Ngano nga adunay lainlaing mga kombinasyon sa frequency alang sa hiniusa nga mga antenna?

Napulo ka tuig ang milabay, ang mga smartphone kasagarang nagsuporta lamang sa pipila ka mga sumbanan nga naglihok sa upat ka GSM frequency bands, ug tingali sa pipila ka WCDMA o CDMA2000 nga mga sumbanan. Uban sa pipila ka mga frequency band nga mapilian, ang usa ka ang-ang sa global nga pagkaparehas nakab-ot sa "quad-band" nga GSM nga mga telepono, nga naggamit sa 850/900/1800/1900 MHz nga mga banda ug mahimong magamit bisan asa sa kalibutan (maayo, kaayo).
Kini usa ka dako nga kaayohan alang sa mga magpapanaw ug nagmugna og dagkong mga ekonomiya sa sukdanan alang sa mga tiggama sa device, nga kinahanglan lamang nga magpagawas sa pipila ka mga modelo (o tingali usa lamang) alang sa tibuok kalibutan nga merkado. Fast forward hangtod karon, ang GSM nagpabilin nga bugtong wireless access technology nga naghatag ug global roaming. By the way, kung wala ka kabalo, anam-anam na nga gi-phase out ang GSM.
Ang bisan unsang smartphone nga takus sa ngalan kinahanglan nga suportahan ang 4G, 3G ug 2G nga pag-access nga adunay lainlaing mga kinahanglanon sa interface sa RF sa mga termino sa bandwidth, pagpasa sa gahum, pagkasensitibo sa tigdawat ug daghang uban pang mga parameter.
Dugang pa, tungod sa tipik nga pagkaanaa sa global spectrum, ang mga sumbanan sa 4G naglangkob sa daghang gidaghanon sa mga frequency band, aron magamit kini sa mga operator sa bisan unsang mga frequency nga magamit sa bisan unsang lugar - sa pagkakaron 50 ka banda sa kinatibuk-an, sama sa kaso sa mga sumbanan sa LTE1. Ang usa ka tinuod nga "telepono sa kalibutan" kinahanglan nga molihok sa tanan niini nga mga palibot.
Ang panguna nga problema nga kinahanglan masulbad sa bisan unsang cellular radio mao ang "duplex communication". Kon kita mosulti, kita maminaw sa samang higayon. Ang unang mga sistema sa radyo migamit ug push-to-talk (ang uban migamit gihapon), apan kon mag-estorya mi sa telepono, magdahom mi nga ang laing tawo mobalda kanamo. Ang unang henerasyon (analog) nga mga cellular device migamit ug “duplex filters” (o duplexers) aron makadawat sa downlink nga dili “makurat” pinaagi sa pagpasa sa uplink sa lain nga frequency.
Ang paghimo niini nga mga filter nga mas gamay ug mas barato usa ka dakong hagit alang sa unang mga tiggama sa telepono. Sa dihang gipaila ang GSM, ang protocol gidesinyo aron ang mga transceiver makalihok sa "half duplex mode".
Kini usa ka maalamon kaayo nga paagi sa pagwagtang sa mga duplexer, ug usa ka dakong hinungdan sa pagtabang sa GSM nga mahimong usa ka ubos nga gasto, mainstream nga teknolohiya nga makahimo sa pagdominar sa industriya (ug pag-usab sa paagi sa pagpakigsulti sa mga tawo sa proseso).
Ang Essential nga telepono gikan kang Andy Rubin, ang imbentor sa Android operating system, nagpakita sa pinakabag-o nga connectivity features lakip ang Bluetooth 5.0LE, lain-laing GSM/LTE ug Wi-Fi antenna nga gitago sa titanium frame.
Ikasubo, ang mga leksyon nga nakat-unan gikan sa pagsulbad sa teknikal nga mga problema dali nga nakalimtan sa techno-political nga mga gubat sa unang mga adlaw sa 3G, ug ang kasamtangang dominanteng porma sa frequency division duplexing (FDD) nagkinahanglan og duplexer alang sa matag FDD band diin kini naglihok . Walay duhaduha nga ang LTE boom nag-uban sa pagtaas sa mga hinungdan sa gasto.
