كسب الهوائي وتشكيله

1. كسب الهوائي

كسب الهوائيهي معلمة لقياس اتجاهية مخطط إشعاع الهوائي. ستشع الهوائيات عالية الكسب بشكل تفضيلي إشارات في اتجاهات محددة. يعتبر كسب الهوائي ظاهرة سلبية لا يضاف فيها الهوائي القدرة ، ولكن يتم إعادة توزيعها ببساطة لتوفير قدرة مشعة في اتجاه واحد أكثر مما تبثه الهوائيات المتناحرة الأخرى. يتم قياس الكسب بوحدات dBi و dBd:

1) dBi: كسب هوائي مرجعي متناحٍ ؛

2) dBd: يشير إلى كسب هوائي ثنائي القطب.

في الهندسة العملية ، يتم استخدام ثنائي القطب نصف الموجة بدلاً من المبرد الخواص كمرجع. يُعطى الكسب (dB على ثنائي القطب) بوحدة dBd. العلاقة بين dBd و dBi مذكورة أدناه:

ديسيبل = ديسيبل + 2.15

يجب أن يأخذ مصممو الهوائي في الاعتبار خصائص التطبيق المحددة للهوائي عند تحديد الكسب:

1) تتمتع الهوائيات عالية الكسب بمزايا المدى الأطول وجودة الإشارة الأفضل ، ولكن يجب محاذاة في اتجاه محدد ؛

2) مدى الهوائيات منخفضة الكسب قصير ، لكن اتجاه الهوائي كبير نسبيًا.

2. تكوين الشعاع

2.1 المبدأ والتطبيق

Beamforming (المعروف أيضًا باسم تشكيل الحزمة أو التصفية المكانية) هو تقنية معالجة الإشارات التي تستخدم صفائف أجهزة الاستشعار لإرسال واستقبال الإشارات بطريقة اتجاهية. من خلال تعديل معلمات العناصر الأساسية لصفيف الطور ، تجعل تقنية تشكيل الحزمة إشارات بعض الزوايا تحصل على تداخل الطور ، وتحصل إشارات الزوايا الأخرى على تداخل الإزالة. يمكن استخدام Beamforming في كل من نهاية الإرسال والنهاية المستقبلة للإشارة. يمكن أن يكون الفهم البسيط من الذروة إلى الذروة ، ومن الذروة إلى القاع ، مما سيزيد من كسب الذروة إلى اتجاه الذروة.

يستخدم تشكيل الحزم الآن على نطاق واسع في صفائف الهوائيات 5G ، والهوائيات عبارة عن أجهزة سلبية ، والهوائيات النشطة 5G تشير إلى تكوين الحزمة عالي الكسب. كسب مصدري النقطتين في الطور العادي هو 3dB ، ومنافذ الهوائي 5G أكبر من 64 ، فما مقدار كسب اتجاهية 5G. ميزة رائعة لتشكيل الحزمة هي أن اتجاه تشكيل الحزمة يتغير مع تغير المرحلة ، لذلك يمكن تعديله حسب الطلب.

كما يتضح من الشكل الأول ، عند إنشاء الفص الرئيسي ، سيتم أيضًا إنشاء فص شبكي به العديد من القمم المتراكبة. اتساع الفص الشبكي يساوي اتساع الفص الرئيسي ، مما يقلل من كسب الفص الرئيسي ، وهو أمر غير موات لنظام الهوائي. إذن كيف نزيل الفص المقضب ، في الواقع ، نحن نعرف السبب الجذري لمرحلة تشكيل الشعاع. طالما أن المسافة بين المغذيين أقل من طول موجي واحد ، والمغذيات في اتساع ثابت وفي الطور ، فلن يظهر فص البوابة. بعد ذلك ، عندما تكون وحدات التغذية في مراحل مختلفة وتكون مسافة التغذية أقل من طول موجي واحد وأكثر من نصف طول موجة ، يتم تحديد ما إذا كان يتم إنشاء فص البوابة بواسطة درجة انحراف الطور. عندما تكون مسافة التغذية أقل من نصف الطول الموجي ، لا يتم إنشاء فص بوابة. يمكن فهمه من الرسم البياني أدناه.

2.2 مزايا تشكيل الحزم

قارن بين نظامي هوائي وافترض أن الطاقة الإجمالية المنبعثة من كلا الهوائيين هي نفسها تمامًا.

في الحالة 1 ، يشع نظام الهوائي نفس كمية الطاقة تقريبًا في جميع الاتجاهات. ستتلقى وحدات UeS الثلاثة (معدات المستخدم) الموجودة حول الهوائي نفس كمية الطاقة تقريبًا ، ولكنها تهدر معظم الطاقة غير الموجهة إلى هذه المعدات.

في الحالة 2 ، "تتشكل" قوة إشارة مخطط الإشعاع ("الحزمة") على وجه التحديد بحيث تكون الطاقة المشعة الموجهة نحو تجهيزات المستعمل أقوى من كونها غير موجهة نحو بقية تجهيزات المستعمل.

على سبيل المثال ، في اتصالات 5G ، من خلال ضبط السعة والمرحلة (الوزن) للإشارات المرسلة بواسطة وحدات الهوائي المختلفة ، حتى لو كانت مسارات انتشارها مختلفة ، طالما أن المرحلة هي نفسها عند الوصول إلى الهاتف المحمول ، يمكن تحقيق نتيجة تعزيز تراكب الإشارة ، وهو ما يعادل صفيف الهوائي الذي يستهدف الإشارة على الهاتف المحمول. كما هو موضح في الصورة أدناه:

2.3 "تشكيل" الشعاع

إن أبسط طريقة لتشكيل حزمة هي ترتيب هوائيات متعددة في صفيف. توجد طرق عديدة لمحاذاة عناصر الهوائي هذه ، ولكن من أسهل الطرق محاذاة الهوائيات على طول الخط ، كما هو موضح في المثال التالي.

ملاحظة: تم إنشاء هذا الرسم التخطيطي النموذجي بواسطة مربع أدوات Matlab PhaseArrayAntenna.

هناك طريقة أخرى لترتيب العناصر في المصفوفة وهي ترتيب العناصر في مربع ثنائي الأبعاد ، كما هو موضح في المثال التالي.

الآن ضع في اعتبارك مصفوفة ثنائية الأبعاد أخرى حيث شكل المصفوفة ليس مربعًا ، كما هو موضح أدناه. الحدس الذي يمكنك الحصول عليه هو أن الحزمة تنضغط أكثر على طول محور المزيد من العناصر.

2.4 تكنولوجيا تكوين الشعاع

هناك عدة طرق مختلفة لتحقيق تكوين الحزمة:

1) تبديل صفيف الهوائيات: هذه تقنية لتغيير مخطط الحزمة (شكل الإشعاع) عن طريق فتح / إغلاق الهوائيات بشكل انتقائي من صفيف نظام الهوائي.

2) معالجة المرحلة القائمة على DSP: هذه تقنية لتغيير مخطط اتجاه الحزمة (شكل الإشعاع) عن طريق تغيير طور الإشارة التي تمر عبر كل هوائي. باستخدام DSP ، يمكنك تغيير مرحلة الإشارة لكل منفذ هوائي لتشكيل مخطط توجيه حزمة معين يعمل بشكل أفضل مع واحد أو أكثر من تجهيزات UE.

3) Beamforming عن طريق التشفير المسبق: هذه تقنية تغير نمط اتجاه الحزمة (شكل الإشعاع) عن طريق تطبيق مصفوفة محددة من الترميز المسبق.