Herzlich Willkommen beim beam-Verlag in Marburg, dem Fachverlag für anspruchsvolle Elektronik-Literatur.


Wir freuen uns, Sie auf unserem ePaper-Kiosk begrüßen zu können.

Aufrufe
vor 4 Jahren

11-2019

  • Text
  • Technik
  • Verstaerker
  • Antennen
  • Komponenten
  • Technik
  • Radio
  • Filter
  • Oszillatoren
  • Quarze
  • Emv
  • Messtechnik
  • Bauelemente
  • Wireless
Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Antennen Bild 6: Zum

Antennen Bild 6: Zum Scanloss Bild 5: Zum Beamsquint Bereich (Area) von einem Vierterl einer quadrierten Wellenlänge (λ2/4). Weil der Antennengewinn der Beziehung 4 π/λ2 x Ae gehorcht, in der Ae die effektive Area der Antenne (Wirkfläche) darstellt, erreicht der Gewinn Ge dann den Faktor π entsprechend 5 dBi. Man sollte beachten, dass für jedes dem Array hinzugefügte Element das Verhältnis G/T eines Empfängers mit Array um 10 x log(N) zunimmt, wie in Bild 2 dargestellt. Hinweis: Das Verhältnis aus Verstärkung G (Gain) und Rauschtemperatur T eines Empfängers lässt sich in 1/K oder dB/K angeben und fasst die Qualität der Empfangskette einschließlich Empfangsantenne zusammen. Das heißt: Die Aperturgröße wird zwar erhöht, aber das Rauschmaß bleibt konstant. Hingegen nimmt die EIRP (equivalent isotropically radiated power) eines Senderarrays um 20 x log(N) zu, denn mit jedem neuen Element wird gewissermaßen Gewinn eingebracht. Dies zeigt beispielhaft Bild 3. Systemingenieure definieren typischerweise detaillierte G/Tund EIRP-Budgets, wobei es einen breiten Bereich von Variablen gibt, einschließlich Systemrauschmaß, Embedded-Element- Gewinn, Arbeitsfrequenz, Sendeleistung pro Element, Verlust zwischen den Elementen, Scan- Verlust, Einfluss von Polarizers und Radomes sowie Temperatur. Bild 4 stellt einige Beispiele von linearen Arrays vor mit 16, 32 und 64 Elementen. Der Graph zeigt sowohl Hauptkeule als auch Seitenzipfel. Die Antennen- Richtwirkung folgt der Regel 10 x log(N). Mit jeder Verdopplung der Größe der Antenne halbiert sich die Halbwertsbreite beim Richtdiagramm. Mit anderen Worten: Der Gewinn vergrößert sich um 3 dB. Ein Thema im Zusammenhang mit der Nutzung von Phasenschiebern zur Steuerung des Richtdiagramms von aktiven Antennen nennt sich „beam squint”, siehe hierzu Bild 5. Dahinter steht die Tatsache, dass bei der elektrischen Steuerung der Richtcharakteristik durch Phasenschieber eine Zeitverzögerung (time delay) auftritt. Dies bedeutet, dass die perfekte Ausformung nur bei einer bestimmten Frequenz möglich ist, bei höheren oder niedrigeren Frequenzen kommt es zu Abweichungen. Einen Ausweg gibt es hier leider nicht, sodass Phasenschieber-Anwendungen zumindest im Millimeterwellen- Bereich ein Breitbandeinsatz verwehrt bleibt. Eine andere Einschränkung aller dieser aktiven Antennen ist der Verlust an Apertur-Gewinn dann, wenn der Beam von seiner Fernsichtrichtung (boresight direction) weggesteuert wird. Diese Eigenschaft nennt man „ scan loss”, und sie folgt der Beziehung 10 x log(cosN(T)), wobei Bild 7: Tapering vs. Sidelobe-Level 38 hf-praxis 11/2019

