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6-2016

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Antennen Strahlformung

Antennen Strahlformung für 5G-Kommunikationssysteme Bild 1: Ein eindimensionales Antennen- Array, in dem alle Elemente die gleiche Phase aufweisen, richtet seinen Strahl auf θ = 0° 5G-Kommunikationsstandards versprechen in den nächsten zehn Jahren eine tausendfache Steigerung der Mobilfunk-Datenkapazität. Da die Datenmenge, die auf einem Kanal kodiert werden kann, dann ihre theoretische Grenze erreicht, bedarf es einer Kombination aus Frequenz-, Zeitund Raum-Multiplexing, um die Mehrzahl an Kanälen bereitzustellen, die erforderlich ist, um bei einer so hohen Aggregation Daten vom Sender zum Empfänger zu transportieren. Welche Möglichkeiten gibt es? Man kann sich der MIMO-Technik (Multiple Input, Multiple Output) bedienen, wie sie bei WLAN zum Einsatz kommt. Wir können neue Frequenzbänder nutzen, u.a. einige im Millimeter-Wellenlängenbereich, wenn die Regulierer sie freigeben. Wir können auch Techniken entwickeln, die mm-Wellen- Signale erzeugen, um eine direktere Verbindung zwischen Sender und Empfänger zu erhalten und so der hohen Dämpfung im freien Raum entgegenwirken. Pfadverluste bei mehreren Antennen vermeiden Warum ist gerade bei Millimeterwellen die Dämpfung so hoch? Man stelle sich eine Kommunikationsverbindung zwischen einer Basisstation und einem Smartphone vor, die mit mm-Wellen-Frequenzen arbeitet. Das Smartphone verfügt über eine isotrope Antenne, die in/aus alle/n Richtungen gleichmäßig sendet und empfängt. Der Pfadverlust zwischen den Sende- und Empfangsantennen berechnet sich wie folgt [1]: Rik Jos Fellow RF Technology Ampleon www.ampleon.com Bild 2: Nebenkeulen-Muster für ein eindimensionales Antennen-Array, in dem alle Elemente die gleiche Phase aufweisen und einen Strahl bei θ = 0° erzeugen. Das Array besteht aus 64 Elementen wobei PRX und PTX die empfangene bzw. gesendete Leistung, sowie GRX und GTX die Gewinne der Empfangs- bzw. Sendeantennen sind. Der Pfadverlust entsteht teilweise durch die Dämpfung infolge der Energieausbreitung des Signals in den freien Raum. Mit zunehmendem Abstand R zwischen Sender und Empfänger nimmt die Dämpfung quadratisch zu: 1/4πR 2 . Der andere, für die Pfadverluste verantwortliche Faktor ist die Energiemenge, welche die Empfangsantenne erfassen kann. Dies wird durch die effektive Antennenöffnung (Apertur) geregelt (definiert durch λ 2 /4π) und nimmt mit dem Quadrat der Wellenlänge ab. Ein Wechsel der Signalfrequenz von 3 auf 30 GHz (und damit eine kürzere Wellenlänge) erhöht die Pfadverluste um 20 dB. Als Ausgleich kann man die Zahl der Empfangsantennen erhöhen. Dies erfordert aber 100 Antennenelemente, die ein 30-GHz- Signal empfangen, um die gleiche Apertur und Empfangsleistung wie mit der Original- Antenne bei 3 GHz zu erhalten. Strahlformungen in Antennenanordnungen Wie wird ein solches Antennen-Array aufgebaut? Die einfachste Form besteht aus N Elementen, die in gleichen Abständen d eng aneinander angebracht sind (Bild 1). Sind alle Elemente in einer solchen Anordnung isotrop, haben den gleichen Gewinn und werden über ein Signal angesteuert, das die gleiche Phase und Leistung hat, zeigt der daraus resultierende Strahl direkt aus Bild 3: Das gleiche Array, nur mit verschobener Phase bei allen Elementen, um einen Strahl bei θ = 20° zu formen der Ebene, auf der sie montiert sind, d.h. in z-Richtung. Das resultierende Feld ist in Bild 2 als Funktion von θ dargestellt, dem Winkel zwischen der z-Achse und der Erfassungsrichtung, wenn der Abstand zwischen den Array-Elementen d = λ/2 (die halbe Wellenlänge) beträgt. Wird eine Phasendifferenz zwischen benachbarten Array- Elementen angelegt, lässt sich der Strahl abwinkeln, z.B. um 20° (Bild 3). In beiden Fällen bilden sich unerwünschte Nebenkeulen neben dem Hauptstrahl. Werden die Array-Elemente weiter auseinander angeordnet, nimmt die Stärke der Nebenkeulen zu, bis der Abstand d der Signalwellenlänge λ entspricht. Unerwünschte Strahlbildung mit der gleichen Leistung wie der Hauptstrahl tritt bei +90° und -90° auf. In Bild 4 ist der Abstand d doppelt so groß wie die Wellenlänge, und unerwünschte Nebenkeulen entstehen bei ±30° und ± 90°. Diese Nebenkeulen sind an sich nicht erwünscht, da sie die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass sich die Antennen-Arrays gegenseitig stören. In der Praxis ist es nicht möglich, eine isotrope Antenne zu bauen, da alle physi- Bild 4: Gitterkeulen erscheinen im Abstrahlmuster der Anordnung wenn die Abstände der internen Antennen gleich der Wellenlänge sind, in diesem Fall d = 2λ 52 hf-praxis 6/2016

