การศึกษาการสร้างลำแสงไมโครเวฟแบบหลายลำแสงโดยใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่

พื้นหลัง

ด้วยการพัฒนาของธุรกิจการสื่อสารเคลื่อนที่ เทคโนโลยีการสื่อสารเคลื่อนที่รุ่นที่ 6 (6G) จึงกลายเป็นศูนย์กลางการวิจัยที่สำคัญ เครือข่ายการสื่อสาร 6G มีอัตราการส่งข้อมูลสูง ความจุช่องสัญญาณขนาดใหญ่ ความล่าช้าในการส่งข้อมูลต่ำ ประสิทธิภาพคลื่นความถี่สูง และความน่าเชื่อถือสูง ที่สำคัญกว่านั้น 6G ยังทำให้เกิดการเชื่อมต่ออัจฉริยะขนาดใหญ่ระหว่างผู้คนและสิ่งของ กล่าวคือ “ทุกสิ่งเชื่อมต่อกันอย่างแนบแน่น!” เพื่อให้บรรลุคุณสมบัติอันยอดเยี่ยมมากมายของเครือข่ายการสื่อสาร 6G การสร้างลำแสงหลายลำด้วยเสาอากาศอาร์เรย์ขนาดใหญ่พิเศษจึงกลายเป็นศูนย์กลางการวิจัยที่สำคัญในปัจจุบัน

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีดิจิทัล โปรแกรมการสร้างลำแสงหลายลำด้วยวิธีดิจิทัลจึงได้รับความสนใจและการศึกษาเชิงลึกจากนักวิจัยมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเทียบกับวิธีแอนะล็อกแบบดั้งเดิมในการสร้างลำแสงหลายลำ ข้อดีของวิธีดิจิทัลในการสร้างลำแสงหลายลำอยู่ที่ความยืดหยุ่นในการกำหนดค่าลำแสง ความเสี่ยงต่อการรบกวนน้อยกว่า และระบบฮาร์ดแวร์ที่เรียบง่าย

หลักการสร้างลำแสง

สำหรับสัญญาณอาร์เรย์ หมายถึงกลุ่มสัญญาณหลายสัญญาณที่จัดเรียงในรูปแบบเฉพาะ การประมวลผลสัญญาณอาร์เรย์ หมายถึงการประมวลผลสัญญาณที่รับหรือส่งโดยอาร์เรย์ของเซ็นเซอร์หลายตัว ณ ตำแหน่งต่างๆ ในอวกาศ

การสร้างลำแสงเป็นทิศทางที่สำคัญมากในการประมวลผลสัญญาณอาร์เรย์ ซึ่งหมายถึงการเพิ่มสัญญาณในทิศทางเป้าหมายโดยการปรับพารามิเตอร์ของหน่วยอาร์เรย์ ขณะเดียวกันก็ลดทอนหรือระงับสัญญาณในทิศทางรบกวนอื่นๆ

แนวคิดพื้นฐานของการสร้างลำแสงส่งสัญญาณคือการปรับแอมพลิจูดและเฟสของสัญญาณที่ปล่อยออกมาจากองค์ประกอบอาร์เรย์แต่ละตัว เพื่อให้มีน้ำหนักที่เหมาะสม และหลังจากที่ปล่อยออกมาจากองค์ประกอบอาร์เรย์เสาอากาศแล้ว ก็จะสามารถรับลำแสงในทิศทางที่ต้องการได้

บนพื้นฐานของวิธีการจับคู่เฟสแบบดิจิทัลเพื่อให้การส่งสัญญาณแบบหลายลำแสงทำได้โดยผ่านอาร์เรย์เป็นหลัก ในขณะเดียวกันก็จะเพิ่มชุดเวกเตอร์น้ำหนักเฟสจำนวนหนึ่ง การถ่วงน้ำหนักเฟสของแต่ละชุดเวกเตอร์น้ำหนักจะสอดคล้องกับการสร้างทิศทางที่แตกต่างกันจำนวนหนึ่งของลำแสง

การตระหนักรู้เชิงทดลอง

การทดลองนี้ใช้หลักการเฟสแบบดิจิทัลรูรับแสงร่วม โดยใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่เป็นหน่วยควบคุมเฟสของตัวพาแสง แสงเชิงพื้นที่จะถูกปรับเฟส ตัวพาแสงที่ปรับแล้วจะถูกรับและถอดรหัสสัญญาณโดยเครื่องตรวจจับแสงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า จากนั้นตัววิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์จะอ่านเฟส จากนั้นจึงนำเข้าซอฟต์แวร์ MATLAB จากนั้นจึงจะได้ลำแสงที่สร้างขึ้นในตอนท้าย

