מדוע קיימים שילובי תדרים שונים עבור אנטנות משולבות?

לפני עשר שנים, סמארטפונים תמכו בדרך כלל רק בכמה תקנים הפועלים בארבעת רצועות התדרים של GSM, ואולי בכמה תקני WCDMA או CDMA2000. עם כל כך מעט פסי תדרים לבחירה, מידה מסוימת של אחידות גלובלית הושגה עם טלפונים מסוג "ארבעת פס" GSM, המשתמשים בפסי 850/900/1800/1900 מגה-הרץ וניתן להשתמש בהם בכל מקום בעולם (טוב, פחות או יותר).
זהו יתרון עצום למטיילים ויוצר יתרונות גודל עצומים עבור יצרני המכשירים, שצריכים לשחרר רק כמה דגמים (או אולי רק אחד) עבור כל השוק העולמי. מהר קדימה להיום, GSM נותרה טכנולוגיית הגישה האלחוטית היחידה שמספקת נדידה גלובלית. אגב, אם לא ידעתם, ה-GSM מתבטל בהדרגה.
כל סמארטפון ראוי לשמו חייב לתמוך בגישה של 4G, 3G ו-2G עם דרישות שונות של ממשק RF מבחינת רוחב פס, כוח שידור, רגישות מקלט ופרמטרים רבים אחרים.
בנוסף, בשל הזמינות המפוצלת של הספקטרום הגלובלי, תקני דור 4 מכסים מספר רב של רצועות תדרים, כך שהמפעילים יכולים להשתמש בהם בכל התדרים הזמינים בכל אזור נתון - כיום 50 פסים בסך הכל, כפי שקורה בתקני LTE1. "טלפון עולמי" אמיתי חייב לעבוד בכל הסביבות הללו.
הבעיה המרכזית שכל רדיו סלולרי חייב לפתור היא "תקשורת דופלקס". כשאנחנו מדברים, אנחנו מקשיבים בו זמנית. מערכות רדיו מוקדמות השתמשו ב-Push-to-Talk (חלקם עדיין עושים זאת), אבל כשאנחנו מדברים בטלפון, אנחנו מצפים שהאדם השני יפריע לנו. מכשירים סלולריים מהדור הראשון (אנלוגי) השתמשו ב"מסננים דופלקסים" (או דופלקסים) כדי לקבל את ה-downlink מבלי להיות "הדהים" על ידי העברת ה-uplink בתדר אחר.
הפיכת המסננים הללו לקטנים וזולים יותר הייתה אתגר גדול עבור יצרני טלפונים מוקדמים. כאשר GSM הוצג, הפרוטוקול תוכנן כך שמקלטי משדר יוכלו לפעול ב"מצב חצי דופלקס".
זו הייתה דרך חכמה מאוד לחסל דופלקסים, והייתה גורם מרכזי בסיוע ל-GSM להפוך לטכנולוגיה זולה ומיינסטרים המסוגלת לשלוט בתעשייה (ולשנות את האופן שבו אנשים מתקשרים בתהליך).
הטלפון היסודי של אנדי רובין, ממציא מערכת ההפעלה אנדרואיד, כולל את תכונות הקישוריות העדכניות ביותר כולל Bluetooth 5.0LE, GSM/LTE שונים ואנטנת Wi-Fi מוסתרת במסגרת טיטניום.
לרוע המזל, הלקחים שנלמדו מפתרון בעיות טכניות נשכחו במהירות במלחמות הטכנו-פוליטיות של הימים הראשונים של 3G, והצורה הדומיננטית כיום של חלוקת תדרים דופלקס (FDD) דורשת דופלקס עבור כל רצועת FDD שבה היא פועלת. אין ספק שתנופת ה-LTE מגיעה עם גורמי עלות עולים.
בעוד שחלק מהלהקות יכולות להשתמש ב-Time Division Duplex, או TDD (שם הרדיו עובר במהירות בין שידור וקבלה), פחות מהלהקות הללו קיימות. רוב המפעילים (למעט אסייתיים בעיקר) מעדיפים את טווח ה-FDD, ממנו יש יותר מ-30.
