On yıl önce, akıllı telefonlar genellikle dört GSM frekans bandında çalışan yalnızca birkaç standardı ve belki de birkaç WCDMA veya CDMA2000 standardını destekliyordu. Aralarından seçim yapılabilecek bu kadar az frekans bandıyla, 850/900/1800/1900 MHz bantlarını kullanan ve dünyanın herhangi bir yerinde kullanılabilen “dört bantlı” GSM telefonlarıyla belirli bir düzeyde küresel tekdüzelik elde edilmiştir (yani, oldukça fazla).
Bu, gezginler için büyük bir avantajdır ve küresel pazarın tamamı için yalnızca birkaç modeli (veya belki yalnızca bir modeli) piyasaya sürmesi gereken cihaz üreticileri için büyük ölçek ekonomileri yaratır. Günümüze hızla ilerlersek, GSM küresel dolaşım sağlayan tek kablosuz erişim teknolojisi olmayı sürdürüyor. Bu arada, bilmiyorsanız GSM yavaş yavaş kullanımdan kaldırılıyor.
Adına layık herhangi bir akıllı telefon, bant genişliği, iletim gücü, alıcı hassasiyeti ve diğer birçok parametre açısından değişen RF arayüzü gereksinimleriyle 4G, 3G ve 2G erişimini desteklemelidir.
Ek olarak, küresel spektrumun parçalı kullanılabilirliği nedeniyle, 4G standartları çok sayıda frekans bandını kapsıyor, böylece operatörler bunları herhangi bir alanda mevcut olan herhangi bir frekansta (şu anda LTE1 standartlarında olduğu gibi toplamda 50 bant) kullanabilirler. Gerçek bir “dünya telefonunun” tüm bu ortamlarda çalışması gerekir.
Herhangi bir hücresel radyonun çözmesi gereken temel sorun “çift yönlü iletişimdir”. Konuşurken aynı anda dinliyoruz. İlk radyo sistemleri bas-konuş özelliğini kullanıyordu (bazıları hala kullanıyor), ancak telefonda konuştuğumuzda karşımızdaki kişinin sözümüzü kesmesini bekleriz. Birinci nesil (analog) hücresel cihazlar, yukarı bağlantıyı farklı bir frekansta ileterek aşağı bağlantıyı "sersemletmeden" almak için "çift yönlü filtreler" (veya çift yönlüleyiciler) kullandı.
Bu filtreleri daha küçük ve daha ucuz hale getirmek, ilk telefon üreticileri için büyük bir zorluktu. GSM piyasaya sürüldüğünde protokol, alıcı-vericilerin “yarı çift yönlü modda” çalışabilmesini sağlayacak şekilde tasarlandı.
Bu, dupleksleyicileri ortadan kaldırmanın çok akıllıca bir yoluydu ve GSM'nin sektöre hükmedebilecek (ve bu süreçte insanların iletişim biçimini değiştirebilecek) düşük maliyetli, ana akım teknoloji haline gelmesine yardımcı olan önemli bir faktördü.
Android işletim sisteminin mucidi Andy Rubin'in Essential telefonu, Bluetooth 5.0LE, çeşitli GSM/LTE ve titanyum çerçeve içine gizlenmiş bir Wi-Fi anteni gibi en yeni bağlantı özelliklerine sahiptir.
Ne yazık ki, teknik sorunların çözülmesinden alınan dersler, 3G'nin ilk günlerindeki tekno-politik savaşlarda hızla unutuldu ve şu anda baskın olan frekans bölmeli dupleksleme (FDD), çalıştığı her FDD bandı için bir duplexer gerektiriyor. Hiç şüphe yok ki LTE patlaması artan maliyet faktörlerini de beraberinde getiriyor.
Bazı bantlar Time Division Duplex'i veya TDD'yi (radyonun gönderme ve alma arasında hızlı bir şekilde geçiş yaptığı) kullanabilirken, bu bantlardan daha azı mevcuttur. Çoğu operatör (çoğunlukla Asyalı olanlar hariç) 30'dan fazla olan FDD serisini tercih ediyor.
