V rozsáhlé oblasti bezdrátové komunikace slouží anténa jako nezbytná kritická složka jako most propojující informační svět. Jeho výkon přímo diktuje kvalitu komunikace. Tři primární indikátory zisku antény, polarizace a šířky pásma jsou analogické s základními kameny mostu a podporují funkčnost antény. Hluboké porozumění těchto tří ukazatelů je klíčové pro optimalizaci bezdrátových komunikačních systémů a zvyšování kvality přenosu a příjmu signálu. Níže se ponoříme do každého z těchto klíčových ukazatelů postupně.
I. Zisk antény: Mechanismus „zaostřovacího mechanismu“ pro koncentraci signálu
(1) Definice a konotace zisku
Zisk antény je klíčová metrika používaná k kvantitativně charakterizaci rozsahu, v jakém se anténa soustředí a vyzařuje vstupní výkon. Z komunikačního hlediska odráží účinnost antény při generování signálů v konkrétním směru. V ideálním scénáři izotropní radiátor s rovnoměrným rozložením energie vyzařuje energii všesměrově ve vesmíru. Pro takový chladič je zisk definován jako 1, což odpovídá 0dB, když je vyjádřena v decibelech. Praktické antény se však prostřednictvím pečlivě inženýrských struktur odchýlí od tohoto jednotného záření, strategicky koncentrují energii pro záření v konkrétních směrech, čímž však dosáhnou zisku lepší než energie ideální antény bodového zdroje.
Matematicky je zisk antény poměrem čtverce intenzity pole generovaného skutečnou anténou k tomu, který vytvořil ideální vyzařující prvek ve stejném prostorovém bodě, vzhledem k stejnému vstupnímu výkonu, tj. Poměr výkonu. Například pro generování signálu určité intenzity v prostorovém bodě může ideální zdroj záření vyžadovat vstupní sílu 126W. Při využití antény se ziskem 18 dBD výpočty ukazují, že k dosažení stejného výsledku stačí pouhý 2W vstupní energie. To živě ilustruje 'amplifikační ' účinek zisku antény na signály. Důležité je, že toto „amplifikace “ nezahrnuje skutečné zvýšení síly signálu, jako v aktivních obvodech, ale spíše účinnější směrové přidělení energie.
(2) Metody výpočtu zisku
Výpočet skutečného zisku antény není přímý aritmetický proces; Je to produkt koeficientu směrovosti a účinnosti antény. Koeficient koeficienty směrnosti kvantifikuje poměr intenzity záření antény v maximálním záření k průměrné intenzitě záření ideální antény bodového zdroje, což intuitivně prokazuje schopnost antény zaostřit energii specifickým směrem. Účinnost antény představuje nevyhnutelné energetické ztráty během přeměny vstupního výkonu na vyzařované energie, jako jsou tepelné ztráty vyplývající z odporových vlastností materiálu antény.
Rozmanité typy antény využívají zřetelné metodiky výpočtu zisku. U společné parabolické antény lze zisk aproximovat pomocí vzorce G (DBI) = 10lg {4,5 × (d/λ0) ²}, kde D označuje průměr parabolického reflektoru, λ0 je centrální provozní vlnová délka a empirická data odvozená z rozsáhlých postupů. Zisk vertikální všesměrové antény lze odhadnout pomocí G (DBI) = 10lg {2L/λ0}, přičemž L představuje délku antény. Additionally, gain can be calculated based on the half-power (3dB) beamwidths in the two principal planes (E-plane and H-plane) using the formula G (dBi) = 10Lg {32000/(2θ3dB,E × 2θ3dB,H)}, where 2θ3dB,E and 2θ3dB,H are the beamwidths in the respective principal planes, and 32000 jsou také empirická data.
(3) Praktické aplikace zisku
Ve scénářích komunikace s dlouhým dosahem hrají důležitou roli antény s vysokým ziskem. Vezměte si satelitní komunikaci: podstatná vzdálenost mezi satelity a pozemními stanicemi vede k významnému útlumu signálu během přenosu. Zde mohou antény s vysokým ziskem intenzivně zaměřit energii signálu, což jí umožní procházet obrovské prostorové vzdálenosti a přesně dosáhnout cílového přijímače. V komunikaci s vysokým ziskem antény v mikrovlnné relé zajišťují, aby signály udržovaly dostatečnou pevnost podél zdlouhavé přenosové dráhy, což usnadnilo stabilní a spolehlivé komunikační spojení.
Naopak v prostředí s krátkým dosahem, jako je vnitřní bezdrátové pokrytí, se situace liší. Složité nastavení vnitřního nastavení vyžaduje jednotné rozdělení signálu přes více směrů, aby se uživatelé uspokojili na různých místech. Proto jsou převážně využívány s nízkým ziskem, všesměrovým anténami. Tyto antény fungují jako rozmetače signálu; Ačkoli síla signálu v jakémkoli jednorázovém směru je relativně skromná, mohou vyzařovat signály všesměrově v definovaném rozsahu a poskytovat relativně rovnoměrné pokrytí signálu pro vnitřní uživatele.
