Im BereichArray-AntennenBeamforming, auch bekannt als räumliche Filterung, ist ein Signalverarbeitungsverfahren zur gerichteten Übertragung und zum Empfang von drahtlosen Funk- oder Schallwellen. Es findet häufig Anwendung in Radar- und Sonarsystemen, drahtloser Kommunikation, Akustik und biomedizinischen Geräten. Typischerweise werden Beamforming und Beam-Scanning durch die Einstellung der Phasenbeziehung zwischen dem Speisesignal und jedem Element des Antennenarrays erreicht, sodass alle Elemente Signale phasengleich in eine bestimmte Richtung senden oder empfangen. Während der Übertragung steuert der Beamformer die Phase und die relative Amplitude jedes Sendersignals, um konstruktive und destruktive Interferenzmuster auf der Wellenfront zu erzeugen. Beim Empfang priorisiert die Konfiguration des Sensorarrays den Empfang des gewünschten Strahlungsmusters.
Beamforming-Technologie
Beamforming ist eine Technik, mit der das Strahlungsmuster eines Strahls mit einer festgelegten Antwort in eine gewünschte Richtung gelenkt werden kann. Beamforming und Strahlabtastung einesAntenneDie Anordnung kann durch ein Phasenverschiebungssystem oder ein Zeitverzögerungssystem realisiert werden.
Phasenverschiebung
In Schmalbandsystemen wird die Zeitverzögerung auch als Phasenverschiebung bezeichnet. Bei Radiofrequenzen (RFIm Zwischenfrequenzbereich (ZF) kann Beamforming durch Phasenverschiebung mit Ferrit-Phasenschiebern erreicht werden. Im Basisbandbereich erfolgt die Phasenverschiebung durch digitale Signalverarbeitung. Im Breitbandbetrieb wird Beamforming mit Zeitverzögerung bevorzugt, da die Richtung des Hauptstrahls frequenzunabhängig sein muss.
RM-PA17731
RM-PA10145-30 (10-14,5 GHz)
Zeitverzögerung
Eine Zeitverzögerung lässt sich durch die Änderung der Übertragungsleitungslänge realisieren. Ähnlich wie bei der Phasenverschiebung kann eine Zeitverzögerung im Radiofrequenzbereich (RF) oder im Zwischenfrequenzbereich (ZF) eingeführt werden. Die so erzeugte Zeitverzögerung ist über einen weiten Frequenzbereich wirksam. Die Bandbreite des zeitabgetasteten Arrays ist jedoch durch die Bandbreite der Dipole und deren elektrischen Abstand begrenzt. Mit steigender Betriebsfrequenz vergrößert sich der elektrische Abstand zwischen den Dipolen, was zu einer gewissen Verengung des Strahls bei hohen Frequenzen führt. Bei weiter steigender Frequenz entstehen schließlich Gitterkeulen. In einem Phased-Array treten Gitterkeulen auf, wenn die Strahlformungsrichtung den Maximalwert des Hauptstrahls überschreitet. Dieses Phänomen verursacht Fehler in der Verteilung des Hauptstrahls. Um Gitterkeulen zu vermeiden, müssen die Antennendipole daher einen geeigneten Abstand aufweisen.
Gewichte
Der Gewichtsvektor ist ein komplexer Vektor, dessen Amplitudenkomponente den Nebenkeulenpegel und die Hauptkeulenbreite bestimmt, während die Phasenkomponente den Hauptkeulenwinkel und die Nullstellenposition festlegt. Die Phasengewichte für Schmalbandantennen werden mittels Phasenschiebern angewendet.
RM-PA7087-43 (71-86 GHz)
RM-PA1075145-32 (10,75–14,5 GHz)
Beamforming-Design
Antennen, die sich durch Änderung ihres Strahlungsmusters an die HF-Umgebung anpassen können, werden als aktive Phased-Array-Antennen bezeichnet. Zu den Beamforming-Designs gehören Butler-Matrix-, Blass-Matrix- und Wullenweber-Antennenarrays.
Butler-Matrix
Die Butler-Matrix kombiniert eine 90°-Brücke mit einem Phasenschieber, um bei geeigneter Oszillatorauslegung und Richtcharakteristik einen Abdeckungssektor von bis zu 360° zu erreichen. Jeder Strahl kann von einem dedizierten Sender oder Empfänger oder von einem einzelnen, per HF-Schalter gesteuerten Sender oder Empfänger genutzt werden. So lässt sich die Butler-Matrix zur Strahlführung einer kreisförmigen Antennenanordnung verwenden.
Brahs Matrix
Die Burras-Matrix nutzt Übertragungsleitungen und Richtkoppler zur zeitverzögerten Strahlformung für Breitbandbetrieb. Sie kann als Breitseiten-Strahlformer ausgelegt werden, weist jedoch aufgrund der Verwendung von Widerständen höhere Verluste auf.
Woollenweber-Antennenanordnung
Die Woollenweber-Antennenanordnung ist eine kreisförmige Anordnung zur Peilung im Kurzwellenbereich (HF). Diese Antennenanordnung kann sowohl omnidirektionale als auch gerichtete Elemente verwenden. Die Anzahl der Elemente liegt üblicherweise zwischen 30 und 100, wobei ein Drittel der Elemente zur sequenziellen Bildung hochgerichteter Strahlen dient. Jedes Element ist mit einem Funkgerät verbunden, das die Amplitudengewichtung des Antennendiagramms über ein Goniometer steuert. Dieses kann einen 360°-Scan durchführen, ohne die Eigenschaften des Antennendiagramms nennenswert zu verändern. Durch die Zeitverzögerung erzeugt die Antennenanordnung einen nach außen gerichteten Strahl und ermöglicht so einen Breitbandbetrieb.
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Veröffentlichungsdatum: 07.06.2024
