Antenna Yagi-Uda: Principi fondamentali e metriche di performance

L'antenna Yagi-Uda, inventata da Hidetsugu Yagi e Shintaro Uda nel 1926, rimane uno dei più eleganti ed efficaci disegni di antenna direzionale. La sua struttura è ingannevolemente semplice: un elemento pilotato (tipicamente un dipolo a mezza onda o dipolo piegato) è affiancato da un elemento riflettore leggermente più lungo dietro di esso e uno o più elementi di direttore più brevi nella parte anteriore.

Il sistema di controllo di larghezza di banda larga ben ottimizzato (HPBW) è basato su un rapporto di guadagno di circa 55 gradi per un disegno di tre elementi fino a 25 gradi o meno per gli array con dieci o più elementi.

Oltre alla classica tecnologia Yagi basata su asta, le implementazioni moderne utilizzano la tecnologia PCB (PCB) per creare antenne "Quasi-Yagi" che sostituiscono barre parassitarie con strisce di rame incise su un substrato dielettrico, offrendo costi inferiori, prestazioni ripetibili di massa e la capacità di integrare balun e reti corrispondenti direttamente sul bordo.

Multi-User MIMO: l'imperativo multi-utente

Multi-User MIMO è una tecnologia fondamentale in moderni standard wireless, tra cui 4G LTE-Advanced Pro, 5G NR e Wi-Fi 6 (802.11ax) e Wi-Fi 7 (802.11be). A differenza di MIMO singolo utente, che dirige più flussi spaziali a un singolo dispositivo, MU-MIMO consente una stazione di base o punto di accesso per comunicare con diversi utenti distinti contemporaneamente sulla stessa risorsa tempo-freque

La realizzazione pratica del guadagno MU-MIMO dipende in modo critico dalla capacità della stazione di base di acquisire informazioni accurate dello stato del canale downlink (CSI) per ogni utente. Questo è tipicamente ottenuto attraverso uplink segnali di riferimento sonori o feedback esplicito. Il sistema di antenna applica pesi precodificati —calcolati dalle stime del canale — per creare travi con bassa correzione trasversale.

Il Rationale per Antenna Yagi in Sistemi MU-MIMO

Mentre i sistemi phased sono completamente digitali con decine di elementi di patch rappresentano l'approccio principale per le stazioni di base macro-cell, le architetture basate su Yagi offrono vantaggi distinti in contesti di distribuzione specifici. Un singolo Yagi con quattro o cinque elementi può fornire 12 dBi di guadagno utilizzando poco più di un paio di barre metalliche e un semplice balun.

Oltre ai costi, la direttività intrinseca di Yagi fornisce un rifiuto passivo di interferenza. I segnali che arrivano dall'esterno del fascio principale sono attenuati da 20 dB o più senza alcun trattamento attivo del segnale. Questo filtraggio spaziale passivo riduce i requisiti di gamma dinamica sui convertitori analogici-digitali e riduce il carico computazionale sul precoder digitale, permettendo al sistema di assegnare più risorse di elaborazione alla programmazione e al throughput dei dati.

Per servire più utenti contemporaneamente, il sistema di antenne deve combinare più Yagis in una configurazione commutata o phased, o modificare la struttura parassita per consentire lo sterzo elettronico del fascio. Questi approcci architettonici sono esplorati in dettaglio nelle seguenti sezioni. I progettisti devono anche contendere con la larghezza di banda intrinsecamente stretta di Yagi rispetto a dipoli a banda larga o antenne a disconti a disconti.

Parametri di progettazione critica per MU-MIMO Yagi Arrays

Direttore Conte e Gain-Bandwidth Trade-off

Ogni elemento di direttore aggiuntivo aumenta il componente di onda di viaggio lungo il boom, aumentando il guadagno in avanti e riducendo HPBW. Un'accurata 6-element Yagi raggiunge circa 13 dBi guadagno con una larghezza di trave di 35 gradi, mentre un design di dieci-element può raggiungere 14,5 dBi con una larghezza di trave nei 28 gradi.

