Разнообразие антенн

Разнесение антенн , также известное как пространственное разнесение или пространственное разнесение , — это любая из нескольких схем беспроводного разнесения , в которых используются две или более антенны для улучшения качества и надежности беспроводной связи. отсутствует прямая видимость Часто, особенно в городских условиях и внутри помещений, между передатчиком и приемником (LOS). Вместо этого сигнал отражается по нескольким путям, прежде чем наконец будет принят. Каждый из этих отражений может приводить к фазовым сдвигам, временным задержкам, затуханиям и искажениям, которые могут создавать разрушительные помехи друг другу в апертуре приемной антенны.

Разнесение антенн особенно эффективно для смягчения ситуаций многолучевого распространения . Это связано с тем, что несколько антенн позволяют приемнику несколько раз наблюдать один и тот же сигнал. Каждая антенна будет испытывать различную помеховую среду. Таким образом, если одна антенна испытывает сильное замирание , вполне вероятно, что другая имеет достаточный сигнал. В совокупности такая система может обеспечить надежную связь. Хотя это в первую очередь наблюдается в приемных системах ( разнесенный прием ), аналог также оказался ценным и для передающих систем ( разнесенная передача ).

По своей сути схема разнесения антенн требует дополнительного оборудования и интеграции по сравнению с одной антенной системой, но из-за общности путей прохождения сигнала можно использовать совместное количество схем. Кроме того, при наличии нескольких сигналов к приемнику предъявляются более высокие требования по обработке, что может привести к ужесточению требований к проектированию. Однако, как правило, надежность сигнала имеет первостепенное значение, и использование нескольких антенн является эффективным способом уменьшить количество пропаданий и потерянных соединений.

Антенные методы

Разнесение антенн можно реализовать несколькими способами. В зависимости от окружающей среды и ожидаемых помех проектировщики могут использовать один или несколько из этих методов для улучшения качества сигнала. Фактически, для дальнейшего повышения надежности часто используются несколько методов.

Пространственное разнесение использует несколько антенн, обычно с одинаковыми характеристиками, которые физически отделены друг от друга. В зависимости от ожидаемого падения входящего сигнала иногда достаточно пространства порядка длины волны. В других случаях необходимы гораздо большие расстояния. сотовая связь или секторизация Например, — это схема пространственного разнесения, в которой антенны или базовые станции могут располагаться на расстоянии многих миль друг от друга. Это особенно выгодно для индустрии мобильной связи , поскольку позволяет нескольким пользователям совместно использовать ограниченный спектр связи и избегать внутриканальных помех.
Разнесение диаграмм направленности состоит из двух или более совмещенных антенн с разными диаграммами направленности . В этом типе разнесения используются направленные антенны , которые обычно физически разделены некоторым (часто небольшим) расстоянием. В совокупности они способны различать большую часть углового пространства и могут обеспечить более высокий коэффициент усиления по сравнению с одним всенаправленным излучателем.
Разнообразие поляризации объединяет пары антенн с ортогональной поляризацией (т.е. горизонтальная/вертикальная, наклон ±45°, левая/правая круговая поляризация и т. д.). Отраженные сигналы могут претерпевать изменения поляризации в зависимости от среды, через которую они проходят. Разница поляризации в 90° приведет к коэффициенту ослабления сигнала до 34 дБ. Путем объединения двух дополнительных поляризаций эта схема может защитить систему от несоответствия поляризации, которое в противном случае привело бы к затуханию сигнала. Кроме того, такое разнесение оказалось ценным на базовых станциях радио- и мобильной связи, поскольку оно менее восприимчиво к практически случайным ориентациям передающих антенн. ^[1]
При разнесении передачи/приема используются две отдельные, совмещенные антенны для функций передачи и приема. Такая конфигурация устраняет необходимость в дуплексере и может защитить чувствительные компоненты приемника от высокой мощности, используемой при передаче.
Адаптивные решетки могут представлять собой одну антенну с активными элементами или решетку аналогичных антенн с возможностью изменения их комбинированной диаграммы направленности при сохранении различных условий. Активные антенные решетки с электронным сканированием ( AESA ) манипулируют фазовращателями и аттенюаторами на лицевой стороне каждого излучающего участка, обеспечивая почти мгновенное сканирование, а также контроль диаграммы направленности и поляризации. Это особенно полезно для радаров, поскольку дает одной антенне возможность переключаться между несколькими различными режимами, такими как поиск, отслеживание, картографирование и противодействие помехам.

