Antenna gain at beamforming

1. Pagkuha ng antena

Pagkuha ng antenaay isang parameter upang sukatin ang direktiba ng pattern ng radiation ng antenna. Ang mga high-gain na antenna ay mas gustong mag-radiate ng mga signal sa mga partikular na direksyon. Ang nakuha ng antenna ay isang passive phenomenon kung saan ang kapangyarihan ay hindi idinagdag ng antenna, ngunit ipinamahagi lamang upang magbigay ng mas maraming radiated na kapangyarihan sa isang direksyon kaysa sa iba pang mga isotropic antenna na naglalabas. Ang pakinabang ay sinusukat sa dBi at dBd:

1) dBi: reference isotropic antenna gain;

2) dBd: sumangguni sa nakuha ng dipole antenna.

Sa praktikal na inhinyero, ginagamit ang isang half-wave dipole sa halip na isang isotropic radiator bilang isang sanggunian. Ang pakinabang (dB sa dipole) ay ibinibigay sa dBd. Ang ugnayan sa pagitan ng dBd at dBi ay ibinibigay sa ibaba:

dBi = dBd + 2.15

Dapat isaalang-alang ng mga taga-disenyo ng antena ang mga partikular na katangian ng aplikasyon ng antenna kapag tinutukoy ang pakinabang:

1) Ang mga high-gain na antenna ay may mga pakinabang ng mas mahabang hanay at mas mahusay na kalidad ng signal, ngunit dapat na nakahanay sa isang tiyak na direksyon;

2) Ang hanay ng hanay ng mga low-gain na antenna ay maikli, ngunit ang direksyon ng antenna ay medyo malaki.

2. Beamforming

2.1 Prinsipyo at aplikasyon

Ang beamforming (kilala rin bilang beamforming o spatial filtering) ay isang diskarte sa pagpoproseso ng signal na gumagamit ng mga array ng sensor upang magpadala at tumanggap ng mga signal sa direksyong paraan. Sa pamamagitan ng pagsasaayos ng mga parameter ng mga pangunahing elemento ng phase array, ginagawa ng beamforming technique na ang mga signal ng ilang mga anggulo ay nakakakuha ng interference ng phase, at ang mga signal ng iba pang mga anggulo ay nakakakuha ng interference ng elimination. Maaaring gamitin ang beamforming sa parehong dulo ng pagpapadala at sa pagtanggap ng signal. Ang simpleng pag-unawa ay maaaring maging peak to peak, peak to trough, na magpapataas ng gain ng peak sa peak direction.

Malawak na ngayong ginagamit ang beamform sa 5G antenna arrays, ang mga antenna ay mga passive device, at ang 5G active antenna ay tumutukoy sa high-gain beamforming. Ang gain ng dalawang point source sa normal na equiphase ay 3dB, at ang antenna port ng 5G ay mas malaki sa 64, kaya magkano ang nakuha ng 5G directivity. Ang isang mahusay na tampok ng beamforming ay ang direksyon ng beamforming ay nagbabago habang nagbabago ang phase, kaya maaari itong iakma ayon sa demand.

Tulad ng makikita mula sa unang figure, kapag nabuo ang pangunahing lobe, bubuo din ang isang grid lobe na may maraming mga tuktok na superimposed. Ang amplitude ng grid lobe ay katumbas ng pangunahing lobe, na magbabawas sa nakuha ng pangunahing lobe, na hindi kanais-nais sa sistema ng antena. Kaya kung paano alisin ang grating lobe, sa katunayan, alam natin ang ugat na sanhi ng beamforming ---- phase. Hangga't ang distansya sa pagitan ng dalawang feeder ay mas mababa sa isang wavelength, at ang mga feeder ay nasa pare-pareho ang amplitude at sa phase, ang gate lobe ay hindi lilitaw. Pagkatapos, kapag ang mga feeder ay nasa iba't ibang phase at ang feed-distance ay mas mababa sa isang wavelength at higit sa kalahating wavelength, kung ang isang gate lobe ay nabuo ay tinutukoy ng phase deviation degree. Kapag ang distansya ng feed ay mas mababa sa kalahati ng isang wavelength, walang gate lobe na nabuo. Maaari itong maunawaan mula sa diagram sa ibaba.

