چرا ترکیبات فرکانس متفاوتی برای آنتن های ترکیبی وجود دارد؟

ده سال پیش، تلفن‌های هوشمند معمولاً از چند استاندارد که در چهار باند فرکانس GSM کار می‌کردند و شاید چند استاندارد WCDMA یا CDMA2000 را پشتیبانی می‌کردند. با تعداد کمی از باندهای فرکانسی برای انتخاب، درجه خاصی از یکنواختی جهانی با تلفن های GSM "چهار بانده" حاصل شده است که از باندهای 850/900/1800/1900 مگاهرتز استفاده می کنند و می توانند در هر نقطه از جهان استفاده شوند (خوب، تقریبا).
این یک مزیت بزرگ برای مسافران است و صرفه‌جویی زیادی در مقیاس برای تولیدکنندگان دستگاه ایجاد می‌کند، که فقط باید چند مدل (یا شاید فقط یک) را برای کل بازار جهانی عرضه کنند. تا امروز، GSM تنها فناوری دسترسی بی سیم است که رومینگ جهانی را فراهم می کند. ضمنا، اگر نمی دانستید، GSM به تدریج در حال حذف شدن است.
هر گوشی هوشمند شایسته این نام باید از دسترسی 4G، 3G و 2G با نیازهای رابط RF متفاوت از نظر پهنای باند، قدرت انتقال، حساسیت گیرنده و بسیاری از پارامترهای دیگر پشتیبانی کند.
علاوه بر این، به دلیل در دسترس بودن طیف جهانی، استانداردهای 4G تعداد زیادی از باندهای فرکانسی را پوشش می دهند، بنابراین اپراتورها می توانند از آنها در هر فرکانس موجود در هر منطقه استفاده کنند - در حال حاضر در مجموع 50 باند، همانطور که در مورد استانداردهای LTE1 وجود دارد. یک "تلفن جهانی" واقعی باید در همه این محیط ها کار کند.
مشکل کلیدی که هر رادیوی سلولی باید حل کند "ارتباط دوطرفه" است. وقتی صحبت می کنیم، همزمان گوش می دهیم. سیستم‌های رادیویی اولیه از push-to-talk استفاده می‌کردند (بعضی هنوز هم این کار را می‌کنند)، اما وقتی با تلفن صحبت می‌کنیم، انتظار داریم طرف مقابل ما را قطع کند. دستگاه‌های سلولی نسل اول (آنالوگ) از «فیلترهای دوبلکس» (یا دوبلکس‌ها) برای دریافت لینک‌های پایین استفاده می‌کردند، بدون اینکه «محیرت‌شده» با ارسال لینک بالا بر فرکانس متفاوتی دریافت کنند.
کوچک‌تر کردن و ارزان‌تر کردن این فیلترها یک چالش بزرگ برای تولیدکنندگان اولیه تلفن بود. هنگامی که GSM معرفی شد، این پروتکل به گونه ای طراحی شد که فرستنده گیرنده ها بتوانند در حالت نیمه دوبلکس کار کنند.
این یک راه بسیار هوشمندانه برای حذف دوبلکسرها بود و عامل اصلی کمک به GSM برای تبدیل شدن به یک فناوری کم هزینه و جریان اصلی بود که قادر به تسلط بر صنعت (و تغییر روش ارتباط مردم در این فرآیند) بود.
تلفن Essential از اندی روبین، مخترع سیستم عامل اندروید، دارای جدیدترین ویژگی های اتصال از جمله بلوتوث 5.0LE، GSM/LTE مختلف و آنتن Wi-Fi پنهان در یک قاب تیتانیومی است.
متأسفانه، درس‌های آموخته‌شده از حل مشکلات فنی به سرعت در جنگ‌های فنی-سیاسی روزهای اولیه 3G فراموش شد و شکل غالب کنونی تقسیم فرکانس دوبلکس (FDD) به یک دوبلکسر برای هر باند FDD که در آن کار می‌کند نیاز دارد. شکی نیست که رونق LTE با عوامل افزایش هزینه همراه است.
در حالی که برخی از باندها می توانند از Time Division Duplex یا TDD (جایی که رادیو به سرعت بین ارسال و دریافت سوئیچ می کند) استفاده کنند، تعداد کمتری از این باندها وجود دارد. اکثر اپراتورها (به جز اپراتورهای عمدتا آسیایی) محدوده FDD را ترجیح می دهند که بیش از 30 مورد از آنها وجود دارد.
