Wireless technologies
Development of communication systems
Network standards
Cellular communication
Comments 44
0
У меня дилетантский вопрос. Как практически осуществляется фазирование в, скажем, дециметровом диапазоне?
+1
Вопрос именно про фазирование или про адаптивность?

Если вас строго фазирование интересует, то, как вариант, например, длинной волновода до каждого элемента решётки.
0
Про адаптивность. Чисто практический вопрос, как (в смысле насколько сложно) сделать небольшой стек и управлять диаграммой направленности электрически, а не традиционно поворачивая антенну механическим поворотным устройством? Когда в стеке буквально несколько излучателей (собственно, от двух), то задачу решают в лоб, коммутируя линии с каким-то приемлемым шагом, чтобы изменением их длины изменять фазу на каждом элементе. Этот методе едва ли практически возможен в стеке уже с тремя-четырьмя рядами в трех-четырех этажах — одновременно увеличивается и количество коммутируемых линий, и потребная точность изменения их длины, поскольку с ростом числа элементов сужается достижимая диаграмма направленности. Про радары сантиметровых диапазонов вообще молчу.
0
Когда излучателей много, используют электрические фазовращатели.

Но, опять же, что касается чисто практических вопросов — от механического сканирования отказываются очень редко, разве что в больших стационарных РЛС.

Из всех бортовых РЛС с ФАР, которые мне довелось видеть всего пара не имели механического привода. Банально потому, что при разумных габаритах электрическим сканированием достаточную ширину обзора не получить.
+1

Существуют различные техники фазирования (ака фазовращатели):
1) Линии задержки на распределённых элементах (отрезки фидерной линии, волновода, микрополосковой линии);
2) Сосредоточенные реактивные элементы (НЧ/ВЧ фильтры на конденсаторах/катушках);
3) Квадратурные ответвители с реактивной управляемой нагрузкой (варакторы, например);
4) И др.
В дециметровом диапазоне длина волны очень велика, поэтому линии задержки и квадратурные ответвители непрактичны.

0
Во всём согласен, кроме п.2
На реактивных элементах обычно заметные потери, поэтому именно «на практике» такие конструкции встречаются достаточно редко. Разве что у радиолюбителей, в виде каких-нибудь балунов, но там это чаще несколько задач решает, например согласование.
0
Пожалуйста ткните носом в какие-то практические конструкции в районе дециметрового диапазона. Я не издеваюсь, а прошу о помощи. :)
0
Фазовращатель из усилителя мощности 470-790 МГц


Позволяет крутить ± 30 градусов во всем диапазоне 470-790 МГц. Диапазон можно поменять заменив 3 дБ ответвитель на соответствующий диапазону и подобрать индуктивность и емкость+варикап, чтобы перекрывать диапазон. Мощность зависит от типов элементов и ответвителя. Ответвитель можно изготовить печатным способом, они до 300 Вт RMS держат мощность.
0

Самое интересное, конечно же, это конструкция ответвителя и элементов L6-L7. Есть подробности об этих элеменьах схемы?

+1
Фазовращатель 470-790 МГц


Индуктивности в виде полосков, ответвитель МПП стоит вертикально. Резонансная частота последовательного контура «индуктивность+емкость+варикап» должна быть в центре рабочей полосы. Контуры перестраивать нужно синхронно. При перестройке резонансная частота гоняется от одного края диапазона до другого. Если плечи немного не синхронны, то будет немного плавать АЧХ. На этом экземпляре плавает не больше 0,5 дБ.

Ответвитель 3 дБ 470-790 МГц


Это ответвитель попроще, но более громоздкий, но и более мощный. С обратной стороны платы такая же линия. Это две связанных линии. Это устройство на 50 Ом, развязка от 25 до 30 дБ в полосе. Считаются такие устройства в программах типа AWR MWO.
+2
Не уверен насчет применения в наши дни ФАР дециметрового диапазона волн, разве что малоэлементные какие-то. Обычно это все таки устройства СВЧ или КВЧ.

В цифровых антенных решетках сигналы синтезируются в цифровом виде уже с необходимыми сдвигами фаз и амплитудными весовыми коэффициентами для каждого элемента. В аналоговых ФАР используются управляемые фазовращатели, либо полупроводниковые (обычно на pin-диодах), либо ферритовые.
0
Не уверен насчет применения в наши дни ФАР дециметрового диапазона волн, разве что малоэлементные какие-то.