2.2 Mga kalamangan ng beamforming

Paghambingin ang dalawang antenna system at ipagpalagay na ang kabuuang enerhiya na ibinubuga ng parehong antenna ay eksaktong pareho.

Sa kaso 1, ang sistema ng antenna ay naglalabas ng halos parehong dami ng enerhiya sa lahat ng direksyon. Ang tatlong UeS (User Equipment) sa paligid ng antenna ay makakatanggap ng halos parehong dami ng enerhiya, ngunit nagsasayang ng karamihan sa enerhiya na hindi nakadirekta sa mga UE na iyon.

Sa kaso 2, ang lakas ng signal ng pattern ng radiation (" beam ") ay partikular na "nabuo" upang ang radiated na enerhiya na nakadirekta patungo sa UE ay mas malakas kaysa sa hindi nakadirekta patungo sa natitirang bahagi ng UE.

Halimbawa, sa 5G na komunikasyon, sa pamamagitan ng pagsasaayos ng amplitude at phase (weight) ng mga signal na ipinadala ng iba't ibang antenna units, kahit na magkaiba ang kanilang mga propagation path, hangga't ang phase ay pareho kapag naabot ang mobile phone, ang resulta ng signal superposition enhancement ay maaaring makamit, na katumbas ng antenna array na nagpuntirya ng signal sa mobile phone. Gaya ng ipinapakita sa larawan sa ibaba:

2.3 Beam "Pagbuo"

Ang pinakasimpleng paraan upang bumuo ng isang sinag ay upang ayusin ang maramihang mga antenna sa isang array. Mayroong maraming mga paraan upang ihanay ang mga elemento ng antenna na ito, ngunit ang isa sa pinakamadali ay ang pag-align ng mga antenna sa isang linya, tulad ng ipinapakita sa sumusunod na halimbawa.

Tandaan: Ang halimbawang diagram na ito ay ginawa ng Matlab PhaseArrayAntenna toolbox.

Ang isa pang paraan upang ayusin ang mga elemento sa isang array ay ang ayusin ang mga elemento sa isang dalawang-dimensional na parisukat, tulad ng ipinapakita sa sumusunod na halimbawa.

Ngayon isaalang-alang ang isa pang two-dimensional array kung saan ang hugis ng array ay hindi isang parisukat, tulad ng ipinapakita sa ibaba. Ang intuwisyon na maaari mong makuha ay ang beam ay nag-compress nang higit pa sa kahabaan ng axis ng higit pang mga elemento.

2.4 Beamforming teknolohiya

Mayroong ilang iba't ibang paraan upang makamit ang beamforming:

1) Pagpapalit ng mga array antenna: Ito ay isang pamamaraan para sa pagbabago ng beam pattern (form ng radiation) sa pamamagitan ng piling pagbubukas/pagsasara ng mga antenna mula sa array ng isang antenna system.

2) DSP-based phase processing: Ito ay isang pamamaraan upang baguhin ang beam orientation pattern (form ng radiation) sa pamamagitan ng pagpapalit ng phase ng signal na dumadaan sa bawat antenna. Sa isang DSP, maaari mong pag-iba-ibahin ang bahagi ng signal ng bawat antenna port upang bumuo ng isang partikular na pattern ng oryentasyon ng beam na pinakamahusay na gumagana para sa isa o higit pang mga partikular na UE.

3) Beamforming sa pamamagitan ng precoding: Ito ay isang technique na nagbabago sa beam orientation pattern (radiation form) sa pamamagitan ng paglalapat ng isang partikular na precoding matrix.