De Yagi-Uda Antenna: Kernprincipes en prestatiemetrics

De Yagi-Uda antenne, uitgevonden door Hidetsugu Yagi en Shintaro Uda in 1926, blijft een van de meest elegante en effectieve richtingsantenne ontwerpen. De structuur is misleidend eenvoudig: een aangedreven element (typisch een halve golf dipool of gevouwen dipool) wordt geflankeerd door een iets langere reflector element achter het en een of meer kortere regisseur elementen in de voorkant. Deze parasitaire elementen zijn niet direct verbonden met de feedline; in plaats daarvan koppelen ze elektromagnetisch aan het aangedreven element en herraderen energie met zorgvuldig gecontroleerde faseverschuivingen. Het resultaat is constructieve interferentie in de voorwaartse richting en destructieve interferentie naar achteren, waardoor een schoon unidirectionele stralingspatroon met hoge winst ontstaat.

Een goed geoptimaliseerde Yagi levert winstwaarden tussen 8 en 15 dBi, met halve vermogensbundelbreedtes (HPBW) variërend van ongeveer 55 graden voor een drie-elementontwerp tot 25 graden of minder voor arrays met tien of meer elementen.De verhouding voor-tot-achterverhouding is een maat voor het vermogen van de antenne om signalen van achteren te weigeren. De belangrijkste ontwerpparameters zijn nauw afhankelijk van elkaar: het aantal regisseurs verhoogt voornamelijk de voorwaartse winst en de smallere straalbreedte, maar elke extra regisseur vermindert ook de bandbreedte van de impedantie en kan de zijlobeniveaus verhogen als ze niet zorgvuldig worden geoptimaliseerd. De reflectorlengte en de afstandsrelatie met het aangedreven element zijn voornamelijk van invloed op de voor-tot-terugverhouding, terwijl het aangedreven element de invoer-punt impedantie en totale bandbreedte bepaalt.

Naast de klassieke staaf-gebaseerde Yagi, moderne implementaties gebruik printed printplaat (PCB) technologie om "Quasi-Yagi" antennes te creëren. Deze gedrukte ontwerpen vervangen parasitaire staven met geëtste koperen strips op een ondoordringbaar substraat, biedt lagere kosten, herhaalbare prestaties, en de mogelijkheid om baluns en matching netwerken direct op het bord te integreren. Gedrukte Yagis meestal bereiken 6 . 10 dBi winst met bandbreedtes van 10 .20%, waardoor ze aantrekkelijk voor massa-geproduceerde toegangspunten en klanten lokalen apparatuur.

Multi-User MIMO: De ruimtevermenigvuldigende imperatieve

Multi-User MIMO is een basistechnologie in moderne draadloze standaarden, waaronder 4G LTE-Advanced Pro, 5G NR, en Wi-Fi 6 (802.11ax) en Wi-Fi 7 (802.11be). In tegenstelling tot single-user MIMO, die meerdere ruimtelijke stromen naar één apparaat stuurt, stelt MU-MIMO een basisstation of toegangspunt in staat om gelijktijdig te communiceren met verschillende gebruikers op dezelfde tijdfrequentiebron. Dit wordt bereikt door ruimtelijk gescheiden bundels te vormen die individuele gebruikerssignalen isoleren, de kanaalcapaciteit effectief te vermenigvuldigen zonder extra spectrum te vereisen. Een overzicht van de fundamentele concepten is te vinden op Wikipedia's Multi-user MIMO pagina.

De praktische realisatie van MU-MIMO-winst hangt kritisch af van het vermogen van het basisstation om nauwkeurige downlink-kanaalstatusinformatie (CSI) voor elke gebruiker te verkrijgen. Dit wordt meestal verkregen door middel van uplink-soning referentiesignalen of expliciete feedback. Het antennesysteem past precodinggewichten toe die worden verkregen uit het kanaalschattingen.Dit is precies het prestatieregime waar Yagi-antennes historisch zijn uitgeblonken, waardoor ze vaak smalle hoeksectoren van 15 tot 30 graden moeten bestrijken, terwijl ze een hoge winst hebben om het koppelingsbudget te sluiten. Deze precisie is precies het prestatieregime waar Yagi-antennes historisch zijn uitgeblonken, waardoor ze een overtuigend alternatief zijn voor complexere fase-arraypanelen. MU-MIMO-systemen leggen ook strenge eisen op aan antennepoortisolatie en correlatie: een envelopcoratiecoëfficiënt (ECC) onder 0,3 is over het algemeen nodig om ruimtelijke multiplexing te behouden.