Я радиолюбитель. Мне интересно узнать, как это устроено на практике и, если подъемно, попробовать повторить. Например, мне интересна антенна для связи с LEO спутниками. Для этого уже достаточно «усиления» порядка, скажем, 6dBd. Больше — весьма лучше, но увеличиваются требования к точности наведения антенны на движущийся спутник. Заманчиво положить на крышу стек и вращать диаграмму электрически, вместо вращать механическим поворотным устройством традиционную антенну. Естественно, речь не о сотнях или тысячах элементов в решетке радара, а о девяти-шестнадцати в лучшем случае.
+1

Существуют готовые фазовращатели, можно это превратить в минипроект, но выйдет в копеечку:
https://www.minicircuits.com/WebStore/PhaseShifters.html


Но для начала нужно определить целесообразность решения с электронным сканированием: определить необходимые углы сканирования, диаграмму направленности единичной антенны, рассчитать Array Factor и решить готовы ли Вы мириться с затуханием усиления решётки антенн на максимальных углах сканирования. Думаю механическое сканирование будет намного дешевле в реализации и не менее интересно.

0
несколько излучателей на каждый из которых приходит сигнал сдвинутый по фазе, для этого ставим управляемые линии задержки для каждого излучателя.
0
Ну, например, установкой квадратурного модулятора в тракте каждого антенного элемента. С помощью КМ, можно вращать фазу на все 360 градусов, а еще и амплитудой управлять. Это если передатчик, а если антенная система работает на прием, то тоже самое ставится в систему первого преобразования, между смесителями и гетеродином, потом первые ПЧ объединяются.
Автору, большое спасибо, очень интересная статья!
0

Вам надо в SpaceX, там как раз сейчас разрабатывают компактные фазированные решётки для StarLink'а.

UFO landed and left these words here
+2
Вообще здоровская статья, ощущение, словно я только что побывал на какой-то из пар своего пятого курса, которую когда-то проспал и пришлось теперь изучать подробнее =)
0
Статья отличная. Тоже ощутил себя на паре какого-нибудь УГФС!
Чтобы статья зашла, думаю нужно её несколько раз неспешно прочесть и осмыслить.
Не знаю, можно ли как-то проще объяснять такие трудные штуки?



Технология адаптивных антенных решеток это явно технология будущего.
Думаю, автор видел практическую реализацию от дочки Facebook — terragraph.
Устройства связи для городской застройки на 802.11ad и 802.11ay с антенными массивами 2x288 элементов!



В их технических данных можно увидеть значение 35дБ усиления!
Это вам не 3дБ выигрыша от ClientLink и подобных технологий.
Вот ссылка на fccid.io чтобы глянуть что же там внутри.

У меня есть вопрос к автору статьи.
На каких частотах адекватно возможно создание антенных решеток, чтобы они:
1. умещались в корпус мобильного устройства?
2. умещались в корпус стандартной точки доступа, размером, скажем, 15x15 см?

В 11ax точках доступа до 8 приёмо-передачтиков, но в мобильных устройствах такого не ожидается. Вот на 60ГГц уже наверняка можно больше элементов размещать…
+2

Позволю себе ответить/добавить.
1) Зависит от технологии. 60 ГГц (V-band) это граничный диапазон для технологии PCB. Т.е. геометрические размеры микрополосковых линий, переходов между слоями плат, СВЧ элементов уже упираются в границу возможностей тенологии PCB. Из собственного опыта, двуполяризационная антенная решётка 2x2 из дипольных излучающих элементов упёрлась в дозволенные технологические возможности.
Использование же литографии избавит от таких проблем, но это уже упирается в совсем иной ценовой диапазон. 60 ГГц это 5 мм длины волны, а с учётом диэлектрической проницаемости PCB, размер одной ячейки АФАР выходит примерно 1 мм.
2) Однополяризационная АФАР на 60 ГГц на плате 15х15 см вместит достаточно элементов, чтобы запутаться в разводке запитывающей сети, т.е. 140х140 элементов можно разместить. Задачу обычно ставят на основе (1) частоты, (2) количества элементов для требуемых параметров формируемого луча.

0
Не знаю, можно ли как-то проще объяснять такие трудные штуки?

Мне очень помогли векторные аналогии, ими я и постарался оперировать при повествовании.

На каких частотах адекватно возможно создание антенных решеток, чтобы они:
1. умещались в корпус мобильного устройства?
2. умещались в корпус стандартной точки доступа, размером, скажем, 15x15 см?

Характерный размер решётки D = Nd, где обычно период d порядка длины волны λ (0.5 — 1.5). Располагать элементы ближе не имеет смысла по двум причинам:
1. Габариты и взаимное ЭМ влияние.
2. Получается маленькая апертура (широкий луч) и высокая пространственная корреляция сигнала в элементах (если говорить о борьбе с замираниями).

