طراحی و ساخت پراب اندازهگیری و پایش پیوسته شدت تشعشعات میدان های الکتریکی در اولین پایلوت نسل پنجم شبکه های ارتباطی ایران
الموضوعات :رضا بحری 1 , مهدی فسنقری 2 , احمدرضا اسکندری 3 , وحید یزدانیان 4
1 - پژوهشگاه ارتباطات و فناوری اطلاعات
2 - پژوهشگاه ارتباطات و فناوری اطلاعات (مرکز تحقیقات مخابرات ایران)
3 - دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران شرق
4 - پژوهشگاه ارتباطات و فناوری اطلاعات
الکلمات المفتاحية: پرابِ الکتریکی, 5G, آشکارسازِ توان, رنج دینامیکی, پایلوت نسل پنجم شبکه های ارتباطی,
ملخص المقالة :
در این مقاله، وسیلهای برای اندازهگیری شدت میدانهای الکتریکی موجود در محیط، در باند فرکانسی 5G شامل بازه فرکانسی 3400~3600 MHz، طراحی و ارائه میگردد. این وسیله که همان پراب الکتریکیِ 5G نامیده میشود، با استفاده از سه آنتن عمود برهم، به همراه مدارات فیلتر و آشکارسازِ توان، پیاده سازی میگردد. آنتنِ پیشنهادی یک آنتن تک-قطبیِ نواری بوده که این آنتنها در سه جهت عمود بر هم، قادر هستند میدانهای الکتریکی را در همه جهات بصورت یکنواخت و همسانگرد دریافت کنند. فیلترِ پیشنهادی از نوع فیلتر دو خط کوپل-شده مایکرواستریپ میباشد که توانایی حذف سیگنالهای خارج از باند را دارا میباشد. آشکارساز توانِ پیشنهادی، قادر است در رنج دینامیکی وسیعی، بصورت خطی عمل کرده و میدانهای دریافتی از بخش آنتن و فیلتر را به ولتاژهای مناسب جهت پردازش تبدیل کند. در نهایت، پرابِ طراحی شده ساخته میشود. اندازهگیریها، عملکرد مناسبِ پراب را از نظر رنج دینامیکی، دقت، حساسیت و میزان خطی بودن و ایزوتروپیک بودن میدانهای الکتریکیِ دریافتی، تأیید مینماید.
[1] S. i. Kwak, B. C. Kim, and H. D. Choi, “Analysis of isotropic deviation of the electric-fields probe in the personal exposure measurement meter," ICTC 2012, 235-237, Oct. 2012.
[2] S. i. Kwak, J. H. Kwon and Y. J. Yoon, "Experimental Results of an E-Field Probe Using Variable Resistors to Improve Performance," in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 15, pp. 1369-1372, 2016.
[3] S. I. Kwak, J. H. Kwon and Y. J. Yoon, "Design of the E-field probe for mobile communication bands in the personal exposure meter," The 18th IEEE International Symposium on Consumer Electronics (ISCE 2014), Jeju, Korea (South), 2014, pp. 1-2.
[4] S. I. Kwak, J. H. Kwon and Y. J. Yoon, "Design of the E-field probe with variable resistors," 2014 International Symposium on Antennas and Propagation Conference Proceedings, Kaohsiung, Taiwan, 2014, pp. 353-354.
[5] S. I. Kwak, B. C. Kim, H. D. Choi, and Y.J. Yoon, “Design of the electric-fields probe in the personal exposure meter,” PIERS Proceedings, Stockholm, Sweden, Aug. 12-15, 2013.
[6] E. S. Pires, P. I. L. Ferreira, G. Fontgalland, M. A. B. de Melo, R. M. Valle and T. P. Vuong, "Design of a UWB antenna for sensor and wireless systems applications," 2008 IEEE International Conference on Ultra-Wideband, Hannover, Germany, 2008, pp. 185-188.
[7] M. Kanda, "Standard probes for electromagnetic field measurements," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 41, no. 10, pp. 1349-1364, Oct. 1993.
[8] X. Zhang and B. Huang, "The design of the elliptic monopole omnidirectional antenna," 2017 Sixth Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP), Xi'an, China, 2017, pp. 1-3.
[9] R.A. Sadeghzadeh, M.A. Honarvar, A.R. Eskandari, “Coplanar-fed UWB elliptical patch antenna with notched band characteristics,” Progress In Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Xi’an, China, March 22–26, 2010.
[10] M. N. Hasan and M. Seo, "A Planar 3.4 -9 GHz UWB Monopole Antenna," 2018 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP), Busan, Korea (South), 2018, pp. 1-2.
[11] C. Li, X. Zhu, P. Liu and C. Yu, "Novel wideband omnidirectional monopole antenna for indoor communication environment," 12th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2018), London, UK, 2018, pp. 1-3.
[12] M. Arrawatia, M. S. Baghini and G. Kumar, "Broadband omnidirectional antenna for GSM900, GSM1800, 3G, 4G and Wi-Fi applications," 2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, San Diego, CA, USA, 2017, pp. 329-330.
[13] L. Zhao, Z. Chen and J. Wang, "A Wideband Dual-Polarized Omnidirectional Antenna for 5G/WLAN," in IEEE Access, vol. 7, pp. 14266-14272, 2019.
[14] J. Xie, Y. Gao and C. Y. Xia, "A design of three-band monopole antenna applied to 4G/5G," 2020 International Conference on Computer Communication and Network Security (CCNS), Xi'an, China, 2020, pp. 99-103.
[15] N. N. Al-Areqi, N. Seman and T. A. Rahman, "Parallel-coupled line bandpass filter design using different substrates for fifth generation wireless communication applications," 2015 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP), Hobart, TAS, Australia, 2015, pp. 1-4.