میراث طیف TDD و FDD، دشواری آزادسازی باندهای واقعاً جهانی، و ظهور 5G با باندهای بیشتر، مشکل دوبلکس را پیچیده‌تر می‌کند. روش‌های امیدوارکننده تحت بررسی شامل طراحی‌های جدید مبتنی بر فیلتر و توانایی حذف خود تداخلی است.
دومی امکان تا حدودی امیدوارکننده دوبلکس "بدون قطعه" (یا "داخل باند کامل دوبلکس") را نیز به همراه دارد. در آینده ارتباطات سیار 5G، ممکن است مجبور باشیم نه تنها FDD و TDD، بلکه دوبلکس انعطاف پذیر را نیز بر اساس این فناوری های جدید در نظر بگیریم.
محققان دانشگاه آلبورگ دانمارک یک معماری «آنتن هوشمند جلویی» (SAFE) 2-3 ایجاد کرده‌اند که از آنتن‌های مجزا برای انتقال و دریافت استفاده می‌کند و این آنتن‌ها را با (عملکرد پایین) در ترکیب با قابلیت سفارشی‌سازی ترکیب می‌کند. فیلتر کردن برای رسیدن به ایزوله انتقال و دریافت مطلوب.
در حالی که عملکرد چشمگیر است، نیاز به دو آنتن یک نقطه ضعف بزرگ است. با نازک‌تر و براق‌تر شدن تلفن‌ها، فضای موجود برای آنتن‌ها کوچک‌تر و کوچک‌تر می‌شود.
دستگاه های تلفن همراه همچنین به چندین آنتن برای مالتی پلکس فضایی (MIMO) نیاز دارند. تلفن های همراه با معماری SAFE و پشتیبانی MIMO 2×2 تنها به چهار آنتن نیاز دارند. علاوه بر این، محدوده تنظیم این فیلترها و آنتن ها محدود است.
بنابراین، تلفن‌های همراه جهانی نیز باید این معماری رابط را تکرار کنند تا تمام باندهای فرکانسی LTE (450 مگاهرتز تا 3600 مگاهرتز) را پوشش دهند، که به آنتن‌های بیشتر، تیونرهای آنتن بیشتر و فیلترهای بیشتری نیاز دارد، که ما را به سؤالات متداول در مورد آن بازمی‌گرداند. عملکرد چند باند به دلیل کپی شدن اجزا.
اگرچه آنتن‌های بیشتری را می‌توان در تبلت یا لپ‌تاپ نصب کرد، پیشرفت‌های بیشتری در سفارشی‌سازی و/یا کوچک‌سازی برای مناسب ساختن این فناوری برای گوشی‌های هوشمند مورد نیاز است.
دوبلکس متعادل کننده الکتریکی از روزهای اولیه تلفن سیمی استفاده شده است. در یک سیستم تلفن، میکروفون و گوشی باید به خط تلفن متصل باشند، اما از یکدیگر جدا باشند تا صدای خود کاربر سیگنال صوتی ضعیف‌تر دریافتی را کر نکند. این امر با استفاده از ترانسفورماتورهای هیبریدی قبل از ظهور تلفن های الکترونیکی به دست آمد.
مدار دوبلکس نشان داده شده در شکل زیر از مقاومتی با همان مقدار برای مطابقت با امپدانس خط انتقال استفاده می کند تا جریان میکروفون هنگام ورود به ترانسفورماتور تقسیم شود و در جهت مخالف از طریق سیم پیچ اولیه جریان یابد. شارهای مغناطیسی به طور موثر حذف می شوند و هیچ جریانی در سیم پیچ ثانویه القا نمی شود، بنابراین سیم پیچ ثانویه از میکروفون جدا می شود.
با این حال، سیگنال میکروفون همچنان به خط تلفن می رود (البته با مقداری از دست دادن)، و سیگنال دریافتی روی خط تلفن همچنان به بلندگو می رود (همچنین با مقداری از دست دادن) و امکان برقراری ارتباط دو طرفه در همان خط تلفن را فراهم می کند. . . سیم فلزی.
