Guadagno d'antenna e beamforming

1. Guadagno dell'antenna

Guadagno dell'antennaè un parametro per misurare la direttività del diagramma di radiazione dell'antenna. Le antenne ad alto guadagno irradieranno preferenzialmente i segnali in direzioni specifiche. Il guadagno dell'antenna è un fenomeno passivo in cui la potenza non viene aggiunta dall'antenna, ma viene semplicemente ridistribuita per fornire più potenza irradiata in una direzione rispetto a quella emessa dalle altre antenne isotrope. Il guadagno è misurato in dBi e dBd:

1) dBi: guadagno antenna isotropo di riferimento;

2) dBd: si riferisce al guadagno dell'antenna dipolo.

Nell'ingegneria pratica, viene utilizzato un dipolo a semionda invece di un radiatore isotropo come riferimento. Il guadagno (dB sul dipolo) viene quindi espresso in dBd. Di seguito è riportata la relazione tra dBd e dBi:

dBi = dBd + 2,15

I progettisti di antenne devono considerare le caratteristiche applicative specifiche dell'antenna quando determinano il guadagno:

1) Le antenne ad alto guadagno hanno i vantaggi di una portata maggiore e di una migliore qualità del segnale, ma devono essere allineate in una direzione specifica;

2) La portata delle antenne a basso guadagno è breve, ma la direzione dell'antenna è relativamente ampia.

2. Beamforming

2.1 Principio e applicazione

Il beamforming (noto anche come beamforming o filtraggio spaziale) è una tecnica di elaborazione del segnale che utilizza array di sensori per inviare e ricevere segnali in modo direzionale. Regolando i parametri degli elementi base del phase array, la tecnica del beamforming fa sì che i segnali di alcuni angoli ottengano l'interferenza della fase, ed i segnali di altri angoli ottengano l'interferenza dell'eliminazione. Il beamforming può essere utilizzato sia all'estremità trasmittente che a quella ricevente del segnale. La semplice comprensione può essere da picco a picco, da picco a minimo, che aumenterà il guadagno della direzione da picco a picco.

Il beamforming è ora ampiamente utilizzato negli array di antenne 5G, le antenne sono dispositivi passivi e le antenne attive 5G si riferiscono al beamforming ad alto guadagno. Il guadagno delle due sorgenti puntiformi in equifase normale è di 3 dB e la porta dell'antenna del 5G è maggiore di 64, quindi quanto è il guadagno della direttività del 5G. Una grande caratteristica del beamforming è che la direzione del beamforming cambia al variare della fase, quindi può essere regolata in base alla domanda.

Come si vede dalla prima figura, quando viene generato il lobo principale, verrà generato anche un lobo di griglia con molti picchi sovrapposti. L'ampiezza del lobo della griglia è uguale a quella del lobo principale, il che ridurrà il guadagno del lobo principale, che è sfavorevole al sistema dell'antenna. Quindi, come rimuovere il lobo del reticolo, infatti, conosciamo la causa principale della fase di beamforming ----. Finché la distanza tra i due alimentatori è inferiore a una lunghezza d'onda e gli alimentatori sono in ampiezza costante e in fase, il lobo di gate non apparirà. Quindi, quando gli alimentatori si trovano in fasi diverse e la distanza di alimentazione è inferiore a una lunghezza d'onda e superiore alla metà della lunghezza d'onda, se viene generato un lobo di gate è determinato dal grado di deviazione di fase. Quando la distanza di alimentazione è inferiore a mezza lunghezza d'onda, non viene generato alcun lobo di gate. Lo si può capire dallo schema sottostante.

2.2 Vantaggi del beamforming

Confronta due sistemi di antenne e supponi che l'energia totale emessa da entrambe le antenne sia esattamente la stessa.

Nel caso 1, il sistema di antenne irradia quasi la stessa quantità di energia in tutte le direzioni. I tre UeS (User Equipment) attorno all'antenna riceveranno quasi la stessa quantità di energia, ma sprecheranno la maggior parte dell'energia che non è diretta a quegli UE.

Nel caso 2, l'intensità del segnale del diagramma di radiazione ("raggio") è specificatamente "formata" in modo che l'energia irradiata diretta verso l'UE sia più forte di quella non diretta verso il resto dell'UE.

Ad esempio, nella comunicazione 5G, regolando l'ampiezza e la fase (peso) dei segnali trasmessi da diverse unità di antenna, anche se i loro percorsi di propagazione sono diversi, purché la fase sia la stessa quando raggiungono il telefono cellulare, è possibile ottenere il risultato del miglioramento della sovrapposizione del segnale, che equivale all'array di antenne che punta il segnale verso il telefono cellulare. Come mostrato nell'immagine qui sotto:

2.3 Trave "formatura"

Il modo più semplice per formare un raggio è disporre più antenne in un array. Esistono molti modi per allineare questi elementi dell'antenna, ma uno dei più semplici è allineare le antenne lungo una linea, come mostrato nell'esempio seguente.

Nota: questo diagramma di esempio è stato creato dalla casella degli strumenti Matlab PhaseArrayAntenna.

Un altro modo per disporre gli elementi in una matrice consiste nel disporre gli elementi in un quadrato bidimensionale, come mostrato nell'esempio seguente.

Ora considera un altro array bidimensionale in cui la forma dell'array non è un quadrato, come mostrato di seguito. L'intuizione che se ne ricava è che la trave si comprime maggiormente lungo l'asse di più elementi.

2.4 Tecnologia del beamforming

Esistono diversi modi per ottenere il beamforming:

1) Switching array antenne: questa è una tecnica per modificare il pattern del raggio (forma di radiazione) aprendo/chiudendo selettivamente le antenne dall'array di un sistema di antenne.

2) Elaborazione di fase basata su DSP: questa è una tecnica per modificare il modello di orientamento del raggio (forma di radiazione) modificando la fase del segnale che passa attraverso ciascuna antenna. Con un DSP, puoi variare la fase del segnale di ciascuna porta dell'antenna per formare uno schema di orientamento del raggio specifico che funzioni meglio per uno o più UE specifici.

3) Beamforming mediante precodifica: questa è una tecnica che modifica il modello di orientamento del raggio (forma di radiazione) applicando una specifica matrice di precodifica.