Penguatan antena dan beamforming

1. Penguatan antena

Penguatan antenaadalah parameter untuk mengukur keterarahan pola radiasi antena. Antena dengan penguatan tinggi secara istimewa akan memancarkan sinyal ke arah tertentu. Penguatan antena adalah fenomena pasif di mana daya tidak ditambahkan oleh antena, tetapi hanya didistribusikan kembali untuk memberikan lebih banyak daya yang dipancarkan ke satu arah daripada yang dipancarkan oleh antena isotropik lainnya. Gain diukur dalam dBi dan dBd:

1) dBi: penguatan antena isotropik referensi;

2) dBd: mengacu pada penguatan antena dipol.

Dalam rekayasa praktis, dipol setengah gelombang digunakan sebagai pengganti radiator isotropik sebagai referensi. Gain (dB pada dipol) kemudian diberikan dalam dBd. Hubungan antara dBd dan dBi diberikan di bawah ini:

dBi = dBd + 2.15

Perancang antena harus mempertimbangkan karakteristik aplikasi spesifik antena saat menentukan penguatan:

1) Antena gain tinggi memiliki keunggulan jangkauan yang lebih jauh dan kualitas sinyal yang lebih baik, tetapi harus disejajarkan dengan arah tertentu;

2) Kisaran jangkauan antena gain rendah pendek, tetapi arah antena relatif besar.

2. Beamforming

2.1 Prinsip dan aplikasi

Beamforming (juga dikenal sebagai beamforming atau spatial filtering) adalah teknik pemrosesan sinyal yang menggunakan susunan sensor untuk mengirim dan menerima sinyal secara terarah. Dengan menyesuaikan parameter elemen dasar susunan fase, teknik beamforming membuat sinyal dari beberapa sudut mendapatkan gangguan fase, dan sinyal dari sudut lain mendapatkan gangguan eliminasi. Beamforming dapat digunakan pada ujung transmisi dan ujung penerima sinyal. Pemahaman sederhana dapat berupa puncak ke puncak, puncak ke palung, yang akan meningkatkan perolehan arah puncak ke puncak.

Beamforming sekarang banyak digunakan dalam susunan antena 5G, antena adalah perangkat pasif, dan antena aktif 5G mengacu pada beamforming gain tinggi. Gain dari dua sumber titik dalam equiphase normal adalah 3dB, dan port antena 5G lebih besar dari 64, jadi berapa gain directivity 5G. Fitur hebat dari beamforming adalah bahwa arah beamforming berubah seiring perubahan fasa, sehingga dapat disesuaikan sesuai permintaan.

Seperti dapat dilihat dari gambar pertama, ketika main lobe dihasilkan, sebuah grid lobe dengan banyak puncak yang ditumpangkan juga akan dihasilkan. Amplitudo lobe grid sama dengan lobe utama, yang akan mengurangi penguatan lobe utama, yang tidak menguntungkan bagi sistem antena. Jadi bagaimana cara menghilangkan grating lobe, sebenarnya kita tahu akar penyebab fase beamforming ----. Selama jarak antara dua pengumpan kurang dari satu panjang gelombang, dan pengumpan berada dalam amplitudo dan fase konstan, lobus gerbang tidak akan muncul. Kemudian, ketika pengumpan berada dalam fase yang berbeda dan jarak umpan kurang dari satu panjang gelombang dan lebih dari setengah panjang gelombang, apakah lobus gerbang dihasilkan ditentukan oleh derajat deviasi fasa. Ketika jarak umpan kurang dari setengah panjang gelombang, tidak ada lobus gerbang yang dihasilkan. Dapat dipahami dari diagram di bawah ini.

2.2 Keuntungan dari beamforming

Bandingkan dua sistem antena dan asumsikan bahwa energi total yang dipancarkan oleh kedua antena sama persis.

Dalam kasus 1, sistem antena memancarkan jumlah energi yang hampir sama ke segala arah. Tiga UeS (Peralatan Pengguna) di sekitar antena akan menerima jumlah energi yang hampir sama, tetapi membuang sebagian besar energi yang tidak diarahkan ke UE tersebut.

Dalam kasus 2, kekuatan sinyal dari pola radiasi (" beam ") secara khusus "dibentuk" sehingga energi radiasi yang diarahkan ke UE lebih kuat daripada yang tidak diarahkan ke UE lainnya.

Misalnya, dalam komunikasi 5G, dengan menyesuaikan amplitudo dan fase (bobot) dari sinyal yang ditransmisikan oleh unit antena yang berbeda, meskipun jalur propagasinya berbeda, selama fasenya sama saat mencapai ponsel, hasil peningkatan superposisi sinyal dapat dicapai, yang setara dengan rangkaian antena yang mengarahkan sinyal ke ponsel. Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini:

2.3 Balok "Membentuk"

Cara paling sederhana untuk membentuk beam adalah dengan mengatur beberapa antena menjadi sebuah array. Ada banyak cara untuk menyelaraskan elemen antena ini, tetapi salah satu cara termudah adalah dengan menyelaraskan antena sepanjang garis, seperti yang ditunjukkan pada contoh berikut.

Catatan: Diagram contoh ini dibuat oleh toolbox Matlab PhaseArrayAntenna.

Cara lain untuk menyusun elemen dalam array adalah dengan menyusun elemen dalam persegi dua dimensi, seperti yang ditunjukkan pada contoh berikut.

Sekarang pertimbangkan larik dua dimensi lainnya yang bentuk lariknya bukan persegi, seperti yang ditunjukkan di bawah ini. Intuisi yang bisa Anda dapatkan adalah bahwa balok memampatkan lebih banyak elemen di sepanjang sumbu.

2.4 Teknologi beamforming

Ada beberapa cara berbeda untuk mencapai beamforming:

1) Mengganti antena susunan: Ini adalah teknik untuk mengubah pola pancaran (bentuk radiasi) dengan membuka/menutup antena secara selektif dari susunan sistem antena.

2) Pemrosesan fase berbasis DSP: Ini adalah teknik untuk mengubah pola orientasi pancaran (bentuk radiasi) dengan mengubah fase sinyal yang melewati setiap antena. Dengan DSP, Anda dapat memvariasikan fase sinyal dari setiap port antena untuk membentuk pola orientasi pancaran tertentu yang berfungsi paling baik untuk satu atau beberapa UE tertentu.

3) Beamforming by precoding: Ini adalah teknik yang mengubah pola orientasi sinar (bentuk radiasi) dengan menerapkan matriks precoding tertentu.