Κέρδος κεραίας και διαμόρφωση δέσμης

1. Κέρδος κεραίας

Κέρδος κεραίαςείναι μια παράμετρος για τη μέτρηση της κατευθυντικότητας του σχεδίου ακτινοβολίας της κεραίας. Οι κεραίες υψηλής απολαβής θα εκπέμπουν κατά προτίμηση σήματα σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις. Το κέρδος της κεραίας είναι ένα παθητικό φαινόμενο στο οποίο η ισχύς δεν προστίθεται από την κεραία, αλλά απλώς ανακατανέμεται για να παρέχει περισσότερη ακτινοβολούμενη ισχύ προς μία κατεύθυνση από ό,τι εκπέμπουν οι άλλες ισότροπες κεραίες. Το κέρδος μετριέται σε dBi και dBd:

1) dBi: ισοτροπικό κέρδος κεραίας αναφοράς.

2) dBd: αναφέρεται στο κέρδος της διπολικής κεραίας.

Στην πρακτική μηχανική, χρησιμοποιείται ένα δίπολο μισού κύματος αντί για ισοτροπικό θερμαντικό σώμα ως αναφορά. Το κέρδος (dB στο δίπολο) δίνεται στη συνέχεια σε dBd. Η σχέση μεταξύ dBd και dBi δίνεται παρακάτω:

dBi = dBd + 2,15

Οι σχεδιαστές κεραιών πρέπει να λαμβάνουν υπόψη τα ειδικά χαρακτηριστικά εφαρμογής της κεραίας κατά τον προσδιορισμό της απολαβής:

1) Οι κεραίες υψηλής απολαβής έχουν τα πλεονεκτήματα της μεγαλύτερης εμβέλειας και της καλύτερης ποιότητας σήματος, αλλά πρέπει να ευθυγραμμίζονται σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.

2) Η εμβέλεια των κεραιών χαμηλής απολαβής είναι μικρή, αλλά η κατεύθυνση της κεραίας είναι σχετικά μεγάλη.

2. Διαμόρφωση δοκού

2.1 Αρχή και εφαρμογή

Το Beamforming (γνωστό και ως beamforming ή χωρικό φιλτράρισμα) είναι μια τεχνική επεξεργασίας σήματος που χρησιμοποιεί συστοιχίες αισθητήρων για την αποστολή και λήψη σημάτων με κατευθυντικό τρόπο. Ρυθμίζοντας τις παραμέτρους των βασικών στοιχείων της διάταξης φάσεων, η τεχνική διαμόρφωσης δέσμης κάνει τα σήματα ορισμένων γωνιών να λαμβάνουν την παρεμβολή της φάσης και τα σήματα άλλων γωνιών να λαμβάνουν την παρεμβολή της εξάλειψης. Η διαμόρφωση δέσμης μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο στο άκρο εκπομπής όσο και στο άκρο λήψης του σήματος. Η απλή κατανόηση μπορεί να είναι από κορυφή σε κορυφή, από κορυφή σε κατώτατη γραμμή, η οποία θα αυξήσει το κέρδος της κορυφής προς την κατεύθυνση κορυφής.

Η διαμόρφωση δέσμης χρησιμοποιείται πλέον ευρέως σε συστοιχίες κεραιών 5G, οι κεραίες είναι παθητικές συσκευές και οι ενεργές κεραίες 5G αναφέρονται σε διαμόρφωση δέσμης υψηλής απολαβής. Το κέρδος των δύο σημειακών πηγών σε κανονική ισοφάση είναι 3dB και η θύρα κεραίας του 5G είναι μεγαλύτερη από 64, οπότε πόσο είναι το κέρδος της κατευθυντικότητας 5G. Ένα μεγάλο χαρακτηριστικό του beamforming είναι ότι η κατεύθυνση της beamforming αλλάζει καθώς αλλάζει η φάση, έτσι ώστε να μπορεί να ρυθμιστεί ανάλογα με τη ζήτηση.

Όπως μπορεί να φανεί από το πρώτο σχήμα, όταν δημιουργείται ο κύριος λοβός, θα δημιουργηθεί επίσης ένας λοβός πλέγματος με πολλές κορυφές που υπερτίθενται. Το πλάτος του λοβού του πλέγματος είναι ίσο με αυτό του κύριου λοβού, γεγονός που θα μειώσει το κέρδος του κύριου λοβού, το οποίο είναι δυσμενές για το σύστημα κεραίας. Λοιπόν, πώς να αφαιρέσετε τον λοβό του πλέγματος, στην πραγματικότητα, γνωρίζουμε τη βασική αιτία της φάσης διαμόρφωσης δέσμης ----. Όσο η απόσταση μεταξύ των δύο τροφοδοτών είναι μικρότερη από ένα μήκος κύματος και οι τροφοδότες βρίσκονται σε σταθερό πλάτος και σε φάση, ο λοβός πύλης δεν θα εμφανιστεί. Στη συνέχεια, όταν οι τροφοδότες βρίσκονται σε διαφορετικές φάσεις και η απόσταση τροφοδοσίας είναι μικρότερη από ένα μήκος κύματος και περισσότερο από το μισό μήκος κύματος, το αν δημιουργείται ένας λοβός πύλης καθορίζεται από τον βαθμό απόκλισης φάσης. Όταν η απόσταση τροφοδοσίας είναι μικρότερη από το μισό μήκος κύματος, δεν δημιουργείται λοβός πύλης. Μπορεί να γίνει κατανοητό από το παρακάτω διάγραμμα.