Antennen Bild 5: Bei der analogen Strahlformung wird der Strahl über Phasenschieber gelenkt. Nur ein Datenstrom und ein Strahl lassen sich erzeugen kalischen Antennen ein bestimmtes Antennenmuster aufweisen. Die Möglichkeit, sie elektrisch zu lenken ist damit begrenzt. Analoge und digitale Strahlformung Wie werden die Phasenverschiebungen erzeugt, die zur Lenkung des Strahls erforderlich sind? Analoge Strahlformung erfolgt im HF-Bereich mittels Phasenschiebern, die sich vor jeder Antenne befinden (Bild 5). Ein einzelner Datenstrom wird über eine Reihe von Datenwandlern und einen Transceiver gehandhabt. Nach dem Transceiver wird der Sende-Datenstrom so oft aufgeteilt, wie Array-Elemente vorhanden sind. Das Signal in jedem Zweig wird durch einen Phasenschieber geleitet, verstärkt und dann in das Array-Element gespeist. Analoge Strahlformung im HF-Pfad ist einfach und erfordert nur minimale Hardware. Damit ist sie die kostengünstigste Art, eine strahlformende Anordnung zu erstellen. Der Nachteil ist, dass das System nur einen Datenstrom handhaben und nur einen Signalstrahl erzeugen kann. Digitale Strahlformung, bei der jede Antenne über ihren eigenen Transceiver und Datenwandler verfügt, kann mehrere Datenströme handhaben und erzeugt mehrere Strahlen gleichzeitig aus einer Anordnung (Bild 6). Die Phasenunterschiede, die erforderlich sind, um einen Strahl zu erzeugen, werden im Basisband erzeugt. Damit lassen sich auch mehrere Strahlensätze erstellen und auf die Array-Elemente überlagern. Eine Antenne kann damit mehrere Strahlen erzeugen, von denen jeder sein eigenes Signal trägt und mehrere Nutzer abdeckt – mit einer Anordnung und einem Satz an Spektrum- Ressourcen. Dieser Ansatz erfordert mehr Hardware und belastet die Signalverarbeitung im Digitalbereich mehr als beim analogen Ansatz. Strahlformung, Massive MIMO und Kanal-Zustandsinformation Digitale Strahlformung kann ein Signal von einem Sender auf einen Empfänger richten, sofern beide in Sichtweite sind. Sind sie es nicht, werden Nutzer nur durch Strahlen erreicht, die durch Gebäude, Bäume und Bild 6: Bei der digitalen Strahlformung wird der Strahl durch Basisband-Verarbeitung geformt. Mehrere Datenströme und Strahlen lassen sich gleichzeitig erzeugen hf-praxis 6/2016 53

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