Die Yagi-Uda-Antenne: Grundprinzipien und Leistungsmetriken

Die Yagi-Uda-Antenne, die 1926 von Hidetsugu Yagi und Shintaro Uda erfunden wurde, bleibt eine der elegantesten und effektivsten gerichteten Antennenkonstruktionen. Ihre Struktur ist täuschend einfach: Ein angetriebenes Element (typischerweise ein Halbwellendipol oder gefalteter Dipol) wird von einem etwas längeren Reflektorelement dahinter und einem oder mehreren kürzeren Direktorelementen davor flankiert. Diese parasitären Elemente sind nicht direkt mit der Zuleitung verbunden, sondern koppeln elektromagnetisch an das angetriebene Element und strahlen Energie mit sorgfältig kontrollierten Phasenverschiebungen ab. Das Ergebnis sind konstruktive Störungen in Vorwärtsrichtung und destruktive Störungen nach hinten, wodurch ein sauberes, unidirektionales Strahlungsmuster mit hoher Verstärkung entsteht.

Ein gut optimierter Yagi liefert Verstärkungswerte zwischen 8 und 15 dBi, mit Halbleistungs-Strahlbreiten (HPBW) im Bereich von etwa 55 Grad für ein Drei-Elemente-Design bis zu 25 Grad oder weniger für Arrays mit zehn oder mehr Elementen. Das Front-zu-Rück-Verhältnis - ein Maß für die Fähigkeit der Antenne, Signale von hinten abzulehnen - fällt typischerweise zwischen 20 und 30 dB. Für eine umfassende Behandlung der klassischen Designtheorie bleibt die Ressource bei Antennentheorie eine maßgebliche Referenz. Die wichtigsten Designparameter sind eng voneinander abhängig: Die Anzahl der Direktoren erhöht in erster Linie die Vorwärtsverstärkung und verengt die Strahlbreite, aber jeder zusätzliche Direktor reduziert auch die Impedanzbandbreite und kann Seitenlappenpegel erhöhen, wenn nicht sorgfältig optimiert. Die Reflektorlänge und ihr Abstand relativ zum angetriebenen Element steuern in erster Linie das Front-zu-Rückwärts-Verhältnis, während das angetriebene Element die Einspeisepunktimpedanz und die Gesamtbandbreite bestimmt.

Neben dem klassischen Yagi-Stab verwenden moderne Implementierungen die Leiterplattentechnologie, um "Quasi-Yagi"-Antennen zu erzeugen. Diese gedruckten Designs ersetzen parasitäre Stäbe mit geätzten Kupferstreifen auf einem dielektrischen Substrat, was geringere Kosten, wiederholbare Leistung und die Möglichkeit bietet, Baluns und passende Netzwerke direkt auf der Platine zu integrieren. Gedruckte Yagis erzielen typischerweise einen Gewinn von 6-10 dBi mit Bandbreiten von 10-20%, was sie für Massenzugangspunkte und Kundenausstattung attraktiv macht.

Multi-User MIMO: Der Spatial Multiplexing Imperativ

Multi-User MIMO ist eine grundlegende Technologie in modernen drahtlosen Standards, einschließlich 4G LTE-Advanced Pro, 5G NR und Wi-Fi 6 (802.11ax) und Wi-Fi 7 (802.11be). Im Gegensatz zu Single-User MIMO, die mehrere räumliche Ströme auf ein einzelnes Gerät leitet, ermöglicht MU-MIMO einer Basisstation oder einem Zugangspunkt, mit mehreren verschiedenen Benutzern gleichzeitig auf der gleichen Zeit-Frequenz-Ressource zu kommunizieren. Dies wird durch die Bildung räumlich getrennter Strahlen erreicht, die einzelne Benutzersignale isolieren und die Kanalkapazität effektiv multiplizieren, ohne zusätzliches Spektrum zu benötigen. Ein Überblick über die grundlegenden Konzepte finden Sie auf der Multi-User-MIMO-Seite von Wikipedia .