[16] Y. Guan, Y. Wu and M. M. Tentzeris, "A Bidirectional Absorptive Common-Mode Filter Based on Interdigitated Microstrip Coupled Lines for 5G “Green” Communications," in IEEE Access, vol. 8, pp. 20759-20769, 2020.
[17] W. Zhang, K. Ma, H. Zhang and H. Fu, "Design of a Compact SISL BPF With SEMCP for 5G Sub-6 GHz Bands," in IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 30, no. 12, pp. 1121-1124.
[18] S. Lookian and A.R. Eskandari, “A compact balanced filter with quadruple-mode resonators for UWB application”, Journal of Instrumentation 15 (07), P07003, 2020.
[19] Y. I. A. Al-Yasir, N. OjaroudiParchin, A. Abdulkhaleq, K. Hameed, M. Al-Sadoon and R. Abd-Alhameed, "Design, Simulation and Implementation of Very Compact Dual-band Microstrip Bandpass Filter for 4G and 5G Applications," 2019 16th International Conference on Synthesis, Modeling, Analysis and Simulation Methods and Applications to Circuit Design (SMACD), Lausanne, Switzerland, 2019, pp. 41-44.
[20] David M. Pozar, Microwave Engineering, 4th Edition, Wiley, 2011.
دو فصلنامه علمي فناوري اطلاعات و ارتباطات ایران | سال چهاردهم، شماره‌هاي 53 و54، پاییز و زمستان 1401 صفحات:190تا 199 |
|
Design and Fabrication of E-field Probe for Measuring and Continuous Monitoring at the First 5G Pilot
Reza Bahri*, Mehdi Fasnaghari**, Ahmad Reza Eskandari ***, Vahid Yazdanian**
* *Academic staff member, Research Institute of Communication and Information Technology, Tehran, Iran
**Assistant Professor, ICT Research Institute (ITRC), Tehran, Iran
***Ph.D., Islamic Azad University, Tehran East Branch, Department of Electrical Engineering
Abstract:
In this paper, a device for measuring the electric fields intensity in the environment is designed and presented in the 5G frequency band, including the frequency range of 3400 ~ 3600 MHz. This device, called the 5G electric probe, is realized by three orthogonal antennas, in connection to filter circuits and power detectors. The proposed antenna is a strip monopole antenna, and these orthogonal antennas can receive the electric fields in all directions uniformly and isotropically. The proposed filter is a coupled-line microstrip filter that has the ability to remove out-of-band signals. The proposed power detector is able to operate linearly over a wide dynamic range and convert the fields received from the antenna and filter sections to suitable DC voltages for digital processing. Finally, the designed 5G electric probe is fabricated and tested. The measurements confirm the proper operation of the probe in terms of dynamic range, accuracy, sensitivity, and the linearity and isotropicity of the received electric fields.
Keywords: Electric probe, 5G, power detector, dynamic range.
طراحی و ساخت پراب اندازهگیری و پایش پیوسته شدت تشعشعات میدانهای الکتریکی در اولین پایلوت نسل پنجم شبکههای ارتباطی ایران
رضا بحری* ، مهدی فسنقری** احمدرضا اسکندری*** ،وحید یزدانیان**
* عضو هیات علمی، پژوهشگاه ارتباطات و فناوری اطلاعات، تهران، ایران
** استادیار، پژوهشگاه ارتباطات و فناوری اطلاعات، تهران، ایران
***دکترا، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران شرق، گروه مهندسی برق
تاریخ دریافت: 19/04/1400 تاریخ پذیرش: 07/11/1400
نوع مقاله: پژوهشی
چكیده
در این مقاله ابزاری برای اندازهگیری شدت میدانهای الکتریکی موجود در محیط، در باند فرکانسی 5G شامل بازه فرکانسی 3400 تا 3600 مگاهرتز، طراحی و ارائه میگردد. این وسیله که همان پراب الکتریکیِ 5G نامیده میشود، با استفاده از سه آنتن عمود برهم، به همراه مدارات فیلتر و آشکارسازِ توان، پیاده سازی میگردد. آنتنِ پیشنهادی یک آنتن تک-قطبیِ نواری بوده که این آنتنها در سه جهت عمود بر هم، قادر هستند میدانهای الکتریکی را در همه جهات بصورت یکنواخت و همسانگرد دریافت کنند. فیلترِ پیشنهادی از نوع فیلتر دو خط کوپل-شده مایکرواستریپ میباشد که توانایی حذف سیگنالهای خارج از باند را دارا میباشد. آشکارساز توانِ پیشنهادی، قادر است در رنج دینامیکی وسیعی، بصورت خطی عمل کرده و میدانهای دریافتی از بخش آنتن و فیلتر را به ولتاژهای مناسب جهت پردازش تبدیل کند. در نهایت، پرابِ طراحی شده ساخته میشود. اندازهگیریها، عملکرد مناسبِ پراب را از نظر رنج دینامیکی، دقت، حساسیت و میزان خطی بودن و ایزوتروپیک بودن میدانهای الکتریکیِ دریافتی، تأیید مینماید.