یک دوبلکسر متعادل رادیویی مشابه دوبلکسر تلفن است، اما به جای میکروفون، گوشی و سیم تلفن، به ترتیب از فرستنده، گیرنده و آنتن استفاده می شود که در شکل B نشان داده شده است.
راه سوم برای جداسازی فرستنده از گیرنده، حذف خود تداخلی (SI) است، در نتیجه سیگنال ارسالی را از سیگنال دریافتی کم می کنیم. تکنیک های پارازیت ده ها سال است که در رادار و پخش استفاده می شود.
به عنوان مثال، در اوایل دهه 1980، Plessy یک محصول مبتنی بر جبران SI به نام "Groundsat" را توسعه داد و به بازار عرضه کرد تا دامنه شبکه های ارتباطی نظامی FM آنالوگ نیمه دوبلکس 4-5 را گسترش دهد.
این سیستم به عنوان یک تکرار کننده تک کاناله تمام دوبلکس عمل می کند و دامنه موثر رادیوهای نیمه دوبلکس مورد استفاده در سراسر منطقه کار را گسترش می دهد.
اخیراً به دلیل گرایش به ارتباطات کوتاه برد (سلولی و وای فای) علاقه به سرکوب خود تداخلی وجود داشته است که به دلیل توان انتقال کمتر و دریافت توان بیشتر برای استفاده مصرف کننده، مشکل سرکوب SI قابل کنترل تر است. . دسترسی بی سیم و برنامه های Backhaul 6-8.
آیفون اپل (با کمک کوالکام) مسلماً بهترین قابلیت‌های بی‌سیم و LTE جهان را دارد و از 16 باند LTE روی یک تراشه پشتیبانی می‌کند. این بدان معناست که تنها دو SKU برای پوشش بازارهای GSM و CDMA باید تولید شود.
در برنامه های دوطرفه بدون اشتراک تداخل، سرکوب خود تداخلی می تواند کارایی طیف را با اجازه دادن به لینک بالا و پایین برای به اشتراک گذاشتن منابع طیف یکسان بهبود بخشد9،10. همچنین می‌توان از تکنیک‌های سرکوب خود تداخلی برای ایجاد دوبلکسرهای سفارشی برای FDD استفاده کرد.
خود لغو معمولاً شامل چندین مرحله است. شبکه جهت بین آنتن و فرستنده گیرنده اولین سطح جدایی بین سیگنال های ارسالی و دریافتی را فراهم می کند. در مرحله دوم، پردازش سیگنال آنالوگ و دیجیتال اضافی برای حذف هر گونه نویز ذاتی باقی مانده در سیگنال دریافتی استفاده می شود. مرحله اول ممکن است از یک آنتن جداگانه (مانند SAFE)، یک ترانسفورماتور هیبریدی (که در زیر توضیح داده شده است) استفاده کند.
مشکل جدا شدن آنتن ها قبلا توضیح داده شده است. سیرکولاتورها معمولاً باریک هستند زیرا از تشدید فرومغناطیسی در کریستال استفاده می کنند. این فناوری ترکیبی یا ایزوله متعادل الکتریکی (EBI)، یک فناوری امیدوارکننده است که می تواند پهنای باند و به طور بالقوه روی یک تراشه یکپارچه شود.
همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، طراحی جلوی آنتن هوشمند از دو آنتن باند باریک قابل تنظیم، یکی برای ارسال و دیگری برای دریافت، و یک جفت فیلتر دوبلکس با عملکرد پایین تر اما قابل تنظیم استفاده می کند. آنتن های منفرد نه تنها مقداری ایزوله غیرفعال را به قیمت از دست دادن انتشار بین آنها فراهم می کنند، بلکه پهنای باند آنی محدود (اما قابل تنظیم) نیز دارند.
آنتن فرستنده فقط در باند فرکانس ارسال به طور موثر عمل می کند و آنتن گیرنده فقط در باند فرکانس دریافت به طور موثر عمل می کند. در این مورد، خود آنتن نیز به عنوان یک فیلتر عمل می کند: انتشارات Tx خارج از باند توسط آنتن فرستنده تضعیف می شود و تداخل خود در باند Tx توسط آنتن گیرنده ضعیف می شود.
