Ganho de antena e beamforming

1. Ganho da antena

Ganho da antenaé um parâmetro para medir a diretividade do padrão de radiação da antena. Antenas de alto ganho irão preferencialmente irradiar sinais em direções específicas. O ganho da antena é um fenômeno passivo no qual a potência não é adicionada pela antena, mas simplesmente redistribuída para fornecer mais potência irradiada em uma direção do que as outras antenas isotrópicas emitem. O ganho é medido em dBi e dBd:

1) dBi: ganho isotrópico de referência da antena;

2) dBd: refere-se ao ganho da antena dipolo.

Na engenharia prática, um dipolo de meia onda é usado em vez de um radiador isotrópico como referência. O ganho (dB no dipolo) é então dado em dBd. A relação entre dBd e dBi é dada abaixo:

dBi = dBd + 2,15

Os projetistas de antenas devem considerar as características de aplicação específicas da antena ao determinar o ganho:

1) As antenas de alto ganho têm as vantagens de maior alcance e melhor qualidade de sinal, mas devem ser alinhadas em uma direção específica;

2) O alcance das antenas de baixo ganho é curto, mas a direção da antena é relativamente grande.

2. Beamforming

2.1 Princípio e aplicação

Beamforming (também conhecido como beamforming ou filtragem espacial) é uma técnica de processamento de sinal que usa matrizes de sensores para enviar e receber sinais de maneira direcional. Ao ajustar os parâmetros dos elementos básicos da matriz de fase, a técnica de beamforming faz com que os sinais de alguns ângulos obtenham a interferência da fase e os sinais de outros ângulos obtenham a interferência da eliminação. Beamforming pode ser usado tanto na extremidade de transmissão quanto na extremidade de recepção do sinal. A compreensão simples pode ser pico a pico, pico a vale, o que aumentará o ganho do pico para a direção do pico.

Beamforming agora é amplamente usado em arranjos de antenas 5G, antenas são dispositivos passivos e antenas ativas 5G referem-se a beamforming de alto ganho. O ganho das duas fontes pontuais na equiphase normal é de 3dB, e a porta da antena do 5G é maior que 64, então quanto é o ganho da diretividade do 5G. Uma grande característica do beamforming é que a direção do beamforming muda conforme a fase muda, para que possa ser ajustada de acordo com a demanda.

Como pode ser visto na primeira figura, quando o lóbulo principal é gerado, também será gerado um lóbulo de grade com muitos picos sobrepostos. A amplitude do lóbulo da grade é igual à do lóbulo principal, o que reduzirá o ganho do lóbulo principal, que é desfavorável ao sistema de antena. Então, como remover o lóbulo da grade, de fato, sabemos a causa raiz da fase de formação de feixe ----. Enquanto a distância entre os dois alimentadores for menor que um comprimento de onda e os alimentadores estiverem em amplitude e fase constantes, o lóbulo do portão não aparecerá. Então, quando os alimentadores estão em fases diferentes e a distância de alimentação é menor que um comprimento de onda e mais da metade do comprimento de onda, se um lóbulo de porta é gerado é determinado pelo grau de desvio de fase. Quando a distância de alimentação é menor que meio comprimento de onda, nenhum lóbulo de porta é gerado. Pode ser entendido a partir do diagrama abaixo.

2.2 Vantagens do beamforming

Compare dois sistemas de antenas e assuma que a energia total emitida por ambas as antenas é exatamente a mesma.

No caso 1, o sistema de antena irradia quase a mesma quantidade de energia em todas as direções. Os três UES (User Equipment) ao redor da antena receberão quase a mesma quantidade de energia, mas desperdiçarão a maior parte da energia que não for direcionada para esses UEs.

No caso 2, a intensidade do sinal do padrão de radiação ("feixe") é especificamente "formada" para que a energia irradiada direcionada ao UE seja mais forte do que não direcionada ao restante do UE.

Por exemplo, na comunicação 5G, ajustando-se a amplitude e a fase (peso) dos sinais transmitidos por diferentes unidades de antena, mesmo que seus caminhos de propagação sejam diferentes, desde que a fase seja a mesma ao chegar ao celular, pode-se obter o resultado de superposição de sinal equivalente ao arranjo de antenas direcionando o sinal para o celular. Como mostrado na imagem abaixo:

2.3 Viga "Formando"

A maneira mais simples de formar um feixe é organizar várias antenas em uma matriz. Existem muitas maneiras de alinhar esses elementos de antena, mas uma das mais fáceis é alinhar as antenas ao longo de uma linha, conforme mostrado no exemplo a seguir.

Nota: Este diagrama de exemplo foi criado pela caixa de ferramentas Matlab PhaseArrayAntenna.

Outra maneira de organizar os elementos em uma matriz é organizar os elementos em um quadrado bidimensional, conforme mostrado no exemplo a seguir.

Agora considere outra matriz bidimensional em que a forma da matriz não é um quadrado, conforme mostrado abaixo. A intuição que você pode obter é que a viga se comprime mais ao longo do eixo de mais elementos.

2.4 Tecnologia de formação de feixe

Existem várias maneiras diferentes de obter o beamforming:

1) Antenas de arranjo de comutação: Esta é uma técnica para alterar o padrão de feixe (forma de radiação) abrindo/fechando seletivamente as antenas do arranjo de um sistema de antenas.

2) Processamento de fase baseado em DSP: Esta é uma técnica para alterar o padrão de orientação do feixe (forma de radiação) alterando a fase do sinal que passa por cada antena. Com um DSP, você pode variar a fase do sinal de cada porta de antena para formar um padrão de orientação de feixe específico que funcione melhor para um ou mais UEs específicos.

3) Beamforming por pré-codificação: É uma técnica que altera o padrão de orientação do feixe (forma de radiação) pela aplicação de uma matriz específica de pré-codificação.