Στην εκτεταμένη σφαίρα της ασύρματης επικοινωνίας, η κεραία, ως απαραίτητο κρίσιμο στοιχείο, χρησιμεύει ως γέφυρα που συνδέει τον κόσμο των πληροφοριών. Η απόδοσή του υπαγορεύει άμεσα την ποιότητα της επικοινωνίας. Οι τρεις κύριοι δείκτες του κέρδους, της πόλωσης και του εύρους ζώνης είναι ανάλογοι με τους ακρογωνιαίους λίθους μιας γέφυρας, υποστηρίζοντας τη λειτουργικότητα της κεραίας. Η βαθιά κατανόηση αυτών των τριών δεικτών είναι ζωτικής σημασίας για τη βελτιστοποίηση των ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας και την ενίσχυση της ποιότητας της μετάδοσης και της λήψης σήματος. Παρακάτω, βυθίζουμε σε κάθε έναν από αυτούς τους βασικούς δείκτες διαδοχικά.
I. Κέρδος κεραίας: Ο μηχανισμός εστίασης για συγκέντρωση σήματος
(1) Ορισμός και έννοια κέρδους
Το κέρδος της κεραίας είναι μια βασική μετρική που χρησιμοποιείται για τον ποσοτικό χαρακτηρισμό της έκτασης στην οποία μια κεραία συγκεντρώνει και ακτινοβολεί την ισχύ εισόδου. Από την άποψη της επικοινωνίας, αντικατοπτρίζει την αποτελεσματικότητα της κεραίας στη δημιουργία σημάτων προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Σε ένα ιδανικό σενάριο, ένα ισοτροπικό καλοριφέρ με ομοιόμορφη κατανομή ισχύος ακτινοβολεί ενεργείας πανταχικά προς το διάστημα. Για ένα τέτοιο ψυγείο, το κέρδος ορίζεται ως 1, ισοδύναμο με 0dB όταν εκφράζεται σε ντεσιμπέλ. Ωστόσο, οι πρακτικές κεραίες, μέσω σχολαστικά κατασκευασμένων δομών, αποκλίνουν από αυτό το ενιαίο πρότυπο ακτινοβολίας, στρατηγικά συγκεντρώνοντας ενέργεια για ακτινοβολία σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις, επιτυγχάνοντας έτσι ένα κέρδος ανώτερο από αυτό μιας ιδανικής κεραίας.
Μαθηματικά, το κέρδος της κεραίας είναι η αναλογία του τετραγώνου της έντασης πεδίου που παράγεται από την πραγματική κεραία σε εκείνη που παράγεται από ένα ιδανικό στοιχείο ακτινοβολίας στο ίδιο χωρικό σημείο, δεδομένης της ισότητας εισόδου, δηλαδή της αναλογίας ισχύος. Για παράδειγμα, για να δημιουργηθεί ένα σήμα μιας συγκεκριμένης έντασης σε ένα χωρικό σημείο, μια ιδανική πηγή ακτινοβολίας μπορεί να απαιτήσει ισχύ εισόδου 126W. Όταν χρησιμοποιείτε μια κεραία με κέρδος 18dBD, οι υπολογισμοί αποκαλύπτουν ότι ένα μόνο 2W ισχύος εισόδου αρκεί για να επιτύχει το ίδιο αποτέλεσμα. Αυτό απεικονίζει έντονα την επίδραση του κέρδους της κεραίας 'ενίσχυσης. Είναι σημαντικό ότι αυτή η 'ενίσχυση ' δεν περιλαμβάνει πραγματική αύξηση της ισχύος του σήματος, όπως σε ενεργά κυκλώματα, αλλά μάλλον μια αποτελεσματικότερη κατεύθυνση κατανομής ενέργειας.