Samtang ang ubang mga banda mahimong mogamit sa Time Division Duplex, o TDD (diin ang radyo dali nga mobalhin tali sa pagpadala ug pagdawat), gamay ra sa kini nga mga banda ang naglungtad. Kadaghanan sa mga operator (gawas sa kadaghanan sa mga Asyano) mas gusto ang FDD range, diin adunay labaw pa sa 30.
Ang kabilin sa TDD ug FDD spectrum, ang kalisud sa pagpalingkawas sa tinuod nga global nga mga banda, ug ang pag-abut sa 5G nga adunay daghang mga banda naghimo sa duplex nga problema nga mas komplikado. Ang nagsaad nga mga pamaagi nga giimbestigahan naglakip sa bag-ong mga disenyo nga nakabase sa filter ug ang abilidad sa pagwagtang sa pagpanghilabot sa kaugalingon.
Ang naulahi nagdala usab niini nga medyo nagsaad nga posibilidad sa "walay tipik" nga duplex (o "in-band full duplex"). Sa umaabot sa 5G mobile communications, mahimo nga kinahanglan natong tagdon dili lamang ang FDD ug TDD, apan usab ang flexible duplex base niining mga bag-ong teknolohiya.
Ang mga tigdukiduki sa Aalborg University sa Denmark nakamugna og "Smart Antenna Front End" (SAFE)2-3 nga arkitektura nga naggamit (tan-awa ang ilustrasyon sa pahina 18) nga bulag nga mga antenna alang sa transmission ug pagdawat ug naghiusa niini nga mga antenna sa (ubos nga performance) inubanan sa customizable. pagsala aron makab-ot ang gitinguha nga transmission ug pagbulag sa pagdawat.
Samtang ang pasundayag impresibo, ang panginahanglan alang sa duha ka antenna usa ka dako nga disbentaha. Samtang ang mga telepono mas nipis ug mas sleeker, ang luna nga magamit alang sa mga antenna nagkagamay ug nagkagamay.
Ang mga mobile device nagkinahanglan usab og daghang antenna para sa spatial multiplexing (MIMO). Ang mga mobile phone nga adunay SAFE nga arkitektura ug suporta sa 2 × 2 MIMO nanginahanglan lamang upat ka antenna. Dugang pa, ang hanay sa pag-tune sa kini nga mga filter ug antenna limitado.
Mao nga ang mga global nga mobile phone kinahanglan usab nga kopyahon kini nga arkitektura sa interface aron matabonan ang tanan nga LTE frequency band (450 MHz hangtod 3600 MHz), nga magkinahanglan daghang mga antenna, daghang mga tuner sa antenna ug daghang mga pagsala, nga nagdala kanato balik sa kanunay nga gipangutana nga mga pangutana bahin sa. multi-band nga operasyon tungod sa pagdoble sa mga sangkap.
Bisan kung daghang mga antenna ang mahimong ma-install sa usa ka tablet o laptop, ang dugang nga pag-uswag sa pag-customize ug/o miniaturization gikinahanglan aron mahimo kining teknolohiya nga angay alang sa mga smartphone.
Ang balanseng elektrikal nga duplex gigamit sukad pa sa unang mga adlaw sa wireline telephony17. Sa sistema sa telepono, ang mikropono ug earpiece kinahanglang konektado sa linya sa telepono, apan ilain sa usag usa aron ang kaugalingong tingog sa tiggamit dili makapabungol sa mas huyang nga umaabot nga audio signal. Nakab-ot kini gamit ang hybrid nga mga transformer sa wala pa ang pag-abut sa mga electronic phone.
Ang duplex nga sirkito nga gipakita sa hulagway sa ubos naggamit sa usa ka resistor sa samang bili aron sa pagpares sa impedance sa transmission line aron ang kasamtangan gikan sa mikropono mabahin samtang kini mosulod sa transformer ug moagos sa magkaatbang nga mga direksyon pinaagi sa nag-unang coil. Ang mga magnetic flux epektibo nga gikansela ug walay kasamtangan nga naaghat sa secondary coil, mao nga ang secondary coil nahimulag gikan sa mikropono.
Bisan pa, ang signal gikan sa mikropono moadto gihapon sa linya sa telepono (bisan kung adunay gamay nga pagkawala), ug ang umaabot nga signal sa linya sa telepono moadto gihapon sa speaker (usab nga adunay pagkawala), nagtugot sa duha ka paagi nga komunikasyon sa parehas nga linya sa telepono. . . Metal nga alambre.