Итого получаем, для 2.4 ГГц (λ = 12.5 см) две антенны вдоль одной размерности, для 60ГГц (λ = 5 мм) — около 40-60 штук. Если позволяют габариты антенных элементов, то число антенн можно удвоить за счёт добавления элементов с ортогональной поляризацией.
+2

Позвольте поправить Вас. На практике антенны на 60 ГГц, да и на 2.4 ГГц, не делают навесными в воздухе, т.е. без подложки. Это вносит изменения в эффективную длинну антенн, уменьшая её. Тот же FR4 имеет относительную диэлектрическую проницаемость, которая уменьшает антенну примерно в 2 раза, увеличивая количество излучающих элементов вдвое, соответственно.

0
Спасибо за интересную информацию.
Уменьшаются габариты отдельного элемента, т.к. они завязаны на длину волны в диэлектрике. Таким образом, геометрически на единицу площади может поместиться больше элементов. При этом на характеристики решётки в целом влияет расстояние между элементами в единицах длины волны в свободном пространстве, а на него свойства подложки влиять не должны. Я не прав?
0
Правы! По причине формирования луча именно в дальней зоне в расчёт идёт длина волны в свободном пространстве. Наличие физического ограничения в виде необходимости каким-либо образом распечатать\зафиксировать излучающие элементы на диэлектрической подложке: (1) уменьшает геометрию излучающего элемента, (2) позволяет уменьшить расстояние между излучающими элементами меньше половины длины волны в свободном пространстве, что избавляет от боковых лепестков, но и (3) вносит потери, (4) создаёт предпосылки для формирования бегущих волн в подложке (ака потери и взаимное влияние), (5) увеличивает взаимное влияние в ближней зоне.
0
Такая технология в системах связи получила название MIMO.

Я бы сказал, что MIMO это частный случай технологии разнесённого приёма/передачи.
+1
В контексте цитаты подразумевалось SU-MIMO и MU-MIMO. В общем случае системы из нескольких антенн могут быть использованы не только для ведения направленной передачи, но, например, для изменения статистики замираний.
0
Спасибо. Очень доступно. А как поведет себя ДН если решетка неравномерная и неэквидистантная? Например если решетка состоит из 5 элементов с расстояниями между парами соседних антенн определенными как 3,5,2,7 длинн волн. Не всегда есть возможность поставить антенны равномерно или упорядочено. Например если требуется снизить ширину ДН, а количество каналов/антенн сильно ограничено. Интуитивно вроде как должно работать. Что если соблюдать когеррентность только в пределах 360 градусов фазы несущего сигнала?
0
Чтобы получить ответ на этот вопрос проще всего численно рассчитать ДН, подставив в общую формулу для фазирующего вектора желаемые координаты элементов. Если же мы хотим примерно прикинуть вид ДН, то тут можно попробовать «разделить слона на бифштексы». Иными словами, выделить подсистемы, поведение которых нам понятно, а потом оценить их взаимное влияние друг на друга.

Пример
Линейная антенная решётка с двумя периодами d1 = 0.5λ и d2 = 1λ. Расстояния между соседними элементами чередуются: d1,d2,d1,d2 и т.д. Пусть в решётке 20 элементов. Представим такую решётку как линейную эквидистантную с периодом (d1 + d2 = 1.5λ) и N = 10. Элементы «новой» решётки представляют собой «спарки» из двух элементов на расстояние d1. Полная ДН решётки является произведением ДН одного элемента и ДН решётки изотропных излучателей (допустим, что все «спарки» фазированы одинаково).

«Новая» решётка имеет область однозначности ±19.5 градусов и ширину главного максимума 3.4 градуса. Если главный максимум на нуле, то первые дифракционники будут лежать примерно на ±39 градусов (здесь есть ошибка из-за нелинейности sin на больших углах).
Теперь посмотрим, что из себя представляет «новый» элемент. Это пара антенн на расстоянии 0.5λ. Ширина главного лепестка такого «нового элемента» около 50-60 градусов (можно прикинуть через λ/D).

В итоге получаем как миннимум три максимума диаграммы направленности различной высоты с шириной около 3.4 градуса. Разница высот дифракционников по сравнению с главным максимумом более 3 дБ, т.к. дифракционники выходят за границы главного лепестка направленного элемента). Это все верно, если весовые коэффициенты единичные. Теперь можно подвигать двумя вещами: направленностью решётки и направленностью её элемента. Поворачивая ДН антенного элемента (фазируя спарки) можно «переключать» дифракционники, т.е. манипулировать их высотой. Внутри главного лепестка направленного элемента положение главного луча можно подвигать задавая различные набеги фаз между «спарками».

