Antennförstärkning och strålformning

1. Antennförstärkning

Antennförstärkningär en parameter för att mäta riktningsförmågan hos antennstrålningsmönstret. Högförstärkningsantenner kommer företrädesvis att utstråla signaler i specifika riktningar. Antennens förstärkning är ett passivt fenomen där effekt inte adderas av antennen utan helt enkelt omfördelas för att ge mer utstrålad effekt i en riktning än vad de andra isotropa antennerna avger. Förstärkning mäts i dBi och dBd:

1) dBi: isotrop referensantennförstärkning;

2) dBd: hänvisar till förstärkningen av dipolantennen.

Inom praktisk teknik används en halvvågsdipol istället för en isotrop radiator som referens. Förstärkningen (dB på dipolen) ges då i dBd. Förhållandet mellan dBd och dBi ges nedan:

dBi = dBd + 2,15

Antennkonstruktörer måste beakta antennens specifika applikationsegenskaper när de bestämmer förstärkningen:

1) Högförstärkningsantenner har fördelarna med längre räckvidd och bättre signalkvalitet, men måste riktas in i en specifik riktning;

2) Räckvidden för lågförstärkningsantenner är kort, men antennens riktning är relativt stor.

2. Strålformning

2.1 Princip och tillämpning

Beamforming (även känd som beamforming eller spatial filtrering) är en signalbehandlingsteknik som använder sensormatriser för att skicka och ta emot signaler på ett riktat sätt. Genom att justera parametrarna för de grundläggande elementen i fasgruppen, gör strålformningstekniken att signalerna för vissa vinklar erhåller interferens från fasen, och signalerna från andra vinklar erhåller interferensen för elimineringen. Strålformning kan användas både vid den sändande änden och den mottagande änden av signalen. Enkel förståelse kan vara topp till topp, topp till dal, vilket kommer att öka vinsten från toppen till toppriktningen.

Beamforming används nu flitigt i 5G-antenner, antenner är passiva enheter och 5G aktiva antenner hänvisar till högförstärkningsstråleformning. Förstärkningen för de två punktkällorna i normal ekvifas är 3dB, och antennporten på 5G är större än 64, så hur mycket är förstärkningen för 5G-direktivitet. En stor egenskap med strålformning är att strålformningens riktning ändras när fasen ändras, så den kan justeras efter behov.

Som kan ses från den första figuren, när huvudloben genereras, kommer även en rutnätslob med många toppar överlagrade att genereras. Gridlobens amplitud är lika med huvudlobens amplitud, vilket kommer att minska förstärkningen av huvudloben, vilket är ogynnsamt för antennsystemet. Så hur man tar bort gallerloben, i själva verket vet vi grundorsaken till beamforming -----fasen. Så länge som avståndet mellan de två matarna är mindre än en våglängd, och matarna är i konstant amplitud och i fas, kommer grindloben inte att visas. Sedan, när matarna är i olika faser och matningsavståndet är mindre än en våglängd och mer än halv våglängd, bestäms huruvida en grindlob genereras av fasavvikelsens grad. När matningsavståndet är mindre än en halv våglängd genereras ingen grindlob. Det kan förstås från diagrammet nedan.

2.2 Fördelar med strålformning

Jämför två antennsystem och antag att den totala energin som sänds ut av båda antennerna är exakt densamma.

I fall 1 utstrålar antennsystemet nästan samma mängd energi i alla riktningar. De tre UeS (User Equipment) runt antennen kommer att få nästan samma mängd energi, men slösar bort det mesta av energin som inte riktas till dessa UE.

I fall 2 är signalstyrkan för strålningsmönstret ("stråle") specifikt "formad" så att den utstrålade energin riktad mot UE är starkare än den inte riktas mot resten av UE.

Till exempel, i 5G-kommunikation, genom att justera amplituden och fasen (vikten) för signalerna som sänds av olika antennenheter, även om deras utbredningsvägar är olika, så länge som fasen är densamma när du når mobiltelefonen, kan resultatet av signalöverlagringsförbättring uppnås, vilket är ekvivalent med antennuppsättningen som riktar signalen mot mobiltelefonen. Som visas på bilden nedan:

2.3 Beam "Forming"

Det enklaste sättet att bilda en stråle är att arrangera flera antenner i en array. Det finns många sätt att rikta in dessa antennelement, men ett av de enklaste är att rikta in antennerna längs en linje, som visas i följande exempel.

Obs: Det här exempeldiagrammet skapades av verktygslådan Matlab PhaseArrayAntenna.

Ett annat sätt att arrangera elementen i en array är att arrangera elementen i en tvådimensionell kvadrat, som visas i följande exempel.

Betrakta nu en annan tvådimensionell array där formen på arrayen inte är en kvadrat, som visas nedan. Intuitionen man kan få är att strålen komprimeras mer längs axeln av fler element.

2.4 Strålformningsteknik

Det finns flera olika sätt att uppnå strålformning:

1) Switching array-antenner: Detta är en teknik för att ändra strålmönstret (form av strålning) genom att selektivt öppna/stänga antenner från arrayen i ett antennsystem.

2) DSP-baserad fasbehandling: Detta är en teknik för att ändra strålens orienteringsmönster (form av strålning) genom att ändra fasen för signalen som passerar genom varje antenn. Med en DSP kan du variera signalfasen för varje antennport för att bilda ett specifikt strålriktningsmönster som fungerar bäst för en eller flera specifika UE.

3) Strålformning genom förkodning: Detta är en teknik som ändrar strålens orienteringsmönster (strålningsform) genom att tillämpa en specifik förkodningsmatris.