بنابراین، معماری نیاز به تنظیم آنتن دارد که با استفاده از شبکه تنظیم آنتن به دست می آید. در یک شبکه تنظیم آنتن مقداری از دست دادن درج غیرقابل اجتناب وجود دارد. با این حال، پیشرفت های اخیر در خازن های قابل تنظیم MEMS18 کیفیت این دستگاه ها را به طور قابل توجهی بهبود بخشیده و در نتیجه تلفات را کاهش داده است. تلفات ورودی Rx تقریباً 3 دسی بل است که با کل تلفات دوبلکسر و سوئیچ SAW قابل مقایسه است.
سپس جداسازی مبتنی بر آنتن با یک فیلتر قابل تنظیم، که همچنین بر اساس خازن‌های قابل تنظیم MEM3 است، تکمیل می‌شود تا جداسازی ۲۵ دسی‌بل از آنتن و جداسازی ۲۵ دسی‌بل از فیلتر به دست آید. نمونه های اولیه نشان داده اند که می توان به این امر دست یافت.
چندین گروه تحقیقاتی در دانشگاه و صنعت در حال بررسی استفاده از هیبریدها برای چاپ دورو11-16 هستند. این طرح‌ها با اجازه دادن به ارسال و دریافت همزمان از یک آنتن، اما فرستنده و گیرنده را ایزوله می‌کنند، به طور غیرفعال SI را حذف می‌کنند. آنها ماهیت پهنای باند دارند و می توان آنها را روی تراشه پیاده سازی کرد و آنها را به گزینه ای جذاب برای دوبلکس کردن فرکانس در دستگاه های تلفن همراه تبدیل می کند.
پیشرفت‌های اخیر نشان داده‌اند که فرستنده‌های FDD با استفاده از EBI می‌توانند از CMOS (نیمه‌رسانای اکسید فلز تکمیلی) با افت ورودی، رقم نویز، خطی بودن گیرنده و ویژگی‌های مهار مسدودکننده مناسب برای کاربردهای سلولی تولید شوند. با این حال، همانطور که نمونه‌های متعددی در ادبیات دانشگاهی و علمی نشان می‌دهد، یک محدودیت اساسی بر جداسازی دوبلکس تأثیر می‌گذارد.
امپدانس آنتن رادیویی ثابت نیست، اما با فرکانس کاری (به دلیل رزونانس آنتن) و زمان (به دلیل تعامل با محیط در حال تغییر) متفاوت است. این بدان معنی است که امپدانس متعادل کننده باید با تغییرات امپدانس ردیابی سازگار شود و پهنای باند جداسازی به دلیل تغییرات در حوزه فرکانس 13 محدود است (شکل 1 را ببینید).
کار ما در دانشگاه بریستول بر بررسی و پرداختن به این محدودیت‌های عملکرد متمرکز است تا نشان دهد که جداسازی و خروجی ارسال/دریافت مورد نیاز در موارد استفاده در دنیای واقعی قابل دستیابی است.
برای غلبه بر نوسانات امپدانس آنتن (که به شدت بر انزوا تأثیر می گذارد)، الگوریتم تطبیقی ​​ما امپدانس آنتن را در زمان واقعی ردیابی می کند، و آزمایش نشان داده است که عملکرد را می توان در انواع محیط های پویا، از جمله تعامل با دست کاربر و جاده و راه آهن با سرعت بالا حفظ کرد. سفر
علاوه بر این، برای غلبه بر تطابق محدود آنتن در حوزه فرکانس، در نتیجه افزایش پهنای باند و ایزوله کلی، ما یک دوبلکسر متعادل الکتریکی را با سرکوب فعال SI اضافی ترکیب می‌کنیم و از فرستنده دوم برای تولید یک سیگنال سرکوب برای سرکوب بیشتر تداخل خود استفاده می‌کنیم. (شکل 2 را ببینید).
نتایج حاصل از بستر آزمایش ما دلگرم کننده است: هنگامی که با EBD ترکیب می شود، فناوری فعال می تواند به طور قابل توجهی جداسازی انتقال و دریافت را بهبود بخشد، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است.
