안테나 이득 및 빔포밍

1. 안테나 이득

안테나 이득안테나 방사 패턴의 지향성을 측정하기 위한 파라미터이다. 고이득 안테나는 특정 방향으로 신호를 우선적으로 방사합니다. 안테나의 이득은 안테나에 의해 전력이 추가되는 것이 아니라 다른 등방성 안테나가 방출하는 것보다 한 방향으로 더 많은 방사 전력을 제공하기 위해 단순히 재분배되는 수동 현상입니다. 게인은 dBi 및 dBd로 측정됩니다.

1) dBi: 기준 등방성 안테나 이득;

2) dBd: 다이폴 안테나의 이득을 참조하십시오.

실용공학에서는 등방성 방사체 대신에 반파장 쌍극자를 기준으로 사용한다. 게인(쌍극자에서 dB)은 dBd로 표시됩니다. dBd와 dBi의 관계는 다음과 같습니다.

dBi = dBd + 2.15

안테나 설계자는 이득을 결정할 때 안테나의 특정 애플리케이션 특성을 고려해야 합니다.

1) 고이득 안테나는 더 긴 범위와 더 나은 신호 품질이라는 장점이 있지만 특정 방향으로 정렬해야 합니다.

2) 저이득 안테나의 범위 범위는 짧으나 안테나 방향이 상대적으로 크다.

2. 빔포밍

2.1 원리 및 적용

빔포밍(빔포밍 또는 공간 필터링이라고도 함)은 센서 어레이를 사용하여 방향성 방식으로 신호를 송수신하는 신호 처리 기술입니다. 위상 배열의 기본 요소의 매개 변수를 조정하여 빔 형성 기술은 일부 각도의 신호가 위상의 간섭을 얻고 다른 각도의 신호가 제거의 간섭을 얻습니다. 빔포밍은 신호의 송신단과 수신단 모두에서 사용할 수 있습니다. 간단한 이해는 피크에서 피크로, 피크에서 최저점으로, 피크에서 피크 방향으로의 이득을 증가시킬 수 있습니다.

빔포밍은 현재 5G 안테나 어레이에 널리 사용되고 있으며, 안테나는 수동 소자이며, 5G 능동 안테나는 고이득 빔포밍을 말합니다. 정상 등위상에서 두 포인트 소스의 이득은 3dB이고 5G의 안테나 포트는 64보다 크므로 5G 지향성의 이득은 얼마입니까? 빔포밍의 큰 특징은 위상이 바뀌면 빔포밍의 방향이 바뀌기 때문에 수요에 따라 조정할 수 있다는 점이다.

첫 번째 그림에서 알 수 있듯이 메인 로브가 생성되면 많은 피크가 중첩된 그리드 로브도 생성됩니다. 그리드 로브의 진폭은 메인 로브의 진폭과 동일하므로 안테나 시스템에 불리한 메인 로브의 이득을 감소시킵니다. 따라서 grating lobe를 제거하는 방법은 사실 빔포밍의 근본 원인 ---- 단계를 알고 있습니다. 두 피더 사이의 거리가 1파장 미만이고 피더가 일정한 진폭과 위상에 있는 한 게이트 로브는 나타나지 않습니다. 그리고 피더가 서로 다른 위상에 있고 피드 거리가 1파장 미만 반파장 이상일 때 게이트 로브의 발생 여부는 위상 편차 정도에 의해 결정된다. 피드 거리가 반파장 미만이면 게이트 로브가 생성되지 않습니다. 아래 도표를 보면 알 수 있습니다.

2.2 빔포밍의 장점

두 안테나 시스템을 비교하고 두 안테나에서 방출되는 총 에너지가 정확히 같다고 가정합니다.

사례 1에서 안테나 시스템은 모든 방향으로 거의 동일한 양의 에너지를 방사합니다. 안테나 주변의 3개의 UeS(사용자 장비)는 거의 동일한 양의 에너지를 수신하지만 해당 UE로 향하지 않는 대부분의 에너지를 낭비합니다.

경우 2에서, 방사 패턴("빔")의 신호 강도는 UE를 향하는 방사 에너지가 나머지 UE를 향하지 않는 것보다 더 강하도록 특별히 "형성"된다.

예를 들어, 5G 통신에서 서로 다른 안테나 장치에서 전송되는 신호의 진폭과 위상(가중치)을 조정하면 전파 경로가 다르더라도 휴대폰에 도달할 때 위상이 동일하기만 하면 신호 중첩 향상 결과를 얻을 수 있으며, 이는 안테나 어레이가 신호를 휴대폰으로 향하게 하는 것과 같습니다. 아래 그림과 같이:

2.3 빔 "성형"

빔을 형성하는 가장 간단한 방법은 여러 안테나를 배열로 배열하는 것입니다. 이러한 안테나 요소를 정렬하는 방법에는 여러 가지가 있지만 가장 쉬운 방법 중 하나는 다음 예와 같이 선을 따라 안테나를 정렬하는 것입니다.

참고: 이 예제 다이어그램은 Matlab PhaseArrayAntenna 도구 상자에서 생성되었습니다.

배열의 요소를 배열하는 또 다른 방법은 다음 예제와 같이 요소를 2차원 정사각형으로 배열하는 것입니다.

이제 아래와 같이 배열의 모양이 정사각형이 아닌 또 다른 2차원 배열을 고려하십시오. 얻을 수 있는 직관은 빔이 더 많은 요소의 축을 따라 더 많이 압축된다는 것입니다.

2.4 빔포밍 기술

빔포밍을 달성하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.

1) 스위칭 어레이 안테나: 안테나 시스템의 어레이에서 안테나를 선택적으로 개폐하여 빔 패턴(방사 형태)을 변경하는 기술입니다.

2) DSP 기반 위상 처리: 각 안테나를 통과하는 신호의 위상을 변경하여 빔 방향 패턴(방사 형태)을 변경하는 기술입니다. DSP를 사용하면 각 안테나 포트의 신호 위상을 변경하여 하나 이상의 특정 UE에 가장 적합한 특정 빔 방향 패턴을 형성할 수 있습니다.

3) 프리코딩에 의한 빔포밍(Beamforming by precoding): 특정 프리코딩 행렬을 적용하여 빔 방향 패턴(방사 형태)을 변경하는 기법이다.