המורשת של ספקטרום TDD ו-FDD, הקושי לשחרר להקות גלובליות באמת, והופעתה של 5G עם יותר פסים הופכים את בעיית הדופלקס למורכבת עוד יותר. השיטות המבטיחות הנחקרות כוללות עיצובים חדשים מבוססי פילטרים ויכולת לחסל הפרעה עצמית.
האחרון מביא עמו גם את האפשרות המבטיחה משהו של דופלקס "ללא קטעים" (או "דופלקס מלא בתוך הלהקה"). בעתיד של תקשורת ניידת 5G, ייתכן שנצטרך לשקול לא רק FDD ו-TDD, אלא גם דופלקס גמיש המבוסס על טכנולוגיות חדשות אלו.
חוקרים מאוניברסיטת אלבורג בדנמרק פיתחו ארכיטקטורת "Smart Antenna Front End" (SAFE)2-3 המשתמשת (ראה איור בעמוד 18) באנטנות נפרדות לשידור וקליטה ומשלבת אנטנות אלו עם (ביצועים נמוכים) בשילוב עם הניתנות להתאמה אישית. סינון כדי להשיג את בידוד השידור והקליטה הרצויים.
למרות שהביצועים מרשימים, הצורך בשתי אנטנות הוא חיסרון גדול. ככל שהטלפונים נעשים דקים ואלגנטיים יותר, המקום הפנוי לאנטנות הולך וקטן.
מכשירים ניידים דורשים גם מספר אנטנות לריבוי מרחבי (MIMO). טלפונים ניידים עם ארכיטקטורה SAFE ותמיכה ב-2×2 MIMO דורשים רק ארבע אנטנות. בנוסף, טווח הכוונון של המסננים והאנטנות הללו מוגבל.
אז גם טלפונים ניידים גלובליים יצטרכו לשכפל את ארכיטקטורת הממשק הזו כדי לכסות את כל רצועות התדר של LTE (450 מגה-הרץ עד 3600 מגה-הרץ), מה שידרוש יותר אנטנות, יותר מקלטי אנטנות ועוד מסננים, מה שמחזיר אותנו לשאלות הנפוצות בנושא פעולה מרובת פסים עקב שכפול רכיבים.
למרות שניתן להתקין יותר אנטנות בטאבלט או לפטופ, יש צורך בהתקדמות נוספת בהתאמה אישית ו/או מזעור כדי להפוך את הטכנולוגיה הזו למתאימה לסמארטפונים.
נעשה שימוש בדופלקס מאוזן חשמלי מאז הימים הראשונים של טלפוניה קווית17. במערכת טלפונית, המיקרופון והאוזנייה חייבים להיות מחוברים לקו הטלפון, אך מבודדים זה מזה כדי שהקול של המשתמש עצמו לא יחריש את אות האודיו הנכנס החלש יותר. זה הושג באמצעות שנאים היברידיים לפני הופעת הטלפונים האלקטרוניים.
מעגל הדופלקס המוצג באיור למטה משתמש בנגד בעל אותו ערך כדי להתאים את העכבה של קו השידור כך שהזרם מהמיקרופון מתפצל כשהוא נכנס לשנאי וזורם בכיוונים מנוגדים דרך הסליל הראשי. השטפים המגנטיים מתבטלים למעשה ולא מושרה זרם בסליל המשני, כך שהסליל המשני מבודד מהמיקרופון.
עם זאת, האות מהמיקרופון עדיין עובר לקו הטלפון (אם כי עם אובדן מסוים), והאות הנכנס בקו הטלפון עדיין עובר לרמקול (גם עם אובדן מסוים), מה שמאפשר תקשורת דו-כיוונית באותו קו טלפון . . חוט מתכת.