0
Я попробую задать вопрос, про частный случай, может он будет близок к теме, хотя может и весьма тривиален.

Сейчас в современных доступных топовых Wi-Fi точках доступа MIMO 4x4:3
Расстояние между двухдиапазонными антенными разниться от вендора к вендору.
Даже если брать схему 2x2:2 то расстояние также разнится.
Что я замерял было от 1,32 лямбда до 3,56 лямбда на частоте 5260 МГц.

Вопросы:
1. По каким критериям выбирается это расстояние?
2. Можно ли говорить про «оптимальное» расстояние или всё зависит от задачи?
+1
Всё зависит от задачи.

В случае MIMO 2x2 расстояние между элементами не играет существенной роли, т.к. предполагается разнесение потоков данных по поляризации ЭМВ, а не по лучу в пространстве. Обычно антенны точки доступа находятся под углом 90 градусов друг к другу.

Если говорить про разнесённый приём/передачу на одной поляризации в многолучевом канале, то тут важным фактором является пространственная корреляция между антеннами. Грубо — если в одной антенне сигнал пропал (неудачно сложились лучи), то во второй антенне он должен остаться. В этом случае расстояние между элементами следует выбирать больше, чем радиус пространственной корреляции. Значение этой величины зависит от условий функционирования системы. По некоторым прикидкам для пользователя системы мобильной связи это значение меньше длины волны, а для базовой станции — несколько длин волн.

В случае радаров или однолучевого канала все значительно проще. Условие на расстояние между элементами определяется из двух соображений:
1. Область предполагаемого положения цели должна находиться в области однозначности АР.
2. Дифракционники, если они есть, должны давиться ДН элементов.
Идеальный случай — 0.5λ. Но здесь ограничения на размеры элементов и волноводных трактов. Минимальное расстояние, что я встречал было 0.55λ, хотя это не совсем честно. В решётке было 2 строки узконаправленных по углу места элементов с периодом 1.1λ, сдвинутые друг относительно друга на 0.55λ. В проекции на горизонтальную плоскость получалась линейная эквидистантная решётка с указанным периодом.
0
Спасибо за пример и за матлаб код. Потестировал его с разными абсолютно неэквидистантными наборами сенсоров. Общее впечатление таково, что есть какой-то многомерный ресурс и когда мы вытягиваем из него один параметер (например сужаем главный лепесток ДН), то на другие параметры типа сектор однозначности, уровень боковых и т.п. ресурса уже не хватает. Тогда надо увеличивать ресурс, т.е. добавлять антенны и что-то уже может получиться.
Позвольте спросить о роли поляризации. Как а понимаю, в условиях многолучевого распортранения могут появиться сильные кросс-поляризационные компоненты которые могут сильно подпортить поляризационное разделение каналов. Какова эффективность поляризационного разделения? Что вы наблюдали на практике? Можно-ли сказать например что с вероятностью 90% вредный кросс компонент не превысит скажем 30% от основной поляризации?
0
При многолучевом распространении поляризация сигнала «вертится» довольно сильно, особенно когда лучей много. Тут все завязано на свойства отражающих поверхностей и пути сигнала.
Как а понимаю, в условиях многолучевого распортранения могут появиться сильные кросс-поляризационные компоненты которые могут сильно подпортить поляризационное разделение каналов.

Я бы так не сказал. Разделение каналов они не подпортят, просто оно будет выполнено несколько иначе, чем одна антенна передаёт один поток данных, а вторая — другой.
+1
1. Я не совсем понял упрощённую структурную схему антенной решётки (с подписью пространственная обработка сигнала). Неужели автор оцифровывает непосредственно тонкую структуру сигнала сразу с антенны? Без усиления-фильтрации, детектирования и выделения огибающих (амплитудных, фазовых и пр.)? Если это так, то какой АЦП использует автор (скорость дискретизации и разрядность) и каким практическим диапазоном радиоволн оперирует автор в реальных разработках? Я понимаю, что в теории для алгоритмической обработки границ нет, но автор говорит о практике.