Die praktische Realisierung des MU-MIMO-Verstärkungsfaktors hängt entscheidend von der Fähigkeit der Basisstation ab, genaue Downlink-Kanalzustandsinformationen (CSI) für jeden Benutzer zu erhalten. Dies wird typischerweise durch Uplink-Sounding-Referenzsignale oder explizite Rückmeldungen erhalten. Das Antennensystem wendet Vorcodierungsgewichte an, die aus den Kanalschätzungen berechnet werden, um Strahlen mit geringer Kreuzkorrelation zu erzeugen. Bei dichten städtischen Kleinzellen-Bereitstellungen müssen diese Strahlen oft schmale Winkelsektoren von 15 bis 30 Grad abdecken, während sie einen hohen Gewinn zum Schließen des Linkbudgets beibehalten. Diese Präzision ist genau das Leistungsregime, in dem Yagi-Antennen historisch hervorragende Leistungen erbracht haben, was sie zu einer überzeugenden Alternative zu komplexeren Phased-Array-Panels macht. MU-MIMO-Systeme stellen auch strenge Anforderungen an die Antennenanschlussisolation und -korrelation: Ein Hüllkurvenkorrelationskoeffizient (ECC) unter 0,3 ist im Allgemeinen erforderlich, um den räumlichen Multiplexgewinn zu erhalten.

Die Gründe für Yagi Antennen in MU-MIMO Systemen

Während vollständig digitale phasengesteuerte Arrays mit Dutzenden von Patch-Elementen den Mainstream-Ansatz für Makrozellen-Basisstationen darstellen, bieten Yagi-basierte Architekturen deutliche Vorteile in spezifischen Bereitstellungskontexten. Ein einzelner Yagi mit vier oder fünf Elementen kann 12 dBi Gewinn liefern, indem er wenig mehr als ein paar Metallstäbe und einen einfachen Balun verwendet. Ein Patch-Array würde mindestens vier Elemente, ein Unternehmens-Feed-Netzwerk und eine Bodenebene erfordern, um die gleiche Leistung zu erreichen, was zu höheren Kosten, größerem Gewicht und komplexerer Herstellung führt. Für kostensensible kleine Zellzugangspunkte, Kundenausstattung und feste drahtlose Zugangsterminals führt die mechanische Einfachheit des Yagi direkt zu niedrigeren Materialkosten und höherer Zuverlässigkeit.

Die von außerhalb des Hauptstrahls ankommenden Signale werden ohne aktive Signalverarbeitung um 20 dB oder mehr gedämpft. Diese passive räumliche Filterung verringert die Anforderungen an den Dynamikbereich von Analog-Digital-Wandlern und verringert den Rechenaufwand für den digitalen Vorcodierer, so dass das System mehr Verarbeitungsressourcen für die Benutzerplanung und den Datendurchsatz zuweisen kann. In nicht lizenzierten Bändern, in denen Kokanalstörungen von benachbarten Netzwerken eine anhaltende Herausforderung darstellen, ist diese eingebaute Interferenzunterdrückung ein erheblicher betrieblicher Vorteil. Darüber hinaus weisen Yagi-Antennen sehr geringe ohmsche Verluste auf, da sie aus einfachen Leitern bestehen und nicht aus komplexen Speisenetzwerken, was zu einer höheren Strahlungseffizienz führt (normalerweise > 90 %) im Vergleich zu Patch-Arrays, die dielektrische und Leiterverluste in den Speiseleitungen erleiden.

Die offensichtliche Einschränkung ist, dass ein einzelner Yagi nur einen Strahl gleichzeitig erzeugt. Um mehrere Benutzer gleichzeitig zu bedienen, muss das Antennensystem mehrere Yagis in einer geschalteten oder phasengesteuerten Konfiguration kombinieren oder die parasitäre Struktur modifizieren, um eine elektronische Strahllenkung zu ermöglichen. Diese architektonischen Ansätze werden in den folgenden Abschnitten ausführlich untersucht. Designer müssen sich auch mit der von Natur aus engen Bandbreite des Yagi im Vergleich zu Breitbanddipolen oder log-periodischen Antennen auseinandersetzen, was eine sorgfältige Aufmerksamkeit auf Impedanz und Musterstabilität im gesamten Betriebsband erfordert.