דופלקס מאוזן רדיו דומה לדופלקס טלפון, אך במקום מיקרופון, שפופרת וחוט טלפון, משתמשים במשדר, מקלט ואנטנה, בהתאמה, כפי שמוצג באיור ב'.
דרך שלישית לבודד את המשדר מהמקלט היא ביטול הפרעה עצמית (SI), ובכך להפחית את האות המשודר מהאות המתקבל. טכניקות שיבוש נמצאות בשימוש במכ"ם ובשידורים במשך עשרות שנים.
לדוגמה, בתחילת שנות ה-80, Plessy פיתחה ושיווקה מוצר מבוסס תגמול SI בשם "Groundsat" כדי להרחיב את טווח רשתות התקשורת הצבאיות FM אנלוגיות חצי דופלקס4-5.
המערכת פועלת כמשחזר חד-ערוצי מלא דופלקס, המרחיב את הטווח האפקטיבי של מכשירי רדיו חצי דופלקס המשמשים בכל אזור העבודה.
לאחרונה קיים עניין בדיכוי הפרעה עצמית, בעיקר בשל המגמה לתקשורת קצרת טווח (סלולר ו-Wi-Fi), מה שהופך את בעיית דיכוי SI לניתנת יותר לניהול עקב הספק שידור נמוך יותר וקליטה גבוהה יותר של הספק לשימוש הצרכנים . גישה אלחוטית ויישומי Backhaul 6-8.
לאייפון של אפל (בעזרת קוואלקום) יש ללא ספק את יכולות האלחוט וה-LTE הטובות בעולם, התומך ב-16 רצועות LTE בשבב בודד. המשמעות היא שצריך לייצר רק שני SKUs כדי לכסות את שווקי GSM ו-CDMA.
ביישומים דופלקסים ללא שיתוף הפרעות, דיכוי הפרעה עצמית יכול לשפר את יעילות הספקטרום על ידי מתן אפשרות ל-uplink ול-downlink לחלוק את אותם משאבי ספקטרום9,10. ניתן להשתמש בטכניקות דיכוי הפרעה עצמית גם ליצירת דופלקסים מותאמים אישית עבור FDD.
הביטול עצמו מורכב לרוב ממספר שלבים. הרשת הכיוונית בין האנטנה למקלט המשדר מספקת את רמת ההפרדה הראשונה בין האותות המשודרים והמתקבלים. שנית, עיבוד אותות אנלוגי ודיגיטלי נוסף משמש כדי לחסל את כל הרעש הפנימי שנותר באות המתקבל. השלב הראשון עשוי להשתמש באנטנה נפרדת (כמו ב-SAFE), שנאי היברידי (מתואר להלן);
הבעיה של אנטנות מנותקות כבר תוארה. סירקולטורים הם בדרך כלל צר פס מכיוון שהם משתמשים בתהודה פרומגנטית בגביש. הטכנולוגיה ההיברידית הזו, או Electrically Balanced Isolation (EBI), היא טכנולוגיה מבטיחה שיכולה להיות בפס רחב ובפוטנציה לשלב בשבב.
כפי שמוצג באיור למטה, עיצוב הקצה הקדמי של האנטנה החכמה משתמש בשתי אנטנות מתכווננות לפס צר, אחת לשידור ואחת לקבלה, וזוג מסנני דופלקס בעלי ביצועים נמוכים יותר אך ניתנים לשינוי. אנטנות בודדות לא רק מספקות בידוד פסיבי מסוים במחיר של אובדן התפשטות ביניהן, אלא גם בעלות רוחב פס מיידי מוגבל (אך ניתן לכוונון).
אנטנת השידור פועלת ביעילות רק ברצועת תדר השידור, ואנטנת הקליטה פועלת ביעילות רק בפס תדר הקבלה. במקרה זה, האנטנה עצמה פועלת גם כמסנן: פליטות Tx מחוץ לפס מוחלשות על ידי האנטנה המשדרת, וההפרעה העצמית בפס Tx מוחלשת על ידי האנטנה המקבלת.
