لماذا توجد مجموعات تردد مختلفة للهوائيات المدمجة؟

قبل عشر سنوات، كانت الهواتف الذكية تدعم عادةً عددًا قليلاً من المعايير العاملة في نطاقات تردد GSM الأربعة، وربما عددًا قليلًا من معايير WCDMA أو CDMA2000. مع وجود عدد قليل جدًا من نطاقات التردد للاختيار من بينها، تم تحقيق درجة معينة من التوحيد العالمي باستخدام هواتف GSM "رباعية النطاق"، والتي تستخدم نطاقات 850/900/1800/1900 ميجا هرتز ويمكن استخدامها في أي مكان في العالم (حسنًا، إلى حد كبير).
وهذا يمثل فائدة كبيرة للمسافرين ويخلق وفورات ضخمة لمصنعي الأجهزة، الذين يحتاجون فقط إلى إطلاق نماذج قليلة (أو ربما طراز واحد فقط) للسوق العالمية بأكملها. وبالمضي قدمًا إلى يومنا هذا، تظل GSM هي تقنية الوصول اللاسلكي الوحيدة التي توفر خدمة التجوال العالمي. بالمناسبة، إذا كنت لا تعلم، فسيتم التخلص التدريجي من نظام GSM.
يجب أن يدعم أي هاتف ذكي يستحق هذا الاسم الوصول إلى شبكات 4G و3G و2G مع متطلبات مختلفة لواجهة التردد اللاسلكي من حيث عرض النطاق الترددي وطاقة الإرسال وحساسية جهاز الاستقبال والعديد من المعلمات الأخرى.
بالإضافة إلى ذلك، ونظرًا للتوافر المجزأ للطيف العالمي، تغطي معايير 4G عددًا كبيرًا من نطاقات التردد، بحيث يمكن للمشغلين استخدامها على أي ترددات متاحة في أي منطقة معينة - حاليًا 50 نطاقًا إجمالاً، كما هو الحال مع معايير LTE1. ويجب أن يعمل "الهاتف العالمي" الحقيقي في كل هذه البيئات.
المشكلة الرئيسية التي يجب على أي راديو خلوي حلها هي "الاتصال المزدوج". عندما نتحدث، نستمع في نفس الوقت. استخدمت أنظمة الراديو المبكرة ميزة الضغط والتحدث (لا يزال البعض يستخدمها)، ولكن عندما نتحدث على الهاتف، نتوقع أن يقاطعنا الشخص الآخر. استخدمت الأجهزة الخلوية من الجيل الأول (التناظري) "مرشحات مزدوجة" (أو وحدات طباعة مزدوجة) لاستقبال الوصلة الهابطة دون "الذهول" عن طريق إرسال الوصلة الصاعدة على تردد مختلف.
كان جعل هذه المرشحات أصغر حجمًا وأرخص ثمنًا تحديًا كبيرًا لمصنعي الهواتف الأوائل. عندما تم تقديم نظام GSM، تم تصميم البروتوكول بحيث يمكن لأجهزة الإرسال والاستقبال أن تعمل في "وضع نصف مزدوج".
لقد كانت هذه طريقة ذكية جدًا للتخلص من وحدات الإرسال المزدوجة، وكانت عاملاً رئيسيًا في مساعدة نظام GSM على أن تصبح تقنية سائدة ومنخفضة التكلفة قادرة على السيطرة على الصناعة (وتغيير طريقة تواصل الأشخاص في هذه العملية).
يتميز الهاتف الأساسي من Andy Rubin، مخترع نظام التشغيل Android، بأحدث ميزات الاتصال بما في ذلك Bluetooth 5.0LE ومختلف GSM/LTE وهوائي Wi-Fi مخفي في إطار من التيتانيوم.
ولسوء الحظ، سرعان ما تم نسيان الدروس المستفادة من حل المشكلات التقنية في الحروب التقنية والسياسية في الأيام الأولى للجيل الثالث، ويتطلب الشكل السائد حاليًا للطباعة على الوجهين بتقسيم التردد (FDD) وحدة إرسال على الوجهين لكل نطاق FDD تعمل فيه. ليس هناك شك في أن طفرة LTE تأتي مع ارتفاع عوامل التكلفة.
