In dem umfangreichen Bereich der drahtlosen Kommunikation dient die Antenne als unverzichtbare kritische Komponente als Brücke, die die Informationswelt verbindet. Seine Leistung bestimmt direkt die Qualität der Kommunikation. Die drei Hauptindikatoren für Antennenverstärkung, Polarisation und Bandbreite sind analog zu den Eckpfeilern einer Brücke und untermauern die Funktionalität der Antenne. Ein tiefes Verständnis dieser drei Indikatoren ist entscheidend für die Optimierung von drahtlosen Kommunikationssystemen und die Verbesserung der Qualität der Signalübertragung und -empfang. Im Folgenden befassen wir uns nacheinander in jede dieser Schlüsselindikatoren.
I. Antennenverstärkung: Der 'Fokussiermechanismus ' für die Signalkonzentration
(1) Definition und Konnotation des Gewinns
Antennengewinn ist eine Schlüsselmetrik, die verwendet wird, um das Ausmaß, in dem sich eine Antenne konzentriert und die Eingangsleistung ausstrahlt, quantitativ zu charakterisieren. Aus Kommunikationspunkt spiegelt es die Wirksamkeit der Antenne bei der Erzeugung von Signalen in einer bestimmten Richtung wider. In einem idealen Szenario strahlt ein isotropen Kühler mit gleichmäßiger Leistungsverteilung die Energie im Raum aus. Für einen solchen Kühler ist die Verstärkung als 1 definiert, entspricht 0 dB, wenn sie in Dezibel ausgedrückt wird. Praktische Antennen weicht jedoch durch akribisch konstruierte Strukturen von diesem gleichmäßigen Strahlungsmuster ab und konzentrieren sich strategisch Energie für Strahlung in bestimmte Richtungen und erzielen damit einen Gewinn, der der einer idealen Punktquellenantenne überlegen ist.
Mathematisch ist die Antennenverstärkung das Verhältnis des Quadrats der Feldintensität, die durch die tatsächliche Antenne zu dem erzeugt wird, das durch ein ideales strahlendes Element am gleichen räumlichen Punkt erzeugt wird, z. B. das Leistungsverhältnis, dh das Leistungsverhältnis. Zum Beispiel kann eine ideale Strahlungsquelle eine Eingangsleistung von 126 W erforderlich machen, um beispielsweise ein Signal einer bestimmten Intensität an einem räumlichen Punkt zu erzeugen. Bei Verwendung einer Antenne mit einem Gewinn von 18 dBD zeigen Berechnungen, dass nur 2W Eingangsleistung ausreicht, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Dies veranschaulicht die 'amplification-ähnliche' Wirkung des Antennengewinns auf Signale. Wichtig ist, dass diese 'Amplifikation' nicht eine tatsächliche Zunahme der Signalleistung beinhaltet, wie in aktiven Schaltungen, sondern eine effizientere Richtungszuweisung von Energie.
(2) Berechnungsmethoden des Gewinns
Die Berechnung des tatsächlichen Antennengewinns ist kein einfacher arithmetischer Prozess; Es ist das Produkt des Direktivitätskoeffizienten und des Antenneneffizienz. Der Direktivitätskoeffizient quantifiziert das Verhältnis der Strahlungsintensität der Antenne in ihrer maximalen Strahlungsrichtung zur durchschnittlichen Strahlungsintensität einer idealen Punktquellenantenne und demonstriert intuitiv die Fähigkeit der Antenne, Energie in eine bestimmte Richtung zu fokussieren. Die Antenneneffizienz macht unvermeidliche Energieverluste während der Umwandlung der Eingangsleistung in Strahlungsleistung aus, wie z. B. thermische Verluste, die sich aus den Widerstandseigenschaften des Antennenmaterials ergeben.
Verschiedene Antennentypen verwene
(3) Praktische Anwendungen des Gewinns
In Langstrecken-Kommunikationsszenarien spielen hohe Gewinnantennen, ähnlich wie Präzisionsinstrumenten, eine wichtige Rolle. Satellitenkommunikation: Der erhebliche Abstand zwischen Satelliten und Bodenstationen führt zu einer signifikanten Signaldämpfung während der Übertragung. Hier können Antennen mit hoher Gewinn die Signalenergie intensiv fokussieren und es ermöglichen, riesige räumliche Entfernungen zu durchqueren und den Zielempfänger genau zu erreichen. Bei der Kommunikation mit Mikrowellenrelais stellen Hochgewinnantennen sicher, dass Signale entlang des langwierigen Übertragungswegs eine ausreichende Festigkeit aufrechterhalten und stabile und zuverlässige Kommunikationsverbindungen erleichtert.
