Усиление антенны и формирование луча

1. Усиление антенны

Усиление антенныпараметр для измерения направленности диаграммы направленности антенны. Антенны с высоким коэффициентом усиления предпочтительно излучают сигналы в определенных направлениях. Усиление антенны является пассивным явлением, при котором мощность не добавляется антенной, а просто перераспределяется для обеспечения большей излучаемой мощности в одном направлении, чем излучают другие изотропные антенны. Усиление измеряется в дБи и дБд:

1) дБи: эталонное усиление изотропной антенны;

2) дБд: относится к усилению дипольной антенны.

В практической технике вместо изотропного излучателя в качестве эталона используется полуволновой диполь. Усиление (дБ на диполе) затем указывается в дБд. Соотношение между дБд и дБи приведено ниже:

дБи = дБд + 2,15

При определении коэффициента усиления проектировщики антенны должны учитывать специфические характеристики антенны:

1) Антенны с высоким коэффициентом усиления имеют преимущества большей дальности действия и лучшего качества сигнала, но должны быть выровнены в определенном направлении;

2) Дальность действия антенн с низким коэффициентом усиления короткая, но направление антенны относительно большое.

2. Формирование луча

2.1 Принцип и применение

Формирование луча (также известное как формирование луча или пространственная фильтрация) — это метод обработки сигналов, который использует массивы датчиков для отправки и приема сигналов направленным образом. Подстраивая параметры основных элементов фазовой решетки, метод формирования луча заставляет сигналы одних ракурсов получать интерференцию фазы, а сигналы других ракурсов - интерференцию исключения. Формирование луча может использоваться как на передающей, так и на принимающей стороне сигнала. Простое понимание может быть от пика к пику, от пика к впадине, что увеличит усиление пика в направлении пика.

Формирование луча в настоящее время широко используется в антенных решетках 5G, антенны являются пассивными устройствами, а активные антенны 5G относятся к формированию луча с высоким коэффициентом усиления. Усиление двух точечных источников в нормальном равнофазном режиме составляет 3 дБ, а порт антенны 5G больше 64, так сколько же усиления направленности 5G. Отличительной особенностью формирования луча является то, что направление формирования луча изменяется по мере изменения фазы, поэтому его можно регулировать в соответствии с потребностями.

Как видно из первого рисунка, при генерации основного лепестка также будет генерироваться сеточный лепесток с множеством наложенных пиков. Амплитуда лепестка сетки равна амплитуде основного лепестка, что уменьшит усиление основного лепестка, что неблагоприятно для антенной системы. Итак, как удалить решетку лепестка, на самом деле, мы знаем основную причину формирования луча ---- фазы. Пока расстояние между двумя фидерами меньше одной длины волны, а фидеры имеют постоянную амплитуду и фазу, лепесток затвора не появится. Затем, когда фидеры находятся в разных фазах, а расстояние фидеров меньше одной длины волны и больше половины длины волны, по степени отклонения фазы определяется, генерируется ли лепесток затвора. Когда расстояние подачи меньше половины длины волны, лепесток затвора не генерируется. Это можно понять из схемы ниже.

2.2 Преимущества формирования луча

Сравните две антенные системы и предположите, что полная энергия, излучаемая обеими антеннами, в точности одинакова.

В случае 1 антенная система излучает почти одинаковое количество энергии во всех направлениях. Три UeS (пользовательское оборудование) вокруг антенны будут получать почти одинаковое количество энергии, но тратить большую часть энергии, которая не направлена ​​на эти UE.

В случае 2 мощность сигнала диаграммы направленности («луч») специально «формируется» таким образом, чтобы излучаемая энергия, направленная в сторону UE, была сильнее, чем не направленная в сторону остальной части UE.

Например, в связи 5G, регулируя амплитуду и фазу (вес) сигналов, передаваемых разными антенными блоками, даже если их пути распространения различны, при условии, что фаза одинакова при достижении мобильного телефона, может быть достигнут результат улучшения наложения сигналов, который эквивалентен антенной решетке, направленной на мобильный телефон. Как показано на рисунке ниже:

2.3 Луч «Формирование»

Самый простой способ сформировать луч — это собрать несколько антенн в решетку. Существует множество способов выравнивания этих антенных элементов, но один из самых простых — это выравнивание антенн вдоль линии, как показано в следующем примере.

Примечание. Эта диаграмма в качестве примера была создана набором инструментов Matlab PhaseArrayAntenna.

Другой способ упорядочить элементы в массиве — упорядочить элементы в виде двумерного квадрата, как показано в следующем примере.

Теперь рассмотрим другой двумерный массив, в котором форма массива не является квадратом, как показано ниже. Интуиция, которую вы можете получить, заключается в том, что луч больше сжимается по оси большего количества элементов.

2.4 Технология формирования луча

Существует несколько различных способов достижения формирования луча:

1) Переключение антенных решеток: это метод изменения диаграммы направленности (формы излучения) путем выборочного открытия/закрытия антенн из решетки антенной системы.

2) Фазовая обработка на основе DSP: это метод изменения диаграммы направленности луча (формы излучения) путем изменения фазы сигнала, проходящего через каждую антенну. С помощью DSP вы можете изменять фазу сигнала каждого порта антенны, чтобы сформировать конкретную схему ориентации луча, которая лучше всего подходит для одного или нескольких конкретных UE.

3) Формирование луча с помощью предварительного кодирования: это метод, который изменяет шаблон ориентации луча (форму излучения) путем применения определенной матрицы предварительного кодирования.