Kritische Designparameter für MU-MIMO Yagi Arrays

Director Count und der Gain-Bandwidth Trade-off

Jedes zusätzliche Direktorelement erhöht die Wanderwellenkomponente entlang des Auslegers, erhöht die Vorwärtsverstärkung und verengt HPBW. Ein sorgfältig optimiertes Sechs-Element-Yagi erreicht bei einer 35-Grad-Strahlbreite einen Gewinn von etwa 13 dBi, während ein Zehn-Element-Design bei einer Strahlbreite von fast 28 Grad einen Gewinn von 14,5 dBi erreichen kann. Über zehn bis zwölf Elemente hinaus verringert sich der Gewinn pro Direktor, ein Phänomen, das als Endfeuersättigung bekannt ist, während die Impedanzbandbreite sich auf nur 2 bis 3 Prozent der Mittenfrequenz zusammenzieht. Für MU-MIMO-Anwendungen beträgt ein praktisches Ziel 8 bis 12 dBi mit einer gebrochenen Bandbreite von mindestens 5 Prozent. Dies kann mit dicken zylindrischen Elementen erreicht werden, die den Q-Faktor senken, oder mit einem Profil mit gestuftem Durchmesser, das die Resonanz verbreitert. Gedruckte Quasi-Yagi-Designs auf dielektrischen Substraten mit geringem Verlust können 15 Prozent Bandbreite erreichen, während ein sauberes Vorwärtsmuster beibehalten wird, wodurch sie gut geeignet sind für 5G-Bänder unter 6 GHz wie

Inter-Element-Abstand und gegenseitige Kopplung

Wenn mehrere Yagi-Antennen in einem nebeneinander angeordneten Array angeordnet sind, um unabhängige Strahlen zu bedienen, wird der Mitte-zu-Mitte-Abstand zu einem kritischen Parameter. Unzureichender Abstand erhöht die gegenseitige Kopplung zwischen benachbarten Elementen, verändert die Eingangsimpedanz, verzerrt die Strahlungsmuster und erhöht den Korrelationskoeffizienten zwischen den Antennenanschlüssen. High-Port-Korrelation reduziert direkt den räumlichen Multiplexgewinn, von dem MU-MIMO abhängt. Ein Mindestabstand von 0,7 Wellenlängen wird üblicherweise angenommen, um die Kopplung unter -20 dB zu halten. In engeren Installationen können Entkopplungsnetzwerke, Neutralisationslinien oder elektromagnetische Bandlücken (EBG) zwischen die Elemente eingefügt werden, um die Isolation wiederherzustellen. Elektrostatische Abschirmungen in Form von vertikalen Metallzäunen zwischen Yagi-Bogen haben sich auch in Prototypen-Arrays bewährt. Simulationswerkzeuge wie CST Microwave Studio oder HFSS sind für die Optimierung dieser Abstands- und Entkopplungsstrukturen unerlässlich.

Breitband-Impedanz-Matching über das Betriebsband

Das angetriebene Element ist der Brennpunkt der Bandbreitentechnik in jedem Yagi-Design. Ein gefalteter Dipol stellt natürlich eine Impedanz nahe 300 Ohm dar, die mit einem 4:1-Balun auf 75 Ohm transformiert werden kann, aber die schnelle Impedanzvariation weg von der Resonanz begrenzt die nutzbare Bandbreite. Um die Übereinstimmung über breite 5G-Kanäle zu erweitern, wenden die Designer mehrere Techniken an. Eine doppelt angetriebene Elementkonfiguration - zwei gefaltete Dipole in unmittelbarer Nähe - erzeugt eine Dual-Resonanz-Antwort, die in eine breite Impedanz-Match übergeht. Dreieckförmige oder bogenförmige Dipole reduzieren Q und erweitern die Bandbreite, ohne das Strahlungsmuster zu beeinträchtigen. Integrierte Anpassungsstubs, die als Teil der Balunstruktur gebildet werden, können die reaktive Komponente der Eingangsimpedanz über einen 10 bis 15-Prozent-Frequenzbereich aufheben. Für das 5G-NR-Band n78 ist ein VSWR unter 1,5 über den vollen 500 MHz-Bereich das Designziel, das maximale Leistungsübertragung und minimale Belastung des Leistungsverstärkers