(2) Μέθοδοι κέρδους
Ο υπολογισμός του πραγματικού κέρδους της κεραίας δεν είναι μια απλή αριθμητική διαδικασία. Είναι το προϊόν του συντελεστή κατευθυντικότητας και της απόδοσης της κεραίας. Ο συντελεστής κατευθυντικότητας ποσοτικοποιεί την αναλογία της έντασης ακτινοβολίας της κεραίας στη μέγιστη κατεύθυνση ακτινοβολίας προς τη μέση ένταση ακτινοβολίας μιας ιδανικής κεραίας σημειακής πηγής, αποδεικνύοντας διαισθητικά την ικανότητα της κεραίας να εστιάζει την ενέργεια σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Η απόδοση της κεραίας αντιπροσωπεύει αναπόφευκτες απώλειες ενέργειας κατά τη μετατροπή της ισχύος εισόδου στην ακτινοβολούμενη ισχύ, όπως οι θερμικές απώλειες που προκύπτουν από τις ιδιότητες αντίστασης του υλικού της κεραίας.
Διάφοροι τύποι κεραίας χρησιμοποιούν ξεχωριστές μεθοδολογίες υπολογισμού κέρδους. Για την κοινή παραβολική κεραία, το κέρδος μπορεί να προσεγγιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο G (DBI) = 10lg {4.5 × (d/λ0)}, όπου D υποδηλώνει τη διάμετρο του παραβολικού ανακλαστήρα, το κεντρικό μήκος κύματος λειτουργίας και το 4.5 είναι τα εικονικά δεδομένα που προέρχονται από τις εκτεταμένες πρακτικές παρατηρήσεις. Το κέρδος μιας κατακόρυφης πανεπιστημίου μπορεί να εκτιμηθεί μέσω G (DBI) = 10LG {2L/λ0}, με L που αντιπροσωπεύει το μήκος της κεραίας. Επιπλέον, το κέρδος μπορεί να υπολογιστεί με βάση τα δοκάρια μισής ισχύος (3DB) στα δύο κύρια επίπεδα (E-Plane και H-Plane) χρησιμοποιώντας το Formula G (DBI) = 10lg {32000/(2θ3dB, E × 2θ3db, h)}, όπου 2 θ3, E και 2θ3dB, H είναι τα μεγάλα. Το 32000 είναι επίσης εμπειρικά δεδομένα.
(3) Πρακτικές εφαρμογές κέρδους
Σε σενάρια επικοινωνίας μεγάλης εμβέλειας, οι κεραίες υψηλού επιπέδου, παρόμοιες με τα όργανα ακριβείας, διαδραματίζουν ζωτικό ρόλο. Πάρτε δορυφορική επικοινωνία: Η ουσιαστική απόσταση μεταξύ δορυφόρων και σταθμών εδάφους οδηγεί σε σημαντική εξασθένηση του σήματος κατά τη διάρκεια της μετάδοσης. Εδώ, οι κεραίες υψηλού κέρδους μπορούν να εστιάσουν έντονα την ενέργεια του σήματος, επιτρέποντάς του να διασχίσουν τεράστιες χωρικές αποστάσεις και να φτάσουν με ακρίβεια στον δέκτη στόχου. Στην επικοινωνία ρελέ μικροκυμάτων, οι κεραίες υψηλού κέρδους εξασφαλίζουν ότι τα σήματα διατηρούν επαρκή αντοχή κατά μήκος της μακράς διαδρομής μετάδοσης, διευκολύνοντας σταθερούς και αξιόπιστους συνδέσμους επικοινωνίας.
Αντίθετα, σε περιβάλλοντα επικοινωνίας μικρής εμβέλειας, όπως η εσωτερική ασύρματη κάλυψη, η κατάσταση διαφέρει. Η σύνθετη εσωτερική ρύθμιση απαιτεί ομοιόμορφη κατανομή σήματος σε πολλαπλές κατευθύνσεις για να καλύψει τους χρήστες σε διάφορες τοποθεσίες. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο χαμηλής απόδοσης, πανευρωπαϊκές κεραίες. Αυτές οι κεραίες λειτουργούν σαν διανομείς σήματος. Αν και η ισχύς του σήματος σε οποιαδήποτε μεμονωμένη κατεύθυνση είναι σχετικά μέτρια, μπορούν να ακτινοβολούν σήματα παντοδύναμα εντός ενός καθορισμένου εύρους, παρέχοντας σχετικά ομοιόμορφη κάλυψη σήματος για εσωτερικούς χρήστες.