TDD ve FDD spektrumunun mirası, gerçek anlamda küresel bantları serbest bırakmanın zorluğu ve daha fazla bantla 5G'nin ortaya çıkışı, dubleks sorununu daha da karmaşık hale getiriyor. İncelenmekte olan umut verici yöntemler arasında yeni filtre tabanlı tasarımlar ve kendi kendine müdahaleyi ortadan kaldırma yeteneği yer alıyor.
İkincisi aynı zamanda umut verici bir "parçasız" dubleks (veya "bant içi tam dubleks") olasılığını da beraberinde getiriyor. 5G mobil iletişimin geleceğinde sadece FDD ve TDD'yi değil, bu yeni teknolojilere dayalı esnek duplex'i de düşünmek zorunda kalabiliriz.
Danimarka'daki Aalborg Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, iletim ve alım için ayrı antenler kullanan (sayfa 18'deki resme bakın) ve bu antenleri (düşük performans) özelleştirilebilir antenlerle birleştiren bir “Akıllı Anten Ön Uç” (SAFE)2-3 mimarisi geliştirdiler. İstenilen iletim ve alım izolasyonunu elde etmek için filtreleme.
Performans etkileyici olsa da iki antene ihtiyaç duyulması büyük bir dezavantajdır. Telefonlar incelip şıklaştıkça antenler için ayrılan alan da giderek küçülüyor.
Mobil cihazlar ayrıca uzamsal çoğullama (MIMO) için birden fazla anten gerektirir. SAFE mimarisine ve 2×2 MIMO desteğine sahip cep telefonları yalnızca dört anten gerektirir. Ayrıca bu filtrelerin ve antenlerin ayar aralığı sınırlıdır.
Dolayısıyla küresel cep telefonlarının da bu arayüz mimarisini tüm LTE frekans bantlarını (450 MHz - 3600 MHz) kapsayacak şekilde kopyalaması gerekecek, bu da daha fazla anten, daha fazla anten ayarlayıcı ve daha fazla filtre gerektirecek ve bu da bizi sık sorulan sorulara geri getiriyor. bileşenlerin çoğaltılması nedeniyle çok bantlı çalışma.
Bir tablete veya dizüstü bilgisayara daha fazla anten takılabilmesine rağmen, bu teknolojiyi akıllı telefonlara uygun hale getirmek için özelleştirme ve/veya minyatürleştirmede daha fazla ilerlemeye ihtiyaç vardır.
Elektriksel olarak dengeli çift yönlü, kablolu telefonun ilk günlerinden beri kullanılmaktadır17. Bir telefon sisteminde, mikrofon ve kulaklık telefon hattına bağlanmalı ancak kullanıcının kendi sesinin gelen zayıf ses sinyalini sağır etmemesi için birbirlerinden izole edilmelidir. Bu, elektronik telefonların ortaya çıkmasından önce hibrit transformatörler kullanılarak başarıldı.
Aşağıdaki şekilde gösterilen çift yönlü devre, iletim hattının empedansını eşleştirmek için aynı değerde bir direnç kullanır, böylece mikrofondan gelen akım, transformatöre girerken bölünür ve birincil bobin boyunca zıt yönlerde akar. Manyetik akı etkili bir şekilde iptal edilir ve ikincil bobinde herhangi bir akım indüklenmez, böylece ikincil bobin mikrofondan izole edilir.
Bununla birlikte, mikrofondan gelen sinyal yine de telefon hattına gider (bir miktar kayıpla da olsa) ve telefon hattından gelen sinyal yine de hoparlöre gider (bir miktar kayıpla da olsa), bu da aynı telefon hattı üzerinde iki yönlü iletişime olanak tanır. . . Metal tel.
Radyo dengeli dupleksleyici, telefon dupleksleyiciye benzer, ancak Şekil B'de gösterildiği gibi mikrofon, ahize ve telefon kablosu yerine sırasıyla bir verici, alıcı ve anten kullanılır.