Inter-Element Spacing e Coupling Mutual

In un'ottica di schermatura multidimensionale, le antenne di Yagicing sono posizionate in un array laterale per servire travi indipendenti, la spaziatura centrale-al centro diventa un parametro critico. La distanza insufficiente aumenta l'accoppiamento reciproco tra gli elementi adiacenti, alterando l'impedenza di ingresso, distorcendo i modelli di radiazione, elevando il coefficiente di correlazione tra le porte dell'antenna.

A banda larga che si abbinano alla banda di funzionamento

L'elemento pilota è il punto focale dell'ingegneria della larghezza di banda in qualsiasi disegno Yagi. Un dipolo piegato presenta naturalmente un'impedenza vicino a 300 ohms, che può essere trasformato a 75 ohms utilizzando un balununon 4:1, ma la variazione di impedenza rapida lontano da limiti di risonanza larghezza di banda utilizzabile.

Shaping e Suppressione laterale dello stato

In un sistema MU-MIMO, ogni grado di larghezza di trave influisce direttamente sull'isolamento dell'utente. Un raggio troppo ampio coprirà inavvertitamente due utenti, causando interferenze inter-utente che degrada SINR per entrambi. Un raggio che è troppo stretto può perdere la traccia di un utente durante i movimenti di piccola scala o a causa di variazioni del canale.

Architetture per il supporto Multi-User Simultaneous

Multi-Yagi Arrays

L'approccio più semplice per il servizio di più utenti con antenne Yagi è quello di distribuire diversi elementi fissi, ciascuno copre un settore angolare distinto. Quattro Yagis con larghezza di raggio di 30 gradi disposti su un albero comune può coprire collettivamente un arco orizzontale di 120 gradi.

Radiatori passivi a raggiera elettronicamente sterili (ESPAR)

Il sistema di controllo elettronico di velocità di trasmissione di un singolo sistema ESPAR è basato su un'unica unità di controllo, che consente di ottenere un'intera unità di controllo di velocità.

Arrays di Yagi Elements

Per i sistemi di prestazioni più elevate, una serie lineare o planare di antenne Yagi può essere alimentata attraverso una rete aziendale di turni di fase e attenuatori. Questo approccio ibrido sfrutta l'elevato guadagno di spazio per elemento di singoli Yagis per ridurre il numero totale di moduli di trasmissione/ricettura attivi necessari rispetto ad un array patch convenzionale.

Sistemi multi-sonda di maggioranatore

Un Butler matrix è una rete di alimentazione passiva che, quando è collegata ad una serie di elementi di antenna, produce una serie di travi spaziali e orizzontali da più porte di input. Una matrice 4×4 Butler che alimenta una serie lineare di quattro antenne Yagi genera quattro travi distinte, ogni punta in una direzione diversa e mostra la sovrapposizione di pattern minimal.

Gestione delle interferenze e strategie di separazione degli utenti

L'abilità di un sistema MU-MIMO per distinguere gli utenti dipende dalla correlazione spaziale tra le loro firme di canale. L'alto rapporto anteriore-to-back in un'antenna Yagi—tipicamente 20 a 30 dB—è un vantaggio naturale, in quanto attenua fortemente i segnali dalle direzioni dietro il fascio principale. Quando più Yagis sono utilizzati simultaneamente, la separazione angolare tra le loro direzioni boresight deve essere sufficiente per mantenere un coefficiente di correlazione inferiore di busta.

In un ambiente di piccole dimensioni urbano denso, il traffico degli utenti è di solito non uniformemente distribuito. Il raggio adattivo utilizzando un array di Yagi ESPAR o phased consente al sistema di steer beams verso cluster di utenti ad alta densità, mentre mette nulls verso fonti di interferenza co-canale.

Ingegneria della larghezza di banda per gli standard moderni della banda larga

5G NR che opera in bande sotto-6 GHz come n77 (3.3-4.2 GHz) e n78 (3.3 a 3,8 GHz) richiede una larghezza di banda di canali fino a 100 MHz. Un'antenna Yagi convenzionale progettata per una singola risonanza stretta non può coprire questa gamma senza variazioni inaccettabili nel guadagno e nell'impedenza di ingresso.

