Gain d'antenne et formation de faisceaux

1. Gain d'antenne

Gain de l'antenneest un paramètre pour mesurer la directivité du diagramme de rayonnement de l'antenne. Les antennes à gain élevé émettront préférentiellement des signaux dans des directions spécifiques. Le gain de l'antenne est un phénomène passif dans lequel la puissance n'est pas ajoutée par l'antenne, mais est simplement redistribuée pour fournir plus de puissance rayonnée dans une direction que les autres antennes isotropes n'en émettent. Le gain est mesuré en dBi et dBd :

1) dBi : gain d'antenne isotrope de référence ;

2) dBd : fait référence au gain de l'antenne dipôle.

En ingénierie pratique, un dipôle demi-onde est utilisé à la place d'un radiateur isotrope comme référence. Le gain (dB sur le dipôle) est alors donné en dBd. La relation entre dBd et dBi est donnée ci-dessous :

dBi = dBd + 2,15

Les concepteurs d'antennes doivent tenir compte des caractéristiques d'application spécifiques de l'antenne lors de la détermination du gain :

1) Les antennes à gain élevé présentent les avantages d'une portée plus longue et d'une meilleure qualité de signal, mais doivent être alignées dans une direction spécifique ;

2) La portée des antennes à faible gain est courte, mais la direction de l'antenne est relativement large.

2. Formation de faisceaux

2.1 Principe et application

La formation de faisceaux (également appelée formation de faisceaux ou filtrage spatial) est une technique de traitement du signal qui utilise des réseaux de capteurs pour envoyer et recevoir des signaux de manière directionnelle. En ajustant les paramètres des éléments de base du réseau de phase, la technique de formation de faisceau fait que les signaux de certains angles obtiennent l'interférence de la phase, et les signaux d'autres angles obtiennent l'interférence de l'élimination. La formation de faisceau peut être utilisée à la fois à l'extrémité émettrice et à l'extrémité réceptrice du signal. Une compréhension simple peut être de crête à crête, de crête à creux, ce qui augmentera le gain de la direction de crête à crête.

La formation de faisceaux est maintenant largement utilisée dans les réseaux d'antennes 5G, les antennes sont des dispositifs passifs et les antennes actives 5G font référence à la formation de faisceaux à gain élevé. Le gain des deux sources ponctuelles en équiphase normale est de 3 dB, et le port d'antenne de 5G est supérieur à 64, alors combien est le gain de directivité 5G. Une grande caractéristique de la formation de faisceaux est que la direction de la formation de faisceaux change à mesure que la phase change, de sorte qu'elle peut être ajustée en fonction de la demande.

Comme on peut le voir sur la première figure, lorsque le lobe principal est généré, un lobe de grille avec de nombreux pics superposés sera également généré. L'amplitude du lobe de grille est égale à celle du lobe principal, ce qui va réduire le gain du lobe principal, ce qui est défavorable au système d'antenne. Alors, comment supprimer le lobe du réseau, en fait, nous connaissons la cause première de la formation de faisceau ---- phase. Tant que la distance entre les deux feeders est inférieure à une longueur d'onde, et que les feeders sont en amplitude et en phase constante, le lobe de grille n'apparaîtra pas. Ensuite, lorsque les lignes d'alimentation sont dans des phases différentes et que la distance d'alimentation est inférieure à une longueur d'onde et supérieure à la moitié de la longueur d'onde, la génération ou non d'un lobe de grille est déterminée par le degré de déviation de phase. Lorsque la distance d'alimentation est inférieure à une demi-longueur d'onde, aucun lobe de grille n'est généré. Il peut être compris à partir du schéma ci-dessous.

2.2 Avantages de la formation de faisceaux

Comparez deux systèmes d'antennes et supposez que l'énergie totale émise par les deux antennes est exactement la même.

Dans le cas 1, le système d'antenne rayonne presque la même quantité d'énergie dans toutes les directions. Les trois UeS (équipement utilisateur) autour de l'antenne recevront presque la même quantité d'énergie, mais gaspilleront la majeure partie de l'énergie qui n'est pas dirigée vers ces UE.

Dans le cas 2, l'intensité du signal du diagramme de rayonnement (« faisceau ») est spécifiquement « formée » de sorte que l'énergie rayonnée dirigée vers l'UE est plus forte qu'elle n'est dirigée vers le reste de l'UE.

Par exemple, dans la communication 5G, en ajustant l'amplitude et la phase (poids) des signaux transmis par différentes unités d'antenne, même si leurs chemins de propagation sont différents, tant que la phase est la même lorsqu'elle atteint le téléphone mobile, le résultat de l'amélioration de la superposition du signal peut être obtenu, ce qui équivaut au réseau d'antennes visant le signal vers le téléphone mobile. Comme le montre l'image ci-dessous :

2.3 "Formation" du faisceau

La façon la plus simple de former un faisceau consiste à disposer plusieurs antennes dans un réseau. Il existe de nombreuses façons d'aligner ces éléments d'antenne, mais l'une des plus simples consiste à aligner les antennes le long d'une ligne, comme illustré dans l'exemple suivant.

Remarque : cet exemple de diagramme a été créé par la boîte à outils Matlab PhaseArrayAntenna.

Une autre façon d'organiser les éléments dans un tableau consiste à organiser les éléments dans un carré à deux dimensions, comme illustré dans l'exemple suivant.

Considérons maintenant un autre tableau à deux dimensions où la forme du tableau n'est pas un carré, comme indiqué ci-dessous. L'intuition que vous pouvez avoir est que le faisceau se comprime davantage le long de l'axe d'un plus grand nombre d'éléments.

2.4 Technologie de formation de faisceaux

Il existe plusieurs façons de réaliser le beamforming :

1) Commutation des antennes réseau : il s'agit d'une technique permettant de modifier le diagramme de faisceau (forme de rayonnement) en ouvrant/fermant sélectivement les antennes du réseau d'un système d'antennes.

2) Traitement de phase basé sur DSP : Il s'agit d'une technique permettant de modifier le modèle d'orientation du faisceau (forme de rayonnement) en modifiant la phase du signal traversant chaque antenne. Avec un DSP, vous pouvez faire varier la phase du signal de chaque port d'antenne pour former un modèle d'orientation de faisceau spécifique qui fonctionne le mieux pour un ou plusieurs UE spécifiques.

3) Beamforming by precoding : Il s'agit d'une technique qui modifie le modèle d'orientation du faisceau (forme de rayonnement) en appliquant une matrice de précodage spécifique.