Beamwidth Shaping und Side-Lobe Suppression

Bei einem MU-MIMO-System wirkt sich jeder Grad der Strahlbreite direkt auf die Isolation des Benutzers aus. Ein zu breiter Strahl deckt versehentlich zwei Benutzer ab, was zu Interferenzen zwischen Benutzern führt, die SINR für beide beeinträchtigen. Ein zu schmaler Strahl kann bei kleinen Bewegungen oder durch Kanalschwankungen den Überblick über einen Benutzer verlieren. Der Designer muss die HPBW auf die erwartete Winkeltrennung der Benutzer im vorgesehenen Einsatzszenario zuschneiden, typischerweise 20 bis 35 Grad für kleinzellige städtische Umgebungen. Seitenlappen erfordern ebenso sorgfältige Aufmerksamkeit: Ein prominenter erster Seitenlappen kann Interferenzen in einen benachbarten Strahl einkoppeln, was den Vorteil der Strahlformung zunichte macht. Die Verjüngung der Direktorlängen - die schrittweise Verkürzung aufeinanderfolgender Direktoren entlang des Auslegers, wobei der letzte Direktor der kürzeste ist - reduziert die Seitenlappenpegel um 3 bis 5 dB. Das Hinzufügen eines zweiten Reflektorelements hinter dem primären Reflektor unterdrückt weiter die hinteren Flügel und verbessert das Verhältnis von vorne nach hinten. Eine elektromagnetische Vollwellensimulation ist unerlässlich, um diese voneinander abhängigen Parameter für jede spezifische Array-Konfiguration zu optimieren. Eine gemeinsame Designmethode verwendet genetische Algorithmen,

Architekturen für den simultanen Multi-User Support

Sektorierte Multi-Yagi-Arrays

Der einfachste Ansatz zur Bedienung mehrerer Benutzer mit Yagi-Antennen besteht darin, mehrere feste Elemente bereitzustellen, die jeweils einen bestimmten Winkelsektor abdecken. Vier Yagis mit 30-Grad-Strahlbreiten, die auf einem gemeinsamen Mast angeordnet sind, können zusammen eine horizontale Spannweite von 120 Grad abdecken. Ein Basisbandprozessor wählt den Antennenanschluss für den Benutzer basierend auf Kanalqualitätsmessungen aus jedem Sektor aus. Diese Switched-Beam-Architektur ist hardwaremäßig einfach, erfordert keine Phasenschieber oder variable Reaktanzen und bietet eine robuste Zuverlässigkeit. Der Kompromiss ist eine begrenzte Winkelauflösung innerhalb jedes Sektors: Benutzer können nicht individuell verfolgt werden, wenn die Yagis nicht mechanisch neu positioniert sind, was für mobile Teilnehmer unpraktisch ist. Der Ansatz funktioniert gut für feste drahtlose Zugriffsszenarien, in denen Benutzerpositionen statisch sind, und dient als Grundlage für die Bewertung fortschrittlicherer Architekturen. Um die Winkelauflösung zu verbessern, verwenden einige Designs überlappende Sektoren mit engeren Strahlbreiten und einen Strahlauswahlalgorithmus, der die beste Kombination für jeden Benutzer auswählt.