واژگان کلیدی: پرابِ الکتریکی، 5G ، آشکارسازِ توان، رنج دینامیکی، پایلوت نسل پنجم شبکه های ارتباطی
1. مقدمه
امروزه با گسترش روز افزون شبکههای ارتباطی و به تبع آن شبکههای رادیویی، موضوع تشعشعات الکترومغناطیسی به عنوان یکی از دغدغههای جدی شهروندان مطرح شده است. ابزار پایش و اندازهگیری شدت تشعشعات ناشی از دکلها و سیستمهای مخابراتی، سامانههای اندازهگیری تجمعی شدت تشعشعات الکترومغناطیسی هستند. دغدغه بهداشت تشعشعات به عنوان یکی از اصول بنیادین حقوق شهروندی مورد توجه دولتها و نهادهای رگولاتوری بوده و بر همین اساس کمیسیون بین المللی حفاظت در برابر پرتوهای غیریونساز (ICNIRP) و همچنین استاندارد 1ملی ایران به شماره ۸۵۶۷ به منظور پایش تشعشعات تجهیزات رادیویی مطابق حدود استاندارد تشعشعات مورد توجه قرار گرفته است. لذا نیاز به سامانه عملیاتی که این پایش مستمر را انجام دهد نیز به عنوان اولین گام در رعایت بهداشت تشعشعات الزامی میباشد. با ظهور فناوری های نوین ارتباطات سلولی نظیر نسل های پنجم و ششم که باعث چگالتر شدن شبکه در سطح شهرها و محلههای مسکونی، دغدغه تشعشعات الکترومغناطیسی بیش از پیش مورد توجه خواهد بود. با توحه به راه اندازی اولین پایلوت نسل پنجم شبکههای ارتباطی کشور در پژوهشگاه ارتباطات و فناوری اطلاعات (مرکز تحقیقات مخابرات ایران) و با در نظر گرفتن تجربیات گذشته در طراحی و ساخت سامانه های اندازه گیری تجمعی شدت تشعشعات رادیویی، پراب الکتریکی نسل پنجم شبکه های ارتباطی طراحی، شبیه سازی و ساخته شد.
در یک نگاه کلان سازگاری الکترومغناطیسی به سیستمی اطلاق می شود که علاوه بر اینکه باعث تداخل در دیگر سیستم های نمی شود (EMI) بلکه تاثیرپذیری الکترومغناطیسی (EMS) نیز ندارد. از این‌رو استانداردهایی در جهت تعیین حداکثر میزان تشعشعات الکترومغناطیسی وسایل الکتریکی و الکترونیکی نگارش شدهاند.
پراب های میدان نزدیک الکتریکی و مغناطیسی و همچنین پراب های مماسی از جدیدترین پژوهش های ارائه شده در این حوزه است [1]-[3].
در همین راستا و همگام با تدوین استانداردها، وسایلی جهت اندازهگیری میزان این تشعشعات (در جهت اجرای استانداردها) طراحی و ساخته شدهاند [4]-[10].
در اندازه‌گيری میدانهای الکترومغناطیسی، سنسورهایی که برای اندازهگیری شدت میدانهای الکترومغناطیسی بکار می‌روند، به پرابهای الکترومغناطیسی معروف هستند. میدانهای الکترومغناطیسی در ناحیه میدانهای دور، با استفاده از سنسورهایی اندازهگیری میشوند که مؤلفههای میدان الکتریکی یا میدان مغناطیسی را آشکار میکنند. در این میدانهای دور، میدان الکترومغناطیسی عرضی بوده و رابطه بین میدانهای الکتریکی و مغناطیسی ثابت و مستقل از فرکانس است و با داشتن یکی، دیگری قابل محاسبه خواهد بود. در چنین شرایطی، یکی از انواع این سنسورها را میتوان برای تعیین شدت هر دو میدان استفاده نمود، که معمولاً این سنسور پراب میدان الکتریکی میباشد [8]، [9].
پرابهای الکتریکیِ ارائه شده در تحقیقات اخیر، در بازههای فرکانسی پهن باندی که معمولا از فرکانسهای زیر 1 گیگا هرتز شروع شده و بعضاً تا بالای 20 گیگا هرتز میباشد، اندازهگیری میدانهای الکتریکی را انجام میدهند. این پرابها از سه بخش اساسی تشکیل شدهاند که عبارتند از: آنتن دایپل الکتریکی، دیود آشکارساز و خط انتقال مقاومتی [6]، [7]. هنوز پرابی گزارش نشده است که بطور خاص قابلیت دریافت و اندازهگیری باند فرکانسیِ جدید 5G را دارا باشد.
در این مقاله، به طراحی و ساخت پراب الکتریکی 5G ارائه میشود. هر چند که هنوز باند فرکانسی مربوط به 5G در نهادهای استانداردگذاری و رگولاتوری معتبر بینالمللی بطور دقیق مشخص نشده است اما بر اساس مطالعات انجام شده بیش از 70 درصد از ایستگاههای راه اندازی شده در دنیا در بازه فرکانسی بین 1 تا 6 گیگاهرتز و بطور دقیقتر در بازه 3400 تا 3600 مگاهرتز هستند. بر همین اساس پراب مورد نظر در این مقاله، باند فرکانسی مخابرات سیار 5G شامل 3400 تا 3600 مگاهرتز را در برگرفته، و با استفاده از سه آنتن عمود برهم به همراه مدارات فیلتر و آشکارساز پیاده سازی میگردد. بر این اساس، در بخش دوم این مقاله، بلوک دیاگرام کلی پراب ارائه شده و به دنبال آن، در بخش سوم به طراحی و ساخت سه بخش اجزای پراب، پرداخته میشود. در نهایت، مجموعه کلِ پراب ساخته میشود و پارامترهای آن اندازهگیری میگردد. اندازهگیریهایِ انجام شده، عملکرد مناسبِ پراب را از نظر رنج دینامیکی، دقت، حساسیت و میزان خطیبودن و ایزوتروپیک بودن میدانهای الکتریکیِ دریافتی، تأیید مینماید. هر چند که تشعشعات الکتریکی در فضای آزاد صرفا مربوط به نسل پنجم شبکههای ارتباطی نیستند و در حال حاضر فناوریهای سلولی دیگر نظیر 2G، 3G و 4G نیز در حال ارائه خدمات به کاربران هستند، لذا برای بررسی همه جانبه اثرات تجمعی تشعشعات نیازمند طراحی و ساخت پرابهای متناسب با هر فناوری میباشد. این نوع پرابها در گذشته توسط پژوهشگران مختلف طراحی و ساخته شده است و با ظهور و بروز فناوریهای نوین لازم است تا پرابهای متناسب با باند فرکانسی آنها نیز طراحی و ساخته شوند. لذا این مقاله صرفاً به طراحی، ساخت و اندازهگیری با پراب نسل پنجم ارتباطی میپردازد.
