Câștigul antenei și beamforming

1. Câștig antenă

Recepție semnaleste un parametru pentru măsurarea directivității modelului de radiație al antenei. Antenele cu câștig mare vor radia de preferință semnale în direcții specifice. Câștigul antenei este un fenomen pasiv în care puterea nu este adăugată de antenă, ci este pur și simplu redistribuită pentru a oferi mai multă putere radiată într-o direcție decât o emit celelalte antene izotrope. Câștigul este măsurat în dBi și dBd:

1) dBi: câștig de antenă izotropă de referință;

2) dBd: se referă la câștigul antenei dipol.

În inginerie practică, un dipol cu ​​jumătate de undă este utilizat în locul unui radiator izotrop ca referință. Câștigul (dB pe dipol) este apoi dat în dBd. Relația dintre dBd și dBi este prezentată mai jos:

dBi = dBd + 2,15

Proiectanții de antene trebuie să ia în considerare caracteristicile specifice de aplicare ale antenei atunci când determină câștigul:

1) Antenele cu câștig mare au avantajele unei raze mai lungi și a unei calități mai bune a semnalului, dar trebuie aliniate într-o direcție specifică;

2) Intervalul de acțiune al antenelor cu câștig redus este scurt, dar direcția antenei este relativ mare.

2. Beamforming

2.1 Principiu și aplicare

Beamforming (cunoscut și sub denumirea de beamforming sau filtrare spațială) este o tehnică de procesare a semnalului care utilizează rețele de senzori pentru a trimite și a primi semnale într-o manieră direcțională. Prin ajustarea parametrilor elementelor de bază ale matricei de fază, tehnica beamforming face ca semnalele unor unghiuri să obțină interferența fazei, iar semnalele altor unghiuri să obțină interferența eliminării. Beamforming poate fi utilizat atât la capătul de transmisie, cât și la capătul de recepție al semnalului. Înțelegerea simplă poate fi de la vârf la vârf, de la vârf la dedesubt, ceea ce va crește câștigul vârfului în direcția de vârf.

Beamforming este acum utilizat pe scară largă în rețelele de antene 5G, antenele sunt dispozitive pasive, iar antenele active 5G se referă la formarea fasciculului cu câștig mare. Câștigul celor două surse punctuale în echifaza normală este de 3dB, iar portul de antenă al 5G este mai mare de 64, deci cât este câștigul directivității 5G. O caracteristică excelentă a formării fasciculului este că direcția formării fasciculului se schimbă pe măsură ce faza se schimbă, astfel încât poate fi ajustată în funcție de cerere.

După cum se poate observa din prima figură, atunci când este generat lobul principal, va fi generat și un lobul grilă cu multe vârfuri suprapuse. Amplitudinea lobului grilei este egală cu cea a lobului principal, ceea ce va reduce câștigul lobului principal, ceea ce este nefavorabil sistemului de antenă. Deci, cum să eliminați lobul grătarului, de fapt, știm cauza principală a fazei de formare a fasciculului ----. Atâta timp cât distanța dintre cele două alimentatoare este mai mică de o lungime de undă, iar alimentatoarele sunt în amplitudine și fază constantă, lobul porții nu va apărea. Apoi, atunci când alimentatoarele sunt în faze diferite și distanța de alimentare este mai mică de o lungime de undă și mai mult de jumătate de lungime de undă, dacă este generat un lob de poartă este determinat de gradul de abatere de fază. Când distanța de alimentare este mai mică de jumătate de lungime de undă, nu este generat niciun lob de poartă. Se poate înțelege din diagrama de mai jos.

2.2 Avantajele beamformingului

Comparați două sisteme de antene și presupuneți că energia totală emisă de ambele antene este exact aceeași.

În cazul 1, sistemul de antenă radiază aproape aceeași cantitate de energie în toate direcțiile. Cele trei UeS (Echipament utilizator) din jurul antenei vor primi aproape aceeași cantitate de energie, dar irosesc cea mai mare parte a energiei care nu este direcționată către acele UE.

În cazul 2, puterea semnalului modelului de radiație („fascicul”) este în mod specific „formată” astfel încât energia radiată îndreptată către UE este mai puternică decât nu este direcționată către restul UE.

De exemplu, în comunicarea 5G, prin ajustarea amplitudinii și fazei (greutății) semnalelor transmise de diferite unități de antenă, chiar dacă căile de propagare ale acestora sunt diferite, atâta timp cât faza este aceeași când ajunge la telefonul mobil, se poate obține rezultatul îmbunătățirii suprapunerii semnalului, ceea ce este echivalent cu matricea de antene care vizează semnalul către telefonul mobil. După cum se arată în imaginea de mai jos:

2.3 „Formarea” fasciculului

Cel mai simplu mod de a forma un fascicul este de a aranja mai multe antene într-o matrice. Există multe modalități de a alinia aceste elemente de antenă, dar una dintre cele mai ușoare este alinierea antenelor de-a lungul unei linii, așa cum se arată în exemplul următor.

Notă: Acest exemplu de diagramă a fost creat de cutia de instrumente Matlab PhaseArrayAntenna.

O altă modalitate de a aranja elementele într-o matrice este aranjarea elementelor într-un pătrat bidimensional, așa cum se arată în exemplul următor.

Acum luați în considerare o altă matrice bidimensională în care forma matricei nu este un pătrat, așa cum se arată mai jos. Intuiția pe care o puteți obține este că fasciculul se comprimă mai mult de-a lungul axei mai multor elemente.

2.4 Tehnologia Beamforming

Există mai multe moduri diferite de a realiza formarea fasciculului:

1) Comutarea antenelor cu matrice: Aceasta este o tehnică de schimbare a modelului fasciculului (forma de radiație) prin deschiderea/închiderea selectivă a antenelor din matricea unui sistem de antene.

2) Procesare de fază bazată pe DSP: Aceasta este o tehnică de modificare a modelului de orientare a fasciculului (forma de radiație) prin schimbarea fazei semnalului care trece prin fiecare antenă. Cu un DSP, puteți varia faza semnalului fiecărui port de antenă pentru a forma un model specific de orientare a fasciculului care funcționează cel mai bine pentru unul sau mai multe UE-uri specifice.

3) Beamforming prin precodare: Aceasta este o tehnică care modifică modelul de orientare a fasciculului (forma de radiație) prin aplicarea unei matrice de precodare specifică.