Ii. Polarizace antény: „prostorová orientace “ elektromagnetických vln
(1) Definice a podstata polarizace
Polarizace je fyzické množství, které přesně popisuje prostorovou orientaci vektoru elektrického pole elektromagnetických vln, což hluboce odhaluje zákon o dočasném variačním směru vlny vyzařovaného anténou. Z mikroskopického hlediska polarizace odráží rotační režim a orientační vlastnosti vektoru elektrického pole ve vesmíru, což je vlastnost, která má hluboký vliv na přenos signálu a recepce antény.
(2) Analýza typů polarizace
Polarizace antény zahrnuje tři základní kategorie: lineární polarizace, kruhová polarizace a eliptická polarizace. Lineární polarizace se dále rozdělí na horizontální a vertikální polarizaci. Svislá polarizovaná vlna má směr elektrického pole kolmý k zemi, zatímco vodorovně polarizovaná vlna má směr elektrického pole rovnoběžně se zemí. Navíc polarizace při 45 ° na zem, jako je +45 ° nebo -45 °, spadají do kategorie lineární polarizace. Kruhová polarizace je klasifikována do kruhové polarizace levé ruky a kruhovou polarizaci pravé ruky na základě rotačního směru vektoru elektrického pole, jehož prostorová trajektorie je kruhová. Eliptická polarizace je obecnější forma, která kombinuje rysy lineární a kruhové polarizace, přičemž vektor elektrického pole sleduje eliptickou cestu v prostoru. Kruhové i lineární polarizace lze za specifických podmínek považovat za zvláštní případy eliptické polarizace.
(3) Příklady aplikace polarizace v různých oborech
V rozhlasovém a televizním vysílání je svislá polarizace často přijímána, aby se zajistilo stabilní pokrytí signálu široké oblasti. Je to proto, že vertikálně polarizované vlny jsou během šíření relativně méně citlivé na odraz a vícenásobné účinky, což umožňuje stabilní přenos signálu.
Antény mobilní komunikace antény mobilní komunikace převážně využívají horizontální polarizaci nebo ± 45 ° křížovou polarizaci. Horizontální polarizace nabízí výhody při zmírňování rušení ko-kanálu, zatímco ± 45 ° křížová polarizace se lépe přizpůsobuje komplexnímu a dynamickému mobilnímu komunikačnímu prostředí a zvyšuje schopnost přijímat signály z různých směrů a zlepšit spolehlivost a kapacitu komunikačního systému.
V satelitní komunikaci jsou preferovány kruhově polarizované antény. Kvůli variacím kontinuálního postoje satelitů ve vesmíru a rušení z různých složitých faktorů během šíření signálu mohou kruhově polarizované antény účinně snížit ztrátu signálu způsobené neshodou polarizace, což zajišťuje neomezenou komunikaci mezi satelity a pozemními stanicemi.
V systémech RFID jsou také zásadní kruhové polarizované antény. Umožňují účinnou identifikaci značek v různých orientacích, významně zvyšují účinnost a přesnost rozpoznávání systému a poskytují robustní podporu pro řadu scénářů aplikací, jako jsou systémy řízení logistiky a systémy řízení přístupu.
Iii. Šířka pásma antény: 'Frekvenční rozsah ' pro efektivní provoz
(1) Definice šířky pásma
Šířka pásma antény se týká frekvenčního rozsahu, ve kterém může anténa fungovat efektivně. V tomto rozsahu anténa splňuje předdefinovaná kritéria výkonu, včetně charakteristik zisků, poměru stojatých vln a polarizačních charakteristik. Slouží jako frekvenční pás, kde lze přenášet a přijímat signály různých frekvencí, přičemž anténa zajišťuje příznivé prostředí pro tyto procesy.
(2) Rozlišení typů šířky pásma
Mezi běžné definice šířky pásma antény patří absolutní šířka pásma a relativní šířka pásma. Absolutní šířka pásma je rozdíl mezi horní a dolní hranice provozního frekvenčního rozsahu antény s jednotkami jako Hertz (Hz), Kilohertz (KHz) nebo Megahertz (MHz). Například anténa pracující od 1GHz do 2GHz má absolutní šířku pásma 1GHz. Relativní šířka pásma je poměr absolutní šířky pásma k středové frekvenci, obvykle vyjádřené jako procento. Středovou frekvenci lze vypočítat pomocí aritmetického průměru, FCenter = (FMAX + FMIN)/2 nebo geometrického průměru, který je více převládající na logaritmickém měřítku, FCenter = SQRT (FMAX⋅FMIN). Relativní šířka pásma lze také vypočítat jako BWREL = 2*(FMAX - FMIN)/(FMAX + FMIN) × 100%. Obecně mají úzkopásmové antény relativní šířku pásma menší než 5%, širokopásmové antény se pohybují od 5%do 25%a ultraletní antény přesahují 25%.
(3) Požadavky na aplikaci šířky pásma v různých scénářích
Úzkopásmové antény se díky své silné selektivitě frekvence používají v komunikačních systémech, které vyžadují vysokofrekvenční přesnost. Například v přenosu rádia a televize, kde jsou provozní frekvence relativně pevné, poskytují úzkopásmové antény stabilní přenos signálu při specifických frekvencích a vyhýbají se rušení z jiných frekvenčních signálů. Specializované bezdrátové komunikační systémy, jako jsou systémy v určitých průmyslových kontrolních doménách s přísnými požadavky na frekvenční stabilitu a interferenční imunitu, také těží z úzkopásmových antén.
Širokopásmové antény jsou vhodné pro komplexní komunikační scénáře vyžadující pokrytí více frekvenčních pásů. V základních stanicích mobilní komunikace vyžaduje vyvíjející se komunikační technologie podporu pro přenos signálu s více pásy, aby vyhovoval různým požadavkům uživatele a služeb. Širokopásmové antény udržují uspokojivý výkon v širokém frekvenčním rozsahu a zajišťují efektivní komunikaci mezi základními stanicemi a různými terminálovými zařízeními. Podobně se bezdrátové sítě místních oblastí místních oblastí (WLAN) spoléhají na širokopásmové antény, aby se přizpůsobily bezdrátovými zařízeními různých standardů a frekvenčních pásů a nabízejí uživatelům pohodlné a vysokorychlostní síťové připojení.
Ultra širokopásmové antény hrají jedinečnou roli při detekci radaru. Jejich extrémně široká šířka pásma poskytuje schopnosti detekce cíle s vysokým rozlišením, což umožňuje přesnou identifikaci cílové polohy, tvaru a stavu pohybu. V vysokorychlostní komunikaci s krátkým dosahem, jako je například indoor vysokorychlostní přenos dat, využívá ultraletní antény antény své velké šířky pásma k dosažení rychlosti dat několika gigabitů za sekundu, což uspokojuje poptávku po přenosu dat s vysokou kapacitou.
IV. Vzájemný vztah a komplexní zvážení těchto tří ukazatelů
Tři klíčové ukazatele zisku antény, polarizace a šířky pásma nejsou izolovány; Jsou vzájemně propojené a vzájemně vlivné. Konstrukce antén často vyžaduje pečlivé kompromisy a optimalizace mezi těmito ukazateli.
Zvýšení zisku antény obvykle zahrnuje zúžení šířky záření paprsku. I když to zvyšuje sílu signálu specifickým směrem, současně snižuje šířku pásma. Je to proto, že zúžení šířky paprsku mění reakci antény na signály různých frekvencí a zmenšuje efektivní provozní frekvenční rozsah.
Polarizační charakteristiky také ovlivňují šířku pásma antény a zisk. Antény s různými polarizačními režimy vykazují odlišné prostorové distribuce a variační vzorce vektoru elektrického pole během záření a příjmu signálu, což vede k rozdílům v jejich vazebných schopnostech se signály různých frekvencí. Například kruhově polarizovaná anténa může vykazovat vynikající výkon zisku v určitých frekvenčních rozsazích, ale zkušenosti s degradací získávání v jiných v důsledku faktorů, jako je nesoulad polarizace, čímž ovlivňuje výkon šířky pásma.
V praktických aplikacích je komplexní zvážení těchto tří ukazatelů nezbytné na základě specifických požadavků na komunikaci a scénáře při výběru nebo navrhování vhodné antény. Například v hornatém komunikačním projektu s vysokými požadavky na rozsah pokrytí signálu, směrovolnost a omezení přísných frekvenčních pásů může být vyžadována vysoce zisková anténa s polarizačním režimem vhodným pro horský terén, aby se zajistilo, že signály procházejí komplexní terén a přesně pokrývají cílovou oblast. Ve vnitřním komunikačním prostředí velkého nákupního centra, které potřebuje podporovat více bezdrátových zařízení a má vysoké požadavky na šířku pásma signálu a uniformitu pokrytí, širokopásmová anténa s nízkým ziskem s polarizačním režimem přizpůsobitelnou komplexním vnitřním odrazům je vhodnější, poskytuje stabilní a vysokorychlostní bezdrátové síťové služby pro zákazníky a zaměstnance.
Stručně řečeno, důkladné porozumění třem klíčovým ukazatelům anténního zisku, polarizace a šířky pásma spolu s jejich vzájemnými vztahy tvoří základ pro dosažení účinné a spolehlivé bezdrátové komunikace. Pouze prostřednictvím racionální optimalizace a konfigurace těchto ukazatelů založených na specifických potřebách v praktických aplikacích mohou antény poskytovat optimální výkon a poskytovat pevný základ pro pokrok bezdrátové komunikace.