2. طرح پیشنهادی پراب الکتریکی نسل پنجم
طرح پیشنهادی پراب دریافت کننده تشعشعات امواج رادیویی در باند فرکانسی 5G ، شامل بازه‌ی فرکانسی 3400 تا 3600 مگاهرتز، در شکل1 ملاحظه میگردد. همانطور که این شکل نشان میدهد این ساختار از سه بخش اساسی تشکیل شده است که عبارتند از آنتن، فیلتر میان‌گذر و آشکارساز توان. آنتن، میدانهای الکتریکی را که در باند فرکانسی 5G (یا همان بازه فرکانسی 3400 تا 3600 مگاهرتز) هست دریافت کرده، سپس فیلتر سیگنالهایی را که در خارج از این باند فرکانسی قرار گرفتهاند، حذف میکند و در نهایت به کمک آشکارساز توان این میدانها تبدیل به ولتاژ DC شده و به کمک سیمهای انتقال برای پردازش به بخش دیجیتال ارسال میگردد.
شكل1 . بلوک دیاگرام کلی مربوط به طرح پیشنهادی پراب 5G
پراب الکتریکی که وظیفه دریافت امواج الکتریکی در فضای آزاد را دارد بر روی یک دستگاه پایه اندازه گیر نصب میشود. در شکل 2 بلوك‌دياگرام دستگاه پایه اندازه‌گيري پرتوهای الکتریکی نمايش داده شده است. توان پرتوهاي الکتریکی از طريق پراب اندازه‌گيري مي‌شود و به بخش پردازش (Processor) ارسال مي‌شود. بخش پردازش میانگین اندازه‌گيريها را در بازه مناسب ذخيره مي‌نمايد. همچنين كليه بخش‌ها توسط بخش پردازش كنترل مي‌شوند. ارتباط بخش پردازش با بيرون از طريق USB، كارت SD، و مودم شبكه سلولي مي‌باشد. وظيفه مودم كه هم از نسل دوم GSM/GPRS و هم از نسل سوم 3G پشتيباني مي‌نمايد، برقراري ارتباط دستگاه با مركز كنترل مي‌باشد. در واقع مركز كنترل، اطلاعات همه دستگاههاي اندازه‌گيري يك منطقه جغرافيايي را جمع‌آوري مي‌كند و فرامين كنترلي لازم را براي آنها ارسال مي‌نمايد. همچنين، بخش مودم، داراي GPS نيز مي‌باشد كه موقعيت دستگاه را با استفاده از سيستم ماهواره اي GPS، ثبت مي‌نمايد. يك ميكروسوييچ نيز براي تشخيص و هشدار باز بودن دستگاه قرار داده شده است. در بخش تامين توان، دو راه‌كار تغذيه از طريق برق شهر و تغذيه از طريق انرژي خورشيدي پيش‌بيني شده است.
شكل2 . طرح كلي دستگاه پایه اندازه‌گير پرتوهاي الکتریکی
3. طراحی اجزای پراب الکتریکی نسل پنجم
مهمترین چالش‌های موجود در روند طراحی، دریافت میدانها در باند فرکانسی 5G ، تفکیک این باند از کل بازه فرکانسی و در نهایت آشکارسازی مناسب میباشد. بنابراین ملاحظاتی در طراحی آنتن و فیلتر و انتخاب آشکارساز توان مورد نیاز است که باید مد نظر قرار گیرند.
3.1 طراحی و ساخت آنتن
آنتنهای متعددی با ساختارهای مختلف برای دریافت باند فرکانسی 5G مورد بررسی قرار گرفتهاند [11]-[17]. در اینجا، ساختار این نوع آنتن به گونه‌ای است که از یک شاخه آنتن نواری تک-قطبی تشکیل شده است، بطوری‌که طول این شاخه در مرکز باند فرکانسی (یعنی MHz 3500 f0=) برابر ربع طول موج میباشد. این آنتن در نرم‌افزار HFSS شبیهسازی شده و در شکل3 نشان داده شده است. ابعاد این آنتن بعد از بهینه‌سازی در شکل4(الف) مشاهده میگردد. این آنتن پس از طراحی، شبیه سازی، ساخت و اندازه گیری در شکل4(ب) ملاحظه میگردد.
نتایج حاصل از شبیهسازی و اندازه‌گیریِ پارامتر افت بازگشتی این آنتن، در شکل6 مقایسه شده است. تطابق قابل قبول این دو نتیجه، صحت طراحی را تأیید مینماید. همچنین الگوی تشعشعی آنتن در صفحه yz (به ازای 0 φ=) که در شکل6 نشان داده شده است، بیانگر دریافت تقریبا همه جهته و ایزوتروپیک بودن این آنتن میباشد. اندازهگیری افت بازگشتی آنتن توسط دستگاه Agilent network analyzer N5230A انجام شده است که در آزمایشگاههای پژوهشگاه موجود است. بر روی نتایج بدست آمده، از طرفی برازش منحنی) انجام شده است، به همین دلیل با نتایجِ عددیِ خام که مستقیماً از اندازه گیری بدست آمده است، کمی متفاوت میباشد. بهره ماکزیمم آنتن حدود 3dBi می باشد که مشابه آنتنهای Omni می باشد.
به دلیل اینکه در کاربرد مورد نظر، جهتدهی و بهره آنتن اهمیتی نداشته و مهم omni بودن آن است، به بهره آنتن پرداخته نشده است. هرچند برای محاسبه توان رسیده به آنتن، بهره آنتن هم نیاز هست، ولی در اینجا ولتاژ خروجی آشکارساز توان، بیانگر توان دریافتیِ آنتن می باشد. این ولتاژ در اتاق آنتن به ازای فرکانس های مختلف به گونه ای کالیبره میشود که در نهایت خروجی دستگاه، معادل توان دریافتی آنتن باشد. در واقع با وجود اینکه آنتن ایزوتروپیک نیست، ولی به کمک کالیبراسیون، در نهایت خروجی ایزوتروپیک تحویل میدهد.