De ratio voor Yagi Antennas in MU-MIMO Systems

Terwijl volledig digitale gefaseerde arrays met tientallen patchelementen de mainstream benadering voor macro-cel basisstations vertegenwoordigen, bieden Yagi-gebaseerde architecturen duidelijke voordelen in specifieke implementatiecontexten. Een enkele Yagi met vier of vijf elementen kan 12 dBi winst opleveren met behulp van iets meer dan een paar metalen staven en een eenvoudige balun. Een patch-array zou minstens vier elementen vereisen, een corporate feed netwerk, en een grondvlak om dezelfde prestaties te benaderen, wat resulteert in hogere kosten, meer gewicht en meer complexe productie. Voor kostengevoelige kleine-cel accesspoints, klantenhuisapparatuur en vaste draadloze toegang terminals, vertaalt de mechanische eenvoud van de Yagi's rechtstreeks naar lagere factuur-van-materialen kosten en hogere betrouwbaarheid.

De inherente directiviteit van de Yagi zorgt voor een passieve storingsafstoting. Signalen die van buiten de hoofdbundel komen worden met 20 dB of meer verminderd zonder enige actieve signaalverwerking. Deze passieve ruimtelijke filtering vermindert de dynamische bereikvereisten voor analoge-naar-digitale converters en vermindert de rekenlast op de digitale precoder, waardoor het systeem meer verwerkingsbronnen kan toewijzen aan gebruikersplanning en datadoorvoer. In niet-geautoriseerde banden waar co-channelinterferentie van naburige netwerken een aanhoudende uitdaging is, is deze ingebouwde interferentieonderdrukking een belangrijk operationeel voordeel. Bovendien vertonen Yagi-antennes zeer lage ohmische verliezen omdat ze bestaan uit eenvoudige geleiders in plaats van complexe voedingsnetwerken, wat resulteert in een hogere stralingsefficiëntie (gewoonlijk >90%) vergeleken met patch arrays die lijden aan diële en geleiderverliezen in de toevoerlijnen.

De duidelijke beperking is dat een enkele Yagi produceert slechts één bundel per keer. Om meerdere gebruikers tegelijkertijd te bedienen, moet het antennesysteem meerdere Yagi's combineren in een geschakelde of gefaseerde configuratie, of de parasitaire structuur wijzigen om elektronische beamstuur mogelijk te maken. Deze architectonische benaderingen worden in detail onderzocht in de volgende secties. Ontwerpers moeten ook te maken hebben met de inherent smalle bandbreedte van de Yagi in vergelijking met breedbanddipools of log-periodische antennes, die zorgvuldige aandacht vereisen voor impedantie en patroonstabiliteit over de operationele band.

Kritieke ontwerpparameters voor MU-MIMO Yagi-rijen

Directeur Telling en de Gain-Bandwidth Trade-off

Elk extra regisseur element verhoogt de reis-golf-component langs de boom, verhogen vooruit winst en vernauwen HPBW. Een zorgvuldig geoptimaliseerde zes-element Yagi bereikt ongeveer 13 dBi winst met een 35-graden straalbreedte, terwijl een tien-element ontwerp kan bereiken 14,5 dBi met een straalbreedte bij 28 graden. Meer dan tien tot twaalf elementen, de winst per regisseur vermindert, een fenomeen bekend als eind-vuur verzadiging, terwijl de impedantie bandbreedte contracten tot slechts 2 tot 3 procent van de centrumfrequentie. Voor MU-MIMO toepassingen, een praktische doelstelling is 8 tot 12 dBi winst met een fractionele bandbreedte van ten minste 5 procent. Dit kan worden gerealiseerd met dikke cilindrische elementen die de Q-factor verlagen, of door gebruik te maken van een step-diameter profiel dat de resonantie verbreedt. Gedrukte Quasi-Yagi ontwerpen op laag-losse onscheidbare substraten kunnen bereiken 15 procent bandbreedte terwijl het behoud van een schone vooruit patroon, waardoor ze goed geschikt voor 5G sub-6 GHz banden als n78 (3.3 GHz).

