Antennivahvistus ja keilanmuodostus

1. Antennivahvistus

Antenni vahvistuson parametri, jolla mitataan antennin säteilykuvion suuntaavuus. Korkean vahvistuksen antennit lähettävät signaaleja ensisijaisesti tiettyihin suuntiin. Antennin vahvistus on passiivinen ilmiö, jossa antenni ei lisää tehoa, vaan se yksinkertaisesti jaetaan uudelleen antamaan enemmän säteilytehoa yhteen suuntaan kuin muut isotrooppiset antennit lähettävät. Vahvistus mitataan dBi:nä ja dBd:nä:

1) dBi: isotrooppisen antennin referenssivahvistus;

2) dBd: viittaa dipoliantennin vahvistukseen.

Käytännön suunnittelussa käytetään puoliaaltodipolia isotrooppisen säteilijän sijasta referenssinä. Vahvistus (dB dipolissa) annetaan sitten dBd:inä. Suhde dBd:n ja dBi:n välillä on esitetty alla:

dBi = dBd + 2,15

Antennisuunnittelijoiden on otettava huomioon antennin erityiset sovellusominaisuudet määrittäessään vahvistusta:

1) Suuren vahvistuksen antennien etuna on pidempi kantama ja parempi signaalin laatu, mutta ne on kohdistettava tiettyyn suuntaan;

2) Pienen vahvistuksen antennien kantama on lyhyt, mutta antennin suunta on suhteellisen suuri.

2. Säteen muotoilu

2.1 Periaate ja soveltaminen

Säteenmuodostus (tunnetaan myös nimellä keilanmuodostus tai spatiaalinen suodatus) on signaalinkäsittelytekniikka, joka käyttää anturiryhmiä signaalien lähettämiseen ja vastaanottamiseen suunnatulla tavalla. Säätämällä vaiheryhmän peruselementtien parametreja keilanmuodostustekniikka saa joidenkin kulmien signaalit saamaan vaiheen häiriön ja muiden kulmien signaalit eliminoimisen häiriön. Säteenmuodostusta voidaan käyttää sekä signaalin lähetys- että vastaanottopäässä. Yksinkertainen ymmärtäminen voi olla huipusta huippuun, huipusta pohjaan, mikä lisää huipun vahvistusta huipun suuntaan.

Säteenmuodostusta käytetään nykyään laajalti 5G-antenniryhmissä, antennit ovat passiivisia laitteita ja 5G-aktiiviset antennit viittaavat suuren vahvistuksen keilanmuodostukseen. Kahden pistelähteen vahvistus normaalissa tasavaiheessa on 3 dB ja 5G:n antenniportti on suurempi kuin 64, joten kuinka paljon on 5G:n suuntaavuuden vahvistus. Säteenmuodostuksen hieno ominaisuus on, että säteenmuodostuksen suunta muuttuu vaiheen muuttuessa, joten sitä voidaan säätää tarpeen mukaan.

Kuten ensimmäisestä kuvasta voidaan nähdä, kun pääkeila generoidaan, generoidaan myös ruudukon keila, jossa on monia huippuja päällekkäin. Hilan keilan amplitudi on yhtä suuri kuin pääkeilan, mikä vähentää pääkeilan vahvistusta, mikä on epäedullista antennijärjestelmälle. Joten kuinka poistaa ritilän keila, itse asiassa tiedämme säteenmuodostusvaiheen syyn. Niin kauan kuin kahden syöttölaitteen välinen etäisyys on pienempi kuin yksi aallonpituus ja syöttölaitteet ovat vakioamplitudissa ja -vaiheessa, porttikeila ei näy. Sitten, kun syöttölaitteet ovat eri vaiheissa ja syöttöetäisyys on pienempi kuin yksi aallonpituus ja yli puolet aallonpituudesta, vaihepoikkeaman aste määrittää, syntyykö hilakeila. Kun syöttöetäisyys on alle puoli aallonpituutta, hilakeilaa ei synny. Se voidaan ymmärtää alla olevasta kaaviosta.

2.2 Säteenmuodostuksen edut

Vertaa kahta antennijärjestelmää ja oleta, että molempien antennien lähettämä kokonaisenergia on täsmälleen sama.

Tapauksessa 1 antennijärjestelmä säteilee lähes yhtä paljon energiaa kaikkiin suuntiin. Antennia ympäröivät kolme UeS-laitetta (User Equipment) vastaanottavat lähes saman määrän energiaa, mutta hukkaavat suurimman osan energiasta, jota ei ole suunnattu kyseisiin UE:ihin.

Tapauksessa 2 säteilykuvion ("säteen") signaalinvoimakkuus "muodostetaan" erityisesti siten, että UE:tä kohti suunnattu säteilevä energia on voimakkaampaa kuin se ei ole suunnattu muuhun UE:hen.

Esimerkiksi 5G-viestinnässä eri antenniyksiköiden lähettämien signaalien amplitudia ja vaihetta (painoa) säätämällä, vaikka niiden etenemispolut olisivat erilaiset, niin kauan kuin vaihe on sama matkapuhelimeen saapuessaan, voidaan saavuttaa signaalin superpositioparannuksen tulos, joka vastaa signaalin matkapuhelimeen suunnattua antenniryhmää. Kuten alla olevasta kuvasta näkyy:

2.3 Säde "muovaus"

Yksinkertaisin tapa muodostaa säde on järjestää useita antenneja ryhmäksi. On monia tapoja kohdistaa nämä antennielementit, mutta yksi helpoimmista on kohdistaa antennit linjaa pitkin seuraavan esimerkin mukaisesti.

Huomautus: Tämä esimerkkikaavio on luotu Matlab PhaseArrayAntenna -työkalulaatikolla.

Toinen tapa järjestää elementit taulukkoon on järjestää elementit kaksiulotteiseksi neliöksi seuraavan esimerkin mukaisesti.

Harkitse nyt toista kaksiulotteista taulukkoa, jossa taulukon muoto ei ole neliö, kuten alla on esitetty. Intuitio, jonka voit saada, on, että säde puristaa enemmän useiden elementtien akselia pitkin.

2.4 Säteenmuodostustekniikka

On olemassa useita eri tapoja saavuttaa säteen muodostus:

1) Ryhmäantennien kytkentä: Tämä on tekniikka, jolla muutetaan sädekuviota (säteilyn muotoa) avaamalla/sulkemalla selektiivisesti antenneja antennijärjestelmän ryhmästä.

2) DSP-pohjainen vaihekäsittely: Tämä on tekniikka, jolla muutetaan säteen suuntauskuviota (säteilyn muotoa) muuttamalla kunkin antennin läpi kulkevan signaalin vaihetta. DSP:n avulla voit vaihdella kunkin antenniportin signaalivaihetta muodostaaksesi erityisen säteen suuntakuvion, joka toimii parhaiten yhdelle tai useammalle tietylle UE:lle.

3) Säteenmuodostus esikoodauksella: Tämä on tekniikka, joka muuttaa säteen suuntauskuviota (säteilymuotoa) käyttämällä tiettyä esikoodausmatriisia.