Cálculo de la ganancia de un sistema de antena múltiple

Nunca antes había oído hablar de radares que usaran miles de antenas, pero las razones de la diversidad de antenas son bien conocidas. Varias antenas pueden aumentar la probabilidad de que, sin importar en qué dirección esté llegando una transmisión, y sin importar cómo se polarice esa transmisión, se la recibirá correctamente.

Esto generalmente significa que, para cada antena, un amplificador y demodulador, es decir, puede ser bastante complejo y no hay una aparente multiplicación de la ganancia de la antena. De hecho, dependiendo de la configuración mecánica de las antenas, puede haber una reducción en la ganancia para cada antena debido a la proximidad de las otras antenas.

El patrón de radiación de una matriz de antenas depende no solo de su disposición geométrica, sino también de la fase de la señal con la que se alimenta cada antena. Una antena omnidireccional tiene un patrón de radiación de cos (x) en un diagrama polar (pruebe la consulta "gráfico de polar (cos) (x)" en WolframAlpha para ver esto. No tengo suficiente reputación para publicar más de 2 enlaces. en mi respuesta).

Señales electromagnéticas "sumar". Si tenemos dos antenas isotrópicas (omnidireccionales) exactamente en el mismo lugar, alimentadas exactamente con la misma señal, el patrón de radiación será cos (x) + cos (x) . Es intuitivo ver que esta señal es ahora el doble de fuerte que antes. Si tomamos ese mismo sistema de antena, pero alimentamos las antenas con señales que están desfasadas 180 grados (es decir, radianes pi), no obtenemos radiación. Prueba a ver el diagrama polar de (cos (x)) + (cos (x + 3.14159)) en WolframAlpha para ver esto.

Ilustremos el efecto de la geometría con un ejemplo básico: dos antenas isotrópicas (omnidireccionales), alimentadas con una señal idéntica, separadas por media longitud de onda (λ / 2). Si nos colocamos en la parte superior de una de las antenas, nuestras señales serán cos (x) de la antena sobre la que estamos, pero estaremos a media longitud de onda (o radianes pi) de la segunda antena. Las señales se cancelarán. En cualquier lugar alrededor del sistema de antena donde nuestra distancia de cada antena difiera en una media longitud de onda tendrá una intensidad de señal cero. En el diagrama a continuación, las antenas están etiquetadas con una X, y puede ver que hay un "nulo", o punto de radiación cero, a lo largo de la línea imaginaria que corre a través de ambas antenas.

Porotrolado,sinoscolocamosexactamenteentreambasantenasynosmovemoshacialaderechaohacialaizquierda,lasseñalesquevienendecadaantenasonexactamenteiguales,yse"suman" para crear una señal que sea el doble de fuerte. .

  

¿Pero quiero saber cómo calcular la ganancia total de múltiples antenas en un sistema? ¿Es simplemente igual a la cantidad de antenas multiplicada por la ganancia de una antena?

La ganancia es un parámetro direccional. Es diferente en cada ángulo. Cuando decimos ganancia sin especificar una dirección, nos referimos a la ganancia en la dirección de máxima radiación. La ganancia máxima del sistema de múltiples antenas dependerá de la geometría y la fase del sistema. En el ejemplo anterior, la ganancia máxima de la matriz de antenas es el doble de lo que era cada antena por sí sola.

  

¿Qué pasa con el ancho de haz del sistema resultante? Si, por ejemplo, utilizo 64 antenas en un sistema, todas son omnidireccionales, ¿sigue siendo omni el sistema total?

Tal vez, pero probablemente no. Es posible que pueda diseñar un patrón de radiación omnidireccional, pero nuevamente, todo depende de la geometría de la matriz y de la fase.

Mis ejemplos anteriores tratan con antenas isotrópicas (omnidireccionales). Las antenas con patrones de radiación más complejos serán difíciles de analizar a mano. Un método común utilizado es la "multiplicación de patrones". Consulte esta página para obtener ejemplos y más información.

Este método de análisis ignora el acoplamiento mutuo entre las antenas. Una herramienta de simulación como FEKO o GNEC es el mejor enfoque.

Las múltiples antenas conectadas en paralelo son solo una única antena con una forma divertida, por lo que se determina la ganancia y el patrón de radiación para todo el sistema analizándolo como una entidad única, incluido el acoplamiento mutuo.

Los sistemas de múltiples antenas en enrutadores inalámbricos suelen ser radios independientes que operan en la misma frecuencia. La recepción utiliza ambas radios en paralelo, y el mismo paquete llegará a las dos a la vez, pero la intensidad de la señal será diferente debido a la diferente direccionalidad de las antenas. Para señales débiles, el paquete podría recibirse solo en un lado, lo que aún es suficiente, mientras que un sistema de una sola antena de radio única habría dejado caer el paquete. El envío utiliza la antena donde se observó la mayor intensidad de señal para el sistema receptor, bajo el supuesto de que la ganancia del canal es similar a la inversa.

Los sistemas de múltiples antenas en radar y comunicaciones móviles se utilizan para crear direccionalidad mediante patrones de interferencia. También en este caso, las antenas están completamente separadas, por lo que no se puede calcular una "ganancia de resumen".

Los sistemas de radar en rotación (con una antena altamente direccional) tienen una ventana de recepción limitada y su velocidad está limitada por el tamaño de la ventana y la distancia máxima de los objetos reconocidos, ya que los retornos deben recibirse antes de que la ventana se cierre. por el contrario, con un conjunto de radares, la devolución se puede recibir en cualquier momento y la dirección desde la que llegó se puede inferir por diferencias de tiempo.

Los mismos métodos se utilizan en las redes móviles para aumentar la capacidad al crear direccionalidad a través de Beamforming y MIMO .