Elektronisch steuerbare Passivstrahler (ESPAR)

Das Konzept des ESPAR-Systems (Electrically Steerable Passive Array Radiator) stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Beamforming-Technologie von Yagi dar. Eine ESPAR-Antenne besteht aus einem einzelnen angetriebenen Element - typischerweise einem Monopol oder Dipol -, das von einem Ring von parasitären Elementen umgeben ist, die jeweils mit einer variablen Reaktanz wie einer PIN-Diode oder einer Varaktordiode beladen sind. Durch die Anpassung der DC-Vorspannung an jedes parasitäre Element kann die Antenne den Hauptstrahl über die Azimutebene lenken, mehrere gleichzeitige Strahlen erzeugen oder Nullen in bestimmte Richtungen platzieren. Ein ESPAR mit sechs bis zwölf parasitären Elementen kann mit einem Abtastbereich von 360 Grad bis zu 10 dBi-Verstärkung erreichen. Entscheidend ist, dass nur eine HF-Kette für die gesamte Baugruppe erforderlich ist, was Kosten und Stromverbrauch im Vergleich zu vollständig digitalen phasengesteuerten Arrays drastisch reduziert. Neuere Forschungen haben gezeigt, dass der MU-MIMO-Betrieb mit einem einzelnen Sieben-Element-ESPAR mit Hilfe von Zeitbereichs-Str

Phased Arrays von Yagi Elementen

Bei Systemen mit höherer Leistung kann ein lineares oder planares Array von Yagi-Antennen durch ein Firmennetzwerk von Phasenschiebern und Abschwächern gespeist werden. Dieser hybride Ansatz nutzt den hohen Gewinn pro Element einzelner Yagis, um die Gesamtzahl der aktiven Sende-/Empfangsmodule zu reduzieren, die im Vergleich zu einem herkömmlichen Patch-Array benötigt werden. Der Array-Faktor bietet elektronische Strahllenkung und Null-Platzierung im Abdeckungssektor, während der Elementfaktor - das native Muster des Yagi - Rückkeuleninterferenz unterdrückt und Gitterlappen reduziert. Prototypsysteme, die bei 28 GHz für 5G-Festnetzzugang arbeiten, haben dieses Konzept unter Verwendung gedruckter Quasi-Yagi-Elemente auf Substraten mit geringem Verlust demonstriert, die mit einem einzigen passiven Netzwerk verbunden sind. Die Butler-Matrix erzeugt mehrere orthogonale Strahlen aus einem einzigen passiven Netzwerk, die gleichzeitiges multi-User-Räummultiplexing ermöglichen, ohne den Rechenaufwand für digitales Beamforming. Eine 4 x 4-Butler-Matrix, die vier Yagi-Elemente speist, erzeugt vier Strahlen

Butler Matrix Mehrstrahlsysteme

Eine Butlermatrix ist ein passives Feed-Netzwerk, das, wenn es mit einem Array von Antennenelementen verbunden ist, einen Satz von räumlich orthogonalen Strahlen von mehreren Eingangsports erzeugt. Eine 4x4-Butlermatrix, die ein lineares Array von vier Yagi-Antennen speist, erzeugt vier verschiedene Strahlen, die jeweils in eine andere Richtung zeigen und minimale Musterüberlappung aufweisen. Diese inhärente Orthogonalität vereinfacht das MU-MIMO-Vorcodierungsproblem erheblich, da die Strahlen bereits räumlich getrennt sind und eine weniger aggressive digitale Interferenzunterdrückung erfordern. Der Ansatz wurde in mehreren kommerziellen Wi-Fi-6-Zugangspunkten angewendet, die interne gedruckte Yagi-Arrays mit integrierten Butler-Matrix-Feeds verwenden, die einen zuverlässigen Mehrbenutzerdurchsatz in hochdichten Bereitstellungsszenarien wie Auditorien und Konferenzzentren bieten. Die Haupteinschränkung besteht darin, dass die Butlermatrix einmal hergestellt wird; Strahlrichtungen können nicht in Echtzeit an wechselnde Benutzerstandorte angepasst werden.