Inter-element-afstand en onderlinge koppeling

Wanneer meerdere Yagi-antennes in een zij-aan-zij-array worden geplaatst om onafhankelijke bundels te bedienen, wordt de afstand tussen het centrum en het centrum een kritische parameter. Onvoldoende afstand verhoogt de onderlinge koppeling tussen aangrenzende elementen, verandert de ingangsimpedantie, verstoort de stralingspatronen en verhoogt de correlatiecoëfficiënt tussen antennepoorten. Hoge poort correlatie vermindert direct de ruimtelijke multiplexing gain die MU-MIMO afhankelijk is van. Een minimale afstand van 0,7 golflengten wordt algemeen aangenomen om koppeling onder -20 dB te houden. In strakkere installaties, ontkoppeling netwerken, neutralisatie lijnen, of elektromagnetische bandgap (EBG) structuren kunnen worden ingebracht tussen de elementen om isolatie te herstellen. Elektrostatische afscherming in de vorm van verticale metalen hekken tussen Yagi-bomen heeft ook bewezen effectief in prototype arrays. Simulatie tools zoals CST Microwave Studio of HFS zijn essentieel voor het optimaliseren van deze afstand en ontkoppelingsstructuren.

Breedband impedantie die past over de operationele band

Het aangedreven element is het middelpunt van bandbreedte engineering in elk Yagi-ontwerp. Een gevouwen dipool biedt van nature een impedantie in de buurt van 300 ohm, die kan worden omgezet in 75 ohm met behulp van een 4:1 balun, maar de snelle impedantie variatie weg van resonantie limieten bruikbare bandbreedte. Om de match uit te breiden over brede 5G kanalen, ontwerpers gebruiken verschillende technieken. Een dubbel-gedreven element configuratie .twee gevouwen dipoles geplaatst in de nabijheid van de resonantie grenzen .duceert een dual-resonant response die samensmelt in een brede impedantie match. Driehoekige of boeg-tie gevormde dipoles verminderen Q en verwijden de bandbreedte zonder afbreuk te doen aan het stralingspatroon. Geïntegreerde matching stubs, gevormd als onderdeel van de balun structuur, kan de reactieve component van de input impedantie annuleren over een 10 tot 15 procent frequentie bereik. Voor 5G NR band n78, een VSWR onder 1,5 over het volledige 500 MHz bereik is het ontwerpdoel, waardoor maximale vermogensoverdracht en minimale belasting op de krachtversterker wordt gegarandeerd.

Straalbreedte Vorming en Side-Lobe Suppression

In een MU-MIMO systeem, elke mate van bundelbreedte directe impact op de gebruiker isolatie. Een bundel die is te breed zal onbedoeld betrekking hebben op twee gebruikers, waardoor inter-user interferentie die sinr degradeert voor beide. Een bundel die is te smal kan verliezen spoor van een gebruiker tijdens kleinschalige bewegingen of als gevolg van kanaalvariaties. De ontwerper moet de HPBW aanpassen aan de verwachte hoekscheiding van gebruikers in de beoogde inzet scenario, typisch 20 tot 35 graden voor kleine-cel stedelijke omgevingen. Side lobben vereisen even zorgvuldige aandacht: een prominente eerste zijkwab kan interferentie in een aangrenzende bundel injecteren, tenietdoend het voordeel van de bundelvorming. Tapering van de bestuurder lengtes . geleidelijk verkorting opeenvolgende regisseurs langs de boom, met de uiteindelijke regisseur wordt de kortste sinvloeden zijlobe niveaus door 3 tot 5 dB. Het toevoegen van een tweede reflector element achter de primaire reflector verdere onderdrukken en verbetert de achter-naar-terug-ratio. Vollekkige elektromagnetische simulatie is essentieel voor het optimaliseren van deze verschillende parameters voor elke specifieke array configuratie.

Architectuur voor gelijktijdige ondersteuning van meerdere gebruikers

Gesectoraliseerde multi-Yagi-rijen

De meest eenvoudige benadering om meerdere gebruikers met Yagi-antennes te bedienen is het inzetten van verschillende vaste elementen, elk die een aparte hoeksector bestrijken. Vier Yagis met 30 graden breedtes van een gemeenschappelijke mast kan collectief een horizontale overspanning van 120 graden bestrijken. Een basisbandprocessor selecteert welke antennepoort welke gebruiker dient op basis van kanaalkwaliteitsmetingen uit elke sector. Deze geschakelde beam architectuur is hardware-simpel, zonder faseverschuivingen of variabele reactions, en biedt robuuste betrouwbaarheid. De trade-off is beperkt hoekresolutie binnen elke sector: gebruikers kunnen niet individueel worden gevolgd tenzij de Yagis mechanisch worden herpositioneerd, wat niet praktisch is voor mobiele abonnees. De aanpak werkt goed voor vaste draadloze toegang scenario's waar gebruikerslocaties statisch zijn, en dient als basis voor het evalueren van meer geavanceerde architecturen. Om de hoekresolutie te verbeteren, gebruiken sommige ontwerpen overlappende sectoren met smallere bundelbreedtes en een bundelselectiealgoritme dat de beste combinatie voor elke gebruiker kiest.

Elektronisch roerbare passieve arrayradiatoren (ESPAR)

Het elektronisch Steerbare Array Radiator (ESPAR) concept vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang in Yagi-gebaseerde bundelvorming.Een ESPAR antenne bestaat uit een enkel aangedreven element.Meestal een monopole of dipole ..omgeven door een ring van parasitaire elementen, elk geladen met een variabele reactie zoals een PIN diode of varactor diode. Door het aanpassen van de DC bias op elk parasitair element, kan de antenne sturen de hoofdbundel over het azimut vlak, meerdere gelijktijdige balken, of plaats nulls in specifieke richtingen. Een ESPAR met zes tot twaalf parasitaire elementen kan bereiken tot 10 dBi winst met een straalscanner bereik van 360 graden. Kritisch is slechts één RF keten nodig voor de gehele assemblage, drastische vermindering van de kosten en het energieverbruik in vergelijking met volledig digitale gefaseerde arrays. Recent onderzoek heeft MU-MIMO werking aangetoond met een enkele zeven-element ESPAR-domeinen beamdeling of door synthesizing van meerdere basispatronen.

Gefaseerde Arrays van Yagi-elementen

Voor systemen met hogere prestaties kan een lineaire of planaire reeks Yagi-antennes worden gevoed via een bedrijfsnetwerk van fasewisselaars en dempingssystemen. Deze hybride benadering zorgt voor een hoge per-element winst van individuele Yagi's om het totale aantal actieve transmissie/ontvangmodules te verminderen dat nodig is in vergelijking met een conventionele patcharray. De arrayfactor biedt elektronische bundelsturing en nulplaatsing over de dekkingssector, terwijl de elementfactor de Yagi's inheemse patroon ..onderdrukt back-lobe interferentie en vermindert roosterlobben. Prototype systemen die werken op 28 GHz voor 5G vaste draadloze toegang hebben dit concept aangetoond met behulp van bedrukte quasi-Yagi elementen op laaglosse substraten, verbonden met een Butler matrix-feednetwerk. De Butler matrix genereert meerdere orthogonale stralen van een enkel passief netwerk, waardoor gelijktijdige multi-user ruimtelijke multiplexing zonder de computationele overhead van digitale bundelvorming. Een 4×4 Butler matrix die vier Yagi-elementen levert, produceert vier balken met een crossover- en isolatie tussen 20 dB tussen ingangspoorten.