2.2 Πλεονεκτήματα της διαμόρφωσης δέσμης

Συγκρίνετε δύο συστήματα κεραιών και υποθέστε ότι η συνολική ενέργεια που εκπέμπεται και από τις δύο κεραίες είναι ακριβώς η ίδια.

Στην περίπτωση 1, το σύστημα κεραίας εκπέμπει σχεδόν την ίδια ποσότητα ενέργειας προς όλες τις κατευθύνσεις. Οι τρεις UeS (Εξοπλισμός Χρήστη) γύρω από την κεραία θα λαμβάνουν σχεδόν την ίδια ποσότητα ενέργειας, αλλά θα σπαταλούν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που δεν κατευθύνεται σε αυτές τις UE.

Στην περίπτωση 2, η ισχύς του σήματος του σχεδίου ακτινοβολίας ("δέσμη") "διαμορφώνεται" ειδικά έτσι ώστε η ακτινοβολούμενη ενέργεια που κατευθύνεται προς το UE να είναι ισχυρότερη από ό,τι δεν κατευθύνεται προς το υπόλοιπο UE.

Για παράδειγμα, στην επικοινωνία 5G, προσαρμόζοντας το πλάτος και τη φάση (βάρος) των σημάτων που μεταδίδονται από διαφορετικές μονάδες κεραίας, ακόμη και αν οι διαδρομές διάδοσής τους είναι διαφορετικές, εφόσον η φάση είναι ίδια κατά την άφιξη στο κινητό τηλέφωνο, μπορεί να επιτευχθεί το αποτέλεσμα της βελτίωσης της υπέρθεσης σήματος, που είναι ισοδύναμο με τη διάταξη κεραίας που στοχεύει το σήμα του κινητού τηλεφώνου. Όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα:

2.3 Δοκός "Σχηματισμός"

Ο απλούστερος τρόπος για να σχηματίσετε μια δέσμη είναι να τακτοποιήσετε πολλές κεραίες σε μια συστοιχία. Υπάρχουν πολλοί τρόποι για να ευθυγραμμίσετε αυτά τα στοιχεία κεραίας, αλλά ένας από τους ευκολότερους είναι να ευθυγραμμίσετε τις κεραίες κατά μήκος μιας γραμμής, όπως φαίνεται στο παρακάτω παράδειγμα.

Σημείωση: Αυτό το παράδειγμα διαγράμματος δημιουργήθηκε από την εργαλειοθήκη του Matlab PhaseArrayAntenna.

Ένας άλλος τρόπος για να τακτοποιήσετε τα στοιχεία σε έναν πίνακα είναι να τακτοποιήσετε τα στοιχεία σε ένα δισδιάστατο τετράγωνο, όπως φαίνεται στο παρακάτω παράδειγμα.

Τώρα εξετάστε έναν άλλο δισδιάστατο πίνακα όπου το σχήμα του πίνακα δεν είναι τετράγωνο, όπως φαίνεται παρακάτω. Η διαίσθηση που μπορείτε να έχετε είναι ότι η δέσμη συμπιέζει περισσότερο κατά μήκος του άξονα περισσότερων στοιχείων.

2.4 Τεχνολογία Beamforming

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να επιτευχθεί η διαμόρφωση δέσμης:

1) Εναλλαγή συστοιχιών κεραιών: Πρόκειται για μια τεχνική για την αλλαγή του σχεδίου δέσμης (μορφή ακτινοβολίας) με επιλεκτικό άνοιγμα/κλείσιμο κεραιών από τη συστοιχία ενός συστήματος κεραιών.

2) Επεξεργασία φάσης με βάση το DSP: Αυτή είναι μια τεχνική για την αλλαγή του σχεδίου προσανατολισμού της δέσμης (μορφή ακτινοβολίας) αλλάζοντας τη φάση του σήματος που διέρχεται από κάθε κεραία. Με ένα DSP, μπορείτε να διαφοροποιήσετε τη φάση σήματος κάθε θύρας κεραίας για να σχηματίσετε ένα συγκεκριμένο μοτίβο προσανατολισμού δέσμης που λειτουργεί καλύτερα για έναν ή περισσότερους συγκεκριμένους UE.

3) Διαμόρφωση δέσμης μέσω προκωδικοποίησης: Πρόκειται για μια τεχνική που αλλάζει το μοτίβο προσανατολισμού της δέσμης (μορφή ακτινοβολίας) εφαρμόζοντας μια συγκεκριμένη μήτρα προκωδικοποίησης.