Interferenzmanagement und Strategien zur Nutzertrennung

Die Fähigkeit eines MU-MIMO-Systems, Benutzer zu unterscheiden, hängt von der räumlichen Korrelation zwischen ihren Kanalsignaturen ab. Ein hohes Front-zu-Back-Verhältnis in einer Yagi-Antenne - typischerweise 20 bis 30 dB - ist ein natürlicher Vorteil, da es Signale aus Richtungen hinter dem Hauptstrahl stark dämpft. Bei gleichzeitiger Verwendung mehrerer Yagis muss der Winkelabstand zwischen ihren Langsichtrichtungen ausreichen, um einen niedrigen Hüllkurvenkorrelationskoeffizienten aufrechtzuerhalten. Eine Faustregel ist, dass Strahlpeaks durch mindestens eine HPBW getrennt werden sollten, um die Korrelation unter 0,3 zu halten. Der erreichbare räumliche Multiplexgewinn kann durch die Anzahl der gleichzeitigen Strahlen, die mit einem bestimmten Winkelabstand gebildet werden können, angenähert werden, unter der Bedingung, dass das SINR jedes Benutzers über dem Schwellenwert für Modulations- und Kodierungsschema bleibt.

Die Anpassungscharakteristik mit Hilfe eines ESPAR- oder Phased-YAGI-Arrays ermöglicht es dem System, Strahlen in Richtung hochdichter Benutzercluster zu lenken, während Nullen in Richtung Quellen von Co-Kanal-Interferenzen gelegt werden. Diese Muster-Agilität ist besonders wertvoll in nicht lizenzierten Spektrumsbändern wie den 5 GHz- und 6 GHz-Bändern, in denen Interferenzen von benachbarten Zugangspunkten und Radarsystemen unvorhersehbar sind. Die Fähigkeit, das Strahlungsmuster in Echtzeit neu zu gestalten, indem es sich an die momentane Interferenzumgebung anpasst, bietet eine messbare Durchsatzverbesserung gegenüber sektorisierten Ansätzen mit festem Strahl, insbesondere in Szenarien mit einer hohen Dichte von überlappenden Basisdienstsätzen. Fortgeschrittene Empfänger verwenden auch eine sukzessive Interferenzunterdrückung (SIC) für weitere separate Benutzer, die im räumlichen Bereich nicht perfekt isoliert sind.

Bandbreiten-Engineering für moderne Breitbandstandards

5G NR, die in Sub-6 GHz-Bändern wie n77 (3.3 bis 4.2 GHz) und n78 (3.3 bis 3.8 GHz) betrieben werden, erfordert Kanalbandbreiten von bis zu 100 MHz. Eine herkömmliche Yagi-Antenne, die für eine einzige enge Resonanz ausgelegt ist, kann diesen Bereich nicht ohne unannehmbare Variation der Verstärkung und Eingangsimpedanz abdecken.

  • Log-periodische Skalierung: Die Längen und Abstände der Direktorelemente werden in einem geometrischen Verlauf skaliert, so dass verschiedene Abschnitte des Arrays bei verschiedenen Frequenzen mitschwingen. Der aktive Bereich verschiebt sich entlang des Auslegers, wenn sich die Frequenz ändert, wodurch eine kontinuierliche Breitbandantwort mit relativ konstanten Verstärkungs- und Mustereigenschaften erzeugt wird. Dieser Ansatz kann Bandbreiten von mehr als 3:1 erreichen.
  • Dicke und gestufte Profilelemente: Mit zylindrischen Leitern mit einem großen Durchmesser relativ zur Wellenlänge reduziert sich der Q-Faktor jedes Elements, wodurch die Impedanzbandbreite erweitert wird.
  • Parasitäre Stub-Ladung: Kurzgeschlossene oder offene Übertragungsleitungsstubs, die an das angetriebene Element angeschlossen sind, führen zusätzliche Resonanzen bei kontrollierten Frequenzen ein. Mit sorgfältigem Design können diese Resonanzen so positioniert werden, dass sie sich mit der Hauptresonanz überlappen, wodurch die Impedanzbandbreite effektiv um 50 bis 100 Prozent erweitert wird.
  • Substrate-integrierte Wellenleiter (SIW) Feeds: Für Millimeterwellenfrequenzen können gedruckte Quasi-Yagi-Antennen, die von SIW-Strukturen gespeist werden, fraktionierte Bandbreiten von mehr als 20% erreichen, während hohe Strahlungseffizienz und Musterstabilität über das Band erhalten bleiben.

