Beamforming — это технология пространственной фильтрации сигнала, при которой несколько антенн излучают один и тот же сигнал с разными фазами, чтобы максимально усилить излучаемую энергию в заданном направлении. Основная цель такой системы — улучшить качество передачи сигнала, усилить его в нужной зоне, а также снизить уровень помех и интерференции.
Ключевым условием правильной работы beamforming является точное управление фазой сигнала на каждой антенне. Любое фазовое отклонение вызывает снижение направленности главного луча, появление или усиление боковых лепестков и потерю энергетической эффективности.
Одним из источников фазовых ошибок является разная длина линий передачи от источника сигнала (радиомодуля) до отдельных антенн. Даже небольшая разница в длине кабельных линий вызывает задержку передачи и, следовательно, разность фаз на выходе.
Фазовый сдвиг, вызванный разницей в длине линий передачи, рассчитывается по формуле:
Δφ = (2π / λ) × Δl
где
Δφ — фазовый сдвиг в радианах,
λ — длина волны сигнала,
Δl — разность в длинах линий передачи.
Пример:
Если частота сигнала равна 2,4 ГГц, то длина волны примерно 12,5 см.
При разнице в длине линий всего 3,125 см фазовый сдвиг составит:
Δφ = (2π / 0,125) × 0,03125 = π / 2 = 90°
Такое смещение фазы между излучающими антеннами существенно искажает диаграмму направленности, и основное усиление сигнала может быть значительно снижено. Это практически разрушает направленный луч, ради которого применяется beamforming.
Влияние длины линии передачи на резонансные характеристики антенн
Кроме фазовых ошибок, вызванных разной длиной линий, сами кабельные линии могут менять резонансную частоту антенн за счёт стоячих волн и реактивной связи с излучающей системой.
Входное сопротивление антенны через линию передачи длиной l можно рассчитать по следующей формуле (при идеальной линии с импедансом Z₀):
Zвх = Z₀ × (Za + jZ₀ × tan(β × l)) / (Z₀ + jZa × tan(β × l))
где
Zвх — входное сопротивление на начале линии,
Za — сопротивление антенны,
Z₀ — волновое сопротивление кабеля (обычно 50 Ом),
β — волновое число (2π / λ),
l — длина кабеля,
j — мнимая единица.
Если длина линии кратна четверти или половине длины волны (то есть l ≈ λ/4 или λ/2), то входной импеданс может довольно сильно отличаться от импеданса антенны, вызывая рассогласование и отражения.
Эти эффекты проявляются как:
- Смещение резонансной частоты антенны,
- Рост КСВ (коэффициента стоячей волны),
- Искажения диаграммы направленности.
Коэффициент отражения рассчитывается как:
Γ = (Zвх – Z₀) / (Zвх + Z₀)
А КСВ (коэффициент стоячей волны):
КСВ = (1 + |Γ|) / (1 – |Γ|)
Чем выше КСВ, тем больше потерь на отражении и тем хуже работает антенна в заданной полосе частот.
Антенный эффект линии передачи (АЭЛ)
Различают два основных механизма влияния линии передачи на работу антенны и системы в целом:
1. АЭЛ-1 (синфазные токи):
При асимметричном подключении или нарушении баланса по току, кабельная линия начинает излучать сама, превращаясь в неконтролируемый элемент антенны. Это приводит к искажению диаграммы направленности и появлению дополнительных побочных излучений.
2. АЭЛ-2 (влияние стоячих волн):
Даже при согласованной системе, если линия передачи имеет «резонансную» длину, она может воздействовать на антенну, сдвигая её резонансную частоту и изменяя электрическую нагрузку.
Эти эффекты особенно выражены при высоких частотах (например, 2–6 ГГц) и в ситуациях, когда длина линии составляет значимую часть длины волны (λ/2, λ/4 и т. д.).
Заключение
Beamforming — эффективная технология управления излучением, требующая высокой точности в фазовом согласовании сигналов от разных антенн. Разные длины кабельных линий приводят к фазовым сдвигам, которые искажают диаграмму направленности, снижают усиление и ухудшают работу системы в целом.
Кроме этого, сами линии передачи могут оказывать влияние на частотные параметры антенн, особенно при длине, совпадающей с четвертью или половиной длины волны. Это приводит к росту потерь, КСВ и снижению эффективности антенн.
Вывод:
Для обеспечения максимальной эффективности beamforming и стабильной работы антенн необходимо:
- Выравнивать длину кабельных линий до всех антенн,
- Избегать их резонансных длин (λ/4, λ/2),
- Следить за балансом и симметрией подключений,
- Обеспечивать высококачественное согласование по импедансу.
Пренебрежение этими факторами может свести на нет преимущества таких технологий как beamforming и MIMO, ухудшая дальность, стабильность и пропускную способность беспроводной связи.
P.S. Почему в статье используем скорость света?
Для демонстрации принципа (например, чтобы показать, что фазовый сдвиг вообще возможен) этого достаточно. Однако для точных физических расчётов необходимо уходить от базовой модели, особенно в системах beamforming, где важны доли длины волны и наносекунды задержки, необходимо учитывать реальную скорость распространения сигнала в используемой линии передачи, например, в кабеле. Иначе расчёты будут ошибочными, а система — работать неэффективно.
При использовании наших публикаций не забывайте об авторском праве.