شكل3 . آنتن طراحی و شبیهسازی شده در نرم‌افزار HFSS
شكل4 . (الف) طرح نهایی آنتن ساخته شده و نمایش ابعاد آنتن
(ب) نمونه ساخته شده‌ی آنتن.
شكل5 . مقایسه نتایج شبیهسازی و اندازهگیری مربوط به پاسخ فرکانسیِ افت بازگشتی آنتن
شكل6 . نتایج اندازهگیری الگوی تشعشعی آنتن در فرکانس 5/3 گیگا هرتز
3.2 طراحی و ساخت فیلتر میان‌گذر باند 5G
همانطور که اشاره شد یکی از بخش‌های اصلی پراب، فیلتر میان‌گذر در باند فرکانسی 5G میباشد. این فیلتر باید بنحوی عمل کند که سیگنالهایی که در بازه فرکانسی 3400 تا 3600 مگاهرتز قرار گرفته را عبور داده و سیگنالهای خارجِ باند را با افت مناسبی حذف نماید. برای حذفِ مناسب سیگنالهای خارجِ باند، درجه فیلتر برابر با 5 انتخاب میشود. همچنین فیلتر مناسب برای این کار یک فیلتر میان‌گذرِ باند-باریک با فناوری مایکرواستریپ و از نوع فیلتر دوخط-کوپل‌شده2 انتخاب شده است، که به اختصار به آن فیلتر CLM گفته میشود. این فیلتر در تحقیقات اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است [18]-[21]. زیرلایه مورد نظر برای ساخت این فیلتر ROG4003 در نظر گرفته شده است. بر این اساس، میتوان مشخصات فیلتر مورد نیاز را در جدول1 خلاصه نمود.
جدول1. مشخصات فیلتر CLM مربوط به پراب 5G
درجه فیلتر | 5 |
فرکانس مرکزی | 3500 MHz |
پهنای باند | 200 MHz (7/5%) |
نوع فیلتر | CLM |
تکنولوژی ساخت | مایکرواستریپ |
زیرلایه | RO4003 (εr=55/3) |
ضخامت زیرلایه | h=8/0 mm |
یک فیلتر CLM از اتصال N+1 جفت خط کوپل شده ساخته میشود که N درجه فیلتر میباشد. ساختار فیلتر CLM در شکل6 نشان داده شده است. روابط طراحی مربوط به این نوع فیلتر به شرح ذیل است [22]:
(1) 
(2) 
(3) 
در این روابط، Z0، امپدانس مشخصه خط انتقال تغذیه، Δ، پهنای باند نسبی، gn ها، مقادیر نرمالیزه المان‌های فیلتر پایین‌گذرِ نمونه، و Jn ها، ادمیتانس مشخصه معکوس‌کننده‌های J میباشد. به کمک Jn ها میتوان امپدانس مشخصه مود زوج (Z0e) و امپدانس مشخصه مود فرد (Z0o) مربوط به هر جفت خط کوپل‌شده را از روابط زیر بدست آورد:
(4) 
(5) 
شكل7 . ساختار کلی یک فیلتر CLM
با توجه به اینکه درجه فیلتر5 N= انتخاب شده است، به یک فیلتر با 6 جفت خط کوپل‌شده نیاز میباشد. بنابراین، بر اساس مشخصات فیلتر و روابط طراحی (1) تا (5)، ابتدا Z0e و Z0o برای 6 جفت خط کوپل‌شده محاسبه شده، سپس با توجه به مشخصات زیرلایه، ابعاد نهایی فیلتر (طول، عرض و فاصله خطوط) محاسبه میگردد. شبیهسازی این فیلتر در نرم افزار HFSS انجام شده و پارامترهای هندسی این ساختار برای رسیدن به مشخصات موردنیاز، بهینه سازی شده است. مقادیر بهینه‌شده این پارامترها در جدول2 ملاحظه میشود. در این جدول، به دلیل تقارن فیلتر، پارامترهای سه بخش از مدار (نیم مدار) ارائه شده است. طرح نهایی این فیلتر که در شکل8 ملاحظه میگردد، ساخته شده و توسط دستگاه تحلیلگر شبکه، پارامترهای پراکندگی آن، اندازهگیری میشود. شکل9 نتایج شبیهسازی و اندازهگیری فیلتر CLM را نشان میدهد. همانطور که در شکل ملاحظه میشود، تطابق خوبی بین نتایج شبیهسازی و نتایج اندازهگیری وجود دارد که صحت طراحی را تأیید میکند. این اختلافات در اثر اتصالات کانکتورها و لحیم کاری در ساخت ایجاد شده است که در شبیهسازی در نظر گرفته نشده است.
جدول2. مقادیر بهینه شده مربوط به پارامترهای فیلتر CLM
n | Z0e (Ω) | Z0o (Ω) | l (mm) | w(mm) | s(mm) |
1 | 2/73 | 7/38 | 95/12 | 24/1 | 18/0 |
2 | 9/54 | 8/45 | 13 | 65/1 | 08/1 |
3 | 3/53 | 1/47 | 85/12 | 79/1 | 32/1 |
شكل8 . طرح نهایی فیلتر CLM
شكل9 . مقایسه نتایج شبیهسازی و اندازهگیری فیلتر CLM
3.3 انتخاب آشکارساز توان مناسب
بعد از دریافت سیگنال توسط آنتن و فیلتر شدن آنها، نیاز به آشکارساز مناسبی است که سیگنال RF را به یک سیگنال DC تبدیل نماید. آشکارساز انتخاب شده یک IC از شرکت ANALOG DEVICES با نام تجاری ADL5906 موجود است. مشخصات پایه‌های این IC به همراه مدار جانبی پیشنهادی آن در شکل10 مشاهده میگردد. این آشکارساز در بازه فرکانسی 10 مگاهرتز تا 10 گیگا هرتز عملکرد خوبی داشته و همانطور که شکل10 نشان میدهد در باند فرکانسی 5G به ازای توانهای ورودی dBm 60- تا dBm 5+ بصورت خطی عمل کرده و بنابراین دارای رنج دینامیکیِ حدود dB 65 میباشد و می‌تواند عملکرد خوبی در پرابِ مورد نظر ایجاد کند. بطورکلی، علت این انتخاب، بازه فرکانسی و رنج دینامیکی قابل قبول این محصول میباشد.