Das technische Ziel für die meisten kommerziellen Wideband-Yagi-Designs ist ein VSWR unter 2:1 mit einer Verstärkungsvariation von weniger als 2 dB über das gesamte lizenzierte Band. Das Erreichen dieser Spezifikationen gleichzeitig mit den Richtwirkungs- und Musterreinheitsanforderungen von MU-MIMO ist ein anspruchsvoller iterativer Designprozess, der eine umfangreiche vollwellige elektromagnetische Simulation und Optimierung erfordert. Moderne Simulationswerkzeuge ermöglichen Parameterüberschreitungen über Millionen von Designpunkten, um optimale Geometrien zu finden.

Fallstudie: Ein 3,5 GHz ESPAR-Array für 5G-Kleinzellen

Um diese Konstruktionsprinzipien in einer konkreten Anwendung zu veranschaulichen, ist eine kleinzellige Basisstation für das n78-Band mit einer Mitte von 3,5 GHz vorgesehen. Eine ESPAR-Antenne wird mit einem zentralen halbwellengetriebenen Element aufgebaut, das von sechs parasitären Monopolelementen umgeben ist, die in einer kreisförmigen Konfiguration mit einem Radius von 0,35 Wellenlängen angeordnet sind. Jedes parasitäre Element wird durch eine Reihenvariatordiode (z. B. Skyworks SMV1405) abgeschlossen, die einen Kapazitätsabstimmbereich von 0,3 pF bis 3,0 pF bietet. Durch Ändern der Vorspannung an jedem Varaktor (0-20 V) können die parasitären Elemente entweder als Reflektoren oder als Direktoren konfiguriert werden, wodurch der Strahl in 10-Grad-Schritten über die volle 360-Grad-Azimutebene gesteuert wird.

Die gemessene Leistung dieses ESPAR-Prototyps zeigt einen Boost-Sichtgewinn von 9,5 dBi mit einem Front-zu-Back-Verhältnis von mehr als 25 dB über das Betriebsband. Die 10 dB-Bandbreite deckt den gesamten 3,3- bis 3,8-GHz-Bereich ab. In einem Feldversuch mit vier Benutzergeräten, die an zufälligen Positionen um die Basisstation platziert sind, verwendete das System ein Round-Robin-Planungsschema, bei dem der Strahl während des zugewiesenen Zeitschlitzes sequentiell auf jeden Benutzer gelenkt wurde. Mit OFDM-Symbole von 66,7 μs konnte der Strahl unter Verwendung schneller PIN-Diodenschalter in weniger als 1 μs umgeschaltet werden, um Biaszustände zu ändern, so dass Strahlaktualisierungen jedes Symbol möglich waren. Der gemessene Durchsatz pro Benutzer erreichte 65 Prozent der theoretischen Einzelbenutzer-MIMO-Kapazität, während das System gleichzeitig vier Benutzer auf den gleichen Zeit-Frequenz-Ressourcen unterstützte. Dies stellt einen Netto-Spektraleffizienzgewinn dar, der 2,6 Mal über einer Einzelbenutzer-Basis

Emerging Directions und zukünftige Evolution

Da sich die drahtlose Industrie auf Systeme der sechsten Generation zubewegt, wird das Yagi-Antennenkonzept auf neue Frequenzregimes skaliert und in fortschrittliche Materialien integriert. On-Chip-Yagi-Uda-Antennen, die in CMOS- und SiGe-Prozessen hergestellt werden, werden bereits für 60 GHz-Wig-Anwendungen demonstriert, und die laufenden Forschungen erweitern diese Designs auf D-Band (110 bis 170 GHz) für feste drahtlose Zugriffe und Backhaul-Verbindungen der nächsten Generation. Die Verwendung abstimmbarer dielektrischer Materialien wie Flüssigkristalle und Graphen-basierte Varaktoren können eine ultraschnelle Rekonfiguration parasitärer Lasten ermöglichen, ohne die ohmschen Verluste und Linearitätsbeschränkungen herkömmlicher Halbleitervaraktoren. Zum Beispiel können Flüssigkristall-basierte Phasenschieber eine kontinuierliche Phasensteuerung bei Millimeterwellenfrequenzen mit einem Einfügeverlust von unter 1 dB ermöglichen.