לכן, הארכיטקטורה דורשת שהאנטנה תהיה ניתנת לכוונון, מה שמושג באמצעות רשת כוונון אנטנות. יש אובדן הכנסה בלתי נמנע ברשת כוונון אנטנות. עם זאת, ההתקדמות האחרונה בקבלים הניתנים לכוונון MEMS18 שיפרה משמעותית את איכות המכשירים הללו, ובכך הפחיתה את ההפסדים. אובדן הכנסת ה-Rx הוא כ-3 dB, אשר ניתן להשוואה לסך ההפסדים של ה-SAW-duplexer והמתג.
לאחר מכן משלים את הבידוד המבוסס על האנטנה על ידי מסנן מתכוונן, המבוסס גם הוא על קבלים ניתנים לכוונון MEM3, להשגת בידוד של 25 dB מהאנטנה ובידוד של 25 dB מהמסנן. אבות טיפוס הוכיחו שניתן להשיג זאת.
מספר קבוצות מחקר באקדמיה ובתעשייה בודקות את השימוש בהיברידיות להדפסה דו-צדדית11-16. תוכניות אלה מבטלות באופן פסיבי את SI על ידי מתן אפשרות שידור וקליטה בו-זמנית מאנטנה אחת, אך מבודדות את המשדר והמקלט. הם בעלי פס רחב וניתן ליישם אותם בשבב, מה שהופך אותם לאופציה אטרקטיבית לדופלקס תדרים במכשירים ניידים.
ההתקדמות האחרונה הראתה כי ניתן לייצר משדר FDD המשתמשים ב-EBI מ-CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) עם אובדן הכנסה, נתון רעש, ליניאריות מקלט ומאפייני דיכוי חסימה המתאימים ליישומים סלולריים11,12,13. עם זאת, כפי שמוכיחות דוגמאות רבות בספרות האקדמית והמדעית, קיימת מגבלה בסיסית המשפיעה על בידוד דופלקס.
העכבה של אנטנת רדיו אינה קבועה, אלא משתנה בהתאם לתדר ההפעלה (עקב תהודה של האנטנה) והזמן (עקב אינטראקציה עם סביבה משתנה). משמעות הדבר היא שעכבת האיזון חייבת להסתגל למעקב אחר שינויי עכבה, ורוחב הפס של ניתוק הצימוד מוגבל עקב שינויים בתחום התדר13 (ראה איור 1).
עבודתנו באוניברסיטת בריסטול מתמקדת בחקירה ובטיפול במגבלות הביצועים הללו כדי להוכיח שניתן להשיג את הבידוד והתפוקה הנדרשים של שליחה/קבלה במקרים של שימוש בעולם האמיתי.
כדי להתגבר על תנודות עכבת האנטנה (שפוגעות קשות בבידוד), האלגוריתם האדפטיבי שלנו עוקב אחר עכבת האנטנה בזמן אמת, ובדיקות הראו שניתן לשמור על ביצועים במגוון סביבות דינמיות, כולל אינטראקציה בידי המשתמש וכבישים ומסילות במהירות גבוהה. לִנְסוֹעַ.
בנוסף, כדי להתגבר על התאמת האנטנות המוגבלת בתחום התדר, ובכך להגדיל את רוחב הפס והבידוד הכולל, אנו משלבים דופלקס מאוזן חשמלי עם דיכוי SI אקטיבי נוסף, תוך שימוש במשדר שני ליצירת אות דיכוי כדי לדכא עוד יותר הפרעה עצמית. (ראה איור 2).
התוצאות ממצע המבחן שלנו מעודדות: בשילוב עם EBD, טכנולוגיה אקטיבית יכולה לשפר משמעותית את בידוד השידור והקליטה, כפי שמוצג באיור 3.