في حين أن بعض النطاقات يمكنها استخدام Time Division Dual، أو TDD (حيث يتحول الراديو بسرعة بين الإرسال والاستقبال)، إلا أن عددًا أقل من هذه النطاقات موجود. يفضل معظم المشغلين (باستثناء المشغلين الآسيويين بشكل رئيسي) مجموعة FDD، والتي يوجد منها أكثر من 30.
إن إرث طيف TDD وFDD، وصعوبة تحرير نطاقات عالمية حقيقية، وظهور 5G مع المزيد من النطاقات، يجعل مشكلة الإرسال المزدوج أكثر تعقيدًا. وتشمل الأساليب الواعدة قيد التحقيق تصميمات جديدة تعتمد على المرشح والقدرة على القضاء على التدخل الذاتي.
يجلب هذا الأخير أيضًا إمكانية واعدة إلى حد ما للطباعة المزدوجة "غير المجزأة" (أو "الازدواج الكامل داخل النطاق"). في مستقبل الاتصالات المتنقلة 5G، قد يتعين علينا أن نأخذ في الاعتبار ليس فقط FDD وTDD، ولكن أيضًا الطباعة المزدوجة المرنة المستندة إلى هذه التقنيات الجديدة.
قام الباحثون في جامعة ألبورج في الدنمارك بتطوير بنية "الواجهة الأمامية للهوائي الذكي" (SAFE) 2-3 التي تستخدم (انظر الرسم التوضيحي في الصفحة 18) هوائيات منفصلة للإرسال والاستقبال وتجمع هذه الهوائيات مع (أداء منخفض) مع هوائيات قابلة للتخصيص التصفية لتحقيق عزل الإرسال والاستقبال المطلوب.
على الرغم من أن الأداء مثير للإعجاب، إلا أن الحاجة إلى هوائيين تعتبر عيبًا كبيرًا. نظرًا لأن الهواتف أصبحت أرق وأكثر أناقة، فإن المساحة المتاحة للهوائيات أصبحت أصغر فأصغر.
تتطلب الأجهزة المحمولة أيضًا هوائيات متعددة لتعدد الإرسال المكاني (MIMO). تتطلب الهواتف المحمولة ذات البنية الآمنة ودعم 2×2 MIMO أربعة هوائيات فقط. بالإضافة إلى ذلك، فإن نطاق ضبط هذه المرشحات والهوائيات محدود.
لذلك ستحتاج الهواتف المحمولة العالمية أيضًا إلى تكرار بنية الواجهة هذه لتغطية جميع نطاقات تردد LTE (450 ميجاهرتز إلى 3600 ميجاهرتز)، الأمر الذي سيتطلب المزيد من الهوائيات والمزيد من موالفات الهوائي والمزيد من المرشحات، مما يعيدنا إلى الأسئلة المتداولة حول تشغيل متعدد النطاقات بسبب ازدواجية المكونات.
على الرغم من أنه يمكن تركيب المزيد من الهوائيات في الكمبيوتر اللوحي أو الكمبيوتر المحمول، إلا أن هناك حاجة إلى مزيد من التقدم في التخصيص و/أو التصغير لجعل هذه التكنولوجيا مناسبة للهواتف الذكية.
تم استخدام نظام الإرسال المزدوج المتوازن كهربائيًا منذ الأيام الأولى للاتصالات السلكية. في نظام الهاتف، يجب أن يكون الميكروفون وسماعة الأذن متصلين بخط الهاتف، ولكن معزولين عن بعضهما البعض حتى لا يصم صوت المستخدم الإشارة الصوتية الواردة الأضعف. وقد تم تحقيق ذلك باستخدام المحولات الهجينة قبل ظهور الهواتف الإلكترونية.
تستخدم الدائرة المزدوجة الموضحة في الشكل أدناه مقاومة بنفس القيمة لتتناسب مع ممانعة خط النقل بحيث ينقسم التيار من الميكروفون عند دخوله إلى المحول ويتدفق في اتجاهين متعاكسين عبر الملف الأولي. يتم إلغاء التدفقات المغناطيسية بشكل فعال ولا يتم تحفيز أي تيار في الملف الثانوي، لذلك يتم عزل الملف الثانوي عن الميكروفون.
ومع ذلك، فإن الإشارة من الميكروفون لا تزال تذهب إلى خط الهاتف (وإن كان ذلك مع بعض الخسارة)، والإشارة الواردة على خط الهاتف لا تزال تذهب إلى مكبر الصوت (أيضًا مع بعض الخسارة)، مما يسمح بالاتصال ثنائي الاتجاه على نفس خط الهاتف . . سلك معدني.
