Antenneforstærkning og stråleformning

1. Antenneforstærkning

Antenneforstærkninger en parameter til at måle retningsvirkningen af ​​antennestrålingsmønsteret. Højforstærkningsantenner vil fortrinsvis udsende signaler i bestemte retninger. Forstærkningen af ​​antennen er et passivt fænomen, hvor effekt ikke tilføjes af antennen, men blot omfordeles for at give mere udstrålet effekt i én retning end de andre isotrope antenner udsender. Forstærkning måles i dBi og dBd:

1) dBi: reference isotrop antenneforstærkning;

2) dBd: referer til forstærkningen af ​​dipolantennen.

I praktisk teknik bruges en halvbølgedipol i stedet for en isotrop radiator som reference. Forstærkningen (dB på dipolen) er så givet i dBd. Forholdet mellem dBd og dBi er angivet nedenfor:

dBi = dBd + 2,15

Antennedesignere skal overveje antennens specifikke anvendelseskarakteristika, når de bestemmer forstærkningen:

1) Højforstærkningsantenner har fordelene ved længere rækkevidde og bedre signalkvalitet, men skal justeres i en bestemt retning;

2) Rækkevidden af ​​lavforstærkningsantenner er kort, men antennens retning er relativt stor.

2. Stråleformning

2.1 Princip og anvendelse

Beamforming (også kendt som beamforming eller rumlig filtrering) er en signalbehandlingsteknik, der bruger sensorarrays til at sende og modtage signaler på en retningsbestemt måde. Ved at justere parametrene for de grundlæggende elementer i fasearrayet får stråleformningsteknikken signalerne fra nogle vinkler til at opnå interferens fra fasen, og signalerne fra andre vinkler opnår interferensen af ​​elimineringen. Beamforming kan bruges både i den transmitterende ende og den modtagende ende af signalet. Simpel forståelse kan være top til top, top til lavpunkt, hvilket vil øge gevinsten fra top til top retning.

Beamforming er nu meget brugt i 5G-antennearrays, antenner er passive enheder, og 5G aktive antenner refererer til high-gain beamforming. Forstærkningen af ​​de to punktkilder i normal ekvifase er 3dB, og antenneporten på 5G er større end 64, så hvor meget er forstærkningen af ​​5G-direktivitet. En stor egenskab ved stråleformning er, at retningen af ​​stråleformningen ændres, efterhånden som fasen ændres, så den kan justeres efter behov.

Som det kan ses af den første figur, vil der, når hovedloben genereres, også blive genereret en gitterlob med mange toppe overlejret. Amplituden af ​​gitterloben er lig med hovedlobens amplitude, hvilket vil reducere forstærkningen af ​​hovedloben, hvilket er ugunstigt for antennesystemet. Så hvordan man fjerner gitterlappen, faktisk kender vi årsagen til beamforming ---- fase. Så længe afstanden mellem de to feedere er mindre end én bølgelængde, og feederne er i konstant amplitude og i fase, vil gate-loben ikke vises. Når tilførslerne er i forskellige faser, og tilførselsafstanden er mindre end én bølgelængde og mere end halv bølgelængde, bestemmes om der genereres en gate-lobe af faseafvigelsesgraden. Når tilførselsafstanden er mindre end en halv bølgelængde, genereres der ingen portlobe. Det kan forstås ud fra diagrammet nedenfor.

2.2 Fordele ved stråleformning

Sammenlign to antennesystemer og antag, at den samlede energi, der udsendes af begge antenner, er nøjagtig den samme.

I tilfælde 1 udstråler antennesystemet næsten den samme mængde energi i alle retninger. De tre UeS (User Equipment) omkring antennen vil modtage næsten den samme mængde energi, men spilder det meste af den energi, der ikke er rettet mod disse UE'er.

I tilfælde 2 er signalstyrken af ​​strålingsmønsteret ("stråle") specifikt "formet", således at den udstrålede energi rettet mod UE er stærkere, end den ikke er rettet mod resten af ​​UE.

For eksempel, i 5G-kommunikation, ved at justere amplituden og fasen (vægten) af de signaler, der transmitteres af forskellige antenneenheder, selvom deres udbredelsesveje er forskellige, så længe fasen er den samme, når man når mobiltelefonen, kan resultatet af signaloverlejringsforstærkning opnås, hvilket svarer til antennegruppen, der sigter signalet mod mobiltelefonen. Som vist på billedet nedenfor:

2.3 Beam "Forming"

Den enkleste måde at danne en stråle på er at arrangere flere antenner i et array. Der er mange måder at justere disse antenneelementer på, men en af ​​de nemmeste er at justere antennerne langs en linje, som vist i det følgende eksempel.

Bemærk: Dette eksempeldiagram blev oprettet af Matlab PhaseArrayAntenna-værktøjskassen.

En anden måde at arrangere elementerne i et array er at arrangere elementerne i en todimensional firkant, som vist i det følgende eksempel.

Overvej nu et andet todimensionelt array, hvor formen af ​​arrayet ikke er en firkant, som vist nedenfor. Den intuition, du kan få, er, at strålen komprimeres mere langs aksen af ​​flere elementer.

2.4 Beamforming teknologi

Der er flere forskellige måder at opnå stråleformning på:

1) Switching array-antenner: Dette er en teknik til at ændre strålemønsteret (form for stråling) ved selektivt at åbne/lukke antenner fra arrayet i et antennesystem.

2) DSP-baseret fasebehandling: Dette er en teknik til at ændre stråleorienteringsmønsteret (form for stråling) ved at ændre fasen af ​​signalet, der passerer gennem hver antenne. Med en DSP kan du variere signalfasen for hver antenneport for at danne et specifikt stråleorienteringsmønster, der fungerer bedst for en eller flere specifikke UE'er.

3) Stråleformning ved prækodning: Dette er en teknik, der ændrer stråleorienteringsmønsteret (strålingsform) ved at anvende en specifik prækodningsmatrix.