Dans le vaste domaine de la communication sans fil, l'antenne, en tant que composant critique indispensable, sert de pont reliant le monde de l'information. Ses performances dicte directement la qualité de la communication. Les trois principaux indicateurs du gain de l'antenne, de la polarisation et de la bande passante sont analogues aux pierres angulaires d'un pont, sous-tendez la fonctionnalité de l'antenne. Une compréhension profonde de ces trois indicateurs est essentielle pour optimiser les systèmes de communication sans fil et améliorer la qualité de la transmission et de la réception du signal. Ci-dessous, nous nous plongeons dans chacun de ces indicateurs clés séquentiellement.
I. Gain d'antenne: le 'mécanisme de mise au point ' pour la concentration du signal
(1) Définition et connotation du gain
Le gain d'antenne est une métrique clé utilisée pour caractériser quantitativement la mesure dans laquelle une antenne se concentre et rayonne la puissance d'entrée. Du point de vue de la communication, il reflète l'efficacité de l'antenne dans la génération de signaux dans une direction spécifique. Dans un scénario idéal, un radiateur isotrope avec une distribution de puissance uniforme rayonne de manière omnidirectionnelle dans l'espace. Pour un tel radiateur, le gain est défini comme 1, équivalent à 0 dB lorsqu'il est exprimé en décibels. Cependant, les antennes pratiques, à travers des structures méticuleusement modifiées, s'écartent de ce modèle de rayonnement uniforme, concentrant stratégiquement l'énergie pour le rayonnement dans des directions spécifiques, atteignant ainsi un gain supérieur à celui d'une antenne ponctuelle idéale.
Mathématiquement, le gain d'antenne est le rapport du carré de l'intensité du champ généré par l'antenne réelle à celle produite par un élément rayonnant idéal au même point spatial, étant donné une puissance d'entrée égale, c'est-à-dire le rapport de puissance. Par exemple, pour générer un signal d'une intensité particulière à un point spatial, une source de rayonnement idéale pourrait nécessiter une puissance d'entrée de 126W. Lors de l'utilisation d'une antenne avec un gain de 18 dBD, les calculs révèlent qu'un seul 2 W de puissance d'entrée suffit pour atteindre le même résultat. Cela illustre très bien l'effet 'comme ' de type amplification du gain d'antenne sur les signaux. Surtout, cette 'amplification ' n'implique pas une augmentation réelle de la puissance du signal, comme dans les circuits actifs, mais plutôt une allocation directionnelle plus efficace de l'énergie.
(2) Méthodes de calcul du gain
Le calcul du gain de l'antenne réel n'est pas un processus arithmétique simple; Il s'agit du produit du coefficient de directivité et de l'efficacité de l'antenne. Le coefficient de directivité quantifie le rapport de l'intensité de rayonnement de l'antenne dans sa direction de rayonnement maximale à l'intensité de rayonnement moyenne d'une antenne ponctuelle idéale, démontrant intuitivement la capacité de l'antenne à concentrer l'énergie dans une direction spécifique. L'efficacité de l'antenne explique des pertes d'énergie inévitables lors de la conversion de la puissance d'entrée en puissance rayonnée, telles que les pertes thermiques résultant des propriétés résistives du matériau de l'antenne.
Divers types d'antennes utilisent des méthodologies de calcul de gain distinctes. Pour l'antenne parabolique commune, le gain peut être approximé à l'aide de la formule G (DBI) = 10lg {4.5 × (d / λ0) ²}, où D désigne le diamètre du réflecteur parabolique, λ0 est la longueur d'onde de fonctionnement centrale, et 4.5 est des données empiriques dérivées de nombreuses observations pratiques. Le gain d'une antenne omnidirectionnelle verticale peut être estimé via g (dbi) = 10lg {2l / λ0}, avec L représentant la longueur de l'antenne. 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 est également des données empiriques.
(3) Applications pratiques du gain
Dans les scénarios de communication à longue portée, les antennes à gain élevé, apparentées aux instruments de précision, jouent un rôle vital. Prendre la communication par satellite: La distance substantielle entre les satellites et les stations au sol entraîne une atténuation significative du signal pendant la transmission. Ici, les antennes à gain élevé peuvent concentrer intensément l'énergie du signal, lui permettant de traverser de vastes distances spatiales et d'atteindre avec précision le récepteur cible. Dans la communication du relais micro-ondes, les antennes à gain élevé garantissent que les signaux maintiennent une résistance suffisante le long du long chemin de transmission, facilitant les liaisons de communication stables et fiables.