  • Log-periodic scaling:[ Le lunghezze e le spaziature degli elementi di direttore sono scalate in una progressione geometrica, in modo che diverse sezioni dell'array risuonano a frequenze diverse. La regione attiva si sposta lungo il boom come variazioni di frequenza, producendo una risposta a banda larga continua con caratteristiche relativamente costanti di guadagno e di pattern.
  • Elementi di profilo spessi e passivi:[] Utilizzando conduttori cilindrici con un diametro grande rispetto alla lunghezza d'onda riduce il fattore Q di ogni elemento, allargando la larghezza di banda di impedenza.
  • Caricamento a stucco realistico:[] Le robustezza a trasmissione a circuito aperto o a corto di trasmissione attaccate all'elemento pilota presentano ulteriori risonanze a frequenze controllate. Con un design attento, queste risonanze possono essere posizionate per sovrapporre con la risonanza principale, ampliando efficacemente la larghezza di banda di impedenza del 50 al 100 per cento.
  • Per frequenze a onde millimetriche, antenne stampate quasi-Yagi alimentate dalle strutture SIW possono raggiungere larghezze di banda frazionarie superiori al 20%, mantenendo alta efficienza delle radiazioni e stabilità dei pattern attraverso la banda.

L'obiettivo di ingegneria per la maggior parte dei progetti commerciali a banda larga Yagi è un VSWR inferiore a 2:1 con una variazione di guadagno inferiore a 2 dB attraverso l'intera banda autorizzata. Raggiungendo queste specifiche contemporaneamente alle esigenze di direttività e purezza dei modelli di MU-MIMO è un processo di progettazione iterativa impegnativo che richiede una simulazione e un'ottimizzazione elettromagnetiche a onde elevate.

Case study: A 3.5 GHz ESPAR Array per 5G Small Cells

Per illustrare questi principi di progettazione in un'applicazione concreta, si consideri una stazione di base a piccole celle destinata alla banda n78 con sede a 3.5 GHz. Un'antenna ESPAR è costruita utilizzando un elemento centrale a mezza onda guidato circondato da sei elementi monopoli parassitari disposti in una configurazione circolare con un raggio di 0.35 lunghezze d'onda.

Il modello di espansione di un singolo PAR-back è pari a 9.5 dBi con un rapporto di tempo di espansione superiore a 25 dB attraverso la banda di funzionamento. Il 10 dB di rendimento-perdita larghezza di banda copre la gamma completa di 3,8 GMOHz. In una prova di campo con quattro dispositivi di apparecchiatura di uso commutato a posizioni casuali intorno alla stazione di base, il sistema ha impiegato uno schema di programmazione a gironi in cui il fascio era sequenziato in modo sequenziato.

Emergenti direzioni e evoluzione futura

Poiché l'industria wireless si muove verso sistemi di sesta generazione, il concetto di antenna Yagi è scalato a nuovi regimi di frequenza e integrato con materiali avanzati. Le antenne a trasmissione Yagi-Uda fabbricate in processi CMOS e SiGe sono già dimostrate per applicazioni WiGig a 60 GHz, e la ricerca continua estende questi disegni a banda D (110-70 GHz) per l'accesso wireless a fase fissa di prossima generazione e collegamenti a backhaul.

Il concetto di Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) condivide profonde somiglianze operative con grandi array di Yagi parassitari. Un pannello RIS può essere visto come una serie bidimensionale di spargitori parassitari la cui fase di riflessione è controllabile individualmente, formando travi e nulls attraverso la teletrasformazione passiva.

Sul lato del sistema, gli algoritmi di machine learning sono in fase di sviluppo per determinare le impostazioni di carico parassita ottimali per un dato set di canali utente in tempo reale, bypassando la necessità di esaustivo raggio spazzamento e riducendo il 95% di stima del canale overhead.

Sintesi

La progettazione di antenne Yagive per sistemi MIMO multi-User richiede un'integrazione disciplinata della teoria dell'antenna classica con requisiti di elaborazione del segnale moderni. La sfida di progettazione chiave consiste nel bilanciare simultaneamente il guadagno, la larghezza di banda, la larghezza di trazione del fascio e la purezza del modello all'interno dei vincoli di costo e semplicità meccanica.