Vericiyi alıcıdan ayırmanın üçüncü yolu, kendi kendine girişimi (SI) ortadan kaldırmak, böylece iletilen sinyali alınan sinyalden çıkarmaktır. Karıştırma teknikleri radar ve yayıncılıkta onlarca yıldır kullanılmaktadır.
Örneğin, 1980'lerin başında Plessy, yarı çift yönlü analog FM askeri iletişim ağlarının menzilini genişletmek için "Groundsat" adı verilen SI telafisine dayalı bir ürün geliştirdi ve pazarladı4-5.
Sistem, çalışma alanı boyunca kullanılan yarı çift yönlü telsizlerin etkili menzilini genişleten, tam çift yönlü tek kanallı bir tekrarlayıcı görevi görür.
Son zamanlarda, kısa mesafeli iletişimlere (hücresel ve Wi-Fi) yönelik eğilim nedeniyle kendi kendine paraziti bastırmaya ilgi duyulmaktadır; bu, tüketici kullanımı için daha düşük iletim gücü ve daha yüksek güç alımı nedeniyle SI bastırma sorununu daha yönetilebilir hale getirmektedir. . Kablosuz Erişim ve Ana Taşıma Uygulamaları 6-8.
Apple'ın iPhone'u (Qualcomm'un yardımıyla) tartışmasız dünyanın en iyi kablosuz ve LTE özelliklerine sahip ve tek bir çip üzerinde 16 LTE bandını destekliyor. Bu, GSM ve CDMA pazarlarını kapsamak için yalnızca iki SKU'nun üretilmesi gerektiği anlamına gelir.
Girişim paylaşımı olmayan dubleks uygulamalarda, kendi kendine girişimi bastırma, yukarı bağlantı ve aşağı bağlantının aynı spektrum kaynaklarını paylaşmasına izin vererek spektrum verimliliğini artırabilir9,10. FDD için özel dupleksleyiciler oluşturmak amacıyla kendi kendine paraziti önleme teknikleri de kullanılabilir.
İptalin kendisi genellikle birkaç aşamadan oluşur. Anten ve alıcı-verici arasındaki yönlü ağ, iletilen ve alınan sinyaller arasında birinci düzeyde ayrım sağlar. İkinci olarak, alınan sinyalde kalan içsel gürültüyü ortadan kaldırmak için ek analog ve dijital sinyal işleme kullanılır. İlk aşamada ayrı bir anten (SAFE'de olduğu gibi), bir hibrit transformatör (aşağıda açıklanmıştır) kullanılabilir;
Müstakil antenlerin sorunu daha önce açıklanmıştır. Sirkülatörler tipik olarak dar bantlıdır çünkü kristalde ferromanyetik rezonans kullanırlar. Bu hibrit teknoloji veya Elektriksel Dengeli İzolasyon (EBI), geniş bant olabilen ve potansiyel olarak bir çip üzerine entegre edilebilen, gelecek vaat eden bir teknolojidir.
Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, akıllı anten ön uç tasarımı, biri gönderme ve diğeri alma için olmak üzere iki dar bant ayarlanabilir anten ve bir çift daha düşük performanslı ancak ayarlanabilir çift yönlü filtre kullanır. Bireysel antenler, yalnızca aralarındaki yayılma kaybı pahasına bir miktar pasif izolasyon sağlamakla kalmaz, aynı zamanda sınırlı (ama ayarlanabilir) anlık bant genişliğine de sahiptir.
Verici anten yalnızca iletim frekansı bandında etkili bir şekilde çalışır ve alıcı anten yalnızca alma frekansı bandında etkili bir şekilde çalışır. Bu durumda antenin kendisi de bir filtre görevi görür: bant dışı Tx emisyonları, verici anten tarafından zayıflatılır ve Tx bandındaki kendi kendine girişim, alıcı anten tarafından zayıflatılır.