Ii. Πόλωση κεραίας: Ο 'χωρικός προσανατολισμός ' των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων
(1) Ορισμός και ουσία της πόλωσης
Η πόλωση είναι μια φυσική ποσότητα που περιγράφει με ακρίβεια τον χωροταξικό προσανατολισμό του φορέα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, αποκαλύπτοντας βαθιά τον νόμο περί διακύμανσης της χρονικής μεταβολής της κατεύθυνσης των κυμάτων ηλεκτρικού πεδίου που ακτινοβολούνται από την κεραία. Από τη μικροσκοπική άποψη, η πόλωση αντικατοπτρίζει τον τρόπο περιστροφής και τα χαρακτηριστικά προσανατολισμού του φορέα ηλεκτρικού πεδίου στο διάστημα, μια ιδιότητα που ασκεί μια βαθιά επίδραση στη μετάδοση σήματος της κεραίας και τις δυνατότητες λήψης.
(2) Ανάλυση τύπων πόλωσης
Η πόλωση της κεραίας περιλαμβάνει τρεις θεμελιώδεις κατηγορίες: γραμμική πόλωση, κυκλική πόλωση και ελλειπτική πόλωση. Η γραμμική πόλωση υποδιαιρείται περαιτέρω σε οριζόντια και κατακόρυφη πόλωση. Ένα κάθετα πολωμένο κύμα έχει την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου κάθετη προς το έδαφος, ενώ ένα οριζόντια πολωμένο κύμα έχει μια ηλεκτρική κατεύθυνση πεδίου παράλληλη προς το έδαφος. Επιπλέον, οι πόλωση στους 45 ° στο έδαφος, όπως +45 ° ή -45 °, εμπίπτουν στην κατηγορία γραμμικής πόλωσης. Η κυκλική πόλωση ταξινομείται στην αριστερή κυκλική πόλωση και στη δεξιά κυκλική πόλωση που βασίζεται στην κατεύθυνση περιστροφής του φορέα ηλεκτρικού πεδίου, του οποίου η χωρική τροχιά είναι κυκλική. Η ελλειπτική πόλωση είναι μια γενικότερη μορφή, συνδυάζοντας χαρακτηριστικά γραμμικής και κυκλικής πόλωσης, με τον φορέα ηλεκτρικού πεδίου να ανιχνεύει μια ελλειπτική διαδρομή στο διάστημα. Τόσο η κυκλική όσο και η γραμμική πόλωση μπορούν να θεωρηθούν ως ειδικές περιπτώσεις ελλειπτικής πόλωσης υπό συγκεκριμένες συνθήκες.
(3) Παραδείγματα εφαρμογών πόλωσης σε διάφορους τομείς
Στη ραδιοφωνική και τηλεοπτική εκπομπή, η κατακόρυφη πόλωση υιοθετείται συχνά για να εξασφαλιστεί σταθερή κάλυψη σήματος ευρείας περιοχής. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα κατακόρυφα πολωμένα κύματα είναι σχετικά λιγότερο ευαίσθητα στην αντανάκλαση του εδάφους και τα αποτελέσματα πολλαπλών διαδρομών κατά τη διάδοση, επιτρέποντας τη σταθερή μετάδοση σήματος.
Οι κεραίες βάσης κινητής επικοινωνίας χρησιμοποιούν κατά κύριο λόγο οριζόντια πόλωση ή ± 45 ° διασταυρούμενη πόλωση. Η οριζόντια πόλωση προσφέρει πλεονεκτήματα στην άμβλυνση των παρεμβολών συν-καναλιών, ενώ ± 45 ° διασταυρούμενη πόλωση προσαρμόζεται καλύτερα στο σύνθετο και δυναμικό περιβάλλον κινητής επικοινωνίας, ενισχύοντας την ικανότητα λήψης σήματος από διαφορετικές κατευθύνσεις και βελτίωση της αξιοπιστίας και της ικανότητας του συστήματος επικοινωνίας.