تشبه وحدة الطباعة على الوجهين المتوازنة بالراديو وحدة الطباعة على الوجهين للهاتف، ولكن بدلاً من الميكروفون وسماعة الهاتف وسلك الهاتف، يتم استخدام جهاز إرسال وجهاز استقبال وهوائي، على التوالي، كما هو موضح في الشكل ب.
الطريقة الثالثة لعزل جهاز الإرسال عن جهاز الاستقبال هي إزالة التداخل الذاتي (SI)، وبالتالي طرح الإشارة المرسلة من الإشارة المستقبلة. لقد تم استخدام تقنيات التشويش في الرادار والبث لعقود من الزمن.
على سبيل المثال، في أوائل الثمانينيات، قامت بليسي بتطوير وتسويق منتج قائم على تعويض SI يسمى "Groundsat" لتوسيع نطاق شبكات الاتصالات العسكرية FM التناظرية أحادية الاتجاه.
يعمل النظام كمكرر أحادي القناة مزدوج الاتجاه، مما يوسع النطاق الفعال لأجهزة الراديو أحادية الاتجاه المستخدمة في جميع أنحاء منطقة العمل.
كان هناك اهتمام مؤخرًا بقمع التدخل الذاتي، ويرجع ذلك أساسًا إلى الاتجاه نحو الاتصالات قصيرة المدى (الخلوية والواي فاي)، مما يجعل مشكلة قمع SI أكثر قابلية للإدارة بسبب انخفاض طاقة الإرسال واستقبال الطاقة الأعلى لاستخدام المستهلك. . الوصول اللاسلكي وتطبيقات التوصيل 6-8.
يمكن القول إن هاتف iPhone من Apple (بمساعدة Qualcomm) يتمتع بأفضل القدرات اللاسلكية وLTE في العالم، حيث يدعم 16 نطاق LTE على شريحة واحدة. وهذا يعني أنه يلزم إنتاج وحدتين SKU فقط لتغطية أسواق GSM وCDMA.
في التطبيقات المزدوجة دون مشاركة التداخل، يمكن لقمع التداخل الذاتي تحسين كفاءة الطيف من خلال السماح للوصلة الصاعدة والوصلة الهابطة بمشاركة نفس موارد الطيف. يمكن أيضًا استخدام تقنيات منع التداخل الذاتي لإنشاء وحدات طباعة مزدوجة مخصصة لـ FDD.
عادة ما يتكون الإلغاء نفسه من عدة مراحل. توفر الشبكة الاتجاهية بين الهوائي وجهاز الإرسال والاستقبال المستوى الأول من الفصل بين الإشارات المرسلة والمستقبلة. ثانيًا، يتم استخدام معالجة إضافية للإشارات التناظرية والرقمية لإزالة أي ضوضاء جوهرية متبقية في الإشارة المستقبلة. قد تستخدم المرحلة الأولى هوائيًا منفصلاً (كما هو الحال في SAFE)، ومحولًا هجينًا (كما هو موضح أدناه)؛
لقد تم بالفعل وصف مشكلة الهوائيات المنفصلة. عادةً ما تكون الدوائر ضيقة النطاق لأنها تستخدم الرنين المغناطيسي في البلورة. تعد هذه التقنية الهجينة، أو العزلة المتوازنة كهربائيًا (EBI)، تقنية واعدة يمكن أن تكون ذات نطاق عريض ويمكن دمجها على شريحة.
كما هو موضح في الشكل أدناه، يستخدم تصميم الواجهة الأمامية للهوائي الذكي هوائيين ضيقي النطاق قابلين للضبط، أحدهما للإرسال والآخر للاستقبال، وزوج من المرشحات المزدوجة ذات الأداء المنخفض ولكن القابلة للضبط. لا توفر الهوائيات الفردية بعض العزل السلبي على حساب خسارة الانتشار فيما بينها فحسب، بل لها أيضًا عرض نطاق لحظي محدود (ولكن قابل للضبط).
يعمل هوائي الإرسال بفعالية فقط في نطاق تردد الإرسال، ويعمل هوائي الاستقبال بفعالية فقط في نطاق تردد الاستقبال. وفي هذه الحالة، يعمل الهوائي نفسه أيضًا كمرشح: حيث يتم توهين إرسالات Tx خارج النطاق بواسطة هوائي الإرسال، ويتم تخفيف التداخل الذاتي في نطاق Tx بواسطة هوائي الاستقبال.