شكل10 . مدار داخلی آشکارساز ADL5906 به همراه نمایش پایه‌ها و مدارات پیشنهادی جانبی
شكل11 . منحنی‌های ولتاژ خروجی ایجاد شده توسط ADL5906 بر حسب توانهای ورودی دریافتی به ازای فرکانسهای مختلف در دمای 25 درجه سانتیگراد
همانطور که در شکل 11 نشان داده شده است، حساسیتِ ADL5906 و رنج دینامیکی آن در پهنای باند فرکانسی 3400 تا 3600 مگاهرتز تقریبا ثابت میباشد.
4. نتایج نهایی ساخت و اندازهگیری
پس از طراحی و تأیید صحت عملکرد هر سه بخشِ مربوط به پراب 5G ، باید بتوان این سه بخش را در اتصال با هم و در کمترین فضای ممکن، قرار داد. طرح نهایی مربوط به آنتن، فیلتر و آشکارساز توان در شکل12 نشان داده شده است. در این شکل، محل اتصال آنتن، مدار مایکرواستریپی فیلتر CLM، و محل تعبیه IC مربوط به آشکارساز به همراه مدارات جانبی آن مشاهده میگردد. فیلتر به همراه آشکارساز بر روی یک بردِ مربعی- شکل به ابعاد 55*55 mm2 جای گرفته است و آنتنِ نواری در قسمت پشتِ برد و بصورت عمود بر برد قرار گرفته و در محل اتصال، لحیم میگردد. بدین ترتیب این مجموعه ساخته شده و توانایی دریافت میدانهای الکتریکی باند مخابرات سیار 5G را دارا میباشد.
شكل12 . طرح نهایی ساخته شده مربوط به پراب 5G
مجموعه ساختهشده، فقط در جهت یک محور، توانایی دریافت تشعشعات الکترومغناطیسی را دارا میباشد. برای اندازهگیری میدان الکتریکیِ کل، باید میدان الکتریکی در سه جهت عمود بر هم اندازهگیری شود. در واقع، براي ایزوتروپیک (همسانگرد) بودن پراب، اندازه‌گيري در سه محور X، Y، و Z انجام مي‌شود. به جز جهت آنتن، ساختار دريافت سيگنال در سه محور يكسان است. به عبارت دیگر هر پروب الکتریکیِ 5G از سه آنتن عمود بر هم تشکیل شده است که در شکل13 مشاهده میگردد و هر کدام بطور جداگانه از مدارهای فیلتر و آشکارساز توان برخوردار هستند. این مجموعه داخل یک محفظه مکعبی شکل قرار میگیرد.
شكل13 . چیدمانِ سه آنتن عمود بر هم برای دریافت ایزوتروپیک میدانها
در نهایت ساختار کلی پراب، در شکل14 مشاهده میگردد. آنتنها در محفظه ای قرار میگیرند که از جنس ABS میباشد. همچنین بردهای مربوط به مدارهای فیلترها و آشکارساز توان هر کدام در یک وجه مکعب قرار می گیرند. بدین ترتیب سه وجه عمود بر هم مکعب نشان داده شده در شکل14، سه محور پروب را شامل میشوند. خروجی هر محور بعد از آشکارساز به کمک سیمهای انتقال به سمت بخش دیجیتال جهت پردازش انتقال داده میشود.
این سیمهای انتقالِ مربوط به هر محور از پروب، در دسته پروب قرار میگیرد. جنس دسته پروب از PVC است. در انتهای دسته پروب یک کانکتور قرار گفته است، که برای انتقال سیگنال و تغذیه، بین پروب و بخش پایه سامانه اندازهگیری، استفاده میشود. در راستای بهبود عملکرد پروب در دماهای مختلف، از یک حسگر دمایی در قسمت دسته پروب کمک گرفته میشود. این حسگر دمایی بر روی یکی از محورهای پروب قرار گرفته است. از دمای اندازهگیری شده برای تصحیح خطای (انحراف) ناشی از تغییرات دمایی، مورد استفاده قرار میگیرد.
شكل14 . ساختار کلی پراب 5G
در نهایت، پرابِ طراحی شده، ساخته شد که تصویر آن در اتاق آنتن در شکل15 مشاهده میگردد.
اندازهگیریها و کالیبراسیونِ کامل این پراب در اتاق آنتن انجام میگیرد. از جمله مهمترین تستها، اندازهگیری میزان خطی بودنِ3 پراب و محاسبه رنج دینامیکی آن میباشد. این تست در اتاق آنتن در فرکانس 3500 مگا هرتز انجام شده است. به این ترتیب که، به کمک یک مولد سیگنال و تقویت کننده، توانِ ورودی به آنتنِ فرستنده در اتاق آنتن از 0dBm تا 55dBm تغییر میکند، و ولتاژ خروجیِ دریافت شده توسط آشکار ساز ADL5906، توسط ولتمتر اندازهگیری میشود.
نتایج این اندازهگیری در شکل 16 ملاحظه میشود. همانطور که شکل 16 نشان میدهد، با افزایش توان ورودی، ولتاژ خروجی هم بصورت خطی افزایش مییابد و با توجه به شکل، رنج دینامیکی حدود 50dB برای این اندازهگیری قابل ملاحظه میباشد.
