Độ lợi của anten và định dạng búp sóng

1. Độ lợi của anten

Ăng-tenlà một tham số để đo định hướng của mẫu bức xạ anten. Ăng-ten độ lợi cao sẽ ưu tiên phát tín hiệu theo các hướng cụ thể. Độ lợi của ăng-ten là một hiện tượng thụ động trong đó công suất không được bổ sung bởi ăng-ten mà chỉ được phân phối lại để cung cấp nhiều năng lượng bức xạ theo một hướng hơn so với các ăng-ten đẳng hướng khác phát ra. Độ lợi được đo bằng dBi và dBd:

1) dBi: độ lợi anten đẳng hướng tham chiếu;

2) dBd: đề cập đến mức tăng của ăng ten lưỡng cực.

Trong kỹ thuật thực tế, một lưỡng cực nửa sóng được sử dụng thay cho bộ bức xạ đẳng hướng làm tham chiếu. Mức tăng (dB trên lưỡng cực) sau đó được tính bằng dBd. Mối quan hệ giữa dBd và dBi được đưa ra dưới đây:

dBi = dBd + 2,15

Các nhà thiết kế ăng-ten phải xem xét các đặc điểm ứng dụng cụ thể của ăng-ten khi xác định mức tăng:

1) Ăng-ten độ lợi cao có ưu điểm là tầm xa hơn và chất lượng tín hiệu tốt hơn, nhưng phải được căn chỉnh theo một hướng cụ thể;

2) Phạm vi phủ sóng của ăng-ten độ lợi thấp ngắn nhưng hướng của ăng-ten tương đối lớn.

2. Định dạng tia

2.1 Nguyên lý và ứng dụng

Beamforming (còn được gọi là định dạng chùm hoặc lọc không gian) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu sử dụng các mảng cảm biến để gửi và nhận tín hiệu theo cách định hướng. Bằng cách điều chỉnh các tham số của các phần tử cơ bản của mảng pha, kỹ thuật định dạng chùm làm cho tín hiệu của một số góc có được sự giao thoa của pha và tín hiệu của các góc khác có được sự giao thoa của sự loại bỏ. Beamforming có thể được sử dụng ở cả đầu truyền và đầu nhận tín hiệu. Hiểu đơn giản có thể là đỉnh đến đỉnh, đỉnh đến đáy, điều này sẽ làm tăng mức tăng của đỉnh đến hướng đỉnh.

Định dạng chùm hiện được sử dụng rộng rãi trong các mảng ăng-ten 5G, ăng-ten là thiết bị thụ động và ăng-ten chủ động 5G đề cập đến định dạng chùm có mức tăng cao. Mức tăng của hai nguồn điểm trong trạng thái cân bằng bình thường là 3dB và cổng ăng ten của 5G lớn hơn 64, vậy mức tăng của định hướng 5G là bao nhiêu. Một tính năng tuyệt vời của định dạng chùm tia là hướng của định dạng chùm tia thay đổi khi pha thay đổi, vì vậy nó có thể được điều chỉnh theo nhu cầu.

Như có thể thấy từ hình đầu tiên, khi thùy chính được tạo, một thùy lưới có nhiều đỉnh xếp chồng lên nhau cũng sẽ được tạo. Biên độ của búp sóng lưới bằng biên độ của búp sóng chính sẽ làm giảm hệ số khuếch đại của búp sóng chính, gây bất lợi cho hệ thống anten. Vì vậy, làm thế nào để loại bỏ thùy cách tử, trên thực tế, chúng ta biết nguyên nhân gốc rễ của giai đoạn tạo chùm tia ----. Miễn là khoảng cách giữa hai nguồn cấp dữ liệu nhỏ hơn một bước sóng và các nguồn cấp dữ liệu có biên độ và pha không đổi, thùy cổng sẽ không xuất hiện. Sau đó, khi các bộ cấp dữ liệu ở các pha khác nhau và khoảng cách cấp dữ liệu nhỏ hơn một bước sóng và hơn một nửa bước sóng, thì việc một thùy cổng có được tạo ra hay không được xác định bởi độ lệch pha. Khi khoảng cách nguồn cấp dữ liệu nhỏ hơn nửa bước sóng, không có thùy cổng nào được tạo ra. Nó có thể được hiểu từ sơ đồ dưới đây.

2.2 Ưu điểm của Beamforming

So sánh hai hệ thống ăng-ten và giả sử rằng tổng năng lượng do cả hai ăng-ten phát ra là hoàn toàn như nhau.

Trong trường hợp 1, hệ thống ăng-ten tỏa ra một lượng năng lượng gần như giống nhau theo mọi hướng. Ba UeS (Thiết bị người dùng) xung quanh ăng-ten sẽ nhận được lượng năng lượng gần như giống nhau, nhưng lại lãng phí phần lớn năng lượng không hướng đến các UE đó.

Trong trường hợp 2, cường độ tín hiệu của mẫu bức xạ (" chùm tia ") được "hình thành" cụ thể sao cho năng lượng bức xạ hướng tới UE mạnh hơn so với năng lượng bức xạ không hướng tới phần còn lại của UE.

Ví dụ: trong giao tiếp 5G, bằng cách điều chỉnh biên độ và pha (trọng lượng) của tín hiệu được truyền bởi các đơn vị ăng-ten khác nhau, ngay cả khi đường truyền của chúng khác nhau, miễn là pha giống nhau khi đến điện thoại di động, có thể đạt được kết quả tăng cường chồng chất tín hiệu, tương đương với mảng ăng-ten nhắm tín hiệu vào điện thoại di động. Như thể hiện trong hình dưới đây:

2.3 Chùm "Hình thành"

Cách đơn giản nhất để tạo thành chùm là sắp xếp nhiều anten thành một mảng. Có nhiều cách để căn chỉnh các phần tử ăng-ten này, nhưng một trong những cách dễ nhất là căn chỉnh các ăng-ten dọc theo một đường thẳng, như minh họa trong ví dụ sau.

Lưu ý: Sơ đồ ví dụ này được tạo bởi hộp công cụ Matlab PhaseArrayAntenna.

Một cách khác để sắp xếp các phần tử trong một mảng là sắp xếp các phần tử trong một hình vuông hai chiều, như minh họa trong ví dụ sau.

Bây giờ hãy xem xét một mảng hai chiều khác trong đó hình dạng của mảng không phải là hình vuông, như hình bên dưới. Trực giác mà bạn có thể nhận được là chùm nén dọc theo trục của nhiều phần tử hơn.

2.4 Công nghệ Beamforming

Có một số cách khác nhau để đạt được Beamforming:

1) Chuyển mạch anten mảng: Đây là kỹ thuật thay đổi dạng búp sóng (dạng bức xạ) bằng cách đóng/mở có chọn lọc các anten từ mảng của một hệ thống anten.

2) Xử lý pha dựa trên DSP: Đây là kỹ thuật thay đổi kiểu định hướng chùm tia (dạng bức xạ) bằng cách thay đổi pha của tín hiệu đi qua mỗi ăng ten. Với DSP, bạn có thể thay đổi pha tín hiệu của từng cổng ăng-ten để tạo thành một mẫu định hướng chùm tia cụ thể hoạt động tốt nhất cho một hoặc nhiều UE cụ thể.

3) Beamforming by precoding: Đây là một kỹ thuật thay đổi kiểu định hướng chùm tia (dạng bức xạ) bằng cách áp dụng một ma trận tiền mã hóa cụ thể.