Ang usa ka balanse nga duplexer sa radyo susama sa usa ka duplexer sa telepono, apan imbes usa ka mikropono, handset, ug wire sa telepono, usa ka transmitter, receiver, ug antenna ang gigamit, matag usa, ingon sa gipakita sa Figure B.
Ang ikatulo nga paagi aron mahimulag ang transmitter gikan sa receiver mao ang pagwagtang sa self-interference (SI), sa ingon pagkubkob sa gipasa nga signal gikan sa nadawat nga signal. Ang mga teknik sa jamming gigamit sa radar ug broadcasting sulod sa mga dekada.
Pananglitan, sa sayong bahin sa 1980s, si Plessy nagpalambo ug nagbaligya sa usa ka produkto nga nakabase sa kompensasyon sa SI nga gitawag og "Groundsat" aron madugangan ang sakup sa half-duplex analog FM nga mga komunikasyon sa militar nga network4-5.
Ang sistema naglihok ingon usa ka full-duplex nga single-channel repeater, nga nagpalapad sa epektibo nga hanay sa mga half-duplex nga radyo nga gigamit sa tibuuk nga lugar sa trabaho.
Adunay bag-o nga interes sa pagpugong sa kaugalingon nga pagpanghilabot, nag-una tungod sa uso padulong sa mubu nga mga komunikasyon (cellular ug Wi-Fi), nga naghimo sa problema sa pagsumpo sa SI nga mas madumala tungod sa pagpaubos sa gahum sa pagpadala ug mas taas nga pagdawat sa gahum alang sa paggamit sa mga konsumedor. . Wireless Access ug Backhaul Applications 6-8.
Ang iPhone sa Apple (uban ang tabang gikan sa Qualcomm) lagmit adunay labing kaayo nga kapabilidad sa wireless ug LTE sa kalibutan, nga nagsuporta sa 16 nga mga banda sa LTE sa usa ka chip. Kini nagpasabot nga duha lang ka SKU ang kinahanglang himoon aron matabonan ang GSM ug CDMA nga mga merkado.
Sa duplex nga mga aplikasyon nga walay interference sharing, ang self-interference suppression makapauswag sa spectrum efficiency pinaagi sa pagtugot sa uplink ug downlink nga magpaambit sa samang spectrum resources9,10. Ang mga pamaagi sa pagpugong sa kaugalingon nga pagpanghilabot mahimo usab nga gamiton sa paghimo og mga custom nga duplexer para sa FDD.
Ang pagkansela mismo kasagaran naglangkob sa daghang mga yugto. Ang direksyon nga network tali sa antenna ug sa transceiver naghatag sa unang lebel sa pagbulag tali sa gipasa ug nadawat nga mga signal. Ikaduha, ang dugang nga analog ug digital nga pagproseso sa signal gigamit aron mawagtang ang bisan unsang nahabilin nga intrinsic noise sa nadawat nga signal. Ang unang yugto mahimong mogamit ug bulag nga antenna (sama sa SAFE), hybrid transformer (gihulagway sa ubos);
Gihubit na ang problema sa mga detached antenna. Ang mga circulators kasagaran narrowband tungod kay naggamit sila og ferromagnetic resonance sa kristal. Kini nga hybrid nga teknolohiya, o Electrically Balanced Isolation (EBI), usa ka promising technology nga mahimong broadband ug posibleng ma-integrate sa usa ka chip.
Sama sa gipakita sa hulagway sa ubos, ang smart antenna front end design naggamit sa duha ka narrowband tunable antennas, usa alang sa transmit ug usa alang sa pagdawat, ug usa ka parisan sa ubos nga performance apan tunable duplex filters. Ang mga indibidwal nga antenna dili lamang naghatag pipila ka passive nga pag-inusara sa kantidad sa pagkawala sa pagpadaghan sa taliwala nila, apan adunay usab limitado (apan tunable) dayon nga bandwidth.
Ang transmitting antenna epektibo nga naglihok lamang sa transmit frequency band, ug ang nakadawat nga antenna epektibo lamang sa receive frequency band. Sa kini nga kaso, ang antenna mismo naglihok usab ingon usa ka filter: ang mga out-of-band nga Tx emissions gipahinay sa transmitting antenna, ug ang pagpahilabot sa kaugalingon sa Tx band gipahinay sa nakadawat nga antenna.
