アンテナゲインとビームフォーミング

1. アンテナ利得

アンテナ利得アンテナの放射パターンの指向性を測定するパラメータです。高利得アンテナは、信号を特定の方向に優先的に放射します。アンテナのゲインは受動的な現象であり、アンテナによって電力が追加されるのではなく、他の等方性アンテナが放射するよりも多くの放射電力を一方向に提供するために単純に再分配されます。ゲインは dBi および dBd で測定されます。

1) dBi: 基準等方性アンテナ利得。

2) dBd: ダイポール アンテナのゲインを指します。

実際の工学では、等方性ラジエーターの代わりに半波長ダイポールが基準として使用されます。ゲイン (ダイポール上の dB) は dBd で与えられます。 dBd と dBi の関係は次のとおりです。

dBi = dBd + 2.15

アンテナの設計者は、ゲインを決定する際に、アンテナの特定のアプリケーション特性を考慮する必要があります。

1) 高利得アンテナには、到達距離が長く、信号品質が向上するという利点がありますが、特定の方向に揃える必要があります。

2) 低利得アンテナの到達範囲は短いですが、アンテナの方向は比較的大きいです。

2.ビームフォーミング

2.1 原理と応用

ビームフォーミング (ビームフォーミングまたは空間フィルタリングとも呼ばれる) は、センサー アレイを使用して指向性のある方法で信号を送受信する信号処理技術です。ビームフォーミング技術は、位相アレイの基本要素のパラメータを調整することにより、ある角度の信号には位相の干渉が得られ、他の角度の信号には除去の干渉が得られます。ビームフォーミングは、信号の送信側と受信側の両方で使用できます。単純に理解すると、ピークからピーク、ピークから谷、つまりピークからピークの方向にゲインが増加します。

ビームフォーミングは現在 5G アンテナ アレイで広く使用されており、アンテナはパッシブ デバイスであり、5G アクティブ アンテナは高利得ビームフォーミングを指します。通常の等位相における 2 つの点光源のゲインは 3dB で、5G のアンテナ ポートは 64 より大きいため、5G の指向性のゲインはどのくらいになります。ビームフォーミングの大きな特徴は、位相の変化に応じてビームフォーミングの方向が変わるため、必要に応じて調整できることです。

最初の図からわかるように、メインローブが生成されると、多数のピークが重なったグリッドローブも生成されます。グリッド ローブの振幅はメイン ローブの振幅と等しいため、メイン ローブのゲインが減少し、アンテナ システムにとって不利になります。では、グレーティング ローブをどのように除去するかというと、実際のところ、ビームフォーミングの根本原因、つまり位相がわかっています。 2 つのフィーダ間の距離が 1 波長未満であり、フィーダの振幅と位相が一定である限り、ゲート ローブは表示されません。そして、給電線の位相が異なり、給電距離が１波長未満から半波長以上の場合には、ゲートローブが発生するかどうかは位相ずれの度合いによって決まる。給電距離が半波長未満の場合、ゲートローブは発生しません。それは下の図からも理解できます。

2.2 ビームフォーミングの利点

2 つのアンテナ システムを比較し、両方のアンテナから放射される合計エネルギーがまったく同じであると仮定します。

ケース 1 では、アンテナ システムはほぼ同じ量のエネルギーを全方向に放射します。アンテナの周囲にある 3 つのUES (ユーザー機器) は、ほぼ同じ量のエネルギーを受け取りますが、それらの UE に向けられていないエネルギーのほとんどを無駄にします。

ケース 2 では、放射パターン (「ビーム」) の信号強度は、UE に向けられた放射エネルギーが UE の残りの部分に向けられないものよりも強くなるように特別に「形成」されます。

例えば、5G通信では、異なるアンテナユニットから送信される信号の振幅と位相（重み）を調整することで、伝播経路が異なっていても、携帯電話に到達する際の位相が同じであれば、アンテナアレイが携帯電話に信号を向けているのと同等の信号重畳増強効果が得られます。下の図に示すように:

2.3 ビームの「フォーミング」

ビームを形成する最も簡単な方法は、複数のアンテナをアレイに配置することです。これらのアンテナ要素を配置するには多くの方法がありますが、最も簡単な方法の 1 つは、次の例に示すように、アンテナを線に沿って配置することです。

注: この図例は、Matlab PhaseArrayAntenna ツールボックスによって作成されました。

配列内の要素を配置する別の方法は、次の例に示すように、要素を 2 次元の正方形に配置することです。

ここで、以下に示すように、配列の形状が正方形ではない別の 2 次元配列を考えてみましょう。より多くの要素の軸に沿ってビームがより圧縮されることが直感的にわかります。

2.4 ビームフォーミング技術

ビームフォーミングを実現するには、いくつかの異なる方法があります。

1) アレイアンテナの切り替え: アンテナシステムのアレイからアンテナを選択的に開閉することにより、ビームパターン (放射の形状) を変更する技術です。

2) DSP ベースの位相処理: 各アンテナを通過する信号の位相を変更することで、ビームの指向パターン (放射の形状) を変更する技術です。 DSP を使用すると、各アンテナ ポートの信号位相を変化させて、1 つ以上の特定の UE に最適な特定のビーム指向パターンを形成できます。

3) プリコーディングによるビームフォーミング: 特定のプリコーディング行列を適用することでビームの指向パターン (放射形状) を変更する技術です。