افزایش آنتن و شکل دهی پرتو

1. بهره آنتن

بهره آنتنپارامتری برای اندازه گیری جهت الگوی تابش آنتن است. آنتن‌های با برد بالا ترجیحاً سیگنال‌ها را در جهت‌های خاص تابش می‌کنند. بهره آنتن یک پدیده غیرفعال است که در آن توان توسط آنتن اضافه نمی شود، بلکه به سادگی توزیع می شود تا قدرت تابشی بیشتری در یک جهت نسبت به سایر آنتن های همسانگرد منتشر شود. سود با dBi و dBd اندازه گیری می شود:

1) dBi: بهره آنتن ایزوتروپیک مرجع.

2) dBd: رجوع به بهره آنتن دوقطبی شود.

در مهندسی عملی به جای رادیاتور همسانگرد از دوقطبی نیم موج به عنوان مرجع استفاده می شود. سپس بهره (dB روی دوقطبی) بر حسب dBd داده می شود. رابطه بین dBd و dBi در زیر آورده شده است:

dBi = dBd + 2.15

طراحان آنتن باید ویژگی های کاربردی خاص آنتن را هنگام تعیین بهره در نظر بگیرند:

1) آنتن های با بهره بالا دارای مزایای برد طولانی تر و کیفیت سیگنال بهتر هستند، اما باید در جهت خاصی تراز شوند.

2) برد آنتن های کم بهره کوتاه است، اما جهت آنتن نسبتا زیاد است.

2. شکل دهی پرتو

2.1 اصل و کاربرد

شکل دهی پرتو (همچنین به عنوان شکل دهی پرتو یا فیلتر فضایی نیز شناخته می شود) یک تکنیک پردازش سیگنال است که از آرایه های حسگر برای ارسال و دریافت سیگنال ها به شیوه ای جهت دار استفاده می کند. با تنظیم پارامترهای عناصر اصلی آرایه فاز، تکنیک شکل دهی پرتو باعث می شود سیگنال های برخی از زوایا تداخل فاز را به دست آورند و سیگنال های سایر زوایا تداخل حذف را به دست آورند. شکل دهی پرتو را می توان هم در انتهای فرستنده و هم در انتهای گیرنده سیگنال استفاده کرد. درک ساده می تواند اوج به اوج، اوج به پایین باشد، که باعث افزایش بهره قله به جهت اوج می شود.

Beamforming اکنون به طور گسترده در آرایه‌های آنتن 5G استفاده می‌شود، آنتن‌ها دستگاه‌های غیرفعال هستند و آنتن‌های فعال 5G به شکل‌دهی پرتوی با بهره بالا اشاره دارند. بهره دو منبع نقطه ای در equiphase معمولی 3dB است و پورت آنتن 5G بیشتر از 64 است، بنابراین بهره هدایت 5G چقدر است. یکی از ویژگی‌های مهم شکل‌دهی پرتو این است که جهت شکل‌دهی پرتو با تغییر فاز تغییر می‌کند، بنابراین می‌توان آن را بر اساس تقاضا تنظیم کرد.

همانطور که از شکل اول مشاهده می شود، هنگامی که لوب اصلی تولید می شود، یک لوب شبکه ای با قله های زیادی که روی هم قرار گرفته اند نیز تولید می شود. دامنه لوب شبکه برابر با لوب اصلی است که باعث کاهش بهره لوب اصلی می شود که برای سیستم آنتن نامطلوب است. بنابراین، چگونه می توان لوب توری را حذف کرد، در واقع، ما علت اصلی تشکیل پرتو ---- فاز را می دانیم. تا زمانی که فاصله بین دو فیدر کمتر از یک طول موج باشد و فیدرها در دامنه ثابت و در فاز باشند، لوب دروازه ظاهر نمی شود. سپس، هنگامی که فیدرها در فازهای مختلف هستند و فاصله تغذیه کمتر از یک طول موج و بیشتر از نیمی از طول موج است، با درجه انحراف فاز تعیین می شود که آیا یک لوب دروازه ایجاد می شود. هنگامی که فاصله تغذیه کمتر از نیمی از طول موج باشد، هیچ لوب دروازه ای تولید نمی شود. از نمودار زیر می توان فهمید.

2.2 مزایای شکل دهی پرتو

دو سیستم آنتن را مقایسه کنید و فرض کنید که کل انرژی ساطع شده توسط هر دو آنتن دقیقاً یکسان است.

در مورد 1، سیستم آنتن تقریباً همان مقدار انرژی را در همه جهات تابش می کند. سه UeS (تجهیزات کاربر) در اطراف آنتن تقریباً همان مقدار انرژی دریافت می کنند، اما بیشتر انرژی را که به آن UE ها هدایت نمی شود هدر می دهند.

در مورد 2، قدرت سیگنال الگوی تابش ("پرتو") به طور خاص "تشکیل" می شود به طوری که انرژی تابیده شده به سمت UE قوی تر از آن است که به سمت بقیه UE هدایت نشود.

به عنوان مثال، در ارتباطات 5G، با تنظیم دامنه و فاز (وزن) سیگنال های ارسال شده توسط واحدهای آنتن مختلف، حتی اگر مسیر انتشار آنها متفاوت باشد، تا زمانی که فاز در هنگام رسیدن به تلفن همراه یکسان باشد، می توان به نتیجه افزایش سوپرپوزیشن سیگنال دست یافت که معادل آرایه آنتنی است که سیگنال تلفن همراه را هدف قرار می دهد. همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است:

2.3 پرتو "شکل دهی"

ساده ترین راه برای تشکیل یک پرتو، مرتب کردن چندین آنتن در یک آرایه است. راه‌های زیادی برای تراز کردن این عناصر آنتن وجود دارد، اما یکی از ساده‌ترین آن‌ها تراز کردن آنتن‌ها در امتداد یک خط است، همانطور که در مثال زیر نشان داده شده است.

توجه: این نمودار نمونه توسط جعبه ابزار Matlab PhaseArrayAntenna ایجاد شده است.

روش دیگر برای چیدمان عناصر در یک آرایه، چیدمان عناصر در یک مربع دو بعدی است، همانطور که در مثال زیر نشان داده شده است.

حالا آرایه دو بعدی دیگری را در نظر بگیرید که شکل آرایه مربع نباشد، مانند شکل زیر. شهودی که می توانید دریافت کنید این است که پرتو در امتداد محور عناصر بیشتری فشرده می شود.

2.4 تکنولوژی Beamforming

چندین راه مختلف برای دستیابی به شکل دهی پرتو وجود دارد:

1) تعویض آنتن های آرایه ای: این تکنیک برای تغییر الگوی پرتو (شکل تابش) با باز کردن/بستن انتخابی آنتن ها از آرایه یک سیستم آنتن است.

2) پردازش فاز مبتنی بر DSP: این تکنیک برای تغییر الگوی جهت گیری پرتو (شکل تابش) با تغییر فاز سیگنال عبوری از هر آنتن است. با یک DSP، می توانید فاز سیگنال هر پورت آنتن را تغییر دهید تا یک الگوی جهت گیری پرتو مشخصی را ایجاد کنید که برای یک یا چند UE خاص بهترین کار را دارد.

3) شکل دهی پرتو با پیش کدگذاری: این تکنیکی است که الگوی جهت گیری پرتو (شکل تابشی) را با اعمال یک ماتریس پیش کدگذاری خاص تغییر می دهد.