في عالم التواصل اللاسلكي الواسع ، يعد الهوائي ، كمكون حرج لا غنى عنه ، بمثابة جسر يربط عالم المعلومات. تملي أدائها مباشرة جودة الاتصال. المؤشرات الأولية الثلاثة لاكتساب الهوائي ، والاستقطاب ، وعرض النطاق الترددي مماثلة لأحجار الزاوية في الجسر ، تدعم وظيفة الهوائي. يعد الفهم العميق لهذه المؤشرات الثلاثة محورية لتحسين أنظمة الاتصالات اللاسلكية وتعزيز جودة نقل الإشارة واستقبالها. أدناه ، نتعمق في كل من هذه المؤشرات الرئيسية بالتتابع.
1. كسب الهوائي: آلية التركيز 'لتركيز الإشارة
(1) تعريف ودعم الكسب
كسب الهوائي هو مقياس رئيسي يستخدم لتوصيف كمياً مدى تركيز الهوائي ويعمل على إشعال طاقة الإدخال. من وجهة نظر الاتصال ، فإنه يعكس فعالية الهوائي في توليد إشارات في اتجاه معين. في سيناريو مثالي ، يشع المبرد المتناحية مع توزيع الطاقة الموحد الطاقة في كل مكان في الفضاء. لمثل هذا المبرد ، يتم تعريف المكسب على أنه 1 ، أي ما يعادل 0dB عند التعبير عنه في ديسيبل. ومع ذلك ، فإن الهوائيات العملية ، من خلال الهياكل المهندسة بدقة ، تنحرف عن هذا النمط الإشعاعي الموحد ، وتركز بشكل استراتيجي للطاقة للإشعاع في اتجاهات محددة ، وبالتالي تحقيق مكاسب متفوقة على هوائي المصدر المثالي.
من الناحية الرياضية ، فإن كسب الهوائي هو نسبة مربع شدة الحقل الناتجة عن الهوائي الفعلي إلى تلك التي ينتجها عنصر مشع مثالي في نفس النقطة المكانية ، بالنظر إلى قوة الإدخال المتساوية ، أي نسبة الطاقة. على سبيل المثال ، لإنشاء إشارة ذات شدة معينة في نقطة مكانية ، قد يتطلب مصدر الإشعاع المثالي وجود طاقة إدخال تبلغ 126 واط. عند استخدام هوائي مع ربح 18DBD ، تكشف الحسابات أن مجرد 2W من قوة الإدخال يكفي لتحقيق نفس النتيجة. يوضح هذا بوضوح تأثير 'تشبه التضخيم ' لكسب الهوائي على الإشارات. الأهم من ذلك ، لا يتضمن هذا التضخيم 'زيادة فعلية في قوة الإشارة ، كما هو الحال في الدوائر النشطة ، بل تخصيص اتجاهية أكثر كفاءة للطاقة.
(2) طرق حساب الكسب
إن حساب كسب الهوائي الفعلي ليس عملية حسابية مباشرة ؛ هذا هو نتاج معامل الاتجاهية وكفاءة الهوائي. يحدد معامل الاتجاهية نسبة شدة الإشعاع للهوائي في اتجاهه الإشعاعي الأقصى إلى متوسط شدة الإشعاع لهوائي المصدر المثالي ، مما يدل بشكل حدسي على قدرة الهوائي على تركيز الطاقة في اتجاه معين. تمثل كفاءة الهوائي فقدان الطاقة الحتمي أثناء تحويل طاقة المدخلات إلى الطاقة المشعة ، مثل الخسائر الحرارية الناشئة عن الخواص المقاومة لمادة الهوائي.
تستخدم أنواع الهوائي المتنوعة منهجيات حساب مميزة. بالنسبة للهوائي المكافئ الشائع ، يمكن تقريب الكسب باستخدام الصيغة G (DBI) = 10lg {4.5 × (D/λ0) ²} ، حيث تشير D يمكن تقدير كسب الهوائي العمودي متعدد الاتجاهات عبر G (DBI) = 10lg {2l/λ0} ، مع L يمثل طول الهوائي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن حساب الكسب بناءً على عرض النعاس نصف القوة (3DB) في الطائرتين الرئيسيتين (المستوى الإلكتروني والطائرة H) باستخدام الصيغة G (DBI) = 10lg {32000/(2θ3db ، e × 2θ3db ، h)} ، حيث 2θ3db ، و 2θ3d ، 32000 هي أيضا بيانات تجريبية.
