Antena irabazia eta beamforming

1. Antena irabazia

Antena irabaziaantenen erradiazio-ereduaren zuzentasuna neurtzeko parametroa da. Irabazi handiko antenak lehentasunez irradiatuko dituzte seinaleak norabide zehatzetan. Antenaren irabazia fenomeno pasibo bat da, zeinetan potentzia ez baita antena gehitzen, baizik eta birbanatzen den beste antena isotropikoek igortzen dutena beste noranzko batean irradiatutako potentzia gehiago emateko. Irabazia dBi eta dBd-tan neurtzen da:

1) dBi: erreferentziako antena isotropikoaren irabazia;

2) dBd: dipolo-antenaren irabaziari erreferentzia egin.

Ingeniaritza praktikoan, uhin erdiko dipolo bat erabiltzen da erreferentzia gisa erradiadore isotropo baten ordez. Irabazpena (dB dipoloan) dBd-tan ematen da. dBd eta dBi-ren arteko erlazioa jarraian adierazten da:

dBi = dBd + 2,15

Antena-diseinatzaileek antenaren aplikazio-ezaugarri zehatzak kontuan hartu behar dituzte irabazia zehazteko orduan:

1) Irabazi handiko antenek irismen luzeagoaren eta seinalearen kalitate hobearen abantailak dituzte, baina norabide zehatz batean lerrokatu behar dira;

2) Irabazi baxuko antenen barrutia laburra da, baina antenaren norabidea nahiko handia da.

2. Beamforming

2.1 Printzipioa eta aplikazioa

Beamforming (beamforming edo iragazki espaziala izenez ere ezagutzen dena) seinaleak prozesatzeko teknika bat da, zeinak sentsore-matrizeak erabiltzen dituen seinaleak modu norabidean bidaltzeko eta jasotzeko. Fase-matrizearen oinarrizko elementuen parametroak egokituz, beamforming teknikak angelu batzuen seinaleek fasearen interferentzia lortzen dute, eta beste angelu batzuen seinaleek ezabazioaren interferentzia lortzen dute. Beamforming seinalearen transmisio-muturrean zein hartzaile-muturrean erabil daiteke. Ulermen sinplea gailurtik gailurrera izan daiteke, gailurtik aska, eta horrek gailurraren gailurraren norabiderako irabazia handituko du.

Beamforming gaur egun oso erabilia da 5G antena-matrizeetan, antenak gailu pasiboak dira eta 5G antena aktiboak irabazi handiko beamforming-ak aipatzen ditu. Bi puntu-iturrien irabazia ekiphase normalean 3dB da, eta 5G-ren antena-ataka 64 baino handiagoa da, beraz, zenbat da 5G zuzenbidearen irabazia. Beamforming-aren ezaugarri bikaina da beamforming-aren norabidea aldatzen dela fasea aldatzen den heinean, beraz, eskariaren arabera doitu daiteke.

Lehenengo irudian ikusten denez, lobulu nagusia sortzen denean, gainjarritako gailur asko dituen sareko lobulu bat ere sortuko da. Sarearen lobuluaren anplitudea lobulu nagusiarenaren berdina da, eta horrek lobulu nagusiaren irabazia murriztuko du, antena sistemarentzat desegokia dena. Beraz, nola kendu sare-lobulua, hain zuzen ere, badakigu beamforming ---- fasearen arrazoi nagusia. Bi elikaduraren arteko distantzia uhin-luzera bat baino txikiagoa den bitartean, eta elikadurak anplitude eta fase konstantean dauden bitartean, ate-lobulua ez da agertuko. Ondoren, elikadurak fase desberdinetan daudenean eta elikadura-distantzia uhin-luzera bat baino txikiagoa eta uhin-luzera erdia baino gehiago denean, ate-lobulu bat sortzen den ala ez fasearen desbideratze-mailaren arabera zehazten da. Elikadura-distantzia uhin-luzera erdia baino txikiagoa denean, ez da ate-lobulurik sortzen. Beheko diagramatik uler daiteke.

2.2 Beamformingaren abantailak

Konparatu bi antena-sistema eta suposatu bi antenek igortzen duten energia osoa berdina dela.

1. kasuan, antena-sistemak ia energia kopuru bera irradiatzen du norabide guztietan. Antenaren inguruko hiru UeS (User Equipment) ia energia kopuru bera jasoko dute, baina UE horietara bideratzen ez den energia gehiena xahutzen dute.

2. kasuan, erradiazio-ereduaren seinalearen indarra ("izbea") zehazki "eratua" da, UE-ra zuzendutako energia irradiatua gainerako UE-ra zuzentzen ez den baino indartsuagoa izan dadin.

Esate baterako, 5G komunikazioan, antena-unitate ezberdinek igorritako seinaleen anplitudea eta fasea (pisua) egokituz, haien hedapen-bideak desberdinak badira ere, telefono mugikorrera iristean fase berdina bada, seinalearen gainposizioaren hobekuntzaren emaitza lor daiteke, hau da, seinalea telefono mugikorrera bideratzen duen antena-matrizearen baliokidea. Beheko irudian ikusten den bezala:

2.3 Beam "konformazioa"

Izpi bat osatzeko modurik errazena antena anitz multzo batean antolatzea da. Modu asko daude antena-elementu horiek lerrokatzeko, baina errazenetako bat antenak lerro batean lerrokatzea da, hurrengo adibidean erakusten den moduan.

Oharra: Diagrama adibide hau Matlab PhaseArrayAntenna tresna-kutxak sortu du.

Elementuak array batean antolatzeko beste modu bat elementuak bi dimentsioko karratu batean antolatzea da, hurrengo adibidean erakusten den moduan.

Orain kontuan hartu beste bi dimentsioko matrize bat non matrizearen forma karratua ez den, behean erakusten den moduan. Lortu dezakezun intuizioa da habea elementu gehiagoren ardatzean gehiago konprimitzen dela.

2.4 Beamforming teknologia

Beamforming lortzeko hainbat modu daude:

1) Array-antenak aldatzea: izpi-eredua (erradiazio-forma) aldatzeko teknika bat da, antena-sistema bateko antena-matrizetik selektiboa irekiz/itxiz.

2) DSPn oinarritutako faseen prozesamendua: antena bakoitzetik pasatzen den seinalearen fasea aldatuz izpiaren orientazio eredua (erradiazio forma) aldatzeko teknika da. DSP batekin, antena-ataka bakoitzaren seinale-fasea alda dezakezu, UE espezifiko baterako edo gehiagorentzat ondoen funtzionatzen duen izpi-orientazio-eredu zehatz bat osatzeko.

3) Beamforming by precoding: Izpiaren orientazio-eredua (erradiazio-forma) aldatzen duen teknika da, aurrekodetze-matrize zehatz bat aplikatuz.