در نهایت، عملکرد این پراب پس از کالیبراسیون، از نظر باند فرکانسی میدانها، بازه اندازهگیری شدت میدانهای الکتریکی، رنج دینامیکی، حساسیت، دقت، میزان خطیبودن و ایزوتروپیک بودن میدانها، مورد بررسی و اندازهگیری قرار گرفته است که نتایج آن در جدول3 ملاحظه میشود. نتایج اندازهگیری با نتایج حاصل از محصول شرکت Wavecontrol مقایسه شده است.
جدول3. نتایج اندازهگیری پراب 5G
نوع پراب | پراب پیشنهادیِ مقاله | پرابِ Wavecontrol |
باند فرکانسی | 5G (3400~3600 MHz) | GSM900 GSM1800 3G2100 & 4G |
بازه اندازهگیری شدت میدان الکتریکی | 2/0 - 65 V/m |
04/0- 65 V/m
|
رنج دینامیکی | 50 dB | 64 dB |
حساسیت | 2/0 V/m | 2/0 V/m |
دقت | 5/0 dB | 5/0 dB |
میزان خطی بودن | ± 1 dB | ± 2/1 dB |
تغییرات ایزوتروپیک | ±9/1 dB | ±7/1 dB |
تغییرات نسبت به دما | ± 8/0 dB @10ºC to 40ºC | ± 1 dB |
ابعاد cm3 | 300* 5/10 * 5/10 | 350* 12 * 12 |
وزن | 350g | 450g |
شكل15 . پراب ساخته شده در اتاق آنتن در حال آزمون
شكل16 . منحنی اندازهگیری ولتاژِ خروجیِ دریافت شده بر حسب توان ورودی ارسال شده در فرکانس 3 گیگاهرتز
نتایج بدست آمده از اندازهگیریهای مربوط به این پراب، با پرابهای محصولات جدید شرکت Wavecontrol مقایسه گردید. میتوان گفت این پراب به عنوان اولین محصولی است که توانایی دریافت و اندازهگیری شدت میدانهای الکتریکی را در باند فرکانسی 5G دارا بوده و در عین حال قابلیتهای پرابهای مشابه را دارا میباشد.
5. پایلوت نسل پنجم شبکه های ارتباطی
ازجمله مهمترین اقدامات درگذر از نسل‌های مختلف ارتباطات سیار به نسل‌های نوین، اجرای پایلوت به‌صورت محدود و سپس پیاده‌سازی آن در سطح وسیع است. در حال حاضر تعداد محدودی از کشورها، شبکه نسل پنجم شبکه ارتباطی را اجرا کرده‌اند اما بیشتر کشورها در حال پیاده‌سازی یا اجرای پایلوت آن هستند. کاهش تأخیر، ظرفیت بالای دسترسی، قابلیت اطمینان بسیار بالا، ارتقا ارتباطات موبایل پهن باند و قابلیت اتصال و ارتباط اشیا در سطح بسیار وسیع ازجمله ویژگی‌های نسل پنج ارتباطی است که این فناوری نوین ارتباطی را به‌عنوان یک فناوری تحول ساز که سایر جنبه‌های فناوری را نیز متحول میکند مطرح ساخته است. اجرای پایلوت نسل پنجم ارتباطی در پژوهشگاه، اولین گام دستیابی به بستر توسعه و آزمون نسل پنجم شبکه ارتباطی در کشور است. اجرای پایلوت و در ادامه، راه‌اندازی بستر توسعه و آزمون نسل پنجم شبکه ارتباطی در پژوهشگاه، امکان مشارکت و حمایت از استارت‌آپ‌ها، دانشگاه‌ها، شرکت‌ها و سایر بخش‌های خصوصی برای بهره‌برداری از خدمات این پایلوت در لایه‌های مختلف توسعه شبکه، فراهم خواهد شد. ایجاد زمینه توسعه بومی و داخلی زیرساخت‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری جهت ارائه سرویس در سال‌های پیش رو، ازجمله مهمترین کاربردهای این پایلوت در ادامه پیاده‌سازی طرح کلان نسل پنجم شبکه ارتباطی خواهد بود. سامانه اندازه گیری شدت تشعشعات الکترومغناطیسی برای میدان الکتریکی تا فرکانس 18 گیگاهرتز و میدان مغناطیسی تار فرکانس 100 مگاهرتز در پژوهشگاه طراحی و ساخته شده است. پراب الکتریکی تلفن همراه نیز در گذشته برای فناوری های ارتباطی تا نسل چهارم نیز طراحی و ساخته شده بود[23].
با طراحی و ساخت طراحی و ساخت پراب اندازهگیری و پایش پیوسته شدت تشعشعات میدانهای الکتریکی برای نسل پنجم ارتباطی، باعث توسعه سبد محصولات پژوهشگاه در زمینه اندازه گیری شدت تشعشعات پرتوهای الکترومغناطیسی می شود.
6. نتیجه‌گیری
در این مقاله، یک پراب الکتریکی 5G برای اندازهگیری شدت میدانهای الکتریکیِ باند فرکانسیِ 5G شامل بازه فرکانسی 3400 تا 3600 مگا هرتز طراحی و ساخته شد. محدوده دینامیکی میدانهای الکتریکی در بازه 2/0 تا V/m 65 اندازهگیری گردید که رنج دینامیکی حدود dB 50 را تأیید میکند. مهمترین ویژگی این پراب، توانایی اندازهگیری میدانهای الکتریکی، با تغییرات پاسخ فرکانسی قابل قبول dB 1± و با میزان ایزوتروپیکی dB 9/1 ±میباشد. میتوان از این پراب در جهت پایش شدت تشعشعات میدان الکتریکی در راستای فراهم آوردن بستری مناسب در جهت اجرای بهداشت محیط، استفاده نمود.
