Wzmocnienie anteny i kształtowanie wiązki

1. Zysk anteny

Zysk antenyjest parametrem do pomiaru kierunkowości charakterystyki promieniowania anteny. Anteny o dużym wzmocnieniu będą preferencyjnie emitować sygnały w określonych kierunkach. Zysk anteny jest zjawiskiem pasywnym, w którym moc nie jest dodawana przez antenę, ale jest po prostu redystrybuowana w celu zapewnienia większej mocy wypromieniowanej w jednym kierunku niż emitują inne anteny izotropowe. Wzmocnienie jest mierzone w dBi i dBd:

1) dBi: referencyjny izotropowy zysk anteny;

2) dBd: odnosi się do zysku anteny dipolowej.

W inżynierii praktycznej jako odniesienie stosuje się dipol półfalowy zamiast promiennika izotropowego. Wzmocnienie (dB na dipolu) jest wtedy podawane w dBd. Zależność między dBd i dBi podano poniżej:

dBi = dBd + 2,15

Projektanci anten muszą wziąć pod uwagę specyficzne cechy zastosowania anteny przy określaniu wzmocnienia:

1) Anteny o dużym wzmocnieniu mają zaletę większego zasięgu i lepszej jakości sygnału, ale muszą być ustawione w określonym kierunku;

2) Zasięg anten o niskim wzmocnieniu jest krótki, ale kierunek anteny jest stosunkowo duży.

2. Kształtowanie wiązki

2.1 Zasada i zastosowanie

Kształtowanie wiązki (znane również jako kształtowanie wiązki lub filtrowanie przestrzenne) to technika przetwarzania sygnału, która wykorzystuje matryce czujników do wysyłania i odbierania sygnałów w sposób kierunkowy. Dopasowując parametry podstawowych elementów układu fazowego, technika formowania wiązki powoduje, że sygnały pod pewnymi kątami uzyskują interferencję fazy, a sygnały pod innymi kątami interferencję eliminacji. Kształtowanie wiązki może być stosowane zarówno po stronie nadawczej, jak i odbiorczej sygnału. Proste zrozumienie może być od szczytu do szczytu, od szczytu do dołka, co zwiększy wzmocnienie kierunku szczytu do szczytu.

Kształtowanie wiązki jest obecnie szeroko stosowane w macierzach anten 5G, anteny są urządzeniami pasywnymi, a aktywne anteny 5G odnoszą się do kształtowania wiązki o dużym wzmocnieniu. Zysk dwóch źródeł punktowych w normalnej ekwifazie wynosi 3dB, a port anteny 5G jest większy niż 64, więc ile wynosi zysk kierunkowości 5G. Wspaniałą cechą kształtowania wiązki jest to, że kierunek kształtowania wiązki zmienia się wraz ze zmianą fazy, dzięki czemu można go dostosować do zapotrzebowania.

Jak widać na pierwszym rysunku, gdy generowany jest główny płat, zostanie również wygenerowany płat siatki z wieloma nałożonymi na siebie pikami. Amplituda listka siatki jest równa amplitudzie listka głównego, co zmniejszy wzmocnienie listka głównego, co jest niekorzystne dla systemu antenowego. Jak więc usunąć płat kraty, w rzeczywistości znamy pierwotną przyczynę formowania wiązki ---- fazy. Dopóki odległość między dwoma podajnikami jest mniejsza niż jedna długość fali, a podajniki mają stałą amplitudę i fazę, listek bramki nie pojawi się. Następnie, gdy podajniki znajdują się w różnych fazach, a odległość zasilania jest mniejsza niż jedna długość fali i większa niż połowa długości fali, to, czy generowany jest listek bramki, zależy od stopnia odchylenia fazy. Gdy odległość zasilania jest mniejsza niż połowa długości fali, nie jest generowany żaden listek bramki. Można to zrozumieć na podstawie poniższego diagramu.

2.2 Zalety kształtowania wiązki

Porównaj dwa systemy antenowe i załóż, że całkowita energia emitowana przez obie anteny jest dokładnie taka sama.

W przypadku 1 system antenowy emituje prawie taką samą ilość energii we wszystkich kierunkach. Trzy UeS (urządzenia użytkownika) wokół anteny otrzymają prawie taką samą ilość energii, ale zmarnują większość energii, która nie jest kierowana do tych UE.

W przypadku 2 siła sygnału wzorca promieniowania („wiązka”) jest specjalnie „formowana”, tak że wypromieniowana energia skierowana w stronę UE jest silniejsza niż nie jest skierowana w kierunku reszty UE.

Na przykład w komunikacji 5G, dostosowując amplitudę i fazę (wagę) sygnałów nadawanych przez różne jednostki antenowe, nawet jeśli ich ścieżki propagacji są różne, o ile faza jest taka sama w momencie dotarcia do telefonu komórkowego, można uzyskać efekt wzmocnienia superpozycji sygnału, który jest równoważny z układem anten kierującym sygnał na telefon komórkowy. Jak pokazano na poniższym obrazku:

2.3 „Formowanie” wiązki

Najprostszym sposobem na utworzenie wiązki jest ułożenie wielu anten w szyk. Istnieje wiele sposobów wyrównania tych elementów anteny, ale jednym z najłatwiejszych jest wyrównanie anten wzdłuż linii, jak pokazano w poniższym przykładzie.

Uwaga: ten przykładowy diagram został utworzony za pomocą zestawu narzędzi Matlab PhaseArrayAntenna.

Innym sposobem rozmieszczenia elementów w tablicy jest rozmieszczenie elementów w dwuwymiarowym kwadracie, jak pokazano w poniższym przykładzie.

Rozważmy teraz inną dwuwymiarową tablicę, w której kształt tablicy nie jest kwadratem, jak pokazano poniżej. Intuicja, którą można uzyskać, polega na tym, że wiązka ściska się bardziej wzdłuż osi większej liczby elementów.

2.4 Technologia kształtowania wiązki

Istnieje kilka różnych sposobów osiągnięcia kształtowania wiązki:

1) Przełączanie anten w szyku: Jest to technika zmiany charakterystyki wiązki (formy promieniowania) poprzez selektywne otwieranie/zamykanie anten w szyku systemu antenowego.

2) Przetwarzanie fazy oparte na DSP: Jest to technika zmiany wzorca orientacji wiązki (formy promieniowania) poprzez zmianę fazy sygnału przechodzącego przez każdą antenę. Za pomocą procesora DSP można zmieniać fazę sygnału każdego portu anteny, aby utworzyć określony wzór orientacji wiązki, który najlepiej sprawdza się w przypadku jednego lub większej liczby określonych urządzeń UE.

3) Kształtowanie wiązki przez wstępne kodowanie: Jest to technika, która zmienia wzór orientacji wiązki (formę promieniowania) poprzez zastosowanie określonej macierzy wstępnego kodowania.