Umgekehrt unterscheidet sich die Situation in kurzfristigen Kommunikationsumgebungen wie drahtloser Abdeckung in Innenräumen. Die komplexe Inneneinstellung erfordert eine einheitliche Signalverteilung in mehreren Richtungen, um den Benutzern an verschiedenen Orten gerecht zu werden. Daher werden überwiegend überwiegend omnidirektionale Antennen verwendet. Diese Antennen funktionieren wie Signalstrafer; Obwohl die Signalstärke in jeder Richtung relativ bescheiden ist, können sie Signale omnidirektional innerhalb eines definierten Bereichs ausstrahlen und für Innenbenutzer eine relativ gleichmäßige Signalabdeckung liefern.
Ii. Antennenpolarisation: die 'räumliche Ausrichtung ' von elektromagnetischen Wellen
(1) Definition und Essenz der Polarisation
Polarisation ist eine physikalische Menge, die genau die räumliche Ausrichtung des elektrischen Feldvektors elektromagnetischer Wellen beschreibt und das zeitliche Variationsgesetz der durch die Antenne abgestrahlten elektrischen Feldrichtung von Wellen zutiefst zeigt. Aus mikroskopischer Sicht spiegelt die Polarisation den Rotationsmodus und die Orientierungseigenschaften des elektrischen Feldvektors im Weltraum wider, eine Eigenschaft, die einen tiefgreifenden Einfluss auf die Signalübertragungs- und Empfangsfunktionen der Antenne ausübt.
(2) Analyse von Polarisationstypen
Die Antennenpolarisation umfasst drei grundlegende Kategorien: lineare Polarisation, kreisförmige Polarisation und elliptische Polarisation. Die lineare Polarisation wird weiter in horizontale und vertikale Polarisation unterteilt. Eine vertikal polarisierte Welle hat ihre elektrische Feldrichtung senkrecht zum Boden, während eine horizontal polarisierte Welle eine elektrische Feldrichtung parallel zum Boden aufweist. Zusätzlich fallen Polarisationen bei 45 ° bis zum Boden, z. B. +45 ° oder -45 °, unter die Kategorie Linearer Polarisation. Die kreisförmige Polarisation wird in die linke kreisförmige Polarisation und die rechte kreisförmige Polarisation auf der Grundlage der Rotationsrichtung des elektrischen Feldvektors eingeteilt, dessen räumliche Flugbahn kreisförmig ist. Die elliptische Polarisation ist eine allgemeinere Form, die Merkmale der linearen und kreisförmigen Polarisation kombiniert, wobei der elektrische Feldvektor einen elliptischen Pfad im Raum verfolgt. Sowohl kreisförmige als auch lineare Polarisationen können unter bestimmten Bedingungen als besondere Fälle von elliptischer Polarisation angesehen werden.
(3) Anwendungsbeispiele für Polarisation in verschiedenen Bereichen
Bei der Rundfunk- und Fernsehübertragung wird häufig die vertikale Polarisation übernommen, um eine stabile Signalabdeckung in der Vielzahl von Flächen zu gewährleisten. Dies liegt daran, dass vertikal polarisierte Wellen während der Ausbreitung relativ weniger anfällig für Bodenreflexion und Multipath -Effekte sind, wodurch eine stabile Signalübertragung ermöglicht wird.
Mobilkommunikationsbasis-Stationantennen verwenden vorwiegend die horizontale Polarisation oder eine Kreuzpolarisation von ± 45 °. Die horizontale Polarisation bietet Vorteile bei der Minderung von Co-Channel-Interferenzen, während sich ± 45 ° Cross-Polarisation besser an die komplexe und dynamische Umgebung für mobile Kommunikation anpasst, wodurch die Fähigkeit, Signale aus verschiedenen Richtungen zu empfangen und die Zuverlässigkeit und Kapazität des Kommunikationssystems zu verbessern.
