Усилване на антената и формиране на лъча

1. Усилване на антената

Усилване на антенатае параметър за измерване на насочеността на диаграмата на излъчване на антената. Антените с голям коефициент на усилване за предпочитане ще излъчват сигнали в определени посоки. Усилването на антената е пасивен феномен, при който мощността не се добавя от антената, а просто се преразпределя, за да осигури повече излъчена мощност в една посока, отколкото другите изотропни антени излъчват. Усилването се измерва в dBi и dBd:

1) dBi: еталонно изотропно усилване на антената;

2) dBd: отнася се до усилването на диполната антена.

В практическото инженерство като еталон се използва полувълнов дипол вместо изотропен радиатор. След това усилването (dB на дипола) се дава в dBd. Връзката между dBd и dBi е дадена по-долу:

dBi = dBd + 2,15

Проектантите на антени трябва да вземат предвид специфичните характеристики на приложението на антената, когато определят усилването:

1) Антените с високо усилване имат предимствата на по-дълъг обхват и по-добро качество на сигнала, но трябва да бъдат насочени в определена посока;

2) Обхватът на антените с ниско усилване е малък, но посоката на антената е относително голяма.

2. Формиране на лъч

2.1 Принцип и приложение

Формирането на лъч (известно още като формиране на лъч или пространствено филтриране) е техника за обработка на сигнали, която използва сензорни матрици за изпращане и получаване на сигнали по насочен начин. Чрез регулиране на параметрите на основните елементи на фазовата решетка, техниката за формиране на лъч кара сигналите от някои ъгли да получат интерференцията на фазата, а сигналите от други ъгли да получат интерференцията на елиминирането. Формирането на лъч може да се използва както в предаващия, така и в приемащия край на сигнала. Простото разбиране може да бъде от връх до връх, от връх до дъно, което ще увеличи усилването на посоката от връх към връх.

Формирането на лъч сега се използва широко в 5G антенни решетки, антените са пасивни устройства, а 5G активните антени се отнасят за формиране на лъч с голямо усилване. Усилването на двата точкови източника в нормална еквифаза е 3dB, а антенният порт на 5G е по-голям от 64, така че колко е усилването на насочеността на 5G. Страхотна характеристика на формирането на лъча е, че посоката на формирането на лъча се променя с промяната на фазата, така че може да се регулира според търсенето.

Както може да се види от първата фигура, когато се генерира главният лоб, ще бъде генериран и решетъчен лоб с много насложени пикове. Амплитудата на решетъчния лоб е равна на тази на главния лоб, което ще намали усилването на главния лоб, което е неблагоприятно за антенната система. И така, как да премахнем лоба на решетката, всъщност знаем основната причина за формирането на лъч -- фаза. Докато разстоянието между двата фидера е по-малко от една дължина на вълната и фидерите са в постоянна амплитуда и фаза, лобът на вратата няма да се появи. След това, когато захранващите устройства са в различни фази и разстоянието на захранване е по-малко от една дължина на вълната и повече от половината дължина на вълната, дали се генерира лоб на затвора се определя от степента на фазово отклонение. Когато разстоянието на подаване е по-малко от половината дължина на вълната, не се генерира лоб на затвора. Може да се разбере от диаграмата по-долу.

2.2 Предимства на формирането на лъча

Сравнете две антенни системи и приемете, че общата енергия, излъчвана от двете антени, е абсолютно еднаква.

В случай 1 антенната система излъчва почти еднакво количество енергия във всички посоки. Трите UeS (потребителско оборудване) около антената ще получат почти същото количество енергия, но губят по-голямата част от енергията, която не е насочена към тези UE.

В случай 2, силата на сигнала на модела на излъчване ("лъч") е специално "формиран", така че излъчената енергия, насочена към UE, е по-силна, отколкото не е насочена към останалата част от UE.

Например, при 5G комуникация, чрез регулиране на амплитудата и фазата (теглото) на сигналите, предавани от различни антенни модули, дори ако пътищата им на разпространение са различни, стига фазата да е една и съща при достигане на мобилния телефон, може да се постигне резултатът от усилване на суперпозицията на сигнала, което е еквивалентно на антенната решетка, насочваща сигнала към мобилния телефон. Както е показано на снимката по-долу:

2.3 "Оформяне" на лъч

Най-простият начин за формиране на лъч е да подредите множество антени в масив. Има много начини за подравняване на тези антенни елементи, но един от най-лесните е да подравните антените по линия, както е показано в следващия пример.

Забележка: Тази примерна диаграма е създадена от кутията с инструменти Matlab PhaseArrayAntenna.

Друг начин за подреждане на елементите в масив е да подредите елементите в двуизмерен квадрат, както е показано в следващия пример.

Сега разгледайте друг двуизмерен масив, където формата на масива не е квадрат, както е показано по-долу. Интуицията, която можете да получите, е, че лъчът се компресира повече по оста на повече елементи.

2.4 Технология за формиране на лъч

Има няколко различни начина за постигане на формиране на лъч:

1) Превключване на антенна решетка: Това е техника за промяна на диаграмата на лъча (формата на излъчване) чрез селективно отваряне/затваряне на антени от решетка на антенна система.

2) Фазова обработка, базирана на DSP: Това е техника за промяна на модела на ориентация на лъча (формата на излъчване) чрез промяна на фазата на сигнала, преминаващ през всяка антена. С DSP можете да променяте фазата на сигнала на всеки антенен порт, за да формирате специфичен модел на ориентация на лъча, който работи най-добре за едно или повече специфични UE.

3) Формиране на лъч чрез предварително кодиране: Това е техника, която променя модела на ориентация на лъча (форма на излъчване) чрез прилагане на специфична матрица за предварително кодиране.