Antennen Bild 8: Zur Ausbildung von Nebenzipfeln T der Abweichwinkel von der Fernsichtrichtung (scan angle off boresight) ist und N ein numerischer Wert von typisch 1,3, mit dem das nichtideale isotrope „Benehmen“ des Gewinns des eingebetteten (embedded) Elements berücksichtigt wird. Bild 6 dokumentiert den Zusammenhang zwischen Scan-Verlust und Scan-Winkel, wobei der Boresight-Winkel natürlich mit 0° angesetzt wurde. Hier gibt es keinen Scan-Loss. Bei einem Scan-Winkel von 45° (60°) hingegen gibt es 2 (4) dB Scan- Verlust. Solche Aktivantennen müssen daher mit entsprechender Reserve dimensioniert werden, damit sich das geforderte G/T und die geforderte EIRP auch bei maximalen Scan-Abweichungen noch ergeben. Tapering oder Taper (Verjüngen, kegelförmig zulaufen lassen) nennt man den Prozess der Zuweisung von verschiedenen Gewinnen zu den einzelnen Elementen innerhalb des Arrays, wobei die in der Mittel liegenden Elemente den höchsten Gewinn zugewiesen bekommen. In Bild 7 wird gezeigt, wie man verschiedene Tapering-Niveaus erreichen kann. Grundlage ist ein 64-elementiges Array, sodass die Kurve mit dem maximalen Gewinn bei Element 32 in der Mitte des Arrays erreicht wird. Wichtig hierbei: Umso schneller der Element-Gewinn infolge der zunehmenden Entfernung der Elemente von der Mitte absinkt, umso größer ist die Unterdrückung von Nebenzipfeln (sidelobes) im Richtdiagramm. In der Grafik sieht man diese Auswirkungen bei Sidelobe- Levels von -20, -30, -40 und -50 dB. Das ist der Grund, warum Beamforming typischerweise die Amplitudensteuerung bei jedem Element erfordert, nicht nur die Phasensteuerung. Wenn alle Elemente mit dem gleichen Gewinn ausgestattet werden, spricht man von “uniform illumination.” Uniform Illumination bedeutet -13 dBc für die ersten auftretenden Nebenzipfel (first side lobe levels), was für einige Applikationen unakzeptabel sein kann mit Blick auf Vorschriften, Interferenzen oder andere Gründe. Die Gewinnsteuerung erlaubt es dem Systemingenieur, den Gewinn pro Element so einzustellen, dass die vorgeschriebene Maximalgröße der Nebenzipfel eingehalten werden kann. In Bild 8 werden überlagernd Sidelobe-Levels für verschiedene Taper-Konstellationen dargestellt. Konkret erreichen diese -20, -30, -40 und -50 dB relativ zur Spitze. Man kann deutlich die Sidelobe-Unterdrückung in Abhängigkeit vom Tapering- Niveau erkennen. Basis ist ein 64-elementiges Array mit einem Richtfaktor von 18 dBi gemäß der Beziehung 10 x log(64). Die Gewinnsteuerung per IC ermöglicht z.B. einen Bereich von Beim Tokyo Institute of Technology und bei der NEC Corporation in Japan hat man einen kostengünstigen 39-GHz-Transceiver mit eingebauter Kalibrierung für 5G-Applikationen entwickelt. Er könnte in fortgeschrittenem 5G-Drahtlol-Equipment wie Basisstationen, Smartphones, Tablets sowie dem Internet of Things Anwendung finden. Die Herstellung erfolgte in einem Standard-65-nm- CMOS-Verfahren auf Basis von Silizium, was die geringen Kosten ermöglicht. Der neue Transceiver basiert auf einem 64-elementigen (4 x 16) Phased-Array-Design. Die erwähnte interne Gewinn- Phasenkalibrierung erlaubt es, 0 bis 31,5 dB in 0,5-dB-Schritten. Das Taper-Ergebnis hängt übrigens nicht vom Scan-Winkel ab. Taper ist eine gute Sache, hat aber seinen Preis. Wenn Taper zum Einsatz kommt, dann ist der Richtfaktor geringer als bei uniform Illumination und die Halbwertsbreiten im Richtdiagramm liegen weiter voneinander entfernt. Etwa bei -20 (-50) dB Sidelobe-Level-Unterdrückung erhält man Richtfaktoren von rund 18 (16,1) dBi. Eine andere Eigenart dieser aktiven Antennen ist das Auftreten von Nebenzipfeln in Form eines Gitters (grating lobes), wobei sich der Abstand der Gitter aus dem Abstand der Elemente zueinander (d) ergibt. Um solch parasitäre Grating Lobes zu vermeiden, muss man folgende Regeln beachten: d/λ o < 1/(1+sinT) für ein rechteckiges Gitter (min. Abstand 0,5 λ o bei 90° Scan) d/λ o < 1,15/(1+sinT) für ein dreieckiges Gitter (min. Abstand 0,575 λ o bei 90° Scan) λ o ... Freiraum-Wellenlänge T ... max. Scan-Winkel Kostengünstigen 5G-Transceiver mit 64-elementigem Phased-Array die Beamforming-Genauigkeit zu verbessern, also unerwünschte Sendefeldanteile besser zu unterdrücken und das Signal noch besser auf den/die Empfänger zu konzentrieren. Es konnte gezeigt werden, dass der RMS-Phasenfehler (Root Mean Square) mit 0,08° äußerst gering ist. Während typische aktuelle Transceiver eine Gewinnvariation von mehr als einem 1 dB im Abstimmbereich aufweisen, liegt die Gewinnvariation hier unter 0,04 dB über den vollen 360°-Abstimmbereich. Der Transceiver hat eine maximale EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) von 53 dBm. Dies ist ein beeindruckendes Kennzeichen der Wirkungsweise der 64 Antennen. hf-praxis 11/2019 39

hf-praxis

PC & Industrie

© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel