Zisk antény a tvarování paprsku

1. Zisk antény

Zisk antényje parametr pro měření směrovosti vyzařovacího diagramu antény. Antény s vysokým ziskem budou přednostně vyzařovat signály v určitých směrech. Zisk antény je pasivní jev, při kterém se výkon nepřidává anténou, ale je jednoduše přerozdělován tak, aby poskytoval více vyzařovaného výkonu v jednom směru, než vyzařují ostatní izotropní antény. Zisk se měří v dBi a dBd:

1) dBi: referenční izotropní zisk antény;

2) dBd: odkazuje na zisk dipólové antény.

V praktickém strojírenství se místo izotropního zářiče jako reference používá půlvlnný dipól. Zisk (dB na dipólu) se pak udává v dBd. Vztah mezi dBd a dBi je uveden níže:

dBi = dBd + 2,15

Návrháři antén musí při určování zisku vzít v úvahu specifické aplikační charakteristiky antény:

1) Antény s vysokým ziskem mají výhody delšího dosahu a lepší kvality signálu, ale musí být nasměrovány konkrétním směrem;

2) Dosah antén s nízkým ziskem je krátký, ale směr antény je relativně velký.

2. Beamforming

2.1 Princip a použití

Beamforming (také známý jako beamforming nebo prostorové filtrování) je technika zpracování signálu, která využívá pole senzorů k odesílání a přijímání signálů směrovým způsobem. Nastavením parametrů základních prvků fázového pole technika tvarování paprsku způsobí, že signály některých úhlů získají interferenci fáze a signály jiných úhlů získají interferenci eliminace. Beamforming lze použít na vysílací i přijímací straně signálu. Jednoduché pochopení může být od vrcholu k vrcholu, od vrcholu k dolu, což zvýší zisk od vrcholu k vrcholu.

Beamforming je nyní široce používán v anténních polích 5G, antény jsou pasivní zařízení a aktivní antény 5G odkazují na tvarování paprsku s vysokým ziskem. Zisk dvou bodových zdrojů v normální ekvifázi je 3 dB a anténní port 5G je větší než 64, takže jak velký je zisk směrovosti 5G. Skvělou vlastností beamformingu je, že směr beamformingu se mění se změnou fáze, takže jej lze upravit podle potřeby.

Jak je vidět z prvního obrázku, když je generován hlavní lalok, bude také generován mřížkový lalok s mnoha superponovanými vrcholy. Amplituda laloku mřížky je stejná jako amplituda hlavního laloku, což sníží zisk hlavního laloku, což je nepříznivé pro anténní systém. Jak tedy odstranit lalok mřížky, ve skutečnosti známe hlavní příčinu formování paprsku ---- fáze. Dokud je vzdálenost mezi dvěma podavači menší než jedna vlnová délka a podavače jsou v konstantní amplitudě a fázi, hradlový lalok se neobjeví. Potom, když jsou napáječe v různých fázích a napájecí vzdálenost je menší než jedna vlnová délka a větší než polovina vlnové délky, zda je generován hradlový lalok, je určeno stupněm fázové odchylky. Když je vzdálenost posuvu menší než polovina vlnové délky, negeneruje se žádný hradlový lalok. Lze to pochopit z níže uvedeného schématu.

2.2 Výhody tvarování paprsku

Porovnejte dva anténní systémy a předpokládejte, že celková energie vyzařovaná oběma anténami je naprosto stejná.

V případě 1 vyzařuje anténní systém téměř stejné množství energie ve všech směrech. Tři UeS (Uživatelské vybavení) kolem antény budou přijímat téměř stejné množství energie, ale plýtvají většinou energie, která není směrována do těchto UE.

V případě 2 je síla signálu vyzařovacího diagramu ("paprsku") specificky "formována" tak, že vyzařovaná energie směřující k UE je silnější, než není směrována ke zbytku UE.

Například v 5G komunikaci úpravou amplitudy a fáze (váhy) signálů vysílaných různými anténními jednotkami, i když jsou jejich cesty šíření různé, pokud je fáze při dosažení mobilního telefonu stejná, lze dosáhnout výsledku zesílení superpozice signálu, což je ekvivalentní anténnímu poli zaměřujícímu signál na mobilní telefon. Jak je znázorněno na obrázku níže:

2.3 "Formování" paprsku

Nejjednodušší způsob, jak vytvořit paprsek, je uspořádat více antén do pole. Existuje mnoho způsobů, jak zarovnat tyto anténní prvky, ale jedním z nejjednodušších je zarovnat antény podél čáry, jak je znázorněno v následujícím příkladu.

Poznámka: Tento vzorový diagram byl vytvořen sadou nástrojů Matlab PhaseArrayAntenna.

Dalším způsobem, jak uspořádat prvky v poli, je uspořádat prvky do dvourozměrného čtverce, jak ukazuje následující příklad.

Nyní zvažte další dvourozměrné pole, kde tvar pole není čtverec, jak je znázorněno níže. Intuice, kterou můžete získat, je, že paprsek se více stlačuje podél osy více prvků.

2.4 Technologie Beamforming

Existuje několik různých způsobů, jak dosáhnout tvarování paprsku:

1) Přepínání antén: Jedná se o techniku ​​pro změnu vzoru paprsku (formy záření) selektivním otevíráním/zavíráním antén z pole anténního systému.

2) Fázové zpracování založené na DSP: Jedná se o techniku ​​pro změnu vzoru orientace paprsku (formy záření) změnou fáze signálu procházejícího každou anténou. S DSP můžete měnit fázi signálu každého anténního portu, abyste vytvořili specifický vzor orientace paprsku, který nejlépe funguje pro jedno nebo více specifických UE.

3) Tvarování paprsku předkódováním: Jedná se o techniku, která mění vzor orientace paprsku (formu záření) aplikací specifické matice předkódování.