In der Satellitenkommunikation werden zirkular polarisierte Antennen bevorzugt. Aufgrund der kontinuierlichen Einstellungsschwankungen von Satelliten im Weltraum und der Interferenz von verschiedenen komplexen Faktoren während der Signalausbreitung können kreisförmige polarisierte Antennen den durch Polarisationsfehlanpassung verursachten Signalverlust effektiv verringern, was eine nicht imitierte Kommunikation zwischen Satelliten und Bodenstationen sicherstellt.
In RFID -Systemen sind auch kreisförmige polarisierte Antennen von entscheidender Bedeutung. Sie ermöglichen eine effektive Identifizierung von Tags in unterschiedlichen Orientierungen, die die Erkennungseffizienz und -genauigkeit des Systems erheblich verbessern und zahlreiche Anwendungsszenarien wie Logistikverwaltung und Zugangskontrollsysteme robust unterstützen.
III. Antennenbandbreite: Der 'Frequenzbereich' für den effektiven Betrieb
(1) Definition der Bandbreite
Die Antennenbandbreite bezieht sich auf den Frequenzbereich, in dem die Antenne effektiv funktionieren kann. Innerhalb dieses Bereichs erfüllt die Antenne vordefinierte Leistungskriterien, einschließlich Verstärkungs-, Stehwellenverhältnis- und Polarisationseigenschaften. Es dient als Frequenzband, bei dem Signale unterschiedlicher Frequenzen übertragen und empfangen werden können, wobei die Antenne eine günstige Umgebung für diese Prozesse gewährleistet.
(2) Unterscheidung von Bandbreitenarten
Zu den häufigen Definitionen der Antennenbandbreite gehören die absolute Bandbreite und die relative Bandbreite. Die absolute Bandbreite ist der Unterschied zwischen den oberen und unteren Grenzen des Betriebsfrequenzbereichs der Antenne, mit Einheiten wie Hertz (Hz), Kilohertz (KHz) oder Megahertz (MHz). Beispielsweise hat eine Antenne, die von 1 GHz bis 2 GHz arbeitet, eine absolute Bandbreite von 1 GHz. Die relative Bandbreite ist das Verhältnis der absoluten Bandbreite zur Mittelfrequenz, die typischerweise als Prozentsatz ausgedrückt wird. Die Mittelfrequenz kann unter Verwendung des arithmetischen Mittelwerts fCenter = (fmax + fmin)/2 oder des geometrischen Mittelwerts berechnet werden, der auf einer logarithmischen Skala häufiger vorkommt, FCenter = SQRT (fmax · fmin). Die relative Bandbreite kann auch als bwrel = 2*(fmax - fmin)/(fmax + fmin) × 100%berechnet werden. Im Allgemeinen haben Schmalbandantennen eine relative Bandbreite von weniger als 5%, Breitbandantennen zwischen 5%und 25%und ultra-weite Bandantennen über 25%.
(3) Anwendungsanforderungen der Bandbreite in verschiedenen Szenarien
Schmalbandantennen werden aufgrund ihrer starken Frequenzselektivität in Kommunikationssystemen eingesetzt, die eine hohe Frequenz -Präzision erfordern. Beispielsweise liefern die Schmalbandantennen bei der Funk- und Fernsehübertragung, bei der die Betriebsfrequenzen relativ fest sind, eine stabile Signalübertragung bei bestimmten Frequenzen, wodurch Interferenz von anderen Frequenzsignalen vermieden wird. Spezialisierte drahtlose Kommunikationssysteme, z.
Breitbandantennen eignen sich für komplexe Kommunikationsszenarien, die mehrere Frequenzbänder abdecken. In der Basisstationen für Mobilkommunikation erfordert die sich entwickelnde Kommunikationstechnologie die Unterstützung für die Übertragung von Signalübertragungen mit mehreren Banden, um die verschiedenen Benutzer- und Serviceanforderungen gerecht zu werden. Breitbandantennen halten eine zufriedenstellende Leistung über einen breiten Frequenzbereich hinweg und gewährleisten eine effiziente Kommunikation zwischen Basisstationen und verschiedenen Terminalgeräten. In ähnlicher Weise verlassen sich drahtlose örtliche Netzwerke (WLAN) auf Breitbandantennen, um drahtlose Geräte mit unterschiedlichen Standards und Frequenzbändern gerecht zu werden, wodurch Benutzer bequeme und hochgeschwindige Netzwerkkonnektivität bieten.
