., Ltd., в основном занимается исследованиями и разработками антенн, уделяя особое внимание многофункциональным технологиям. проектирование многосистемных продуктов, проектирование сверхширокополосных устройств, проектирование сети с фазовым сдвигом и проектирование топологии массива.
Время выпуска: 2023-07-22
Технология обработки полостей антенн из алюминиевого профиля: важные применения в радиосвязи
Recommended Blogs
For more questions please
contact us