הגדרת המעבדה הסופית שלנו משתמשת ברכיבי מכשירים ניידים בעלות נמוכה (מגברי כוח ואנטנות לטלפונים סלולריים), מה שהופך אותו למייצג של יישומי טלפון נייד. יתרה מכך, המדידות שלנו מראות שסוג זה של דחיית הפרעה עצמית דו-שלבית יכולה לספק את הבידוד הדופלקס הנדרש ברצועות התדרים של ה-uplink וה-downlink, אפילו כאשר משתמשים בציוד בעלות נמוכה בדרגה מסחרית.
עוצמת האות שמכשיר סלולרי מקבל בטווח המרבי שלו חייבת להיות נמוכה ב-12 סדרי גודל מעוצמת האות שהוא משדר. ב-Time Division Duplex (TDD), מעגל הדופלקס הוא פשוט מתג המחבר את האנטנה למשדר או למקלט, כך שהדופלקס ב-TDD הוא מתג פשוט. ב-FDD, המשדר והמקלט פועלים בו זמנית, והדופלקס משתמש במסננים כדי לבודד את המקלט מהאות החזק של המשדר.
הדופלקס בחזית ה-FDD הסלולרית מספק בידוד של>~50 dB בפס ה-uplink כדי למנוע עומס יתר של המקלט עם אותות Tx, ובידוד של >~50 dB ב-downlink כדי למנוע שידור מחוץ לפס. רגישות מקלט מופחתת. ברצועת Rx, הפסדים בנתיבי השידור והקליטה הם מינימליים.
דרישות אלו בעלות אובדן נמוך ובידוד גבוה, שבהן התדרים מופרדים באחוזים בודדים בלבד, דורשות סינון Q גבוה, אשר עד כה ניתן להשיג רק באמצעות התקני גל אקוסטיים משטחים (SAW) או גלים אקוסטיים בגוף (BAW).
בעוד הטכנולוגיה ממשיכה להתפתח, עם התקדמות בעיקר בשל המספר הגדול של המכשירים הנדרשים, פעולה מרובת פסים פירושה מסנן דופלקס נפרד מחוץ לשבב עבור כל פס, כפי שמוצג באיור א'. כל המתגים והנתבים מוסיפים גם פונקציונליות נוספת עם עונשי ביצוע ופשרות.
טלפונים עולמיים זולים המבוססים על הטכנולוגיה הנוכחית קשים מדי לייצור. ארכיטקטורת הרדיו שתתקבל תהיה גדולה מאוד, הפסדית ויקרה. היצרנים צריכים ליצור גרסאות מוצר מרובות עבור שילובים שונים של רצועות הדרושים באזורים שונים, מה שמקשה על נדידה גלובלית ללא הגבלה של LTE. יתרונות הגודל שהובילו לדומיננטיות של GSM הופכות יותר ויותר קשות להשגה.
הביקוש הגובר לשירותי סלולר במהירות נתונים גבוהים הוביל לפריסה של רשתות סלולריות 4G על פני 50 פסי תדרים, עם פסים נוספים שיגיעו כאשר 5G מוגדר במלואו ופריסה רחבה. בשל המורכבות של ממשק ה-RF, לא ניתן לכסות את כל זה במכשיר אחד באמצעות טכנולוגיות מבוססות-פילטרים נוכחיות, ולכן נדרשים מעגלי RF הניתנים להתאמה אישית וניתנים להגדרה מחדש.
באופן אידיאלי, יש צורך בגישה חדשה לפתרון בעיית הדופלקס, אולי מבוססת על מסננים ניתנים לשינוי או דיכוי הפרעה עצמית, או שילוב כלשהו של שניהם.
אמנם אין לנו עדיין גישה אחת שעונה על הדרישות הרבות של עלות, גודל, ביצועים ויעילות, אבל אולי חלקי הפאזל יתחברו ויהיו בכיס שלך בעוד כמה שנים.
טכנולוגיות כמו EBD עם דיכוי SI יכולות לפתוח את האפשרות להשתמש באותו תדר בשני הכיוונים בו זמנית, מה שיכול לשפר משמעותית את היעילות הספקטרלית.