อัตราขยายของเสาอากาศและการสร้างลำแสง

1. อัตราขยายของเสาอากาศ

อัตราขยายของเสาอากาศเป็นพารามิเตอร์ในการวัดทิศทางของรูปแบบการแผ่รังสีของสายอากาศ เสาอากาศกำลังสูงจะส่งสัญญาณในทิศทางที่เฉพาะเจาะจงเป็นพิเศษ อัตราขยายของเสาอากาศเป็นปรากฏการณ์แบบพาสซีฟซึ่งพลังงานไม่ได้ถูกเพิ่มโดยเสาอากาศ แต่ถูกแจกจ่ายซ้ำเพื่อให้พลังงานที่แผ่ออกมาในทิศทางเดียวมากกว่าที่เสาอากาศไอโซโทรปิกอื่นๆ ปล่อยออกมา ได้รับวัดเป็น dBi และ dBd:

1) dBi: อัตราขยายของเสาอากาศแบบไอโซโทรปิกอ้างอิง;

2) dBd: หมายถึงอัตราขยายของสายอากาศไดโพล

ในทางวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ จะใช้ไดโพลแบบครึ่งคลื่นแทนการใช้หม้อน้ำแบบไอโซโทรปิกเป็นข้อมูลอ้างอิง อัตราขยาย (dB บนไดโพล) จะได้รับหน่วยเป็น dBd ความสัมพันธ์ระหว่าง dBd และ dBi แสดงไว้ด้านล่าง:

dBi = dBd + 2.15

ผู้ออกแบบสายอากาศต้องพิจารณาลักษณะการใช้งานเฉพาะของสายอากาศเมื่อพิจารณาอัตราขยาย:

1) เสาอากาศกำลังสูงมีข้อดีคือช่วงสัญญาณยาวกว่าและคุณภาพสัญญาณดีกว่า แต่ต้องวางในทิศทางที่กำหนด

2) ช่วงของเสาอากาศอัตราขยายต่ำนั้นสั้น แต่ทิศทางของเสาอากาศนั้นค่อนข้างใหญ่

2. บีมฟอร์มมิ่ง

2.1 หลักการและการประยุกต์ใช้

Beamforming (หรือที่เรียกว่า beamforming หรือการกรองเชิงพื้นที่) เป็นเทคนิคการประมวลผลสัญญาณที่ใช้อาร์เรย์เซ็นเซอร์เพื่อส่งและรับสัญญาณในลักษณะที่มีทิศทาง โดยการปรับพารามิเตอร์ขององค์ประกอบพื้นฐานของเฟสอาร์เรย์ เทคนิคการสร้างลำแสงทำให้สัญญาณของบางมุมได้รับการรบกวนของเฟส และสัญญาณของมุมอื่นได้รับการรบกวนของการกำจัด สามารถใช้ Beamforming ได้ทั้งที่ปลายส่งสัญญาณและปลายรับสัญญาณ ความเข้าใจง่ายๆ อาจเป็นแบบ peak to peak, peak to trough ซึ่งจะเพิ่มอัตราขยายของจุดสูงสุดไปยังทิศทางจุดสูงสุด

ปัจจุบัน Beamforming ใช้กันอย่างแพร่หลายในแผงเสาอากาศ 5G เสาอากาศเป็นอุปกรณ์แบบพาสซีฟ และเสาอากาศแบบแอคทีฟ 5G หมายถึงการขึ้นรูปลำแสงอัตราขยายสูง อัตราขยายของแหล่งกำเนิดสองจุดในระยะเท่ากันปกติคือ 3dB และพอร์ตเสาอากาศของ 5G นั้นมากกว่า 64 ดังนั้นอัตราขยายของทิศทาง 5G จะเป็นเท่าใด คุณลักษณะที่ยอดเยี่ยมของบีมฟอร์มมิงคือทิศทางของบีมฟอร์มมิงจะเปลี่ยนไปตามเฟสที่เปลี่ยนไป จึงสามารถปรับเปลี่ยนได้ตามความต้องการ

ดังที่เห็นได้จากรูปแรก เมื่อกลีบหลักถูกสร้างขึ้น กลีบกริดที่มีหลายยอดซ้อนทับกันก็จะถูกสร้างขึ้นด้วย แอมพลิจูดของกลีบกริดเท่ากับความกว้างของกลีบหลัก ซึ่งจะลดอัตราขยายของกลีบหลัก ซึ่งส่งผลเสียต่อระบบเสาอากาศ ดังนั้นวิธีการเอาตะแกรงออก ความจริงแล้ว เราทราบต้นตอของระยะการขึ้นรูปลำแสง ---- ตราบใดที่ระยะห่างระหว่างตัวป้อนทั้งสองน้อยกว่าหนึ่งความยาวคลื่น และตัวป้อนอยู่ในแอมพลิจูดคงที่และอยู่ในเฟส กลีบเกตจะไม่ปรากฏขึ้น จากนั้น เมื่อตัวป้อนอยู่ในเฟสต่างๆ และระยะป้อนน้อยกว่าหนึ่งความยาวคลื่นและมากกว่าครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น ไม่ว่าจะสร้างกลีบเกทหรือไม่ก็ตาม จะพิจารณาจากระดับความเบี่ยงเบนของเฟส เมื่อระยะป้อนน้อยกว่าครึ่งความยาวคลื่น จะไม่มีการสร้างกลีบประตู สามารถเข้าใจได้จากแผนภาพด้านล่าง

