نسل پنجم آنتن های موبایل ( 5g )

نسل پنجم شبکه‌های تلفن همراه (5G) یک تحول بزرگ در صنعت ارتباطات بی‌سیم است که امکان انتقال داده‌ها با سرعت و کیفیت بالا، کاهش تأخیر و ایجاد ارتباطات پایدار در سطح گسترده را فراهم می‌کند. این فناوری از اواسط دهه 2010 میلادی توسعه یافت و برای پاسخ به نیازهای روبه‌رشد ارتباطات اینترنتی طراحی شد.

1. توسعه 5G

• شروع توسعه:توسعه رسمی 5G توسط سازمان استانداردسازی 3GPP (نسل سوم همکاری شرکای پروژه) از سال 2015 آغاز شد. استانداردهای اولیه 5G در سال 2018 معرفی شدند و اولین شبکه‌های تجاری آن در سال 2019 راه‌اندازی شدند.
• هدف اصلی:5G با هدف پاسخ‌گویی به تقاضای روزافزون برای سرعت انتقال داده بالاتر، اتصال تعداد بیشتری از دستگاه‌ها و تأمین ارتباطات با تأخیر کم، به‌ویژه در کاربردهایی مانند اینترنت اشیا (IoT)، خودروهای خودران و واقعیت مجازی/افزوده طراحی شد.

2. مزایا و معایب 5G

مزایا:

1. سرعت بالا:
   • سرعت 5G می‌تواند به چندین گیگابیت بر ثانیه برسد که بسیار بیشتر از نسل چهارم (4G) است.
   • امکان دانلود و آپلود فایل‌های حجیم در کمترین زمان.
2. کاهش تأخیر (Latency):
   • تأخیر 5G در حد 1 میلی‌ثانیه است، درحالی‌که در 4G حدود 20 میلی‌ثانیه است. این ویژگی برای کاربردهای حساس مانند جراحی از راه دور یا خودروهای خودران بسیار مهم است.
3. ظرفیت بالای اتصال:
   • 5G توانایی اتصال تعداد زیادی دستگاه در یک منطقه کوچک را دارد که برای شهرهای هوشمند و IoT حیاتی است.
4. پایداری بالا:
   • ارتباطات باکیفیت و بدون قطعی در محیط‌های متراکم شهری.
5. انعطاف‌پذیری در کاربرد:
   • امکان تفکیک شبکه برای کاربردهای مختلف (Network Slicing)؛ مثلاً بخشی از شبکه برای خودروهای خودران و بخشی برای کاربران عادی اختصاص داده شود.

معایب:

1. هزینه بالا:
   • راه‌اندازی زیرساخت‌های 5G بسیار پرهزینه است و نیازمند نصب تعداد زیادی آنتن و تجهیزات جدید است.
2. برد محدود:
   • فرکانس‌های بالای 5G (مانند موج میلی‌متری) دارای برد کوتاه‌تری نسبت به فرکانس‌های پایین‌تر هستند و نیاز به تعداد بیشتری ایستگاه پایه دارند.
3. نفوذپذیری کم:
   • امواج میلی‌متری 5G نمی‌توانند به‌خوبی از موانعی مانند دیوارها عبور کنند.
4. مصرف انرژی بالا:
   • تجهیزات 5G مصرف انرژی بیشتری نسبت به نسل‌های قبلی دارند.
5. نگرانی‌های امنیتی و سلامتی:
   • برخی از افراد نگرانی‌هایی درباره اثرات احتمالی فرکانس‌های بالای 5G بر سلامتی و امنیت داده‌ها دارند.

3. مکانیزم عملکرد 5G

• 5G از طیف‌های فرکانسی مختلفی استفاده می‌کند:
  1. فرکانس پایین (Sub-6 GHz): برای پوشش گسترده و ارتباطات پایدار.
  2. فرکانس بالا (امواج میلی‌متری - mmWave): برای سرعت و ظرفیت بالا در مناطق پرتراکم.
• در 5G از فناوری‌های پیشرفته زیر بهره می‌برند:
  1. MIMO عظیم (Massive MIMO):استفاده از تعداد زیادی آنتن در فرستنده و گیرنده برای افزایش سرعت و کیفیت ارتباط.
  2. Beamforming:جهت‌دهی امواج به سمت دستگاه‌های خاص برای افزایش کارایی و کاهش تداخل.
  3. Carrier Aggregation:ترکیب چندین باند فرکانسی برای افزایش ظرفیت شبکه.
  4. Network Slicing:تقسیم شبکه به بخش‌های مجزا برای کاربردهای مختلف.

4. آنتن‌های 5G:

الف) فرستنده‌ها و گیرنده‌ها:

• آنتن‌های فرستنده و گیرنده 5G به‌شدت بر تکنولوژی MIMO عظیم متکی هستند.
• این آنتن‌ها از چندین المان تشکیل شده‌اند که به‌طور هم‌زمان سیگنال‌ها را ارسال و دریافت می‌کنند.

ب) هندسه آنتن‌ها:

• آنتن‌های ماژولار:ساختار ماژولار برای نصب آسان‌تر در محیط‌های شهری.
• آرایه‌های فازی (Phased Array):این آنتن‌ها برای Beamforming طراحی شده‌اند و امکان جهت‌دهی سیگنال به مناطق خاص را فراهم می‌کنند.
• ابعاد:
  • آنتن‌های 5G در فرکانس‌های بالا بسیار کوچک‌تر از آنتن‌های 4G هستند.
  • برای امواج میلی‌متری، آرایه‌های فازی با صدها المان کوچک استفاده می‌شوند.