Bu nedenle mimari, antenin ayarlanabilir olmasını gerektirir ve bu, bir anten ayarlama ağı kullanılarak elde edilir. Anten ayarlama ağında bazı kaçınılmaz ekleme kayıpları vardır. Ancak MEMS18 ayarlanabilir kapasitörlerdeki son gelişmeler bu cihazların kalitesini önemli ölçüde artırdı ve böylece kayıpları azalttı. Rx ekleme kaybı yaklaşık 3 dB'dir ve bu, SAW duplexer ve anahtarın toplam kayıpları ile karşılaştırılabilir.
Anten bazlı izolasyon daha sonra yine MEM3 ayarlanabilir kapasitörleri temel alan ayarlanabilir bir filtre ile tamamlanarak antenden 25 dB izolasyon ve filtreden 25 dB izolasyon elde edilir. Prototipler bunun başarılabileceğini gösterdi.
Akademik ve endüstrideki birçok araştırma grubu, çift taraflı baskı için hibritlerin kullanımını araştırıyor11-16. Bu şemalar, tek bir antenden eşzamanlı iletim ve alıma izin vererek ancak vericiyi ve alıcıyı izole ederek SI'yı pasif bir şekilde ortadan kaldırır. Doğası gereği geniş bantlı olmaları ve çip üzerinde uygulanabilmeleri, onları mobil cihazlarda frekans çiftlemesi için çekici bir seçenek haline getiriyor.
Son gelişmeler, EBI kullanan FDD alıcı-vericilerinin, hücresel uygulamalara uygun ekleme kaybı, gürültü şekli, alıcı doğrusallığı ve engelleme bastırma özelliklerine sahip CMOS'tan (Tamamlayıcı Metal Oksit Yarı İletken) üretilebileceğini göstermiştir11,12,13. Ancak akademik ve bilimsel literatürdeki çok sayıda örneğin gösterdiği gibi çift yönlü izolasyonu etkileyen temel bir sınırlama vardır.
Bir radyo anteninin empedansı sabit değildir, ancak çalışma frekansına (anten rezonansına bağlı olarak) ve zamana (değişen ortamla etkileşime bağlı olarak) bağlı olarak değişir. Bu, dengeleme empedansının empedans değişikliklerini izlemeye uyum sağlaması gerektiği ve ayırma bant genişliğinin frekans alanındaki13 değişiklikler nedeniyle sınırlı olduğu anlamına gelir (bkz. Şekil 1).
Bristol Üniversitesi'ndeki çalışmalarımız, gerekli gönderme/alma yalıtımı ve aktarım hızının gerçek dünyadaki kullanım durumlarında elde edilebileceğini göstermek için bu performans sınırlamalarını araştırmaya ve ele almaya odaklanmıştır.
Anten empedansı dalgalanmalarının (izolasyonu ciddi şekilde etkileyen) üstesinden gelmek için, uyarlanabilir algoritmamız anten empedansını gerçek zamanlı olarak izler ve testler, performansın kullanıcı eliyle etkileşim ve yüksek hızlı karayolu ve demiryolu dahil olmak üzere çeşitli dinamik ortamlarda korunabileceğini göstermiştir. seyahat.
Ek olarak, frekans alanındaki sınırlı anten eşleşmesinin üstesinden gelmek ve böylece bant genişliğini ve genel izolasyonu arttırmak için, kendi kendine paraziti daha da bastıracak bir bastırma sinyali oluşturmak üzere ikinci bir verici kullanarak, elektriksel olarak dengeli bir duplexer'ı ilave aktif SI bastırmayla birleştiriyoruz. (bkz. Şekil 2).
Test ortamımızdan elde edilen sonuçlar cesaret vericidir: EBD ile birleştirildiğinde aktif teknoloji, Şekil 3'te gösterildiği gibi iletim ve alma izolasyonunu önemli ölçüde iyileştirebilir.