Busa, ang arkitektura nagkinahanglan sa antenna nga mahimong tunable, nga makab-ot pinaagi sa paggamit sa usa ka antenna tuning network. Adunay pipila nga dili malikayan nga pagkawala sa pagsal-ot sa usa ka network sa pag-tune sa antenna. Bisan pa, ang bag-o nga mga pag-uswag sa MEMS18 tunable capacitors nakapauswag sa kalidad sa kini nga mga aparato, sa ingon nakunhuran ang mga pagkawala. Ang pagkawala sa pagsulod sa Rx gibana-bana nga 3 dB, nga ikatandi sa kinatibuk-ang pagkawala sa SAW duplexer ug switch.
Ang antenna-based isolation unya gidugangan sa usa ka tunable filter, base usab sa MEM3 tunable capacitors, aron makab-ot ang 25 dB isolation gikan sa antenna ug 25 dB isolation gikan sa filter. Gipakita sa mga prototype nga mahimo kini nga makab-ot.
Daghang mga grupo sa panukiduki sa akademya ug industriya ang nagsuhid sa paggamit sa mga hybrid para sa duplex nga pag-imprenta11–16. Kini nga mga laraw passive nga nagwagtang sa SI pinaagi sa pagtugot sa dungan nga transmission ug pagdawat gikan sa usa ka antena, apan gilain ang transmitter ug tigdawat. Sila mga broadband sa kinaiyahan ug mahimong ipatuman on-chip, nga naghimo kanila nga usa ka madanihon nga kapilian alang sa frequency duplexing sa mga mobile device.
Gipakita sa bag-o nga mga pag-uswag nga ang mga transceiver sa FDD nga naggamit sa EBI mahimong magama gikan sa CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) nga adunay pagkawala sa pagsal-ot, numero sa kasaba, linearity sa tigdawat, ug mga kinaiya sa pagpugong sa pagpugong nga angay alang sa mga aplikasyon sa cellular11,12,13. Bisan pa, sama sa gipakita sa daghang mga pananglitan sa akademiko ug siyentipikong literatura, adunay sukaranan nga limitasyon nga nakaapekto sa pag-inusara sa duplex.
Ang impedance sa usa ka radio antenna dili pirmi, apan magkalainlain sa operating frequency (tungod sa antenna resonance) ug oras (tungod sa interaksyon sa usa ka nagbag-o nga palibot). Kini nagpasabot nga ang pagbalanse sa impedance kinahanglang mopahiangay sa pagsubay sa mga kausaban sa impedance, ug ang decoupling bandwidth limitado tungod sa mga kausaban sa frequency domain13 (tan-awa ang Figure 1).
Ang among trabaho sa Unibersidad sa Bristol naka-focus sa pag-imbestiga ug pagsulbad niining mga limitasyon sa pasundayag aron ipakita nga ang gikinahanglan nga pagpadala/pagdawat sa pag-inusara ug throughput mahimong makab-ot sa tinuod nga kalibutan nga mga kaso sa paggamit.
Aron mabuntog ang pag-usab-usab sa impedance sa antenna (nga grabe ang epekto sa pagkalain), ang among adaptive algorithm nagsubay sa impedance sa antenna sa tinuud nga oras, ug gipakita sa pagsulay nga ang pasundayag mahimong mapadayon sa lainlaing mga dinamikong palibot, lakip ang interaksyon sa kamot sa user ug high-speed nga dalan ug riles. pagbiyahe.
Dugang pa, aron mabuntog ang limitado nga pagpares sa antenna sa frequency domain, sa ingon nagdugang ang bandwidth ug kinatibuk-ang pag-inusara, gihiusa namon ang usa ka balanse nga elektrikal nga duplexer nga adunay dugang nga aktibo nga pagsumpo sa SI, gamit ang usa ka ikaduha nga transmiter aron makamugna usa ka signal sa pagsumpo aron masumpo pa ang pagpanghilabot sa kaugalingon. (tan-awa ang Figure 2).
Ang mga resulta gikan sa among testbed makapadasig: kung iuban sa EBD, ang aktibo nga teknolohiya mahimo’g makapauswag sa pagpasa ug pagdawat sa pagkalain, sama sa gipakita sa Figure 3.