ج) معماری شبکه 5G:

• ایستگاه پایه کوچک (Small Cells):برای پوشش‌دهی مناسب در مناطق پرتراکم شهری و جبران برد کوتاه امواج میلی‌متری.
• آنتن‌های ماکرو (Macro Antennas):برای پوشش گسترده در مناطق روستایی.

5. کاربردهای 5G

1. اینترنت اشیا (IoT):اتصال میلیون‌ها دستگاه با یکدیگر.
2. خودروهای خودران:تأمین ارتباط سریع و پایدار بین خودروها.
3. واقعیت مجازی و افزوده (VR/AR):فراهم کردن تجربه‌های بی‌درنگ و واقعی.
4. هوش مصنوعی و رباتیک:افزایش دقت در کاربردهای صنعتی.
5. جراحی از راه دور:فراهم کردن ارتباط با تأخیر کم برای عمل‌های جراحی از راه دور.

طراحی یک نمونه از آنتن میکرواستریپ نسل پنجم

طراحی آنتن میکرواستریپ برای نسل پنجم (5G) از اهمیت بالایی برخوردار است، چراکه این آنتن‌ها کوچک، سبک و قابل‌پیاده‌سازی روی مدارهای چاپی هستند. در ادامه، مراحل طراحی، مشخصات فنی و توضیحات دقیق برای ساخت یک آنتن گیرنده 5G با استفاده از فناوری میکرواستریپ آورده شده است.

1. اصول طراحی آنتن میکرواستریپ 5G

آنتن میکرواستریپ معمولاً شامل یک لایه رسانا (پچ)، یک لایه دی‌الکتریک، و یک صفحه زمین است.

اجزای آنتن:

1. پچ (Patch):
   • رسانای اصلی که امواج الکترومغناطیسی را منتشر یا دریافت می‌کند.
2. لایه دی‌الکتریک:
   • ماده‌ای با ثابت دی‌الکتریک مشخص (εr_rr) که بین پچ و صفحه زمین قرار می‌گیرد.
3. صفحه زمین:
   • یک لایه رسانای بزرگ که عملکرد بازتاب امواج الکترومغناطیسی را بر عهده دارد.

2. مشخصات طراحی نمونه آنتن میکرواستریپ 5G

الف) فرکانس کاری:

• فرکانس: 28 GHz (یکی از باندهای مرسوم برای 5G)
• طول‌موج معادل:  

ب) مشخصات هندسی:

1. طول و عرض پچ:  

• ضخامت لایه دی‌الکتریک:
  • حدود 0.8 تا 1.5 میلی‌متر (به نوع ماده دی‌الکتریک بستگی دارد).

1. طول صفحه زمین:

• برای کاهش تداخل لبه‌ها، طول و عرض صفحه زمین معمولاً کمی بزرگ‌تر از پچ است.

ج) مواد مورد استفاده:

1. پچ و صفحه زمین:
   • ماده: مس (ضخامت: 0.035 میلی‌متر)
2. لایه دی‌الکتریک:
   • ماده: Rogers RT/Duroid 5880 (ثابت دی‌الکتریک εr=2.2ε_r = 2.2εr=2.2، تلفات کم)

د) ورودی و امپدانس:

1. امپدانس ورودی آنتن:
   • Z0=50 Ω  
2. -اتصال تغذیه:
   • خط تغذیه میکرواستریپ با طول و عرض محاسبه‌شده برای تطبیق امپدانس. 

3. مراحل طراحی

الف) محاسبه ابعاد پچ:

1. از روابط فرکانس رزونانس و ثابت دی‌الکتریک

ب) طراحی خط تغذیه:

• خط تغذیه میکرواستریپ باید تطبیق امپدانس   50 Ω   داشته باشد.
• عرض خط تغذیه (W_f) از فرمول زیر محاسبه می‌شود .

ج) شبیه‌سازی:

• نرم‌افزارهایی مانند HFSS، CST Studio Suite یا ADS برای شبیه‌سازی و بهینه‌سازی عملکرد آنتن.

د) ساخت:

• استفاده از فناوری مدار چاپی (PCB) برای ساخت آنتن.
• فرآیندهایی شامل حکاکی، لایه‌گذاری دی‌الکتریک و آبکاری مس.

4. مشخصات نهایی نمونه آنتن

5. عملکرد آنتن

• بهره (Gain): حدود 8−10  dB برای امواج میلی‌متری.
• پهنای باند: حدود 2−5  GHz بسته به طراحی.
• تابعیت قطبی: خطی یا دایروی (بسته به نیاز طراحی).
• نمودار تشعشع: الگوی تشعشع جهت‌دار (برای افزایش کارایی).

6. معایب و بهینه‌سازی

1. حساسیت به ضخامت دی‌الکتریک:
   • تغییر در ضخامت باعث تغییر فرکانس رزونانس می‌شود.
2. پهنای باند محدود:
   • استفاده از روش‌های بهینه‌سازی مانند آنتن‌های آرایه‌ای برای بهبود پهنای باند.