(3) التطبيقات العملية للمكسب
في سيناريوهات الاتصالات بعيدة المدى ، تلعب هوائيات عالية الأداء ، أقرب إلى الأدوات الدقيقة ، دورًا حيويًا. خذ اتصال الأقمار الصناعية: تؤدي المسافة الكبيرة بين الأقمار الصناعية والمحطات الأرضية إلى توهين إشارة كبير أثناء الإرسال. هنا ، يمكن للهوائيات عالية الكبار أن تركز بشكل مكثف طاقة الإشارة ، مما يتيح لها اجتياز المسافات المكانية الشاسعة والوصول بدقة إلى جهاز الاستقبال المستهدف. في اتصال ترحيل الميكروويف ، تضمن الهوائيات ذات الأداء العالي أن الإشارات تحافظ على قوة كافية على طول مسار الإرسال المطول ، مما يسهل روابط اتصال مستقرة وموثوقة.
على العكس ، في بيئات الاتصالات قصيرة المدى مثل التغطية اللاسلكية الداخلية ، يختلف الموقف. يتطلب الإعداد الداخلي المعقد توزيع إشارة موحدة عبر اتجاهات متعددة لتلبية احتياجات المستخدمين في مواقع مختلفة. وبالتالي ، يتم استخدام الهوائيات منخفضة الاتجاه في الغالب. هذه الهوائيات تعمل مثل مواد نشر الإشارة. على الرغم من أن قوة الإشارة في أي اتجاه واحد متواضع نسبيًا ، إلا أنها يمكن أن تشع إشارات شاملة في نطاق محدد ، مما يوفر تغطية إشارة موحدة نسبيًا للمستخدمين الداخليين.
الثاني. استقطاب الهوائي: الاتجاه المكاني 'من الموجات الكهرومغناطيسية
(1) تعريف وجوهر الاستقطاب
الاستقطاب هو كمية مادية تصف بدقة الاتجاه المكاني لمتجه المجال الكهربائي للموجات الكهرومغناطيسية ، وتكشف بعمق قانون التباين الزمني لاتجاه المجال الكهربائي للموجات التي يشعها الهوائي. من المنظور المجهري ، يعكس الاستقطاب الوضع الدوراني والخصائص الاتجاهية لمتجه المجال الكهربائي في الفضاء ، وهي خاصية تمارس تأثيرًا عميقًا على إمكانات نقل إشارة الهوائي.
(2) تحليل أنواع الاستقطاب
يشمل استقطاب الهوائي ثلاث فئات أساسية: الاستقطاب الخطي ، والاستقطاب الدائري ، والاستقطاب الإهليلجي. يتم تقسيم الاستقطاب الخطي إلى الاستقطاب الأفقي والرأسي. الموجة المستقطبة رأسياً لها اتجاه المجال الكهربائي بشكل عمودي على الأرض ، في حين أن الموجة المستقطبة أفقياً لها اتجاه مجال كهربائي موازٍ للأرض. بالإضافة إلى ذلك ، تندرج الاستقطاب عند 45 درجة على الأرض ، مثل +45 درجة أو -45 درجة ، تحت فئة الاستقطاب الخطي. يتم تصنيف الاستقطاب الدائري في الاستقطاب الدائري الأيسر والاستقطاب الدائري الأيمن بناءً على الاتجاه الدوراني لمتجه المجال الكهربائي ، الذي يكون مساره المكاني دائريًا. الاستقطاب الإهليلجي هو شكل أكثر عمومية ، يجمع بين ميزات الاستقطاب الخطي والدائري ، مع متجه المجال الكهربائي يتتبع مسارًا بيضاوي الشكل في الفضاء. يمكن اعتبار كل من الاستقطاب الدائري والخطي حالات خاصة للاستقطاب الإهليلجي في ظل ظروف محددة.
(3) أمثلة تطبيق الاستقطاب في مختلف المجالات
في البث الإذاعي والتلفزيون ، يتم اعتماد الاستقطاب العمودي بشكل متكرر لضمان تغطية إشارة واسعة النطاق. وذلك لأن الموجات المستقطبة رأسياً أقل عرضة نسبيا لانعكاس الأرض وتأثيرات متعددة أثناء الانتشار ، مما يتيح انتقال الإشارة المستقرة.
تستخدم هوائيات محطة الاتصالات المتنقلة في الغالب الاستقطاب الأفقي أو ± 45 درجة مستقطبة. يوفر الاستقطاب الأفقي مزايا في تخفيف التداخل في القناة المشتركة ، في حين يتكيف ± 45 درجة من الاستقطاب المتقاطع مع بيئة الاتصالات المتنقلة المعقدة والديناميكية ، مما يعزز القدرة على تلقي إشارات من الاتجاهات المتنوعة وتحسين موثوقية نظام الاتصالات والقدرة.
