Antenna erősítés és sugárformálás

1. Antenna erősítés

Antenna erősítésaz antenna sugárzási mintázatának irányítottságának mérésére szolgáló paraméter. A nagy nyereségű antennák előnyösen meghatározott irányokba sugározzák a jeleket. Az antenna erősítése egy passzív jelenség, amelyben a teljesítményt nem az antenna adja hozzá, hanem egyszerűen újraelosztja, hogy nagyobb sugárzott teljesítményt biztosítson egy irányba, mint amennyit a többi izotróp antenna kibocsát. Az erősítést dBi-ben és dBd-ben mérik:

1) dBi: referencia izotróp antennaerősítés;

2) dBd: a dipólantenna erősítésére vonatkozik.

A gyakorlati mérnöki gyakorlatban az izotróp radiátor helyett félhullámú dipólust használnak referenciaként. Az erősítést (dB a dipóluson) ezután dBd-ben adjuk meg. A dBd és dBi közötti összefüggés az alábbiakban látható:

dBi = dBd + 2,15

Az antennatervezőknek figyelembe kell venniük az antenna speciális alkalmazási jellemzőit az erősítés meghatározásakor:

1) A nagy nyereségű antennák előnye a nagyobb hatótáv és a jobb jelminőség, de egy adott irányba kell beállítani őket;

2) Az alacsony erősítésű antennák hatótávolsága rövid, de az antenna iránya viszonylag nagy.

2. Nyalábformálás

2.1 Elv és alkalmazás

A sugáralakítás (más néven nyalábformálás vagy térbeli szűrés) egy olyan jelfeldolgozási technika, amely szenzortömböket használ a jelek irányított küldésére és fogadására. A sugárformáló technika a fázistömb alapelemeinek paramétereinek beállításával egyes szögek jeleit a fázis, más szögek jelei pedig az elimináció interferenciáját kapja. A sugáralakítás a jel adó és vevő végén egyaránt használható. Az egyszerű megértés lehet csúcstól csúcsig, csúcstól mélypontig, ami növeli a csúcs erősítését a csúcs irányába.

A sugárformázást ma már széles körben használják az 5G antennatömbökben, az antennák passzív eszközök, az 5G aktív antennák pedig nagy nyereségű sugárformázásra utalnak. A két pontforrás erősítése normál ekvifázisban 3 dB, az 5G antennaportja pedig nagyobb, mint 64, tehát mennyi az 5G irányíthatóságának nyeresége. A nyalábformálás nagy sajátossága, hogy a sugáralakítás iránya a fázis változásával változik, így igény szerint állítható.

Amint az az első ábrán látható, a fő lebeny létrehozásakor egy rácslebeny is létrejön sok egymásra helyezett csúcsgal. A rácslebeny amplitúdója megegyezik a főlebeny amplitúdójával, ami csökkenti a főlebeny erősítését, ami az antennarendszer számára kedvezőtlen. Tehát, hogyan kell eltávolítani a rács lebenyét, valójában ismerjük a sugárformáló ---- fázis kiváltó okát. Amíg a két betápláló közötti távolság kisebb, mint egy hullámhossz, és a betáplálók állandó amplitúdójúak és fázisban vannak, addig a kapulebeny nem jelenik meg. Ezután, amikor az adagolók különböző fázisokban vannak, és a betáplálási távolság kisebb, mint egy hullámhossz és több, mint a fele hullámhossz, akkor a fáziseltérés mértéke határozza meg, hogy létrejön-e a kapuszárny. Ha a betáplálási távolság kevesebb, mint egy fél hullámhossz, akkor nem jön létre kapulebeny. Az alábbi diagramból érthető.

2.2 A nyalábformálás előnyei

Hasonlítson össze két antennarendszert, és tegyük fel, hogy a két antenna által kibocsátott teljes energia pontosan ugyanannyi.

Az 1. esetben az antennarendszer minden irányba közel azonos mennyiségű energiát sugároz. Az antenna körüli három UeS (User Equipment) majdnem ugyanannyi energiát kap, de elpazarolja annak az energiának a nagy részét, amelyet nem ezekre az UE-kra irányítanak.

A 2. esetben a sugárzási minta ("nyaláb") jelerőssége kifejezetten úgy van kialakítva, hogy az UE felé irányított kisugárzott energia erősebb, mint amennyit nem az UE többi része felé irányít.

Például az 5G kommunikációban a különböző antennaegységek által továbbított jelek amplitúdójának és fázisának (súlyának) beállításával, még akkor is, ha azok terjedési útja eltérő, mindaddig, amíg a mobiltelefon elérésekor azonos a fázis, a jel szuperpozíciójavításának eredménye érhető el, amely megegyezik a mobiltelefonra a jelet célzó antennasorral. Az alábbi képen látható módon:

2.3 Gerenda "formázás"

A nyaláb kialakításának legegyszerűbb módja több antenna tömbbe történő elrendezése. Számos módja van ezen antennaelemek igazításának, de az egyik legegyszerűbb az antennák egy vonal mentén történő igazítása, amint az a következő példában látható.

Megjegyzés: Ezt a példadiagramot a Matlab PhaseArrayAntenna eszköztár hozta létre.

Az elemek tömbben való elrendezésének másik módja az, hogy az elemeket egy kétdimenziós négyzetbe rendezzük, amint az a következő példában látható.

Most nézzünk meg egy másik kétdimenziós tömböt, ahol a tömb alakja nem négyzet, amint az alább látható. Az az intuíció, amit kaphat, hogy a nyaláb jobban összenyomódik több elem tengelye mentén.

2.4 Nyalábformázó technológia

A sugárformázás megvalósításának többféle módja van:

1) Antennák kapcsolása: Ez a technika a sugármintázat (sugárzás formája) megváltoztatására az antennarendszer tömbjéből származó antennák szelektív nyitásával/zárásával.

2) DSP-alapú fázisfeldolgozás: Ez egy olyan technika, amely megváltoztatja a nyaláb orientációs mintáját (sugárzás formáját) az egyes antennákon áthaladó jel fázisának megváltoztatásával. A DSP segítségével az egyes antennaportok jelfázisát változtathatja úgy, hogy egy adott sugárirány-mintát alakítson ki, amely a legjobban működik egy vagy több meghatározott UE-hez.

3) Nyalábformálás előkódolással: Ez egy olyan technika, amely egy meghatározott előkódoló mátrix alkalmazásával megváltoztatja a nyaláb orientációs mintáját (sugárzási formát).