Butler Matrix Multi-Beam Systems

Een Butler matrix is een passief voedingsnetwerk dat, wanneer verbonden met een reeks antenne elementen, een reeks ruimtelijk orthogonale bundels produceert van meerdere ingangspoorten. Een 4×4 Butler matrix die een lineaire reeks van vier Yagi antennes genereert vier verschillende bundels, elk wijzend in een andere richting en vertonen minimale patroonoverlap. Deze inherente orthogonaliteit vereenvoudigt de MU-MIMO precodering probleem aanzienlijk, aangezien de balken al ruimtelijk gescheiden en vereisen minder agressieve digitale interferentie annulering. De aanpak is gekozen in verschillende commerciële Wi-Fi 6 toegangspunten die intern gedrukte Yagi arrays met geïntegreerde Butler matrix feeds gebruiken, waardoor betrouwbare multi-user throughput in high-density implementatie scenario's zoals auditoriums en conferentiecentra. De belangrijkste beperking is dat de Butler matrix eenmaal is vastgesteld; de bundel sturing kan niet worden aangepast in real time aan het veranderen van gebruikerslocaties. Echter, hybride benaderingen combineren een klein aantal RF ketens en digitale bundelvorming op het niveau van de subarray.

Interferentiebeheer en scheidingsstrategieën van gebruikers

De mogelijkheid van een MU-MIMO systeem om gebruikers te onderscheiden hangt af van de ruimtelijke correlatie tussen hun kanaalsignatuur. Hoge verhouding vooraan tot achteraan in een Yagi antenne is doorgaans 20 tot 30 dB . Het is een natuurlijk voordeel, omdat het signalen sterk afzwakt van richtingen achter de hoofdbundel. Wanneer meerdere Yagis gelijktijdig worden gebruikt, moet de hoekscheiding tussen hun boringsrichtingen voldoende zijn om een lage envelop correlatiecoëfficiënt te handhaven. Een regel van duim is dat de pieken van de bundels moeten worden gescheiden door ten minste één HPBW om correlatie onder de 0,3 te houden. De haalbare ruimtelijke multiplexwinst kan worden benaderd door het aantal gelijktijdige bundels die kunnen worden gevormd met een gegeven hoekafstand, mits de SONR van elke gebruiker boven de modulatie- en coderingstabeldrempel blijft.

In dichte stedelijke small-cell implementaties, wordt het gebruikersverkeer meestal niet-uniform gedistribueerd. Adaptieve bundelvorming met behulp van een ESPAR of gefaseerde Yagi-array stelt het systeem in staat om bundels te sturen naar high-density gebruikersclusters terwijl het plaatst nuls naar bronnen van co-channel interferentie. Dit patroon wendbaarheid is bijzonder waardevol in ongelicentieerde spectrumbanden zoals de 5 GHz en 6 GHz banden, waar interferentie van naburige toegangspunten en radarsystemen is onvoorspelbaar. Het vermogen om het stralingspatroon in real-time te herstellen, zich aan te passen aan de onmiddellijke interferentie omgeving, biedt een meetbare verwerkingsverbetering over vaste-beam gesectoraliseerde benaderingen, vooral in scenario's met een hoge dichtheid van overlappende basis servicesets. Geavanceerde ontvangers gebruiken ook opeenvolgende interferentie annulering (SIC) aan verdere afzonderlijke gebruikers die niet perfect geïsoleerd zijn in het ruimtelijke domein.

Bandbreedte Engineering voor moderne breedbandstandaarden

5G NR die werkt in sub-6 GHz-banden zoals n77 (3,3 tot 4.2 GHz) en n78 (3,3 tot 3.8 GHz) vereist kanaalbandbreedten van maximaal 100 MHz. Een conventionele Yagi-antenne ontworpen voor een enkele smalle resonantie kan dit bereik niet bestrijken zonder onaanvaardbare variatie in winst en invoerimpedantie. Verschillende gevestigde technieken worden gebruikt om de operationele bandbreedte van Yagi-antennes voor deze toepassingen te verbreden:

