Антенны формирования и управления лучом

Антенны формирования луча и управления лучом

Формирование луча и управление лучом - это антенные методы, которые используются для формирования и управления излучаемым лучом энергии от антенны с фазированной решеткой. Формирование луча антенны и управление лучом антенны — это технологии или методы, которые находят все более широкое применение в таких системах, как сотовая или мобильная связь и, в частности, 5G, а также во многих других беспроводных коммуникациях. С постоянно растущей потребностью в более высоких скоростях передачи данных, более высокой плотности мобильного оборудования и т.п. антенная технология развивается вместе с другими используемыми технологиями. Формирование луча антенны позволяет антенной системе, состоящей из нескольких отдельных антенн, изменять направление общего луча путем изменения фазы и амплитуды сигналов, подаваемых на отдельные элементы антенны в решетке. Методы, необходимые для улучшения характеристик, могут использовать методы формирования луча антенны, чтобы позволить отдельным пользователям направлять на них отдельный луч. Таким образом, они получают улучшенный сигнал, а другие пользователи со своими собственными лучами получают более низкий уровень помех.

Разница между формированием луча и управлением лучом

При рассмотрении этого типа антенной технологии упоминаются два термина. Несмотря на неразрывную связь, есть два разных аспекта технологии, которые описываются двумя разными терминами:

Формирование луча: этот термин относится к базовому формированию луча энергии из набора фазированных решеток. Используя фазированные антенные решетки, можно управлять формой и направлением луча сигнала от нескольких антенн на основе разноса антенн и фазы сигнала от каждого элемента антенны в решетке. Соответственно создание луча с помощью техники интерференции и построения паттернов называется формированием луча.
Управление лучом: управление лучом развивает концепцию формирования луча на сцене дальше. Это способ динамического изменения диаграммы направленности путем изменения фазы сигнала в реальном времени без изменения элементов антенны или другого оборудования.

Направление луча используется во многих случаях, от 5G до Wi-Fi, чтобы сфокусировать излучение или приемный луч на конкретной станции, чтобы обеспечить максимальное усиление для этой станции, EUE и т. д. и уменьшить помехи для других. Формирование луча и управление лучом — это два связанных метода, но оба они включены в типы антенн, которые используются во многих новых технологиях связи, таких как 5G.

Формирование луча антенны: основы

В основе работы антенн с формированием и управлением лучом лежит технология антенн с фазовой решеткой. Существует много типов фазированных антенных решеток, но обычно в антенне с управлением лучом используется ряд небольших элементов, поскольку используемые частоты имеют тенденцию быть относительно высокими, скажем, в диапазоне 2–5 ГГц или выше. Для многих типов антенн с фазированной решеткой фаза сигнала, исходящего от отдельных элементов, фиксирована, часто длиной фидера, используемого для соединения элементов с источником сигнала. Это дало бы сигнал, который был бы прямым углом к ??оси или плоскости антенны. Однако, контролируя и изменяя фазу сигналов, подаваемых на антенну, можно обеспечить различные диаграммы направленности. Можно изменить диаграмму направленности антенны. Диаграмму направленности можно изменять так, чтобы основной луч излучения антенны был направлен на приемник. Таким образом, излучаемая мощность может быть использована максимально эффективно.

Обычно различные элементы антенны управления лучом расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Если между различными элементами нет разности фаз, то сигналы будут объединяться и усиливать друг друга в направлении, перпендикулярном плоскости элементов. Однако если разность фаз применить так, чтобы каждый элемент антенны имел равный фазовый сдвиг относительно соседнего с ним, то сигналы будут конструктивно объединяться под углом, отличным от перпендикуляра, создавая волновой фронт под углом к перпендикуляру. Чтобы достичь этого в антенне с управлением лучом, каждый элемент антенны подается отдельно с сигналом, который должен быть передан. Однако каждый фидер антенны контролируется, так что можно контролировать фазу и амплитуду каждого элемента. Это создает необходимую картину конструктивной и деструктивной интерференции во фронте волны. Антенная решетка, формирующая луч, может быть создана с использованием ряда близко расположенных антенных элементов. Если они находятся на равном расстоянии «d» друг от друга, то мы можем увидеть производительность, как показано ниже.

Где Пси = разность фаз между двумя соседними лучами

Если все элементы в решетке изотропны, т. е. излучают одинаково во всех направлениях, все они имеют одинаковый коэффициент усиления и управляются сигналом с одинаковой фазой и мощностью, результирующий луч будет направлен прямо из плоскости, в которой они смонтированы. Также возможно постепенно изменять фазировку между антенными элементами решетки для формирования луча под другим углом. Разность фаз между элементами определяет угол луча. Как и в случае с любой антенной, действует закон взаимности, и эквивалентные характеристики достигаются в направлении приема — просто легче визуализировать распределение мощности в диаграмме излучения антенны, формирующей луч. Естественно, антенны с управлением лучом намного сложнее, чем традиционные пассивные антенны, но они способны обеспечить гораздо лучшую производительность в системах радиосвязи, мобильной связи и обычных беспроводных систем, позволяя большему количеству пользователей получать доступ к базовой станции, точке доступа и т. д. и получать оптимальный сигнал с минимальное вмешательство.

