Антеннаны күшейту және сәулені қалыптастыру

1. Антеннаның күшеюі

Антеннаның пайда болуыантеннаның сәулелену үлгісінің бағытын өлшеуге арналған параметр болып табылады. Жоғары кірісті антенналар сигналдарды белгілі бір бағыттар бойынша таратады. Антеннаның күшеюі пассивті құбылыс, онда қуат антеннамен қосылмайды, бірақ басқа изотропты антенналар шығаратынға қарағанда бір бағытта көбірек сәулеленген қуатты қамтамасыз ету үшін жай ғана қайта бөлінеді. Артықшылық dBi және dBd-де өлшенеді:

1) dBi: анықтамалық изотропты антеннаның күшеюі;

2) dBd: дипольді антеннаның күшейту деңгейін қараңыз.

Практикалық инженерияда изотропты радиатордың орнына анықтама ретінде жарты толқынды диполь қолданылады. Содан кейін күшейту (дипольдегі дБ) дБд түрінде беріледі. dBd және dBi арасындағы байланыс төменде келтірілген:

dBi = dBd + 2,15

Антенна дизайнерлері пайданы анықтау кезінде антеннаның нақты қолдану сипаттамаларын ескеруі керек:

1) Жоғары кірісті антенналардың ұзағырақ диапазон және жақсы сигнал сапасының артықшылықтары бар, бірақ белгілі бір бағытта туралануы керек;

2) Төмен кірісті антенналардың диапазоны қысқа, бірақ антеннаның бағыты салыстырмалы түрде үлкен.

2. Сәулелеу

2.1 Принцип және қолдану

Beamforming (сондай-ақ сәулелену немесе кеңістіктік сүзу ретінде белгілі) сигналдарды бағытталған түрде жіберу және қабылдау үшін сенсорлық массивтерді пайдаланатын сигналды өңдеу әдісі болып табылады. Фазалық массивтің негізгі элементтерінің параметрлерін реттей отырып, сәулені қалыптастыру техникасы кейбір бұрыштардың сигналдарын фазаның интерференциясын, ал басқа бұрыштардың сигналдарын жоюдың кедергісін алады. Сәулелендіруді сигналдың жіберу және қабылдау ұшында да қолдануға болады. Қарапайым түсіну шыңнан шыңға, шыңнан төменге дейін болуы мүмкін, бұл шыңның шыңға жетуін арттырады.

Сәулені қалыптастыру қазір 5G антенна массивтерінде кеңінен қолданылады, антенналар пассивті құрылғылар болып табылады, ал 5G белсенді антенналары жоғары нәтижелі сәулені қалыптастыруға жатады. Қалыпты эквифазадағы екі нүктелік көздің күшеюі 3дБ, ал 5G антенна порты 64-тен жоғары, сондықтан 5G бағытының күшеюі қанша болады. Арқалық қалыптаудың керемет ерекшелігі фазаның өзгеруіне қарай сәуленің бағыты өзгереді, сондықтан оны сұранысқа сәйкес реттеуге болады.

Бірінші суреттен көрініп тұрғандай, негізгі лоб пайда болған кезде, көптеген шыңдары қабаттасқан тор лобы да пайда болады. Тор лобының амплитудасы негізгі лобқа тең, бұл антенна жүйесіне қолайсыз негізгі лобтың күшейтуін азайтады. Сонымен, торлы лобты қалай алып тастау керек, шын мәнінде, біз сәулеленудің негізгі себебін білеміз ---- фазасы. Екі фидер арасындағы қашықтық бір толқын ұзындығынан аз болса және қоректендіргіштер тұрақты амплитудада және фазада болса, қақпа лобы пайда болмайды. Содан кейін, қоректендіргіштер әртүрлі фазаларда болғанда және беру қашықтығы бір толқын ұзындығынан аз және жарты толқын ұзындығынан көп болса, қақпа лобының пайда болуы фазалық ауытқу дәрежесімен анықталады. Берілу қашықтығы жарты толқын ұзындығынан аз болса, қақпа лобы жасалмайды. Оны төмендегі диаграммадан түсінуге болады.

2.2 Арқалық пішіндеудің артықшылықтары

Екі антенна жүйесін салыстырыңыз және екі антеннаның шығаратын жалпы энергиясы бірдей деп есептеңіз.

1-жағдайда антенна жүйесі барлық бағытта бірдей дерлік энергия шығарады. Антеннаның айналасындағы үш UeS (пайдаланушы жабдығы) бірдей дерлік қуат алады, бірақ сол UE-ге бағытталмаған энергияның көп бөлігін босқа жұмсайды.

2-жағдайда сәулелену үлгісінің сигнал күші («сәуле») арнайы «қалыптастырылады», осылайша UE-ге бағытталған сәулелену энергиясы UE-нің қалған бөлігіне бағытталмағанға қарағанда күштірек болады.

Мысалы, 5G байланысында әртүрлі антенна қондырғылары арқылы берілетін сигналдардың амплитудасы мен фазасын (салмағы) реттеу арқылы, тіпті олардың таралу жолдары әртүрлі болса да, ұялы телефонға жеткенде фаза бірдей болса, сигналдың суперпозициясын жақсарту нәтижесіне қол жеткізуге болады, бұл ұялы телефонның сигналын бағыттайтын антенна массивіне баламалы. Төмендегі суретте көрсетілгендей:

2.3 «Қалыптастыру» арқалығы

Сәулені қалыптастырудың ең қарапайым жолы - бірнеше антенналарды массивке орналастыру. Бұл антенна элементтерін туралаудың көптеген жолдары бар, бірақ ең оңайларының бірі келесі мысалда көрсетілгендей антенналарды сызық бойымен туралау болып табылады.

Ескерту: Бұл мысал диаграмма Matlab PhaseArrayAntenna құралдар жинағы арқылы жасалған.

Жиымдағы элементтерді орналастырудың тағы бір жолы - келесі мысалда көрсетілгендей екі өлшемді шаршыдағы элементтерді орналастыру.

Енді төменде көрсетілгендей массивтің пішіні шаршы емес басқа екі өлшемді массивті қарастырыңыз. Сіз алуға болатын түйсігі - сәуленің көбірек элементтер осінің бойымен көбірек қысылуы.

2.4 Сәулелеу технологиясы

Сәулелендіруге қол жеткізудің бірнеше түрлі жолдары бар:

1) Жиым антенналарын ауыстыру: Бұл антенна жүйесінің массивінен антенналарды таңдап ашу/жабу арқылы сәуле үлгісін (сәулелену нысанын) өзгертуге арналған әдіс.

2) DSP негізіндегі фазалық өңдеу: Бұл әрбір антенна арқылы өтетін сигнал фазасын өзгерту арқылы сәуленің бағдарлану үлгісін (сәулелену формасы) өзгерту әдісі. DSP көмегімен әрбір антенна портының сигнал фазасын бір немесе бірнеше арнайы UE үшін жақсы жұмыс істейтін арнайы сәулелік бағдарлау үлгісін қалыптастыруға өзгертуге болады.

3) Алдын ала кодтау арқылы сәулені қалыптастыру: Бұл арнайы алдын ала кодтау матрицасын қолдану арқылы сәуленің бағдарлану үлгісін (сәулелену формасы) өзгертетін әдіс.