Στη δορυφορική επικοινωνία, προτιμώνται κυκλικά πολωμένες κεραίες. Λόγω των διαφορών συνεχούς στάσης των δορυφόρων στο διάστημα και της παρεμβολής από διάφορους πολύπλοκους παράγοντες κατά τη διάρκεια της διάδοσης του σήματος, οι κυκλικές πολωμένες κεραίες μπορούν να μειώσουν αποτελεσματικά την απώλεια σήματος που προκαλείται από την αναντιστοιχία της πόλωσης, εξασφαλίζοντας την απρόβλεπτη επικοινωνία μεταξύ δορυφόρων και εδάφους.
Στα συστήματα RFID, οι κυκλικές πολωμένες κεραίες είναι επίσης κρίσιμες. Ενεργοποιούν την αποτελεσματική ταυτοποίηση των ετικετών σε διαφορετικούς προσανατολισμούς, ενισχύοντας σημαντικά την αποτελεσματικότητα και την ακρίβεια της αναγνώρισης του συστήματος και την παροχή ισχυρής υποστήριξης για πολυάριθμα σενάρια εφαρμογών, όπως η διαχείριση της εφοδιαστικής και τα συστήματα ελέγχου πρόσβασης.
Iii. Εύρος ζώνης κεραίας: το 'Range Furyning ' για αποτελεσματική λειτουργία
(1) Ορισμός του εύρους ζώνης
Το εύρος ζώνης της κεραίας αναφέρεται στο εύρος συχνοτήτων εντός της οποίας η κεραία μπορεί να λειτουργεί αποτελεσματικά. Μέσα σε αυτό το εύρος, η κεραία πληροί τα προκαθορισμένα κριτήρια απόδοσης, συμπεριλαμβανομένου του κέρδους, της αναλογίας κύματος και των χαρακτηριστικών πόλωσης. Χρησιμεύει ως ζώνη συχνοτήτων όπου μπορούν να μεταδοθούν και να ληφθούν σήματα ποικίλων συχνότητας, με την κεραία να εξασφαλίζει ένα ευνοϊκό περιβάλλον για αυτές τις διαδικασίες.
(2) διάκριση τύπων εύρους ζώνης
Οι συνήθεις ορισμοί του εύρους ζώνης κεραίας περιλαμβάνουν απόλυτο εύρος ζώνης και σχετικό εύρος ζώνης. Το απόλυτο εύρος ζώνης είναι η διαφορά μεταξύ των ανώτερων και των κατώτερων ορίων της περιοχής λειτουργίας της κεραίας, με μονάδες όπως Hertz (Hz), Kilohertz (KHz) ή Megahertz (MHz). Για παράδειγμα, μια κεραία που λειτουργεί από 1GHz έως 2GHz έχει απόλυτο εύρος ζώνης 1GHz. Το σχετικό εύρος ζώνης είναι ο λόγος του απόλυτου εύρους ζώνης προς την κεντρική συχνότητα, που συνήθως εκφράζεται ως ποσοστό. Η κεντρική συχνότητα μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον αριθμητικό μέσο όρο, FCENTER = (FMAX + FMIN)/2, ή το γεωμετρικό μέσο, το οποίο είναι πιο διαδεδομένο σε λογαριθμική κλίμακα, FCENTER = SQRT (FMAX .FMIN). Το σχετικό εύρος ζώνης μπορεί επίσης να υπολογιστεί ως BWREL = 2*(FMAX - FMIN)/(FMAX + FMIN) × 100%. Γενικά, οι κεραίες στενής ζώνης έχουν σχετικό εύρος ζώνης μικρότερο από 5%, οι κεραίες ευρείας ζώνης κυμαίνονται από 5%έως 25%και οι κεραίες υπερ-ευρείας ζώνης υπερβαίνουν το 25%.
