Zosilnenie antény a tvarovanie lúča

1. Zisk antény

Zisk antényje parameter na meranie smerovosti vyžarovacieho diagramu antény. Antény s vysokým ziskom budú prednostne vyžarovať signály v špecifických smeroch. Zisk antény je pasívny jav, pri ktorom sa výkon nepridáva anténou, ale je jednoducho prerozdeľovaný tak, aby poskytoval viac vyžarovaného výkonu v jednom smere, ako vyžarujú ostatné izotropné antény. Zisk sa meria v dBi a dBd:

1) dBi: referenčný izotropný zisk antény;

2) dBd: odkazuje na zisk dipólovej antény.

V praktickom inžinierstve sa namiesto izotropného žiariča ako referencia používa polvlnový dipól. Zosilnenie (dB na dipóle) sa potom udáva v dBd. Vzťah medzi dBd a dBi je uvedený nižšie:

dBi = dBd + 2,15

Konštruktéri antén musia pri určovaní zisku zvážiť špecifické aplikačné charakteristiky antény:

1) Antény s vysokým ziskom majú výhody väčšieho dosahu a lepšej kvality signálu, ale musia byť nasmerované konkrétnym smerom;

2) Dosah antén s nízkym ziskom je krátky, ale smer antény je relatívne veľký.

2. Beamforming

2.1 Princíp a aplikácia

Beamforming (tiež známy ako beamforming alebo priestorové filtrovanie) je technika spracovania signálu, ktorá využíva senzorové polia na odosielanie a prijímanie signálov smerovým spôsobom. Úpravou parametrov základných prvkov fázového poľa technika vytvárania lúčov spôsobí, že signály niektorých uhlov získajú interferenciu fázy a signály iných uhlov získajú interferenciu eliminácie. Beamforming možno použiť na vysielacom aj prijímacom konci signálu. Jednoduché pochopenie môže byť od vrcholu k vrcholu, od vrcholu k vrcholu, čo zvýši zisk od vrcholu k vrcholu.

Beamforming je teraz široko používaný v 5G anténnych poliach, antény sú pasívne zariadenia a 5G aktívne antény odkazujú na vytváranie lúčov s vysokým ziskom. Zisk dvoch bodových zdrojov v normálnej ekvifáze je 3 dB a anténny port 5G je väčší ako 64, takže aký je zisk smerovosti 5G. Veľkou vlastnosťou tvarovania lúča je, že smer tvarovania lúča sa mení so zmenou fázy, takže ho možno upraviť podľa potreby.

Ako je možné vidieť na prvom obrázku, keď sa vygeneruje hlavný lalok, vygeneruje sa aj lalok mriežky s mnohými superponovanými vrcholmi. Amplitúda mriežkového laloka je rovnaká ako amplitúda hlavného laloka, čo zníži zisk hlavného laloku, čo je nepriaznivé pre anténny systém. Ako teda odstrániť lalok mriežky, v skutočnosti poznáme hlavnú príčinu formovania lúča ---- fázy. Pokiaľ je vzdialenosť medzi dvoma napájačmi menšia ako jedna vlnová dĺžka a napájače sú v konštantnej amplitúde a vo fáze, hradlový lalok sa neobjaví. Potom, keď sú napájače v rôznych fázach a napájacia vzdialenosť je menšia ako jedna vlnová dĺžka a väčšia ako polovica vlnovej dĺžky, to, či sa vytvorí hradlový lalok, je určené stupňom fázovej odchýlky. Keď je vzdialenosť podávania menšia ako polovica vlnovej dĺžky, negeneruje sa žiadny hradlový lalok. Dá sa to pochopiť z nižšie uvedeného diagramu.

2.2 Výhody tvarovania lúča

Porovnajte dva anténne systémy a predpokladajte, že celková energia vyžarovaná oboma anténami je úplne rovnaká.

V prípade 1 anténny systém vyžaruje takmer rovnaké množstvo energie vo všetkých smeroch. Tri UeS (User Equipment) okolo antény budú prijímať takmer rovnaké množstvo energie, ale stratia väčšinu energie, ktorá nie je nasmerovaná do týchto UE.

V prípade 2 je sila signálu vyžarovacieho vzoru ("lúč") špecificky "formovaná" tak, že vyžarovaná energia smerujúca k UE je silnejšia, než nie je smerovaná k zvyšku UE.

Napríklad v 5G komunikácii úpravou amplitúdy a fázy (váhy) signálov vysielaných rôznymi anténnymi jednotkami, aj keď sú ich cesty šírenia rozdielne, pokiaľ je fáza pri dosiahnutí mobilného telefónu rovnaká, možno dosiahnuť výsledok vylepšenia superpozície signálu, čo je ekvivalentné s anténnym poľom nasmerovaným signál na mobilný telefón. Ako je znázornené na obrázku nižšie:

2.3 "Formovanie" lúča

Najjednoduchším spôsobom vytvorenia lúča je usporiadanie viacerých antén do poľa. Existuje mnoho spôsobov, ako zarovnať tieto anténne prvky, ale jedným z najjednoduchších je zarovnať antény pozdĺž čiary, ako je znázornené v nasledujúcom príklade.

Poznámka: Tento vzorový diagram bol vytvorený pomocou sady nástrojov Matlab PhaseArrayAntenna.

Ďalším spôsobom usporiadania prvkov v poli je usporiadanie prvkov do dvojrozmerného štvorca, ako je znázornené v nasledujúcom príklade.

Teraz zvážte ďalšie dvojrozmerné pole, kde tvar poľa nie je štvorec, ako je znázornené nižšie. Intuícia, ktorú môžete získať je, že lúč sa viac stláča pozdĺž osi viacerých prvkov.

2.4 Technológia Beamforming

Existuje niekoľko rôznych spôsobov, ako dosiahnuť tvarovanie lúča:

1) Prepínanie antén: Ide o techniku ​​zmeny vzoru lúča (formy žiarenia) selektívnym otváraním/zatváraním antén z poľa anténneho systému.

2) Fázové spracovanie založené na DSP: Toto je technika na zmenu vzoru orientácie lúča (forma žiarenia) zmenou fázy signálu prechádzajúceho každou anténou. Pomocou DSP môžete meniť fázu signálu každého anténneho portu, aby ste vytvorili špecifický vzor orientácie lúča, ktorý najlepšie funguje pre jedno alebo viac špecifických UE.

3) Formovanie lúča predkódovaním: Ide o techniku, ktorá mení vzor orientácie lúča (formu žiarenia) aplikáciou špecifickej matrice predkódovania.