ولذلك، تتطلب البنية أن يكون الهوائي قابلاً للضبط، وهو ما يتم تحقيقه باستخدام شبكة ضبط الهوائي. هناك بعض فقدان الإدراج الذي لا يمكن تجنبه في شبكة ضبط الهوائي. ومع ذلك، فإن التطورات الحديثة في المكثفات القابلة للضبط MEMS18 أدت إلى تحسين جودة هذه الأجهزة بشكل كبير، وبالتالي تقليل الخسائر. تبلغ خسارة إدخال Rx حوالي 3 ديسيبل، وهو ما يشبه إجمالي خسائر وحدة الإرسال والاستقبال المزدوجة SAW.
يتم بعد ذلك استكمال العزل القائم على الهوائي بمرشح قابل للضبط، يعتمد أيضًا على مكثفات MEM3 القابلة للضبط، لتحقيق عزل بمقدار 25 ديسيبل عن الهوائي و25 ديسيبل من العزل عن الفلتر. وقد أظهرت النماذج الأولية أنه يمكن تحقيق ذلك.
تستكشف العديد من مجموعات البحث في الأوساط الأكاديمية والصناعية استخدام الهجينة للطباعة على الوجهين . تعمل هذه المخططات على إلغاء SI بشكل سلبي من خلال السماح بالإرسال والاستقبال المتزامن من هوائي واحد، ولكن مع عزل جهاز الإرسال والاستقبال. وهي ذات نطاق عريض بطبيعتها ويمكن تنفيذها على الرقاقة، مما يجعلها خيارًا جذابًا لطباعة التردد المزدوج في الأجهزة المحمولة.
أظهرت التطورات الحديثة أن أجهزة إرسال واستقبال FDD التي تستخدم EBI يمكن تصنيعها من CMOS (أشباه الموصلات لأكسيد المعدن التكميلي) مع فقدان الإدراج، وشكل الضوضاء، وخطية جهاز الاستقبال، وخصائص قمع الحظر المناسبة للتطبيقات الخلوية . ومع ذلك، كما تظهر أمثلة عديدة في الأدبيات الأكاديمية والعلمية، هناك قيود أساسية تؤثر على العزلة المزدوجة.
مقاومة هوائي الراديو ليست ثابتة، ولكنها تختلف باختلاف تردد التشغيل (بسبب رنين الهوائي) والوقت (بسبب التفاعل مع البيئة المتغيرة). وهذا يعني أن مقاومة الموازنة يجب أن تتكيف لتتبع تغييرات المعاوقة، وأن عرض النطاق الترددي للفصل محدود بسبب التغيرات في مجال التردد (انظر الشكل 1).
يركز عملنا في جامعة بريستول على التحقيق في قيود الأداء هذه ومعالجتها لإثبات أنه يمكن تحقيق عزل الإرسال/الاستقبال المطلوب والإنتاجية في حالات الاستخدام في العالم الحقيقي.
للتغلب على تقلبات مقاومة الهوائي (التي تؤثر بشدة على العزل)، تتتبع الخوارزمية التكيفية لدينا مقاومة الهوائي في الوقت الفعلي، وقد أظهر الاختبار أنه يمكن الحفاظ على الأداء في مجموعة متنوعة من البيئات الديناميكية، بما في ذلك التفاعل بين يد المستخدم والطرق والسكك الحديدية عالية السرعة يسافر.
بالإضافة إلى ذلك، للتغلب على مطابقة الهوائي المحدودة في مجال التردد، وبالتالي زيادة عرض النطاق الترددي والعزل الشامل، قمنا بدمج وحدة إرسال مزدوجة متوازنة كهربائيًا مع قمع SI نشط إضافي، باستخدام جهاز إرسال ثانٍ لتوليد إشارة قمع لمزيد من قمع التداخل الذاتي. (انظر الشكل 2).
تعتبر النتائج من اختبارنا مشجعة: عند دمجها مع EBD، يمكن للتكنولوجيا النشطة تحسين عزل الإرسال والاستقبال بشكل كبير، كما هو موضح في الشكل 3.
يستخدم إعداد المختبر النهائي الخاص بنا مكونات الأجهزة المحمولة منخفضة التكلفة (مكبرات الصوت والهوائيات الخاصة بالهواتف المحمولة)، مما يجعلها ممثلة لتطبيقات الهاتف المحمول. علاوة على ذلك، تُظهر قياساتنا أن هذا النوع من رفض التداخل الذاتي على مرحلتين يمكن أن يوفر العزل المزدوج المطلوب في نطاقات تردد الوصلة الصاعدة والوصلة الهابطة، حتى عند استخدام معدات تجارية منخفضة التكلفة.