(3) Απαιτήσεις εφαρμογής του εύρους ζώνης σε διαφορετικά σενάρια
Οι κεραίες στενής ζώνης, λόγω της ισχυρής επιλεκτικότητας συχνότητας τους, χρησιμοποιούνται σε συστήματα επικοινωνίας που απαιτούν ακρίβεια υψηλής συχνότητας. Για παράδειγμα, στη μετάδοση ραδιοφώνου και τηλεόρασης, όπου οι συχνότητες λειτουργίας είναι σχετικά σταθερές, οι κεραίες στενής ζώνης παρέχουν σταθερή μετάδοση σήματος σε συγκεκριμένες συχνότητες, αποφεύγοντας την παρεμβολή από άλλα σήματα συχνότητας. Τα εξειδικευμένα συστήματα ασύρματης επικοινωνίας, όπως αυτά σε ορισμένους τομείς βιομηχανικού ελέγχου με αυστηρές απαιτήσεις για τη σταθερότητα της συχνότητας και την ανοσία παρεμβολών, επωφελούνται επίσης από τις στενές κεραίες.
Οι κεραίες ευρείας ζώνης είναι κατάλληλες για σύνθετα σενάρια επικοινωνίας που απαιτούν κάλυψη πολλαπλών ζωνών συχνοτήτων. Στους σταθμούς βάσης κινητής επικοινωνίας, η εξελισσόμενη τεχνολογία επικοινωνίας απαιτεί υποστήριξη για τη μετάδοση σήματος πολλαπλών ζωνών για να ανταποκριθεί σε διαφορετικές απαιτήσεις χρήστη και υπηρεσίας. Οι κεραίες ευρείας ζώνης διατηρούν ικανοποιητική απόδοση σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων, εξασφαλίζοντας την αποτελεσματική επικοινωνία μεταξύ σταθμών βάσης και διαφόρων τερματικών συσκευών. Ομοίως, τα ασύρματα τοπικά δίκτυα τοπικών περιοχών (WLAN) βασίζονται σε κεραίες ευρείας ζώνης για να φιλοξενήσουν ασύρματες συσκευές διαφορετικών προτύπων και ζωνών συχνοτήτων, προσφέροντας στους χρήστες βολική και υψηλής ταχύτητας συνδεσιμότητας δικτύου.
Οι κεραίες εξαιρετικά ευρείας ζώνης διαδραματίζουν μοναδικό ρόλο στην ανίχνευση ραντάρ. Το εξαιρετικά ευρύ εύρος ζώνης τους παρέχει δυνατότητες ανίχνευσης στόχου υψηλής ανάλυσης, επιτρέποντας την ακριβή αναγνώριση της θέσης, του σχήματος και της κατάστασης κίνησης. Στην επικοινωνία υψηλής ταχύτητας μικρής ταχύτητας, όπως η μετάδοση δεδομένων υψηλής ταχύτητας υψηλής ταχύτητας, οι κεραίες εξαιρετικά ευρείας ζώνης αξιοποιούν το μεγάλο τους εύρος ζώνης για να επιτύχουν ρυθμούς δεδομένων αρκετών gigabits ανά δευτερόλεπτο, ικανοποιώντας τη ζήτηση για μετάδοση δεδομένων μεγάλης ταχύτητας, μεγάλης χωρητικότητας.
Iv. Αλληλεπίδραση και ολοκληρωμένη εξέταση των τριών δεικτών
Οι τρεις βασικοί δείκτες του κέρδους της κεραίας, της πόλωσης και του εύρους ζώνης δεν είναι απομονωμένοι. Είναι αλληλένδετα και αμοιβαία επιρροή. Ο σχεδιασμός της κεραίας συχνά απαιτεί προσεκτικές συμβιβασμούς και βελτιστοποιήσεις μεταξύ αυτών των δεικτών.