  • Log-periodieke schaalverdeling: De lengtes en afstandsafstanden van de regisseurelementen worden in een geometrische progressie geschaald, zodat verschillende secties van de array resoneren op verschillende frequenties. De actieve regio verschuift langs de boom als frequentieveranderingen, waardoor een continue breedbandrespons met relatief constante winst en patroonkenmerken ontstaat. Deze benadering kan bandbreedtes bereiken van meer dan 3:1.
  • Dikte en step-profile elementen: Met behulp van cilindrische geleiders met een grote diameter ten opzichte van de golflengte vermindert de Q-factor van elk element, waardoor de impedantiebandbreedte wordt vergroot. Door de diameter langs het elementprofiel te verhogen, worden meerdere resonanties geïntroduceerd die kunnen worden samengevoegd tot één breedbandmatch. Diameters tot 0,05λ komen vaak voor in breedbandontwerpen.
  • Parasitische stub loading: Kortsluiting of open-circuit transmissie lijn stubs bevestigd aan het aangedreven element introduceert extra resonanties op gecontroleerde frequenties. Met een zorgvuldig ontwerp, kunnen deze resonanties worden geplaatst om te overlappen met de belangrijkste resonantie, effectief het vergroten van de impedantiebandbreedte met 50 tot 100 procent.
  • Integreerde golfgids (SIW) feeds voor de millimetergolffrequenties kunnen gedrukte quasi-Yagi-antennes gevoed door SIW-structuren fractionele bandbreedtes bereiken van meer dan 20%, terwijl de hoge stralingsefficiëntie en patroonstabiliteit over de hele band behouden blijven. SIW-feeds zorgen ook voor een lage-verlies integratie met mmWave-zenders.

De technische doelstelling voor de meeste commerciële breedband Yagi ontwerpen is een VSWR onder 2:1 met een gain variatie van minder dan 2 dB over de gehele gelicentieerde band. Het bereiken van deze specificaties tegelijk met de directiviteit en patroon zuiverheid eisen van MU-MIMO is een uitdagende iteratieve ontwerpproces dat uitgebreide full-wave elektromagnetische simulatie en optimalisatie vereist. Moderne simulatie tools laten parameter vegen over miljoenen ontwerppunten om optimale geometrieën te vinden.

Casestudy: een 3,5 GHz ESPAR-array voor 5G kleine cellen

Om deze ontwerpprincipes in een betonnen toepassing te illustreren, moet u een klein celbasisstation overwegen dat bedoeld is voor de N78-band gecentreerd op 3,5 GHz. Een ESPAR-antenne wordt geconstrueerd met behulp van een centraal halfgolfelement omringd door zes parasitaire monopole-elementen in een cirkelvormige configuratie met een straal van 0,35 golflengten. Elk parasitair element wordt beëindigd door een serie varactordiode (bv. Skyworks SMV1405) die een capaciteitsstemmingsbereik van 0,3 pF tot 3,0 pF biedt. Door de biasspanning op elke varactor (0.0

De gemeten prestaties van dit ESPAR-prototype laten een 9,5 dBi-boringsight-winst zien met een verhouding vooraan tot achter boven 25 dB over de werkband. De 10 dB-return-loss bandbreedte bestrijkt het volledige bereik van 3,3 tot 3,8 GHz. In een veldstudie met vier gebruikersapparatuurtoestellen die op willekeurige posities rond het basisstation zijn geplaatst, gebruikte het systeem een ronde-robin-schema waarin de bundel achtereenvolgens naar elke gebruiker werd gestuurd tijdens de toegewezen tijdslot. Met OFDM-symbolen van 66,7 μs kon de bundel worden geschakeld in minder dan 1 μs met behulp van snelle PIN-diode schakelaars om de voorindrukkingstoestand te wijzigen, waardoor de bundel updates per symbool mogelijk waren. De gemeten doorstroom per gebruiker bereikte 65 procent van de theoretische capaciteit van één gebruiker MIMO-apparaat, terwijl het systeem tegelijkertijd vier gebruikers ondersteunde op dezelfde tijdfrequentiebronnen. Dit vertegenwoordigt een netto spectrale efficiëntiewinst van 2,6 keer over een basis van één gebruiker, duidelijk de MU-MIMO-waarde van de ESPAR-architectuur. Toekomstige ontwikkeling zal gebruik maken van een gelijktijdige multi-beam-patroonsynthese binnen een enkel OFDM-symbool,

