Antenneversterking en bundelvorming

1. Antenneversterking

Antenne winstis een parameter om de gerichtheid van het stralingspatroon van de antenne te meten. High-gain antennes zullen bij voorkeur signalen in specifieke richtingen uitstralen. De versterking van de antenne is een passief fenomeen waarbij het vermogen niet wordt toegevoegd door de antenne, maar simpelweg wordt herverdeeld om meer uitgestraald vermogen in één richting te leveren dan de andere isotrope antennes uitzenden. Versterking wordt gemeten in dBi en dBd:

1) dBi: referentie isotrope antenneversterking;

2) dBd: verwijst naar de versterking van de dipoolantenne.

In praktische engineering wordt een halfgolfdipool gebruikt in plaats van een isotrope straler als referentie. De versterking (dB op de dipool) wordt dan weergegeven in dBd. De relatie tussen dBd en dBi wordt hieronder gegeven:

dBi = dBd + 2,15

Antenneontwerpers moeten rekening houden met de specifieke toepassingskenmerken van de antenne bij het bepalen van de versterking:

1) High-gain antennes hebben de voordelen van een groter bereik en een betere signaalkwaliteit, maar moeten in een specifieke richting worden uitgelijnd;

2) Het bereik van low-gain antennes is klein, maar de richting van de antenne is relatief groot.

2. Straalvorming

2.1 Principe en toepassing

Beamforming (ook bekend als beamforming of ruimtelijke filtering) is een signaalverwerkingstechniek die sensorarrays gebruikt om signalen in een richting te verzenden en te ontvangen. Door de parameters van de basiselementen van de fasearray aan te passen, zorgt de bundelvormingstechniek ervoor dat de signalen van sommige hoeken de interferentie van de fase verkrijgen, en de signalen van andere hoeken de interferentie van de eliminatie verkrijgen. Beamforming kan worden gebruikt aan zowel de verzendende als de ontvangende kant van het signaal. Eenvoudig begrip kan van piek tot piek, van piek tot dal zijn, wat de versterking van de piek naar de piekrichting zal vergroten.

Beamforming wordt nu veel gebruikt in 5G-antenne-arrays, antennes zijn passieve apparaten en 5G actieve antennes verwijzen naar high-gain beamforming. De winst van de twee puntbronnen in normale equiphase is 3dB, en de antennepoort van 5G is groter dan 64, dus hoeveel is de winst van 5G-gerichtheid. Een geweldig kenmerk van beamforming is dat de richting van de beamforming verandert naarmate de fase verandert, zodat deze kan worden aangepast aan de vraag.

Zoals te zien is in de eerste afbeelding, wordt bij het genereren van de hoofdlob ook een rasterlob met veel over elkaar geplaatste pieken gegenereerd. De amplitude van de roosterlob is gelijk aan die van de hoofdlob, waardoor de versterking van de hoofdlob afneemt, hetgeen ongunstig is voor het antennesysteem. Dus hoe de roosterlob te verwijderen, in feite kennen we de oorzaak van de bundelvorming ---- fase. Zolang de afstand tussen de twee feeders kleiner is dan één golflengte en de feeders een constante amplitude en fase hebben, zal de poortlob niet verschijnen. Wanneer de feeders zich vervolgens in verschillende fasen bevinden en de feed-afstand kleiner is dan één golflengte en meer dan de halve golflengte, wordt bepaald of een poortlob wordt gegenereerd door de mate van faseafwijking. Wanneer de voedingsafstand kleiner is dan een halve golflengte, wordt er geen poortlob gegenereerd. Het kan worden begrepen uit het onderstaande diagram.

2.2 Voordelen van bundelvorming

Vergelijk twee antennesystemen en ga ervan uit dat de totale energie die door beide antennes wordt uitgezonden precies hetzelfde is.

In geval 1 straalt het antennesysteem bijna dezelfde hoeveelheid energie uit in alle richtingen. De drie UeS (User Equipment) rond de antenne ontvangen bijna dezelfde hoeveelheid energie, maar verspillen de meeste energie die niet naar die UE's wordt geleid.

In geval 2 wordt de signaalsterkte van het stralingspatroon ("beam") specifiek "gevormd" zodat de uitgestraalde energie die naar de UE wordt gericht sterker is dan dat deze niet naar de rest van de UE wordt gericht.

Bijvoorbeeld, in 5G-communicatie, door de amplitude en fase (gewicht) van de signalen die door verschillende antenne-eenheden worden uitgezonden aan te passen, zelfs als hun voortplantingspaden verschillend zijn, zolang de fase hetzelfde is bij het bereiken van de mobiele telefoon, kan het resultaat van signaalsuperpositieverbetering worden bereikt, wat overeenkomt met de antenne-array die het signaal op de mobiele telefoon richt. Zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding:

2.3 Balk "vormen"

De eenvoudigste manier om een ​​straal te vormen, is door meerdere antennes in een array te plaatsen. Er zijn veel manieren om deze antenne-elementen uit te lijnen, maar een van de gemakkelijkste is om de antennes langs een lijn uit te lijnen, zoals in het volgende voorbeeld wordt getoond.

Opmerking: dit voorbeelddiagram is gemaakt met de Matlab PhaseArrayAntenna-toolbox.

Een andere manier om de elementen in een array te rangschikken, is door de elementen in een tweedimensionaal vierkant te rangschikken, zoals in het volgende voorbeeld wordt getoond.

Overweeg nu een andere tweedimensionale array waarbij de vorm van de array geen vierkant is, zoals hieronder weergegeven. De intuïtie die u kunt krijgen, is dat de bundel meer comprimeert langs de as van meer elementen.

2.4 Beamforming-technologie

Er zijn verschillende manieren om beamforming te bereiken:

1) Switching array antennes: Dit is een techniek om het bundelpatroon (stralingsvorm) te veranderen door selectief antennes te openen/sluiten vanuit de array van een antennesysteem.

2) DSP-gebaseerde faseverwerking: Dit is een techniek om het bundeloriëntatiepatroon (vorm van straling) te veranderen door de fase van het signaal dat door elke antenne gaat te veranderen. Met een DSP kunt u de signaalfase van elke antennepoort variëren om een ​​specifiek bundeloriëntatiepatroon te vormen dat het beste werkt voor een of meer specifieke UE's.

3) Beamforming door precodering: Dit is een techniek die het oriëntatiepatroon van de bundel (stralingsvorm) verandert door een specifieke precoderingsmatrix toe te passen.