Η αύξηση του κέρδους της κεραίας συνήθως περιλαμβάνει τη μείωση του ακτίνα ακτινοβολίας. Ενώ αυτό ενισχύει την ισχύ του σήματος σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, μειώνει ταυτόχρονα το εύρος ζώνης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η μείωση του ζυγού μεταβάλλει την απόκριση της κεραίας σε σήματα διαφορετικών συχνότητας, συρρικνώνοντας το αποτελεσματικό εύρος συχνοτήτων λειτουργίας.
Τα χαρακτηριστικά πόλωσης επηρεάζουν επίσης το εύρος ζώνης κεραίας και την απόδοση κέρδους. Οι κεραίες με διαφορετικούς τρόπους πόλωσης παρουσιάζουν ξεχωριστές χωρικές κατανομές και πρότυπα μεταβολής του φορέα ηλεκτρικού πεδίου κατά τη διάρκεια της ακτινοβολίας και της λήψης σήματος, οδηγώντας σε διαφορές στις δυνατότητες σύζευξης τους με σήματα ποικίλων συχνοτήτων. Για παράδειγμα, μια κυκλική πολωμένη κεραία μπορεί να παρουσιάζει εξαιρετική απόδοση κέρδους μέσα σε ορισμένες περιοχές συχνότητας, αλλά η εμπειρία αποικοδομεί την υποβάθμιση σε άλλους λόγω παραγόντων όπως η αναντιστοιχία πόλωσης, επηρεάζοντας έτσι την απόδοση του εύρους ζώνης.
Σε πρακτικές εφαρμογές, μια ολοκληρωμένη εξέταση αυτών των τριών δεικτών είναι απαραίτητη με βάση συγκεκριμένες απαιτήσεις επικοινωνίας και σενάρια κατά την επιλογή ή το σχεδιασμό μιας κατάλληλης κεραίας. Για παράδειγμα, σε ένα ορεινό έργο επικοινωνίας με υψηλές απαιτήσεις για το εύρος κάλυψης σήματος, την κατευθυντικότητα και τους αυστηρούς περιορισμούς της ζώνης συχνοτήτων, μπορεί να απαιτείται μια κεραία στενής ζώνης υψηλής απόδοσης με έναν τρόπο πόλωσης κατάλληλο για ορεινό έδαφος για να εξασφαλιστεί τα σήματα που διασχίζουν το σύνθετο έδαφος και καλύπτουν με ακρίβεια την περιοχή στόχου. Σε ένα περιβάλλον εσωτερικής επικοινωνίας ενός μεγάλου εμπορικού κέντρου, το οποίο πρέπει να υποστηρίξει πολλαπλές ασύρματες συσκευές και έχει υψηλές απαιτήσεις για το εύρος ζώνης σήματος και την ομοιομορφία κάλυψης, μια ευρεία ζώνη, κεραία χαμηλού κέρδους με τρόπο πόλωσης προσαρμόσιμη σε πολύπλοκες εσωτερικές αντανακλάσεις είναι πιο κατάλληλη, παρέχοντας σταθερή και υψηλής ταχύτητας ασύρματες υπηρεσίες δικτύου για πελάτες και προσωπικό.
Συνοπτικά, η πλήρης κατανόηση των τριών βασικών δεικτών του κέρδους της κεραίας, της πόλωσης και του εύρους ζώνης, μαζί με τις αλληλεπιδράσεις τους, αποτελεί το θεμέλιο για την επίτευξη αποτελεσματικής και αξιόπιστης ασύρματης επικοινωνίας. Μόνο μέσω της ορθολογικής βελτιστοποίησης και της διαμόρφωσης αυτών των δεικτών με βάση συγκεκριμένες ανάγκες σε πρακτικές εφαρμογές, οι κεραίες μπορούν να προσφέρουν βέλτιστες επιδόσεις, παρέχοντας μια σταθερή βάση για την πρόοδο της ασύρματης επικοινωνίας.
