Ganancia de antena y formación de haces

1. Ganancia de antena

Ganancia de la antenaes un parámetro para medir la directividad del patrón de radiación de la antena. Las antenas de alta ganancia preferentemente irradiarán señales en direcciones específicas. La ganancia de la antena es un fenómeno pasivo en el que la antena no agrega potencia, sino que simplemente la redistribuye para proporcionar más potencia radiada en una dirección que la que emiten las otras antenas isotrópicas. La ganancia se mide en dBi y dBd:

1) dBi: ganancia de antena isótropa de referencia;

2) dBd: se refiere a la ganancia de la antena dipolo.

En ingeniería práctica, se utiliza como referencia un dipolo de media onda en lugar de un radiador isotrópico. La ganancia (dB en el dipolo) se da entonces en dBd. La relación entre dBd y dBi se da a continuación:

dBi = dBd + 2,15

Los diseñadores de antenas deben considerar las características específicas de la aplicación de la antena al determinar la ganancia:

1) Las antenas de alta ganancia tienen las ventajas de un mayor alcance y una mejor calidad de señal, pero deben alinearse en una dirección específica;

2) El rango de alcance de las antenas de baja ganancia es corto, pero la dirección de la antena es relativamente grande.

2. Formación de haces

2.1 Principio y aplicación

La formación de haces (también conocida como formación de haces o filtrado espacial) es una técnica de procesamiento de señales que utiliza conjuntos de sensores para enviar y recibir señales de manera direccional. Al ajustar los parámetros de los elementos básicos de la matriz de fase, la técnica de formación de haces hace que las señales de algunos ángulos obtengan la interferencia de fase y las señales de otros ángulos obtengan la interferencia de eliminación. La formación de haces se puede utilizar tanto en el extremo de transmisión como en el extremo de recepción de la señal. La comprensión simple puede ser pico a pico, pico a valle, lo que aumentará la ganancia de la dirección pico a pico.

La formación de haces ahora se usa ampliamente en conjuntos de antenas 5G, las antenas son dispositivos pasivos y las antenas activas 5G se refieren a la formación de haces de alta ganancia. La ganancia de las dos fuentes puntuales en equifase normal es de 3 dB, y el puerto de antena de 5G es mayor que 64, entonces, ¿cuál es la ganancia de la directividad de 5G? Una gran característica de la formación de haces es que la dirección de la formación de haces cambia a medida que cambia la fase, por lo que se puede ajustar según la demanda.

Como puede verse en la primera figura, cuando se genera el lóbulo principal, también se generará un lóbulo de cuadrícula con muchos picos superpuestos. La amplitud del lóbulo de la rejilla es igual a la del lóbulo principal, lo que reducirá la ganancia del lóbulo principal, lo que es desfavorable para el sistema de antena. Entonces, cómo eliminar el lóbulo de rejilla, de hecho, conocemos la causa raíz de la fase de formación de haces ----. Siempre que la distancia entre los dos alimentadores sea inferior a una longitud de onda, y los alimentadores estén en amplitud y fase constantes, el lóbulo de puerta no aparecerá. Entonces, cuando los alimentadores están en diferentes fases y la distancia de alimentación es inferior a una longitud de onda y superior a la mitad de la longitud de onda, el grado de desviación de fase determina si se genera un lóbulo de puerta. Cuando la distancia de alimentación es inferior a la mitad de la longitud de onda, no se genera ningún lóbulo de puerta. Se puede entender a partir del siguiente diagrama.

2.2 Ventajas de la formación de haces

Compare dos sistemas de antena y suponga que la energía total emitida por ambas antenas es exactamente la misma.

En el caso 1, el sistema de antena irradia casi la misma cantidad de energía en todas las direcciones. Los tres UES (equipo de usuario) alrededor de la antena recibirán casi la misma cantidad de energía, pero desperdiciarán la mayor parte de la energía que no se dirija a esos UE.

En el caso 2, la intensidad de la señal del patrón de radiación ("haz") se "forma" específicamente de modo que la energía radiada dirigida hacia el UE es más fuerte que la que no está dirigida hacia el resto del UE.

Por ejemplo, en la comunicación 5G, al ajustar la amplitud y la fase (peso) de las señales transmitidas por diferentes unidades de antena, incluso si sus rutas de propagación son diferentes, siempre que la fase sea la misma al llegar al teléfono móvil, se puede lograr el resultado de la mejora de la superposición de la señal, que es equivalente al conjunto de antenas que dirige la señal al teléfono móvil. Como se muestra en la siguiente imagen:

2.3 "Formación" de vigas

La forma más sencilla de formar un haz es disponer varias antenas en un conjunto. Hay muchas formas de alinear estos elementos de antena, pero una de las más fáciles es alinear las antenas a lo largo de una línea, como se muestra en el siguiente ejemplo.

Nota: Este diagrama de ejemplo fue creado por la caja de herramientas Matlab PhaseArrayAntenna.

Otra forma de organizar los elementos en una matriz es organizar los elementos en un cuadrado bidimensional, como se muestra en el siguiente ejemplo.

Ahora considere otra matriz bidimensional donde la forma de la matriz no es un cuadrado, como se muestra a continuación. La intuición que puede obtener es que la viga se comprime más a lo largo del eje de más elementos.

2.4 Tecnología de formación de haces

Hay varias maneras diferentes de lograr la formación de haces:

1) Conjunto de antenas de conmutación: esta es una técnica para cambiar el patrón de haz (forma de radiación) abriendo/cerrando selectivamente las antenas del conjunto de un sistema de antena.

2) Procesamiento de fase basado en DSP: esta es una técnica para cambiar el patrón de orientación del haz (forma de radiación) cambiando la fase de la señal que pasa a través de cada antena. Con un DSP, puede variar la fase de la señal de cada puerto de antena para formar un patrón de orientación de haz específico que funcione mejor para uno o más UE específicos.

3) Beamforming por precodificación: esta es una técnica que cambia el patrón de orientación del haz (forma de radiación) aplicando una matriz de precodificación específica.