Методы обработки

Все вышеперечисленные методы требуют некоторой постобработки для восстановления желаемого сообщения. Среди этих техник:

Переключение: в переключающем приемнике сигнал только от одной антенны подается на приемник до тех пор, пока качество этого сигнала остается выше некоторого заданного порога. Если и когда сигнал ухудшается, включается другая антенна. Переключение является самым простым и наименее энергоемким из методов обработки разнесения антенн, но могут возникать периоды замирания и десинхронизации, пока качество одной антенны ухудшается и устанавливается связь с другой антенной.
Выбор: Как и при переключении, обработка выбора представляет приемнику сигнал только одной антенны в любой момент времени. Однако выбор антенны основан на наилучшем отношении сигнал/шум (SNR) среди принимаемых сигналов. Для этого необходимо провести предварительное измерение и установить соединения со всеми антеннами (по крайней мере, во время измерения отношения сигнал/шум), что приводит к увеличению требований к мощности. Фактический процесс выбора может происходить между полученными пакетами информации. Это гарантирует максимально возможное сохранение соединения с одной антенной. При необходимости коммутация может осуществляться попакетно.
Объединение: при объединении все антенны постоянно поддерживают установленные соединения. Затем сигналы объединяются и передаются приемнику. В зависимости от сложности системы сигналы могут добавляться напрямую (объединение с равным коэффициентом усиления) или взвешиваться и суммироваться когерентно ( объединение с максимальным коэффициентом ). Такая система обеспечивает наибольшую устойчивость к замираниям, но, поскольку все пути приема должны оставаться под напряжением, она также потребляет больше всего энергии.
Динамическое управление. Приемники с динамическим управлением способны выбирать из вышеуказанных схем обработки в любой ситуации. Хотя они намного сложнее, они оптимизируют соотношение мощности и производительности. Переходы между режимами и/или подключениями антенны сигнализируются изменением воспринимаемого качества связи. В ситуациях с низким замиранием приемник может не использовать разнесение и использовать сигнал, представленный одной антенной. По мере ухудшения условий приемник может перейти в более надежные, но энергоемкие режимы, описанные выше.

Приложения

Хорошо известное практическое применение разнесенного приема находится в беспроводных микрофонах и подобных электронных устройствах, таких как беспроводные гитарные системы. Беспроводной микрофон с приемником без разнесения (приемник, имеющий только одну антенну) подвержен случайным пропаданиям сигнала, замираниям, шуму или другим помехам , особенно если передатчик (беспроводной микрофон) находится в движении. Беспроводной микрофон или звуковая система , использующая разнесенный прием, переключится на другую антенну в течение микросекунд, если одна антенна испытывает шум, обеспечивая сигнал улучшенного качества с меньшим количеством пропаданий и шума. В идеале в принимаемом сигнале не должно быть никаких провалов или помех.

Другое распространенное использование — в сетевых устройствах Wi-Fi и беспроводных телефонах для компенсации многолучевых помех . Базовая станция переключит прием на одну из двух антенн в зависимости от того, какая в данный момент принимает более сильный сигнал. Для достижения наилучших результатов антенны обычно располагаются на расстоянии одной длины волны. Для микроволновых диапазонов, где длины волн менее 100 см, это часто можно сделать с помощью двух антенн, подключенных к одному и тому же оборудованию. Для более низких частот и более длинных волн антенны должны находиться на расстоянии нескольких метров друг от друга, что делает это гораздо менее разумным.

Вышки мобильной связи также часто используют преимущества разнесения: на каждой стороне (секторе) вышки часто имеется две антенны; одна передает и принимает, а другая - только приемную антенну. Для выполнения разнесенного приема используются два приемника.

Антенны сотовой связи на опоре электропередачи: по две антенны на сектор

Использование нескольких антенн как при передаче, так и при приеме приводит к созданию системы с множеством входов и множеством выходов (MIMO). Использование методов разнесения на обоих концах линии связи называется пространственно-временным кодированием .

Разнообразие антенн для MIMO

Разнесенное кодирование — это методы пространственного кодирования для системы MIMO в беспроводных каналах. Беспроводные каналы серьезно страдают от явления замирания, что приводит к ненадежности декодирования данных. По сути, разнесенное кодирование отправляет несколько копий через несколько передающих антенн, чтобы повысить надежность приема данных. Если один из них не может быть получен, остальные используются для декодирования данных. MIMO обеспечивает пространственное разнесение и пространственное мультиплексирование.

См. также

Ссылки

^ Сиамак Гадими (2 апреля 2019 г.), Дифференциальная кросс-поляризованная беспроводная связь , Научные исследования

Дж. Мун и Ю. Ким. «Разнесение антенн усиливает беспроводные локальные сети». Проектирование систем связи, страницы 15–22, январь 2003 г.
С.М. Линденмайер, Л.М. Райтер, Д.Э. Бари и Дж.Ф. Хопф. «Разнесение антенн для улучшения BER при приеме мобильного цифрового радио, особенно в районах с густой листвой». Международная конференция ITG по антеннам, ISBN 978-3-00-021643-5 , страницы 45–48. 30 марта 2007 г.
«Адаптивные решетки и конфигурации разнесенных антенн для портативных терминалов беспроводной связи», Карл Дитрих-младший, 15 февраля 2000 г.
«Учебное пособие по адаптивной антенне: спектральная эффективность и пространственная обработка», Марк Голдбург. Управление инженерии и технологий FCC. 7 сентября 2001 г.
«Объектно-ориентированный подход на основе MATLAB к моделированию канала с многолучевым замиранием». Технический документ CD Iskander. Февраль 2008 года.

[1] Сиамак Гадими (2 апреля 2019 г.), Дифференциальная кросс-поляризованная беспроводная связь , Научные исследования

[1]