2. На всех диаграммах направленности/чувствительности нормированных и нет, что в линейных, что в полярных координатах есть фишка. На 90 и 270 градусов лепесток чего-то (нет указания на величину, предположительно, амплитуда сигнала) шире главного/основного. Как автор этот феномен отсекает на практике? Иначе, вообще, работать с такой антенной невозможно, боковая или тыльная ЭМ засветка небольшой мощности задушит любой полезный сигнал с основного лепестка.
0
Добрый день.

1. Вы правы. На рисунке отсутствует RF-часть. Сделано это преднамеренно, дабы не усложнять схему. Между антенной и АЦП/ЦАП безусловно должны присутствовать усилитель и полосовой фильтр. Если говорить про КВ диапазон, то можно цифровать сигнал без манипуляций с несущей частотой. Для более высоких диапазонов (например, 2.5 ГГц или 60 ГГц) подразумевается аналоговое преобразование несущей частоты перед оцифровкой сигнала.

2. Большая ширина лепестков на больших углах связана с нелинейностью преобразования обобщённого угла в реальный посредством sin(x). Представленные диаграммы построены для решёток с изотропными ДН. На практике используют направленные или слабо направленные элементы. Таким образом сигнал с крайних направлений «фильтруется» именно элементами АР.
Иначе, вообще, работать с такой антенной невозможно, боковая или тыльная ЭМ засветка небольшой мощности задушит любой полезный сигнал с основного лепестка.
Здесь Вы правы. Дифракционные лепестки в большинстве случаев это зло, и с ним нужно бороться.
+1
1. Исключение RF-части из структурной схемы вводит начинающих в заблуждение, т.к. на высоких частотах (будем считать что выше 1 ГГц) управление фазой сигнала на передаче и адаптация фазы на приёме происходит в RF-части пусть и под внешним управлением. Думаю, автору нужно написать ещё статью про основы RF-преобразований и механизмы управления этими процессами. Тогда получится полный обзор про адаптивные решётки: сначала теория лежащая в основе, затем способы реализации теоретического задела.

2. Направленные элементы решётки превратят всю конструкцию в строго направленную антенну, любая адаптация по фазе только снизит излучаемую мощность по основному лепестку и мало что даст по отклонённому направлению. Весь кайф решётки именно в равномерной диаграмме направленности элементов по оси всей конструкции. Самый простой подходящий для решётки антенный элемент — это диполь (или любая его разновидность) с восьмёркой в диаграмме направленности (если в 3D то это: тор или тороид), при этом обратный лепесток глушат непроницаемым для выбранного диапазона экраном. Если это плоская система диполей, то визуально ДН можно представить как половинки теннисных шариков (слегка сдавленных по бокам) на шахматной доске. Если свернуть систему диполей в кольцо, то получим автомобильную покрышку обклеенную полушариками. Из этой визуализации понятен и принцип борьбы с боковухой на нужной частоте: используем экранирование по критичным направлениям (пассивные антенные элементы, рефлекторы и прочие RF заморочки).
0
Спасибо, отличная статья!
Я когда-то занимался подобным — управлял массивом антенн, задача была сформировать минимумы в диаграмме для 2-3 источников помех (глушилок) что б по основному лепестку связь продолжала работать.
0
Ко всем хорошо понимающим в теме вопрос: подскажите название годного учебника (или нескольких) на тему антенн. Можно на английском.
+1

Это конечно же Константин Баланис (Antenna Theory. C. Balanis).
Более теоретическая книга, если что-то нужно будет понять глубже, — это Роберт Коллин (Field theory of guided waves. R. Collin). Давид Позар же тоже более практическая книга, очень рекомендую (Microwave Engineering. D. Pozar).

0
А какие есть подходы если полоса широкая?
И если для звука, нужно разбивать на узкие полосы и делать отдельные излучатели?
0

Если я Вас правильно понял и Вы имеете в виду ширину полосы пропускания антенной решётки и как один из показателей — отношение её ширины к резонансной частоте (где резонанс максимальный), то это параметр полностью зависит от свойств излучающего элемента и взаимного влияния излучающих элементов друг на друга в решётке (в добавок ширину пропускания фидерной линии). В приведённых расчётах нет учёта полосы пропускания, ибо нет связи между излучением, диаграммой направленности и входной характеристикой антенны.

0
Вы не сможете использовать комплексную огибающую, когда df сравнима с f0.
Я имею в виду проблемы с фазовращением разных частот. И как это всё сложится потом.
Или я что-то не понимаю?
0

Да, мы про разные вещи говорим) Я про характеристики RF тракта, излучающих элемнтов и их взаимное влияние, т.е. front-end, а Вы про формирование сигнала) В последнем я не специалист.

Only those users with full accounts are able to leave comments., please.