À l'inverse, dans des environnements de communication à court terme tels que la couverture sans fil intérieure, la situation diffère. Le paramètre intérieur complexe exige une distribution de signal uniforme dans plusieurs directions pour répondre aux utilisateurs à divers endroits. Par conséquent, les antennes omnidirectionnelles à faible gain sont principalement utilisées. Ces antennes fonctionnent comme des épandeurs de signal; Bien que la résistance du signal dans n'importe quelle direction soit relativement modeste, ils peuvent rayonner les signaux omnidirectionnellement dans une plage définie, offrant une couverture de signal relativement uniforme pour les utilisateurs intérieurs.
Ii Polarisation de l'antenne: l'orientation spatiale 'des ondes électromagnétiques
(1) Définition et essence de la polarisation
La polarisation est une quantité physique qui décrit précisément l'orientation spatiale du vecteur de champ électrique des ondes électromagnétiques, révélant profondément la loi de variation temporelle de la direction du champ électrique des vagues rayonnées par l'antenne. D'un point de vue microscopique, la polarisation reflète le mode de rotation et les caractéristiques d'orientation du vecteur de champ électrique dans l'espace, une propriété qui exerce une influence profonde sur les capacités de transmission et de réception du signal de l'antenne.
(2) Analyse des types de polarisation
La polarisation de l'antenne englobe trois catégories fondamentales: polarisation linéaire, polarisation circulaire et polarisation elliptique. La polarisation linéaire est encore subdivisée en polarisation horizontale et verticale. Une onde polarisée verticalement a sa direction de champ électrique perpendiculaire au sol, tandis qu'une onde polarisée horizontalement a une direction de champ électrique parallèle au sol. De plus, les polarisations à 45 ° au sol, telles que + 45 ° ou -45 °, tombent sous la catégorie de polarisation linéaire. La polarisation circulaire est classée en polarisation circulaire de main gauche et polarisation circulaire droite basée sur la direction de rotation du vecteur de champ électrique, dont la trajectoire spatiale est circulaire. La polarisation elliptique est une forme plus générale, combinant des caractéristiques de polarisation linéaire et circulaire, avec le vecteur de champ électrique traçant un chemin elliptique dans l'espace. Les polarisations circulaires et linéaires peuvent être considérées comme des cas particuliers de polarisation elliptique dans des conditions spécifiques.
(3) des exemples d'application de polarisation dans divers domaines
Dans la radio et la télévision, la polarisation verticale est fréquemment adoptée pour assurer une couverture stable de signal de grande région. En effet, les ondes polarisées verticalement sont relativement moins sensibles à la réflexion du sol et aux effets de trajets multiples pendant la propagation, permettant une transmission stable du signal.
Les antennes de la station de base de communication mobile utilisent principalement une polarisation horizontale ou une polarisation croisée ± 45 °. La polarisation horizontale offre des avantages dans l'atténuation des interférences du co-canal, tandis que ± 45 ° la polarisation croisée s'adapte de mieux à l'environnement de communication mobile complexe et dynamique, améliorant la capacité de recevoir des signaux provenant de directions diverses et améliorant la fiabilité et la capacité du système de communication.
Dans la communication par satellite, les antennes polarisées circulaires sont préférées. En raison des variations d'attitude continues des satellites dans l'espace et de l'interférence de divers facteurs complexes pendant la propagation du signal, les antennes polarisées circulairement peuvent réduire efficacement la perte de signal causée par la non-concordance de polarisation, garantissant une communication sans entrave entre les satellites et les stations au sol.
Dans les systèmes RFID, les antennes polarisées circulaires sont également cruciales. Ils permettent une identification efficace des étiquettes dans différentes orientations, améliorant considérablement l'efficacité et la précision de la reconnaissance du système, et fournissant un support robuste pour de nombreux scénarios d'application tels que la gestion de la logistique et les systèmes de contrôle d'accès.
Iii. Bande passante d'antenne: la 'gamme de fréquences ' pour un fonctionnement efficace
(1) Définition de la bande passante
La bande passante de l'antenne fait référence à la plage de fréquences dans laquelle l'antenne peut fonctionner efficacement. Dans cette plage, l'antenne répond aux critères de performance prédéfinis, y compris le gain, le rapport des ondes debout et les caractéristiques de polarisation. Il sert de bande de fréquences où des signaux de fréquences variables peuvent être transmis et reçus, l'antenne garantissant un environnement favorable pour ces processus.
