Antenneforsterkning og stråleforming

1. Antenneforsterkning

Antenneforsterkninger en parameter for å måle retningsvirkningen til antennestrålingsmønsteret. Antenner med høy forsterkning vil fortrinnsvis utstråle signaler i bestemte retninger. Forsterkningen til antennen er et passivt fenomen der kraft ikke legges til av antennen, men ganske enkelt omfordeles for å gi mer utstrålt kraft i én retning enn de andre isotrope antennene sender ut. Forsterkning måles i dBi og dBd:

1) dBi: isotropisk referanseantenneforsterkning;

2) dBd: referer til forsterkningen til dipolantennen.

I praktisk prosjektering brukes en halvbølgedipol i stedet for en isotrop radiator som referanse. Forsterkningen (dB på dipolen) er da gitt i dBd. Forholdet mellom dBd og dBi er gitt nedenfor:

dBi = dBd + 2,15

Antennedesignere må vurdere de spesifikke applikasjonsegenskapene til antennen når de bestemmer forsterkningen:

1) Antenner med høy forsterkning har fordelene med lengre rekkevidde og bedre signalkvalitet, men må justeres i en bestemt retning;

2) Rekkevidden til lavforsterkningsantenner er kort, men retningen på antennen er relativt stor.

2. Stråleforming

2.1 Prinsipp og anvendelse

Beamforming (også kjent som beamforming eller romlig filtrering) er en signalbehandlingsteknikk som bruker sensormatriser til å sende og motta signaler på en retningsbestemt måte. Ved å justere parametrene til de grunnleggende elementene i faseoppstillingen, gjør stråleformingsteknikken at signalene til noen vinkler får interferensen til fasen, og signalene til andre vinkler får interferensen til elimineringen. Stråleforming kan brukes både i senderenden og mottakerenden av signalet. Enkel forståelse kan være topp til topp, topp til bunn, noe som vil øke gevinsten fra toppen til toppen retningen.

Beamforming er nå mye brukt i 5G-antennearrayer, antenner er passive enheter, og 5G aktive antenner refererer til høyforsterkningsstråleforming. Forsterkningen til de to punktkildene i normal ekvifase er 3dB, og antenneporten til 5G er større enn 64, så hvor mye er forsterkningen av 5G-direktivitet. En flott egenskap ved stråleforming er at retningen på stråleformingen endres etter hvert som fasen endres, slik at den kan justeres etter behov.

Som man kan se fra den første figuren, vil det også genereres en rutenettlobe med mange topper overliggende når hovedloben genereres. Amplituden til gitterloben er lik den til hovedloben, noe som vil redusere forsterkningen til hovedloben, noe som er ugunstig for antennesystemet. Så hvordan du fjerner gitterlappen, faktisk vet vi årsaken til stråleforming -----fasen. Så lenge avstanden mellom de to materne er mindre enn én bølgelengde, og materne er i konstant amplitude og i fase, vil ikke portloben vises. Når materne er i forskjellige faser og mateavstanden er mindre enn én bølgelengde og mer enn halv bølgelengde, bestemmes om en portlobe genereres av faseavviksgraden. Når mateavstanden er mindre enn en halv bølgelengde, genereres ingen portlobe. Det kan forstås fra diagrammet nedenfor.

2.2 Fordeler med stråleforming

Sammenlign to antennesystemer og anta at den totale energien som sendes ut av begge antennene er nøyaktig den samme.

I tilfelle 1 utstråler antennesystemet nesten like mye energi i alle retninger. De tre UeS (User Equipment) rundt antennen vil motta nesten samme mengde energi, men sløse bort mesteparten av energien som ikke er rettet til disse UE-ene.

I tilfelle 2 er signalstyrken til strålingsmønsteret ("stråle") spesifikt "formet" slik at den utstrålte energien rettet mot UE er sterkere enn den ikke er rettet mot resten av UE.

For eksempel, i 5G-kommunikasjon, ved å justere amplituden og fasen (vekten) til signalene som sendes av forskjellige antenneenheter, selv om deres forplantningsveier er forskjellige, så lenge fasen er den samme når du når mobiltelefonen, kan resultatet av signaloverlagringsforbedringer oppnås, som tilsvarer antennegruppen som retter signalet mot mobiltelefonen. Som vist på bildet nedenfor:

2.3 Beam "Forming"

Den enkleste måten å danne en stråle på er å arrangere flere antenner i en gruppe. Det er mange måter å justere disse antenneelementene på, men en av de enkleste er å justere antennene langs en linje, som vist i følgende eksempel.

Merk: Dette eksempeldiagrammet ble laget av Matlab PhaseArrayAntenna-verktøykassen.

En annen måte å ordne elementene i en matrise er å ordne elementene i en todimensjonal firkant, som vist i følgende eksempel.

Vurder nå en annen todimensjonal matrise der formen på matrisen ikke er en firkant, som vist nedenfor. Intuisjonen du kan få er at strålen komprimeres mer langs aksen til flere elementer.

2.4 Beamforming teknologi

Det er flere forskjellige måter å oppnå stråleforming på:

1) Bytte array-antenner: Dette er en teknikk for å endre strålemønsteret (form for stråling) ved selektivt å åpne/lukke antenner fra arrayen til et antennesystem.

2) DSP-basert fasebehandling: Dette er en teknikk for å endre stråleorienteringsmønsteret (form for stråling) ved å endre fasen til signalet som går gjennom hver antenne. Med en DSP kan du variere signalfasen til hver antenneport for å danne et spesifikt stråleorienteringsmønster som fungerer best for en eller flere spesifikke UEer.

3) Stråleforming ved forhåndskoding: Dette er en teknikk som endrer stråleorienteringsmønsteret (strålingsform) ved å bruke en spesifikk forhåndskodingsmatrise.