Opkomende richtingen en toekomstige evolutie

Naarmate de draadloze industrie zich naar systemen van de zesde generatie beweegt, wordt het Yagi-antenneconcept opschaald naar nieuwe frequentieregimes en geïntegreerd met geavanceerde materialen. Op-chip Yagi-Uda-antennes die in CMOS en SiGe-processen zijn vervaardigd, worden al gedemonstreerd voor 60 GHz WiGig-toepassingen, en doorlopend onderzoek breidt deze ontwerpen uit tot D-band (110 tot 170 GHz) voor vaste draadloze toegang en backhaul-verbindingen van de volgende generatie. Het gebruik van tunable diëlektrische materialen zoals vloeibare kristallen en grafeengebaseerde varactors kan ultrasnelle herconfiguratie van parasitaire belastingen mogelijk maken zonder de ohmische verliezen en lineariteitsbeperkingen van conventionele halfgeleider-varactoren. Zo kunnen vloeibare, op kristal gebaseerde fasewisselaars bijvoorbeeld continue fasecontrole bieden bij millimetergolffrequenties met inbrengenverlies van minder dan 1 dB.

Het concept van Reconfigureerbare Intelligente Oppervlakken (RIS) deelt diepe operationele overeenkomsten met grote parasitaire Yagi arrays. Een RIS-paneel kan worden gezien als een tweedimensionale reeks parasitaire scatteraars waarvan de reflectiefase individueel regelbaar is, balken vormen en nulls door passieve bundelvorming. Hybride architecturen die een actieve Yagi-feed combineren met een passieve RIS reflector kunnen dynamische bundelbesturing bieden met uitzonderlijk laag stroomverbruik, waardoor ze aantrekkelijk zijn voor batterij-geconstrainde implementaties zoals IoT gateways en mobiele hotspot routers. Onderzoek aan de Universiteit van Californië, San Diego heeft een dergelijke architectuur op 28 GHz aangetoond met behulp van een gedrukte Yagi-feed die een 256-element RIS verlicht, met 15 dBi-winst met elektronische bundels sturen over een sector van 60 graden.

Aan de systeemzijde worden machine learning algoritmen ontwikkeld om de optimale parasitaire belastingsinstellingen voor een bepaalde set gebruikerskanalen in real time te bepalen, waarbij de noodzaak van uitputtende bundelvegen en het verminderen van kanaalschattingen overhead wordt omzeild. Deze AI-gedreven regellussen, getraind op grote datasets van kanaalrealisaties met behulp van diepe versterkingsleren, beloven ESPAR en gerelateerde parasitaire-array-oplossingen echt praktisch te maken voor massamarkt MU-MIMO toegangspunten. Een recent papier in IEEE Transactions on Antennas and Propagation (IEEE TAP[) demonstreerde een neuraal netwerk dat optimale varactorvoordelen voor een 7-element ESPAR met 95% nauwkeurigheid voorspelde en het mogelijk maakte om in te schakelen op een bundel van minder dan 100 ns. Het komende decennium zal de bescheiden Yagi zich ontwikkelen uit een vaste gerichte antenne tot een intelligent, adaptieve ruimtelijke verwerkingselement dat een centrale rol speelt in hoe meerdere gebruikers het draadloze medium delen.

Samenvatting

Het ontwerpen van Yagi-antennes voor multi-User MIMO-systemen vereist een gedisciplineerde integratie van klassieke antennetheorie met moderne signaalverwerkingseisen. De belangrijkste uitdaging voor het ontwerpen van Yagi-antennes is tegelijkertijd het uitbalanceren van winst, bandbreedte, breedte van de bundel en zuiverheid van het patroon binnen de beperkingen van de kosten en mechanische eenvoud. Vaste multi-Yagi-sector arrays bieden de meest directe route naar ruimtelijke multiplexing, maar missen de flexibiliteit om mobiele gebruikers te volgen. ESPAR-architecturen ontgrendelen dynamisch beamforming en interferentiebeheer met één enkele RF-keten, terwijl gefaseerde arrays van Yagi-elementen de hoogste prestaties bieden voor premium implementaties. Voor ingenieurs die beginnen met het ontwerp van Yagi voor MU-MIMO, is een praktisch uitgangspunt om een doelwinst van 10 .12 dBi te kiezen met minimaal 5% bandbreedte, gebruik te maken van simulaties van elementen die de gewenste array-configuraties optimaliseren en de onderlinge koppeling van de verschillende componenten.