راه‌اندازی آزمایشگاهی نهایی ما از اجزای دستگاه تلفن همراه ارزان قیمت (تقویت‌کننده‌های برق تلفن همراه و آنتن‌ها) استفاده می‌کند که آن را نماینده پیاده‌سازی تلفن همراه می‌کند. علاوه بر این، اندازه‌گیری‌های ما نشان می‌دهد که این نوع رد خود تداخلی دو مرحله‌ای می‌تواند ایزوله دوبلکس مورد نیاز را در باند فرکانس بالا و پایین لینک، حتی در هنگام استفاده از تجهیزات کم‌هزینه و درجه تجاری، فراهم کند.
قدرت سیگنالی که یک دستگاه سلولی در حداکثر دامنه خود دریافت می کند باید 12 مرتبه بزرگی کمتر از قدرت سیگنالی باشد که ارسال می کند. در Time Division Duplex (TDD)، مدار دوبلکس به سادگی کلیدی است که آنتن را به فرستنده یا گیرنده متصل می کند، بنابراین دوبلکسر در TDD یک سوئیچ ساده است. در FDD فرستنده و گیرنده به طور همزمان کار می کنند و دوبلکسر از فیلترهایی برای جداسازی گیرنده از سیگنال قوی فرستنده استفاده می کند.
دوبلکسر در قسمت جلویی FDD سلولی، ایزولاسیون >~50 دسی بل را در باند uplink برای جلوگیری از بارگذاری بیش از حد گیرنده با سیگنال های Tx، و ایزوله >~50 دسی بل در باند downlink برای جلوگیری از انتقال خارج از باند فراهم می کند. کاهش حساسیت گیرنده در باند Rx تلفات در مسیرهای ارسال و دریافت حداقل است.
این الزامات با اتلاف کم و ایزوله بالا، که در آن فرکانس‌ها تنها با چند درصد از هم جدا می‌شوند، به فیلتر Q بالا نیاز دارند، که تا کنون تنها با استفاده از دستگاه‌های موج صوتی سطحی (SAW) یا امواج صوتی بدن (BAW) قابل دستیابی است.
همانطور که در شکل A نشان داده شده است، در حالی که این فناوری همچنان به تکامل خود ادامه می‌دهد، با پیشرفت‌هایی که عمدتاً به دلیل تعداد زیاد دستگاه‌های مورد نیاز پیشرفت می‌کند، عملکرد چند باند به معنای فیلتر دوبلکس خارج از تراشه جداگانه برای هر باند است، همانطور که در شکل A نشان داده شده است. همه سوئیچ‌ها و مسیریاب‌ها نیز قابلیت‌های بیشتری را با جریمه های عملکرد و معاوضه
ساخت تلفن های جهانی مقرون به صرفه مبتنی بر فناوری فعلی بسیار دشوار است. معماری رادیویی حاصل بسیار بزرگ، پرهزینه و گران خواهد بود. تولیدکنندگان باید انواع مختلفی از محصول را برای ترکیب های مختلف باندهای مورد نیاز در مناطق مختلف ایجاد کنند، که رومینگ LTE نامحدود جهانی را دشوار می کند. صرفه جویی در مقیاس که منجر به تسلط GSM شد به طور فزاینده ای دشوار می شود.
افزایش تقاضا برای خدمات تلفن همراه با سرعت داده بالا منجر به استقرار شبکه های تلفن همراه 4G در 50 باند فرکانسی شده است، با باندهای بیشتری که 5G کاملاً تعریف شده و به طور گسترده گسترش یافته است. به دلیل پیچیدگی رابط RF، پوشش همه اینها در یک دستگاه با استفاده از فناوری‌های مبتنی بر فیلتر فعلی ممکن نیست، بنابراین مدارهای RF قابل تنظیم و تنظیم مجدد مورد نیاز است.
در حالت ایده آل، یک رویکرد جدید برای حل مشکل دوبلکس مورد نیاز است، شاید بر اساس فیلترهای قابل تنظیم یا سرکوب تداخل خود یا ترکیبی از هر دو باشد.
در حالی که ما هنوز رویکرد واحدی نداریم که بسیاری از خواسته‌های هزینه، اندازه، عملکرد و کارایی را برآورده کند، شاید تکه‌های پازل در چند سال آینده کنار هم جمع شوند و در جیب شما باشند.
فناوری هایی مانند EBD با سرکوب SI می توانند امکان استفاده از فرکانس یکسان در هر دو جهت را به طور همزمان باز کنند، که می تواند به طور قابل توجهی کارایی طیفی را بهبود بخشد.