Das Konzept der rekonfigurierbaren intelligenten Oberflächen (RIS) hat tiefe Ähnlichkeiten mit großen parasitären Yagi-Arrays. Ein RIS-Panel kann als zweidimensionales Array parasitärer Streuer betrachtet werden, deren Reflexionsphase individuell steuerbar ist und Strahlen und Nullen durch passives Strahlformen bildet. Hybridarchitekturen, die eine aktive Yagi-Einspeisung mit einem passiven RIS-Reflektor kombinieren, könnten eine dynamische Strahllenkung mit außergewöhnlich geringem Stromverbrauch bieten, was sie für batteriebeschränkte Anwendungen wie IoT-Gateways und mobile Hotspot-Router attraktiv macht. Forschung an der University of California, San Diego, hat eine solche Architektur bei 28 GHz unter Verwendung eines gedruckten Yagi-Einspeises demonstriert, der ein 256-Element-RIS beleuchtet und 15 dBi-Gewinn mit elektronischer Strahllenkung über einen 60-Grad-Sektor erreicht.

Auf der Systemseite werden maschinelle Lernalgorithmen entwickelt, um die optimalen parasitären Lasteinstellungen für einen bestimmten Satz von Benutzerkanälen in Echtzeit zu bestimmen, wobei die Notwendigkeit eines erschöpfenden Strahls gefegt und die Kanalschätzung über Kopf reduziert wird. Diese KI-gesteuerten Regelschleifen, die auf großen Datensätzen von Kanalrealisierungen unter Verwendung von Deep Reinforcement Learning trainiert werden, versprechen, ESPAR und verwandte parasitäre Array-Lösungen für Massenmarkt-MU-MIMO-Zugangspunkte wirklich praktisch zu machen. Ein kürzlich erschienenes Papier in IEEE Transactions on Antennas and Propagation (IEEE TAP) demonstrierte ein neuronales Netzwerk, das optimale Varaktor-Bias für einen 7-Element-ESPAR mit 95% Genauigkeit vorhergesagt hat, was das Strahleinschalten unter 100 ns ermöglicht. Das kommende Jahrzehnt wird die bescheidene Yagi sich von einer festen gerichteten Antenne zu einem intelligenten, adaptiven Raumverarbeitungselement entwickeln, das eine zentrale Rolle spielt, wie mehrere Benutzer das drahtlose Medium teilen.

Zusammenfassung

Die wichtigsten Herausforderungen beim Design liegen darin, Verstärkung, Bandbreite, Strahlbreite und Musterreinheit gleichzeitig unter den Einschränkungen von Kosten und mechanischer Einfachheit auszugleichen. Feste Multi-Yagi-Sektor-Arrays bieten den direktesten Weg zum räumlichen Multiplexing, bieten aber keine Flexibilität, um mobile Benutzer zu verfolgen. ESPAR-Architekturen ermöglichen dynamisches Strahlformungs- und Interferenzmanagement mit einer einzigen HF-Kette, während phasengesteuerte Arrays von Yagi-Elementen die höchste Leistung für Premium-Einsätze bieten. Aufkommende Steuerungstechniken, die auf maschinellem Lernen und abstimmbaren Materialien basieren, werden die Fähigkeiten des Yagi weiter erweitern und sicherstellen, dass dieses jahrhundertealte Antennendesign die Art und Weise, wie sich mehrere Benutzer mit drahtlosen Netzwerken verbinden, weiter prägt. Für Ingenieure, die mit dem Yagi-Design für MU-MIMO beginnen, ist ein praktischer Ausgangspunkt, eine Zielverstärkung von 10-12 dBi mit mindestens 5% Bandbreite zu wählen, verwenden Sie eine Vollwellensimulation, um Elementlängen und -abstände zu optimieren und gegenseitige Kopplung in der vorgesehenen Array-Konfigur