2.2 ข้อดีของการขึ้นรูปคาน

เปรียบเทียบระบบเสาอากาศสองระบบและสมมติว่าพลังงานทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากเสาอากาศทั้งสองเท่ากันทุกประการ

ในกรณีที่ 1 ระบบเสาอากาศจะแผ่พลังงานในปริมาณที่เท่ากันในทุกทิศทาง UeS (อุปกรณ์ของผู้ใช้) ทั้งสามรอบเสาอากาศจะได้รับพลังงานเกือบเท่าๆ กัน แต่จะเสียพลังงานส่วนใหญ่ที่ไม่ได้ส่งไปยัง UE เหล่านั้น

ในกรณีที่ 2 ความแรงของสัญญาณของรูปแบบการแผ่รังสี (" ลำแสง ") จะถูก "ก่อตัวขึ้น" โดยเฉพาะ เพื่อให้พลังงานที่แผ่ออกไปทาง UE นั้นแรงกว่าที่ไม่ส่งไปยังส่วนที่เหลือของ UE

ตัวอย่างเช่น ในการสื่อสาร 5G โดยการปรับแอมพลิจูดและเฟส (น้ำหนัก) ของสัญญาณที่ส่งโดยชุดเสาอากาศที่แตกต่างกัน แม้ว่าเส้นทางการแพร่กระจายของพวกมันจะต่างกัน ตราบใดที่เฟสเท่ากันเมื่อส่งถึงโทรศัพท์มือถือ ผลลัพธ์ของการเพิ่มประสิทธิภาพการซ้อนทับของสัญญาณสามารถทำได้ ซึ่งเทียบเท่ากับอาร์เรย์เสาอากาศที่เล็งสัญญาณไปที่โทรศัพท์มือถือ ดังแสดงในภาพด้านล่าง:

2.3 บีม "การขึ้นรูป"

วิธีที่ง่ายที่สุดในการสร้างลำแสงคือการจัดเรียงเสาอากาศหลายตัวเป็นอาร์เรย์ มีหลายวิธีในการจัดตำแหน่งองค์ประกอบเสาอากาศเหล่านี้ แต่หนึ่งในวิธีที่ง่ายที่สุดคือการจัดตำแหน่งเสาอากาศตามเส้น ดังที่แสดงในตัวอย่างต่อไปนี้

หมายเหตุ: ไดอะแกรมตัวอย่างนี้สร้างโดยกล่องเครื่องมือ Matlab PhaseArrayAntenna

อีกวิธีในการจัดเรียงองค์ประกอบในอาร์เรย์คือการจัดเรียงองค์ประกอบในรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสสองมิติ ดังตัวอย่างต่อไปนี้

ตอนนี้ให้พิจารณาอาร์เรย์สองมิติอื่นที่รูปร่างของอาร์เรย์ไม่ใช่สี่เหลี่ยม ดังที่แสดงด้านล่าง สัญชาตญาณที่คุณจะได้รับคือลำแสงบีบอัดมากขึ้นตามแกนขององค์ประกอบต่างๆ

2.4 เทคโนโลยีบีมฟอร์มมิ่ง

มีหลายวิธีที่จะทำให้ได้บีมฟอร์มมิ่ง:

1) การสลับเสาอากาศอาร์เรย์: เป็นเทคนิคในการเปลี่ยนรูปแบบลำแสง (รูปแบบของการแผ่รังสี) โดยการเลือกเปิด/ปิดเสาอากาศจากอาร์เรย์ของระบบเสาอากาศ

2) การประมวลผลเฟสตาม DSP: เป็นเทคนิคในการเปลี่ยนรูปแบบการวางลำแสง (รูปแบบของการแผ่รังสี) โดยการเปลี่ยนเฟสของสัญญาณที่ผ่านเสาอากาศแต่ละอัน ด้วย DSP คุณสามารถเปลี่ยนเฟสสัญญาณของพอร์ตเสาอากาศแต่ละพอร์ตเพื่อสร้างรูปแบบการวางแนวลำแสงเฉพาะที่ทำงานได้ดีที่สุดสำหรับ UE หนึ่งรายการขึ้นไป

3) Beamforming by precoding: เป็นเทคนิคที่เปลี่ยนรูปแบบการวางลำแสง (รูปแบบการแผ่รังสี) โดยใช้เมทริกซ์ precoding เฉพาะ