في التواصل عبر الأقمار الصناعية ، تفضل الهوائيات المستقطبة الدائرية. بسبب الاختلافات المستمرة في المواقف للأقمار الصناعية في الفضاء والتداخل من مختلف العوامل المعقدة أثناء انتشار الإشارة ، يمكن للهوائيات المستقطبة بشكل دائري تقليل فقدان الإشارة بشكل فعال الناجم عن عدم تطابق الاستقطاب ، مما يضمن التواصل غير المُعتمد بين الأقمار الصناعية والمحطات الأرضية.
في أنظمة RFID ، تعد الهوائيات المستقطبة بشكل دائري أمرًا بالغ الأهمية. وهي تتيح التعرف الفعال على العلامات في اتجاهات مختلفة ، مما يعزز بشكل كبير من كفاءة التعرف على النظام ودقتها ، وتوفير دعم قوي للعديد من سيناريوهات التطبيق مثل إدارة اللوجستيات والتحكم في الوصول.
ثالثا. عرض النطاق الترددي للهوائي: 'نطاق التردد ' للتشغيل الفعال
(1) تعريف النطاق الترددي
يشير عرض النطاق الترددي للهوائي إلى نطاق التردد الذي يمكن للهوائي أن يعمل بشكل فعال. ضمن هذا النطاق ، يلبي الهوائي معايير الأداء المحددة مسبقًا ، بما في ذلك المكاسب ، ونسبة الموجة الدائمة ، وخصائص الاستقطاب. إنه بمثابة نطاق تردد حيث يمكن نقل إشارات الترددات المختلفة واستلامها ، حيث يضمن الهوائي بيئة مواتية لهذه العمليات.
(2) تمييز أنواع النطاق الترددي
تشمل التعاريف الشائعة لعرض النطاق الترددي للهوائي النطاق الترددي المطلق وعرض النطاق الترددي النسبي. عرض النطاق الترددي المطلق هو الفرق بين الحدود العلوية والسفلية لنطاق تردد تشغيل الهوائي ، مع وحدات مثل Hertz (HZ) ، Kilohertz (KHz) ، أو Megahertz (MHz). على سبيل المثال ، يتمتع هوائي يعمل من 1 جيجا هرتز إلى 2 جيجا هرتز بترددًا مطلقًا قدره 1 جيجا هرتز. النطاق الترددي النسبي هو نسبة عرض النطاق الترددي المطلق إلى تردد المركز ، ويتم التعبير عنه عادة كنسبة مئوية. يمكن حساب التردد المركزي باستخدام الوسط الحسابي ، fcenter = (FMAX + FMIN)/2 ، أو الوسط الهندسي ، والذي يكون أكثر انتشارًا على مقياس لوغاريتمي ، fcenter = sqrt (fmax⋅fmin). يمكن أيضًا حساب النطاق الترددي النسبي على أنه BWREL = 2*(FMAX - FMIN)/(FMAX + FMIN) × 100 ٪. بشكل عام ، يبلغ طول الهوائيات الضيقة النطاق الترددي النطاق الترددي أقل من 5 ٪ ، وتتراوح هوائيات النطاق العريض من 5 ٪ إلى 25 ٪ ، وتتجاوز هوائيات النطاق العالي الفائق 25 ٪.
(3) متطلبات تطبيق النطاق الترددي في سيناريوهات مختلفة
يتم استخدام الهوائيات الضيقة النطاق ، بسبب انتقائية التردد القوية ، في أنظمة الاتصالات التي تتطلب دقة عالية التردد. على سبيل المثال ، في الإرسال الراديوي والتلفزيوني ، حيث تكون ترددات التشغيل ثابتة نسبيًا ، توفر الهوائيات الضيقة النطاق نقل الإشارة المستقرة على ترددات محددة ، وتجنب التداخل من إشارات التردد الأخرى. تستفيد أنظمة الاتصالات اللاسلكية المتخصصة ، مثل تلك الموجودة في مجالات التحكم الصناعية المعينة ذات المتطلبات الصارمة لاستقرار التردد وحصانة التداخل ، من الهوائيات الضيقة.
هوائيات النطاق العريض مناسبة لسيناريوهات الاتصال المعقدة التي تتطلب تغطية نطاقات تردد متعددة. في محطات قاعدة الاتصالات المتنقلة ، تستلزم تكنولوجيا الاتصالات المتطورة دعم نقل الإشارات متعددة النطاق لتلبية متطلبات المستخدمين والخدمة المتنوعة. تحافظ هوائيات النطاق العريض على أداء مرضي عبر نطاق تردد واسع ، مما يضمن التواصل الفعال بين المحطات الأساسية والأجهزة الطرفية المختلفة. وبالمثل ، تعتمد شبكات المناطق المحلية اللاسلكية (WLAN) على هوائيات النطاق العريض لاستيعاب الأجهزة اللاسلكية ذات المعايير المختلفة وأشرطة الترددات ، مما يوفر للمستخدمين اتصالًا مناسبًا للشبكة وعالي السرعة.