Nihai laboratuvar kurulumumuz, düşük maliyetli mobil cihaz bileşenlerini (cep telefonu güç amplifikatörleri ve antenleri) kullanıyor ve bu da onu cep telefonu uygulamalarını temsil ediyor yapıyor. Üstelik ölçümlerimiz, bu tür iki aşamalı kendi kendine girişim reddinin, düşük maliyetli, ticari sınıf ekipman kullanıldığında bile, yukarı bağlantı ve aşağı bağlantı frekans bantlarında gerekli çift yönlü izolasyonu sağlayabildiğini göstermektedir.
Bir hücresel cihazın maksimum aralığında aldığı sinyal gücü, ilettiği sinyal gücünden 12 kat daha düşük olmalıdır. Zaman Bölmeli Çift Yönlü'de (TDD), çift yönlü devre, anteni vericiye veya alıcıya bağlayan basit bir anahtardır, dolayısıyla TDD'deki çift yönlü basit bir anahtardır. FDD'de verici ve alıcı aynı anda çalışır ve duplexer, alıcıyı vericinin güçlü sinyalinden izole etmek için filtreler kullanır.
Hücresel FDD ön ucundaki duplexer, alıcının Tx sinyalleriyle aşırı yüklenmesini önlemek için uplink bandında >~50 dB izolasyon ve bant dışı iletimi önlemek için downlink bandında >~50 dB izolasyon sağlar. Azaltılmış alıcı hassasiyeti. Rx bandında gönderme ve alma yollarındaki kayıplar minimum düzeydedir.
Frekansların yalnızca yüzde birkaç oranında ayrıldığı bu düşük kayıplı, yüksek izolasyon gereksinimleri, yüksek Q filtrelemeyi gerektirir ve bu, şimdiye kadar yalnızca yüzey akustik dalgası (SAW) veya vücut akustik dalgası (BAW) cihazları kullanılarak elde edilebilir.
Teknoloji, büyük ölçüde gerekli olan çok sayıda cihazdan kaynaklanan ilerlemelerle birlikte gelişmeye devam ederken, çok bantlı çalışma, Şekil A'da gösterildiği gibi her bant için ayrı bir çip dışı çift yönlü filtre anlamına gelir. Tüm anahtarlar ve yönlendiriciler ayrıca ek işlevsellik ekler. performans cezaları ve takaslar.
Mevcut teknolojiye dayalı uygun fiyatlı küresel telefonların üretimi çok zordur. Ortaya çıkan radyo mimarisi çok büyük, kayıplı ve pahalı olacaktır. Üreticilerin, farklı bölgelerde ihtiyaç duyulan farklı bant kombinasyonları için birden fazla ürün çeşidi oluşturması gerekiyor, bu da sınırsız küresel LTE dolaşımını zorlaştırıyor. GSM'nin hakimiyetine yol açan ölçek ekonomilerine ulaşmak giderek zorlaşıyor.
Yüksek veri hızlı mobil hizmetlere olan talebin artması, 4G mobil ağların 50 frekans bandında konuşlandırılmasına yol açtı; 5G tam olarak tanımlanıp geniş çapta dağıtıldıkça daha da fazla bant gelecek. RF arayüzünün karmaşıklığı nedeniyle, mevcut filtre tabanlı teknolojileri kullanarak tüm bunları tek bir cihazda kapsamak mümkün olmadığından, özelleştirilebilir ve yeniden yapılandırılabilir RF devrelerine ihtiyaç duyulmaktadır.
İdeal durumda, çift yönlü problemin çözümü için, ayarlanabilir filtrelere veya kendi kendine müdahaleyi engellemeye veya her ikisinin bir kombinasyonuna dayanan yeni bir yaklaşıma ihtiyaç vardır.
Henüz maliyet, boyut, performans ve verimlilik gibi pek çok talebi karşılayan tek bir yaklaşımımız olmasa da, belki yapbozun parçaları birkaç yıl içinde bir araya gelip cebinizde olacaktır.
SI bastırmalı EBD gibi teknolojiler, aynı frekansı her iki yönde aynı anda kullanma olasılığını ortaya çıkarabilir ve bu da spektral verimliliği önemli ölçüde artırabilir.
Gönderim zamanı: 24 Eylül 2024