سپاسگزاری
این پژوهش با حمایت مادی و معنوی پژوهشگاه ارتباطات و فناوری اطلاعات (مرکز تحقیقات مخابرات ایران) انجام شده است.
مراجع
[1] Mediano, "Using Near Field Probes in Electronic Circuits," PCIM Europe 2022; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 2022, pp. 1-9, doi: 10.30420/565822011.
[2] Z. He, L. Wang, L. Chen, R. Luo and Q. H. Liu, "A Wideband Tangential Electric Field Probe and a New Calibration Kit for Near-Field Measurements," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 70, no. 7, pp. 3557-3565, July 2022, doi: 10.1109/TMTT.2022.3174593.
[3] G. Li et al., "Ultrawideband Differential Magnetic Near Field Probe With High Electric Field Suppression," in IEEE Sensors Journal, vol. 20, no. 14, pp. 7669-7676, 15 July15, 2020, doi: 10.1109/JSEN.2020.2981764.
[4] S. i. Kwak, B. C. Kim, and H. D. Choi, “Analysis of isotropic deviation of the electric-fields probe in the personal exposure measurement meter," ICTC 2012, 235-237, Oct. 2012.
[5] S. i. Kwak, J. H. Kwon and Y. J. Yoon, "Experimental Results of an E-Field Probe Using Variable Resistors to Improve Performance," in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 15, pp. 1369-1372, 2016.
[6] S. I. Kwak, J. H. Kwon and Y. J. Yoon, "Design of the E-field probe for mobile communication bands in the personal exposure meter," The 18th IEEE International Symposium on Consumer Electronics (ISCE 2014), Jeju, Korea (South), 2014, pp. 1-2.
[7] S. I. Kwak, J. H. Kwon and Y. J. Yoon, "Design of the E-field probe with variable resistors," 2014 International Symposium on Antennas and Propagation Conference Proceedings, Kaohsiung, Taiwan, 2014, pp. 353-354.
[8] S. I. Kwak, B. C. Kim, H. D. Choi, and Y.J. Yoon, “Design of the electric-fields probe in the personal exposure meter,” PIERS Proceedings, Stockholm, Sweden, Aug. 12-15, 2013.
[9] E. S. Pires, P. I. L. Ferreira, G. Fontgalland, M. A. B. de Melo, R. M. Valle and T. P. Vuong, "Design of a UWB antenna for sensor and wireless systems applications," 2008 IEEE International Conference on Ultra-Wideband, Hannover, Germany, 2008, pp. 185-188.
[10] M. Kanda, "Standard probes for electromagnetic field measurements," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 41, no. 10, pp. 1349-1364, Oct. 1993.
[11] X. Zhang and B. Huang, "The design of the elliptic monopole omnidirectional antenna," 2017 Sixth Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP), Xi'an, China, 2017, pp. 1-3.
[12] R.A. Sadeghzadeh, M.A. Honarvar, A.R. Eskandari, “Coplanar-fed UWB elliptical patch antenna with notched band characteristics,” Progress In Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Xi’an, China, March 22–26, 2010.
[13] M. N. Hasan and M. Seo, "A Planar 3.4 -9 GHz UWB Monopole Antenna," 2018 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP), Busan, Korea (South), 2018, pp. 1-2.
[14] C. Li, X. Zhu, P. Liu and C. Yu, "Novel wideband omnidirectional monopole antenna for indoor communication environment," 12th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2018), London, UK, 2018, pp. 1-3.
[15] M. Arrawatia, M. S. Baghini and G. Kumar, "Broadband omnidirectional antenna for GSM900, GSM1800, 3G, 4G and Wi-Fi applications," 2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, San Diego, CA, USA, 2017, pp. 329-330.
[16] L. Zhao, Z. Chen and J. Wang, "A Wideband Dual-Polarized Omnidirectional Antenna for 5G/WLAN," in IEEE Access, vol. 7, pp. 14266-14272, 2019.
[17] J. Xie, Y. Gao and C. Y. Xia, "A design of three-band monopole antenna applied to 4G/5G," 2020 International Conference on Computer Communication and Network Security (CCNS), Xi'an, China, 2020, pp. 99-103.
[18] N. N. Al-Areqi, N. Seman and T. A. Rahman, "Parallel-coupled line bandpass filter design using different substrates for fifth generation wireless communication applications," 2015 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP), Hobart, TAS, Australia, 2015, pp. 1-4.
[19] Y. Guan, Y. Wu and M. M. Tentzeris, "A Bidirectional Absorptive Common-Mode Filter Based on Interdigitated Microstrip Coupled Lines for 5G “Green” Communications," in IEEE Access, vol. 8, pp. 20759-20769, 2020.
[20] W. Zhang, K. Ma, H. Zhang and H. Fu, "Design of a Compact SISL BPF With SEMCP for 5G Sub-6 GHz Bands," in IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 30, no. 12, pp. 1121-1124.
[21] Y. I. A. Al-Yasir, N. OjaroudiParchin, A. Abdulkhaleq, K. Hameed, M. Al-Sadoon and R. Abd-Alhameed, "Design, Simulation and Implementation of Very Compact Dual-band Microstrip Bandpass Filter for 4G and 5G Applications," 2019 16th International Conference on Synthesis, Modeling, Analysis and Simulation Methods and Applications to Circuit Design (SMACD), Lausanne, Switzerland, 2019, pp. 41-44.
[22] G. Matthaei, E.M.T. Jones, L. Young, Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures, Artech House books, 1980.
[23] آرزومند، مسعود، پژوهش طراحی و اجرای سامانه اندازه گیری شدت تشعشعات پرتوهای رادیویی، پژوهشکده فناوری ارتباطات، پژوهشگاه ارتباطات وفناوری اطلاعات، 1398
[1] نويسنده مسئول:مهدی فسنقری fasanghari@itrc.ac.ir
[2] Coupled-Line Microstrip
[3] Linearity
