Посилення антени та формування променя

1. Підсилення антени

Підсилення антенице параметр для вимірювання спрямованості діаграми спрямованості антени. Антени з високим коефіцієнтом посилення переважно випромінюють сигнали в певних напрямках. Коефіцієнт посилення антени — це пасивне явище, при якому потужність не додається антеною, а просто перерозподіляється для забезпечення більшої потужності випромінювання в одному напрямку, ніж випромінюють інші ізотропні антени. Посилення вимірюється в дБі та дБд:

1) dBi: посилення опорної ізотропної антени;

2) dBd: посилення дипольної антени.

У практичній техніці замість ізотропного випромінювача як еталон використовується напівхвильовий диполь. Коефіцієнт посилення (дБ на диполі) тоді вказується в дБд. Відношення між dBd і dBi наведено нижче:

dBi = dBd + 2,15

Розробники антен повинні враховувати конкретні характеристики застосування антени при визначенні посилення:

1) Антени з високим коефіцієнтом підсилення мають переваги більшого радіусу дії та кращої якості сигналу, але повинні бути налаштовані в певному напрямку;

2) Радіус дії антен із низьким коефіцієнтом підсилення короткий, але напрямок антени відносно великий.

2. Формування променя

2.1 Принцип і застосування

Формування променя (також відоме як формування променя або просторова фільтрація) — це техніка обробки сигналу, яка використовує масиви датчиків для надсилання та отримання сигналів у спрямованій манері. Шляхом регулювання параметрів основних елементів фазової решітки метод формування променя змушує сигнали одних кутів отримати інтерференцію фази, а сигнали інших кутів отримати інтерференцію усунення. Формування променя можна використовувати як на передавальній, так і на приймальній сторонах сигналу. Просте розуміння може бути від піку до піку, від піку до спаду, що збільшить посилення від піку до піку.

Формування променя зараз широко використовується в антенних решітках 5G, антени є пасивними пристроями, а активні антени 5G відносяться до формування променя з високим коефіцієнтом посилення. Коефіцієнт посилення двох точкових джерел у нормальній еквіфазі становить 3 дБ, а порт антени 5G перевищує 64, отже, який коефіцієнт посилення спрямованості 5G. Чудовою особливістю формування променя є те, що напрямок формування променя змінюється зі зміною фази, тому його можна регулювати відповідно до потреб.

Як видно з першого малюнка, коли генерується головна пелюстка, також буде згенерована пелюстка сітки з багатьма накладеними піками. Амплітуда пелюстка сітки дорівнює амплітуді головного пелюстка, що зменшить посилення головного пелюстка, що є несприятливим для антенної системи. Отже, як видалити пелюсток гратки, насправді, ми знаємо першопричину формування променя -- фаза. До тих пір, поки відстань між двома фідерами менше однієї довжини хвилі, а фідери знаходяться в постійній амплітуді та в фазі, пелюстка затвора не з’явиться. Потім, коли фідери знаходяться в різних фазах і відстань подачі менше однієї довжини хвилі та більше половини довжини хвилі, чи генерується пелюстка затвора, визначається ступенем відхилення фази. Коли відстань подачі становить менше половини довжини хвилі, пелюсток затвора не генерується. Це можна зрозуміти з наведеної нижче схеми.

2.2 Переваги формування променя

Порівняйте дві системи антен і припустіть, що загальна енергія, випромінювана обома антенами, однакова.

У випадку 1 антенна система випромінює майже однакову кількість енергії в усіх напрямках. Три UeS (обладнання користувача) навколо антени отримуватимуть майже однакову кількість енергії, але витрачатимуть більшу частину енергії, яка не спрямовується на ці UE.

У випадку 2 потужність сигналу діаграми спрямованості («пучка») спеціально «формується», щоб випромінювана енергія, спрямована на UE, була сильнішою, ніж не спрямована на решту UE.

Наприклад, у зв’язку 5G шляхом регулювання амплітуди та фази (ваги) сигналів, що передаються різними антенними блоками, навіть якщо їхні шляхи розповсюдження різні, якщо фаза однакова при досягненні мобільного телефону, можна досягти результату посилення суперпозиції сигналу, що еквівалентно антенній решітці, яка спрямовує сигнал на мобільний телефон. Як показано на малюнку нижче:

2.3 «Формування» балки

Найпростіший спосіб сформувати промінь - це об'єднати кілька антен в решітку. Існує багато способів вирівняти елементи антени, але один із найпростіших — це вирівняти антени вздовж лінії, як показано в наступному прикладі.

Примітка. Цей приклад діаграми створено за допомогою інструментарію Matlab PhaseArrayAntenna.

Інший спосіб упорядкувати елементи в масиві — це впорядкувати елементи у двовимірному квадраті, як показано в наступному прикладі.

Тепер розглянемо інший двовимірний масив, де форма масиву не є квадратом, як показано нижче. Ви можете зрозуміти, що промінь більше стискається вздовж осі більшої кількості елементів.

2.4 Технологія формування променя

Існує кілька способів формування променя:

1) Перемикання антенної решітки: це техніка для зміни діаграми спрямованості (форми випромінювання) шляхом вибіркового відкриття/закриття антен із решітки антенної системи.

2) Обробка фази на основі DSP: це техніка для зміни шаблону орієнтації променя (форми випромінювання) шляхом зміни фази сигналу, що проходить через кожну антену. За допомогою DSP ви можете змінювати фазу сигналу кожного порту антени, щоб сформувати певний шаблон орієнтації променя, який найкраще працює для одного або кількох конкретних UE.

3) Формування променя шляхом попереднього кодування: це техніка, яка змінює шаблон орієнтації променя (форму випромінювання) шляхом застосування певної матриці попереднього кодування.