Ultra-weite Bandantennen spielen eine einzigartige Rolle bei der Radarerkennung. Ihre extrem breite Bandbreite bietet hochauflösende Zielerkennungsfunktionen und ermöglicht eine genaue Identifizierung von Zielposition, Form und Bewegungsstatus. In der Kurzstrecken-Hochgeschwindigkeitskommunikation, wie z. B. Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung in Innenräumen, nutzen die ultra-weiten Bandantennen ihre große Bandbreite, um Datenraten mehrerer Gigabit pro Sekunde zu erreichen, wodurch die Nachfrage nach Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit mit großer Kapazität erfüllt ist.
Iv. Wechselbeziehung und umfassende Berücksichtigung der drei Indikatoren
Die drei Schlüsselindikatoren für Antennenverstärkung, Polarisation und Bandbreite sind nicht isoliert; Sie sind miteinander verbunden und für beide Seiten einflussreich. Das Antennenentwurf erfordert häufig sorgfältige Kompromisse und Optimierungen zwischen diesen Indikatoren.
Die Erhöhung der Antennengewinn beinhaltet typischerweise die Verengung der Strahlungsstrahlbreite. Dies verbessert zwar die Signalstärke in einer bestimmten Richtung, reduziert gleichzeitig die Bandbreite. Dies liegt daran, dass die Begrenzung der Strahlbreite die Reaktion der Antenne auf Signale unterschiedlicher Frequenzen verändert und den effektiven Betriebsfrequenzbereich verkleinert.
Die Polarisationseigenschaften beeinflussen auch die Antennenbandbreite und die Gewinnleistung. Antennen mit unterschiedlichen Polarisationsmodi zeigen unterschiedliche räumliche Verteilungen und Variationsmuster des elektrischen Feldvektors während der Signalstrahlung und -empfang, was zu Unterschieden in ihren Kopplungsfunktionen mit Signalen unterschiedlicher Frequenzen führt. Beispielsweise kann eine kreisförmige polarisierte Antenne innerhalb bestimmter Frequenzbereiche eine hervorragende Leistung aufweisen, aber aufgrund von Faktoren wie Polarisationsfehlanpassung einen Verschlechterung von Gewinnern aufweisen, wodurch sich die Bandbreitenleistung beeinflusst.
In praktischen Anwendungen ist eine umfassende Berücksichtigung dieser drei Indikatoren auf der Grundlage spezifischer Kommunikationsanforderungen und Szenarien bei der Auswahl oder Gestaltung einer geeigneten Antenne unerlässlich. Beispielsweise kann in einem bergigen Kommunikationsprojekt mit hohen Anforderungen an Signalabdeckungsbereiche, Direktionalität und strengen Frequenzbandbeschränkungen eine hohe, schmalbandige Antenne mit hohem, für das Gebirgsgebiet geeignetes Polarisationsmodus erforderlich sein, um sicherzustellen, dass Signale travers komplexes Gelände und das Zielbereich genau bedecken. In der Indoor-Kommunikationsumgebung eines großen Einkaufszentrums, die mehrere drahtlose Geräte unterstützen und hohe Anforderungen an die Signalbandbreite und die Einheitlichkeit der Abdeckung haben, ist eine Breitband-Antenne mit niedrigem Gewinn mit einem Polarisationsmodus, das an komplexe Innenreflexionen anpasset ist, besser geeignet.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein gründliches Verständnis der drei Schlüsselindikatoren für den Antennengewinn, die Polarisation und die Bandbreite zusammen mit ihrer Wechselbeziehungen die Grundlage für eine effiziente und zuverlässige drahtlose Kommunikation bildet. Nur durch rationale Optimierung und Konfiguration dieser Indikatoren basierend auf spezifischen Anforderungen in praktischen Anwendungen können Antennen eine optimale Leistung liefern und eine solide Grundlage für die Weiterentwicklung der drahtlosen Kommunikation bieten.