Ang among katapusan nga pag-setup sa laboratoryo naggamit sa mubu nga mga sangkap sa mobile device (mga power amplifier ug antenna sa cell phone), nga naghimo niini nga representante sa mga pagpatuman sa mobile phone. Dugang pa, gipakita sa among mga pagsukod nga kini nga tipo sa duha ka yugto nga pagsalikway sa kaugalingon nga pagpanghilabot makahatag sa gikinahanglan nga pag-inusara sa duplex sa uplink ug downlink frequency bands, bisan kung naggamit og mubu nga gasto, komersyal nga grado nga kagamitan.
Ang kusog sa signal nga madawat sa usa ka cellular device sa pinakataas nga range kinahanglan nga 12 ka order sa magnitude nga mas ubos kaysa sa kusog sa signal nga gipasa niini. Sa Time Division Duplex (TDD), ang duplex circuit kay usa lang ka switch nga nagkonektar sa antenna sa transmitter o receiver, mao nga ang duplexer sa TDD usa ka simple nga switch. Sa FDD, ang transmitter ug receiver dungan nga naglihok, ug ang duplexer naggamit ug mga filter aron mahimulag ang receiver gikan sa kusog nga signal sa transmitter.
Ang duplexer sa cellular FDD front end naghatag og >~50 dB isolation sa uplink band aron malikayan ang overloading sa receiver nga adunay Tx signals, ug>~50dB isolation sa downlink band aron malikayan ang out-of-band transmission. Gipakunhod ang pagkasensitibo sa tigdawat. Sa Rx band, ang mga pagkawala sa pagpadala ug pagdawat sa mga agianan gamay ra.
Kini nga mga low-loss, high-isolation nga mga kinahanglanon, diin ang mga frequency gibulag lamang sa pipila ka porsyento, nanginahanglan ug high-Q nga pagsala, nga hangtod karon makab-ot ra gamit ang surface acoustic wave (SAW) o body acoustic wave (BAW) nga mga aparato.
Samtang ang teknolohiya nagpadayon sa pag-uswag, uban sa mga pag-uswag sa kadaghanan tungod sa dako nga gidaghanon sa mga himan nga gikinahanglan, ang multi-band nga operasyon nagpasabot sa usa ka bulag nga off-chip duplex filter alang sa matag banda, sama sa gipakita sa Figure A. Ang tanan nga mga switch ug mga router usab nagdugang sa dugang nga gamit mga silot sa performance ug mga trade-off.
Ang barato nga global nga mga telepono nga gibase sa kasamtangan nga teknolohiya lisud kaayo sa paghimo. Ang resulta nga arkitektura sa radyo mahimong dako kaayo, mawala ug mahal. Ang mga tiggama kinahanglan nga maghimo daghang mga variant sa produkto alang sa lainlaing mga kombinasyon sa mga banda nga gikinahanglan sa lainlaing mga rehiyon, nga nagpalisud sa walay kinutuban nga global LTE roaming. Ang economies of scale nga mitultol sa pagdominar sa GSM nahimong mas lisud nga makab-ot.
Ang nagkadako nga panginahanglan alang sa taas nga tulin sa datos nga mga serbisyo sa mobile misangpot sa pag-deploy sa 4G nga mga mobile network sa 50 ka frequency band, nga adunay mas daghang banda nga moabut samtang ang 5G hingpit nga gihubit ug kaylap nga gipakatap. Tungod sa pagkakomplikado sa interface sa RF, dili posible nga matabonan ang tanan niini sa usa ka aparato gamit ang karon nga mga teknolohiya nga nakabase sa filter, mao nga kinahanglan ang napasadya ug ma-reconfigurable nga mga sirkito sa RF.
Sa tinuud, gikinahanglan ang usa ka bag-ong pamaagi sa pagsulbad sa problema sa duplex, tingali gibase sa tunable nga mga pagsala o pagpugong sa pagpugong sa kaugalingon, o pipila ka kombinasyon sa duha.
Samtang wala pa kami usa ka pamaagi nga nagtagbo sa daghang mga gipangayo sa gasto, gidak-on, pasundayag ug kahusayan, tingali ang mga piraso sa puzzle magkahiusa ug maanaa sa imong bulsa sa pipila ka tuig.
Ang mga teknolohiya sama sa EBD nga adunay SI nga pagsumpo mahimong magbukas sa posibilidad sa paggamit sa parehas nga frequency sa duha ka direksyon nga dungan, nga mahimo’g makapauswag sa kaepektibo sa spectral.