Многие антенны с управлением лучом теперь включают электронику для обеспечения требуемой функциональности, и хотя они требуют значительного уровня разработки, некоторые из них производятся в виде интегрированных модулей и по удивительно низкой цене с учетом производительности и функциональности. Те, которые требуются для базовых станций мобильной связи, должны иметь возможность обслуживать очень большое количество пользователей, и поэтому они будут очень сложными и потребуют очень высокого уровня производительности.

Дополнительные размеры

Было показано, что луч a можно направить под требуемым углом в одной плоскости, обычно в горизонтальной плоскости, с помощью линейной антенны. Это очень полезно, так как позволяет контролировать общий азимут. Это может быть ключом ко многим системам радиосвязи или мобильной связи, а также к радарам. Однако в некоторых случаях может потребоваться контролировать как азимут, так и угол места антенны. Например, для систем мобильной связи антенна базовой станции может быть расположена высоко, а это означает, что пользователям, находящимся рядом с вышкой, необходимо, чтобы радиолуч был направлен к ним вниз. Пользователям, находящимся дальше, потребуется луч, направленный под более горизонтальным углом. Точно так же, как можно управлять азимутом, также можно контролировать угол места или, чаще, угол склонения, поскольку пользователи мобильной связи, скорее всего, будут ниже антенной вышки. Этого можно достичь, используя массив антенных элементов, а не просто линейный ряд антенных элементов. Хотя антенна, а также привод для нее более сложны, повторяются те же методы, но в плоскости, а не в колинеаре.

Боковые лепестки

Как и в любой направленной антенне, формируется ряд боковых лепестков. В случаях, когда расстояние меньше длины волны, боковые лепестки появляются по обе стороны от основного лепестка с уменьшающимися уровнями. Однако, если элементы решетки разнесены более широко, сила боковых лепестков увеличивается до тех пор, пока, когда расстояние разноса «d» не совпадет с длиной волны сигнала, нежелательные лучи с тем же уровнем мощности, что и основной луч, не появятся при ± 90°. Боковые лепестки обычно нежелательны, поскольку они приводят к излучению мощности в направлениях, которые не совпадают с основным лучом. Это означает, что эффективность антенны снижается по сравнению с желаемой.

Формирование луча аналоговой и цифровой антенны

Как и во многих областях электроники, а также в цифровых технологиях, распространяющихся во все области, неудивительно, что существует два метода реализации формирования луча антенны:

Формирование луча аналоговой антенны: Аналоговый метод формирования луча, вероятно, является наиболее интуитивным. Используя аналоговый подход, один поток данных обрабатывается набором преобразователей данных и радиочастотным приемопередатчиком. РЧ-выход разделяется на столько путей, сколько имеется элементов антенны, и каждый из этих путей прохождения сигнала проходит через фазовращатель, затем усиливается и передается на отдельный элемент решетки. Формирование луча аналоговой антенны в радиочастотном тракте является последним по сложности, и оно также использует минимальное количество аппаратных средств, что делает его наиболее экономически эффективным способом построения решетки формирования луча. Основным недостатком является то, что система может обрабатывать только один поток данных и генерировать один сигнальный луч. Это ограничивает его эффективность с точки зрения требований для таких приложений, как 5G, где требуется несколько лучей.
Формирование луча цифровой антенны: при формировании луча цифровой антенны каждая антенна имеет свой собственный приемопередатчик и преобразователи данных. Он может обрабатывать несколько потоков данных и одновременно генерировать несколько лучей из одного массива.

Лучи для конкретных мобильных устройств

Формирование луча антенны с двумя лучами, используемое в мобильной или сотовой связи.

Используя цифровое формирование диаграммы направленности антенны, можно формировать несколько наборов сигналов и накладывать их на элементы антенной решетки. Таким образом, он позволяет одной антенной решетке обслуживать несколько лучей и, следовательно, нескольких пользователей в таком сценарии, как 5G. Обычно это происходит на одном и том же частотном канале, что обеспечивает оптимальную эффективность использования спектра. Подход, использующий цифровое формирование луча, требует больше оборудования и накладывает большую нагрузку на обработку сигналов в цифровой области, чем аналоговый подход, но обеспечивает гораздо большую гибкость и возможности. Формирование луча антенны и управление лучом антенны — это два эффективных антенных метода, которые, несмотря на сложность реализации, обеспечивают значительные преимущества.