Antennengewinn und Strahlformung

1. Antennengewinn

Antennengewinnist ein Parameter zur Messung der Richtwirkung des Antennenstrahlungsmusters. Hochleistungsantennen strahlen Signale bevorzugt in bestimmte Richtungen ab. Der Antennengewinn ist ein passives Phänomen, bei dem die Antenne keine Leistung hinzufügt, sondern einfach umverteilt, um mehr Strahlungsleistung in eine Richtung bereitzustellen, als die anderen isotropen Antennen abstrahlen. Der Gewinn wird in dBi und dBd gemessen:

1) dBi: isotroper Referenzantennengewinn;

2) dBd: bezieht sich auf den Gewinn der Dipolantenne.

In der praktischen Technik wird als Referenz anstelle eines isotropen Strahlers ein Halbwellendipol verwendet. Der Gewinn (dB am Dipol) wird dann in dBd angegeben. Die Beziehung zwischen dBd und dBi ist unten angegeben:

dBi = dBd + 2,15

Antennenentwickler müssen bei der Bestimmung des Gewinns die spezifischen Anwendungseigenschaften der Antenne berücksichtigen:

1) Hochleistungsantennen bieten den Vorteil einer größeren Reichweite und einer besseren Signalqualität, müssen jedoch in eine bestimmte Richtung ausgerichtet werden;

2) Die Reichweite von Low-Gain-Antennen ist kurz, aber die Ausrichtung der Antenne ist relativ groß.

2. Strahlformung

2.1 Prinzip und Anwendung

Beamforming (auch Beamforming oder räumliche Filterung genannt) ist eine Signalverarbeitungstechnik, bei der Sensorarrays zum gerichteten Senden und Empfangen von Signalen verwendet werden. Durch Anpassen der Parameter der Grundelemente des Phasenarrays sorgt die Strahlformungstechnik dafür, dass die Signale einiger Winkel die Interferenz der Phase und die Signale anderer Winkel die Interferenz der Eliminierung erhalten. Beamforming kann sowohl auf der Sendeseite als auch auf der Empfangsseite des Signals eingesetzt werden. Ein einfaches Verständnis kann Spitze zu Spitze, Spitze zu Tal sein, wodurch die Verstärkung der Spitze zur Spitze hin erhöht wird.

Beamforming wird mittlerweile häufig in 5G-Antennenarrays eingesetzt, Antennen sind passive Geräte und aktive 5G-Antennen beziehen sich auf High-Gain-Beamforming. Der Gewinn der beiden Punktquellen bei normaler Gleichphase beträgt 3 dB, und der Antennenanschluss von 5G ist größer als 64. Wie hoch ist also der Gewinn der 5G-Richtwirkung? Ein großartiges Merkmal der Strahlformung besteht darin, dass sich die Richtung der Strahlformung mit der Phasenänderung ändert, sodass sie je nach Bedarf angepasst werden kann.

Wie aus der ersten Abbildung ersichtlich ist, wird bei der Erzeugung der Hauptkeule auch eine Gitterkeule mit vielen überlagerten Spitzen erzeugt. Die Amplitude der Gitterkeule ist gleich der der Hauptkeule, wodurch sich der Gewinn der Hauptkeule verringert, was für das Antennensystem ungünstig ist. Wie man also die Gitterkeule entfernt, kennen wir tatsächlich die Grundursache der Strahlformung ---- Phase. Solange der Abstand zwischen den beiden Einspeisungen weniger als eine Wellenlänge beträgt und die Einspeisungen eine konstante Amplitude und Phase aufweisen, erscheint die Gate-Keule nicht. Wenn sich die Einspeisungen dann in unterschiedlichen Phasen befinden und der Einspeisungsabstand weniger als eine Wellenlänge und mehr als die halbe Wellenlänge beträgt, wird durch den Grad der Phasenabweichung bestimmt, ob eine Gate-Keule erzeugt wird. Wenn der Speiseabstand weniger als eine halbe Wellenlänge beträgt, wird keine Gate-Keule erzeugt. Es kann aus dem Diagramm unten verstanden werden.

2.2 Vorteile der Strahlformung

Vergleichen Sie zwei Antennensysteme und gehen Sie davon aus, dass die von beiden Antennen abgestrahlte Gesamtenergie genau gleich ist.

Im Fall 1 strahlt das Antennensystem in alle Richtungen nahezu die gleiche Energiemenge ab. Die drei UeS (User Equipment) rund um die Antenne empfangen fast die gleiche Energiemenge, verschwenden jedoch den Großteil der Energie, die nicht an diese UEs geleitet wird.

Im Fall 2 wird die Signalstärke des Strahlungsmusters („Beam“) gezielt so „geformt“, dass die auf das UE gerichtete Strahlungsenergie stärker ist als die, die nicht auf den Rest des UE gerichtet ist.

Beispielsweise kann bei der 5G-Kommunikation durch Anpassen der Amplitude und Phase (Gewicht) der von verschiedenen Antenneneinheiten gesendeten Signale, selbst wenn ihre Ausbreitungswege unterschiedlich sind, das Ergebnis einer Signalüberlagerungsverbesserung erzielt werden, auch wenn ihre Ausbreitungswege unterschiedlich sind, wenn sie das Mobiltelefon erreichen. Wie im Bild unten gezeigt:

2.3 Strahlformung

Der einfachste Weg, einen Strahl zu formen, besteht darin, mehrere Antennen in einem Array anzuordnen. Es gibt viele Möglichkeiten, diese Antennenelemente auszurichten, aber eine der einfachsten besteht darin, die Antennen entlang einer Linie auszurichten, wie im folgenden Beispiel gezeigt.

Hinweis: Dieses Beispieldiagramm wurde mit der Matlab PhaseArrayAntenna-Toolbox erstellt.

Eine andere Möglichkeit, die Elemente in einem Array anzuordnen, besteht darin, die Elemente in einem zweidimensionalen Quadrat anzuordnen, wie im folgenden Beispiel gezeigt.

Betrachten Sie nun ein weiteres zweidimensionales Array, bei dem die Form des Arrays kein Quadrat ist, wie unten gezeigt. Die Intuition, die Sie bekommen können, ist, dass der Strahl entlang der Achse mehrerer Elemente stärker komprimiert wird.

2.4 Beamforming-Technologie

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Beamforming zu erreichen:

1) Array-Antennen schalten: Dies ist eine Technik zum Ändern des Strahlmusters (Strahlungsform) durch selektives Öffnen/Schließen von Antennen aus dem Array eines Antennensystems.

2) DSP-basierte Phasenverarbeitung: Hierbei handelt es sich um eine Technik zur Änderung des Strahlausrichtungsmusters (Strahlungsform) durch Änderung der Phase des Signals, das durch jede Antenne läuft. Mit einem DSP können Sie die Signalphase jedes Antennenanschlusses variieren, um ein bestimmtes Strahlausrichtungsmuster zu erstellen, das für ein oder mehrere bestimmte UEs am besten funktioniert.

3) Strahlformung durch Vorkodierung: Hierbei handelt es sich um eine Technik, die das Strahlausrichtungsmuster (Strahlungsform) durch Anwendung einer spezifischen Vorkodierungsmatrix ändert.