ผังงานการทดลองสร้างลำแสงไมโครเวฟโดยใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่

ในการทดลอง แสงจากเลเซอร์จะถูกแบ่งออกเป็นสองเส้นทางผ่านตัวเชื่อมออปติคัลแบบ 50:50 ในทางหนึ่ง เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ทำงานในโหมด S21 โดยสามารถส่งสัญญาณ RF ความถี่หนึ่งจากพอร์ต P1 ไปยังตัวปรับความเข้มแสงได้ หลังจากโหลดการมอดูเลตแบบอิเล็กโทรออปติคัลลงบนตัวพาแสงแล้ว แสงที่มอดูเลตที่ปลายใยแก้วนำแสงผ่านเลนส์โฟกัสอัตโนมัติของคอลลิเมเตอร์ไปยังแสงเชิงพื้นที่แบบขนานจะถูกยิงเข้าสู่ตัวรวมลำแสง

ในระบบ 2 ช่องสัญญาณ แสงที่สั่นเฉพาะที่จะถูกปรับลำแสงให้ขนานกันและส่งไปยังตัวปรับแสงเชิงพื้นที่แบบสะท้อนแสง และหลังจากการปรับเฟสแล้ว แสงจะถูกส่งเข้าไปในตัวรวมลำแสง ซึ่งจะถูกรวมเข้ากับกระบวนการสังเคราะห์แสงของ 1 ช่องสัญญาณ จากนั้นเครื่องตรวจจับแสงจะตรวจจับและถอดรหัสสัญญาณเป็นสัญญาณไฟฟ้า ปลายอีกด้านหนึ่งของเครื่องตรวจจับแสงจะเชื่อมต่อกับปลาย P2 ของเครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ จากนั้นจะสามารถสังเกตเส้นโค้งเฟส-ความถี่ของสัญญาณที่สอดคล้องกันบนเครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ และสามารถสร้างรูปแบบลำแสงสุดท้ายที่สร้างขึ้นได้โดยการบันทึกเฟสที่สอดคล้องกับความถี่เดียวกันของเส้นโค้งเฟส-ความถี่หลายเส้นในตำแหน่งเชิงพื้นที่ที่แตกต่างกัน แล้วนำมาบันทึกลงในซอฟต์แวร์ MATLAB

บทบาทของตัวปรับแสงเชิงพื้นที่สำหรับอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์หลัก

ในการทดลองนี้ ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ของผลึกเหลวมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากเป็นอุปกรณ์ปรับเฟสที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ มีข้อดีคือมีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา ใช้งานง่าย และอื่นๆ ในการทดลองนี้ ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ของผลึกเหลวจะตั้งค่าและปรับค่าเพื่อควบคุมเฟสของตัวนำแสง ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ของผลึกเหลวที่เลือกใช้สำหรับการทดลองนี้คือ FSLM-2K55-P04 ของเรา โดยมีพารามิเตอร์หลักดังนี้

บทสรุปและแนวโน้ม

ในการทดลองนี้ ได้นำเสนอการสร้างลำแสงและรูปแบบการควบคุมที่อาศัยตัวปรับแสงไฟฟ้าและตัวปรับแสงเชิงพื้นที่แบบผลึกเหลว นวัตกรรมของรูปแบบนี้คือการควบคุมเฟสของแสงในอวกาศ และการเปลี่ยนเฟสของแสงเกิดขึ้นได้โดยการควบคุมหน่วยปรับเฟสของตัวปรับแสงเชิงพื้นที่แบบผลึกเหลวด้วยการโหลดแผนที่ระดับสีเทา ซึ่งรูปแบบนี้มีข้อได้เปรียบคือความสามารถในการปรับแต่งได้ดีเมื่อเทียบกับอุปกรณ์แบบดั้งเดิม เช่น ตัวเลื่อนเฟส

ในอนาคต มีแนวโน้มการประยุกต์ใช้ที่ดีในการดำเนินการมอดูเลตสัญญาณไมโครเวฟความถี่สูงและการเบี่ยงเบนลำแสงสองมิติ