تلعب هوائيات النطاق التراويد دورًا فريدًا في اكتشاف الرادار. يوفر عرض النطاق الترددي العريض للغاية قدرات الكشف عن الهدف عالية الدقة ، مما يتيح تحديدًا دقيقًا للموضع المستهدف والشكل وحالة الحركة. في الاتصالات قصيرة المدى عالية السرعة ، مثل نقل البيانات عالية السرعة الداخلية ، تستفيد هوائيات النطاق العالي العالي من عرض النطاق الترددي الكبير لتحقيق معدلات بيانات بعدة جيجابت في الثانية ، وتلبية الطلب على نقل البيانات عالية السرعة ذات السعة الكبيرة.
رابعا. العلاقة المتبادلة والنظر الشامل للمؤشرات الثلاثة
لا يتم عزل المؤشرات الرئيسية الثلاثة لاكتساب الهوائي ، والاستقطاب ، وعرض النطاق الترددي ؛ فهي مترابطة وتأثير بشكل متبادل. غالبًا ما يتطلب تصميم الهوائي مقايضات وحسنات دقيقة بين هذه المؤشرات.
زيادة كسب الهوائي عادة ما ينطوي على تضييق عرض شعاع الإشعاع. في حين أن هذا يعزز قوة الإشارة في اتجاه معين ، فإنه يقلل بشكل متزامن عرض النطاق الترددي. وذلك لأن تضييق عرض العاصفة يغير استجابة الهوائي لإشارات الترددات المختلفة ، تقلص نطاق تردد التشغيل الفعال.
خصائص الاستقطاب تؤثر أيضًا على عرض النطاق الترددي للهوائي واكتساب الأداء. تظهر الهوائيات ذات أوضاع الاستقطاب المختلفة توزيعات مكانية متميزة وأنماط التباين في متجه المجال الكهربائي أثناء إشعاع الإشارة والاستقبال ، مما يؤدي إلى اختلافات في قدرات الاقتران مع إشارات من الترددات المختلفة. على سبيل المثال ، قد يظهر الهوائي المستقطب بشكل دائري أداءً ممتازًا في نطاقات الترددات ، لكن الخبرة في تدهور الكسب في غيرها بسبب عوامل مثل عدم تطابق الاستقطاب ، مما يؤثر على أداء النطاق الترددي.
في التطبيقات العملية ، يعد الاعتبار الشامل لهذه المؤشرات الثلاثة أمرًا ضروريًا استنادًا إلى متطلبات الاتصالات والسيناريوهات المحددة عند اختيار أو تصميم هوائي مناسب. على سبيل المثال ، في مشروع الاتصال الجبلي مع متطلبات عالية على نطاق تغطية الإشارة ، والاتجاه ، وقيود نطاق التردد الصارم ، قد تكون هناك حاجة إلى هوائيات النطاق الضيق ذات الأداء العالي مع وضع الاستقطاب المناسب للتضاريس الجبلية لضمان إشارات تعاقد التضاريس المعقدة وتغطية المنطقة المستهدفة بدقة. في بيئة التواصل الداخلي في مركز التسوق الكبير ، والتي تحتاج إلى دعم أجهزة لاسلكية متعددة ولديها متطلبات عالية لعرض النطاق الترددي للإشارات وتوحيد التغطية ، فإن هوائي النطاق العريض والمنخفض مع وضع الاستقطاب قابل للتكيف مع انعكاسات داخلية معقدة أكثر ملاءمة ، مما يوفر خدمات شبكة لاسلكية مستقرة وعالية السرعة للعملاء والموظفين.
باختصار ، يشكل الفهم الشامل للمؤشرات الرئيسية الثلاثة لاكتساب الهوائي ، والاستقطاب ، وعرض النطاق الترددي ، إلى جانب العلاقات المتبادلة ، الأساس لتحقيق التواصل اللاسلكي الفعال والموثوق. فقط من خلال التحسين العقلاني وتكوين هذه المؤشرات بناءً على الاحتياجات المحددة في التطبيقات العملية ، يمكن أن تقدم الهوائيات الأداء الأمثل ، مما يوفر أساسًا متينًا لتقدم الاتصالات اللاسلكية.