يجب أن تكون قوة الإشارة التي يتلقاها الجهاز الخلوي في أقصى نطاق له أقل بمقدار 12 درجة من قوة الإشارة التي يرسلها. في وحدة الطباعة على الوجهين بتقسيم الزمن (TDD)، تكون دائرة الطباعة المزدوجة مجرد مفتاح يربط الهوائي بجهاز الإرسال أو جهاز الاستقبال، وبالتالي فإن وحدة الطباعة على الوجهين في TDD عبارة عن مفتاح بسيط. في FDD، يعمل جهاز الإرسال والاستقبال في وقت واحد، ويستخدم جهاز الإرسال والاستقبال على الوجهين مرشحات لعزل جهاز الاستقبال عن إشارة جهاز الإرسال القوية.
توفر وحدة الطباعة على الوجهين في الواجهة الأمامية لـ FDD الخلوية عزلًا > ~ 50 ديسيبل في نطاق الوصلة الصاعدة لمنع التحميل الزائد على جهاز الاستقبال بإشارات Tx، وعزل > ~ 50 ديسيبل في نطاق الوصلة الهابطة لمنع الإرسال خارج النطاق. انخفاض حساسية المتلقي. في نطاق Rx، تكون الخسائر في مسارات الإرسال والاستقبال ضئيلة.
تتطلب هذه المتطلبات منخفضة الفقد والعزلة العالية، حيث يتم فصل الترددات بنسبة قليلة فقط، تصفية عالية الجودة، والتي لا يمكن تحقيقها حتى الآن إلا باستخدام أجهزة الموجات الصوتية السطحية (SAW) أو الموجات الصوتية للجسم (BAW).
بينما تستمر التكنولوجيا في التطور، مع التقدم الذي يرجع إلى حد كبير إلى العدد الكبير من الأجهزة المطلوبة، فإن التشغيل متعدد النطاقات يعني وجود مرشح مزدوج منفصل خارج الشريحة لكل نطاق، كما هو موضح في الشكل أ. تضيف جميع المحولات وأجهزة التوجيه أيضًا وظائف إضافية مع عقوبات الأداء والمقايضات.
من الصعب للغاية تصنيع الهواتف العالمية ذات الأسعار المعقولة المعتمدة على التكنولوجيا الحالية. وستكون البنية الراديوية الناتجة كبيرة جدًا ومفقودة ومكلفة. يتعين على الشركات المصنعة إنشاء متغيرات منتجات متعددة لمجموعات مختلفة من النطاقات المطلوبة في مناطق مختلفة، مما يجعل تجوال LTE العالمي غير المحدود أمرًا صعبًا. إن وفورات الحجم التي أدت إلى هيمنة GSM أصبحت صعبة المنال على نحو متزايد.
أدى الطلب المتزايد على خدمات الهاتف المحمول ذات سرعة البيانات العالية إلى نشر شبكات الهاتف المحمول 4G عبر 50 نطاق تردد، مع المزيد من النطاقات القادمة مع تعريف 5G بالكامل ونشره على نطاق واسع. نظرًا لتعقيد واجهة التردد اللاسلكي، ليس من الممكن تغطية كل هذا في جهاز واحد باستخدام التقنيات الحالية القائمة على المرشح، لذلك يلزم وجود دوائر تردد لاسلكي قابلة للتخصيص وإعادة التشكيل.
من الناحية المثالية، هناك حاجة إلى نهج جديد لحل مشكلة الإرسال المزدوج، ربما يعتمد على مرشحات قابلة للضبط أو منع التداخل الذاتي، أو مزيج من الاثنين معًا.
وفي حين أننا لا نملك حتى الآن نهجًا واحدًا يلبي المتطلبات العديدة المتعلقة بالتكلفة والحجم والأداء والكفاءة، فربما تجتمع قطع اللغز معًا وتكون في جيبك في غضون سنوات قليلة.
يمكن لتقنيات مثل EBD مع قمع SI أن تفتح إمكانية استخدام نفس التردد في كلا الاتجاهين في وقت واحد، مما يمكن أن يحسن الكفاءة الطيفية بشكل كبير.