(2) distinction des types de bande passante
Les définitions courantes de la bande passante d'antenne comprennent la bande passante absolue et la bande passante relative. La bande passante absolue est la différence entre les limites supérieures et inférieures de la gamme de fréquences de fonctionnement de l'antenne, avec des unités telles que Hertz (Hz), Kilohertz (KHz) ou Megahertz (MHz). Par exemple, une antenne opérant de 1 GHz à 2 GHz a une bande passante absolue de 1 GHz. La bande passante relative est le rapport de la bande passante absolue à la fréquence centrale, généralement exprimée en pourcentage. La fréquence centrale peut être calculée en utilisant la moyenne arithmétique, FCenter = (FMAX + FMIN) / 2, ou la moyenne géométrique, qui est plus répandue à l'échelle logarithmique, FCenter = SQRT (FMAX⋅FMIN). La bande passante relative peut également être calculée comme bwel = 2 * (fmax - fmin) / (fmax + fmin) × 100%. Généralement, les antennes à bande étroite ont une bande passante relative inférieure à 5%, les antennes à large bande varient de 5% à 25% et les antennes ultra-larges dépassent 25%.
(3) les exigences d'application de la bande passante dans différents scénarios
Les antennes à bande étroite, en raison de leur forte sélectivité de fréquence, sont utilisées dans des systèmes de communication nécessitant une précision à haute fréquence. Par exemple, dans la transmission radio et télévisée, où les fréquences de fonctionnement sont relativement fixes, les antennes à bande étroite fournissent une transmission de signal stable à des fréquences spécifiques, en évitant les interférences des autres signaux de fréquence. Des systèmes de communication sans fil spécialisés, tels que ceux de certains domaines de contrôle industriel avec des exigences strictes pour la stabilité en fréquence et l'immunité des interférences, bénéficient également d'antennes à bande étroite.
Les antennes à large bande conviennent aux scénarios de communication complexes nécessitant une couverture de plusieurs bandes de fréquences. Dans les stations de base de communication mobiles, l'évolution des technologies de communication nécessite la prise en charge de la transmission de signaux multi-bandes pour répondre à diverses demandes d'utilisateurs et de services. Les antennes à large bande maintiennent des performances satisfaisantes dans une large gamme de fréquences, assurant une communication efficace entre les stations de base et divers dispositifs terminaux. De même, les réseaux locaux sans fil (WLAN) reposent sur des antennes à large bande pour accueillir les appareils sans fil de différentes normes et bandes de fréquence, offrant aux utilisateurs une connectivité réseau pratique et à grande vitesse.
Les antennes ultra-larges jouent un rôle unique dans la détection radar. Leur bande passante extrêmement large offre des capacités de détection cible à haute résolution, permettant une identification précise de la position cible, de la forme et de l'état de mouvement. Dans la communication à courte portée, tels que la transmission de données à grande vitesse intérieure, les antennes ultra-larges exploitent leur grande bande passante pour atteindre les débits de données de plusieurs gigabits par seconde, répondant à la demande de transmission de données à grande capacité à grande capacité.
Iv. Interrelation et considération complète des trois indicateurs
Les trois indicateurs clés du gain de l'antenne, de la polarisation et de la bande passante ne sont pas isolés; Ils sont interdépendants et influents mutuellement. La conception de l'antenne nécessite souvent des compromis et des optimisations soigneux parmi ces indicateurs.
L'augmentation du gain d'antenne implique généralement de réduire la largeur de rayonnement. Bien que cela améliore la force du signal dans une direction spécifique, il réduit simultanément la bande passante. En effet
Les caractéristiques de polarisation ont également un impact sur la bande passante de l'antenne et les performances de gain. Les antennes avec différents modes de polarisation présentent des distributions spatiales distinctes et des modèles de variation du vecteur de champ électrique pendant le rayonnement et la réception du signal, conduisant à des différences dans leurs capacités de couplage avec des signaux de fréquences variables. Par exemple, une antenne polarisée circulaire peut présenter d'excellentes performances de gain dans certaines gammes de fréquences, mais une dégradation du gain de l'expérience dans d'autres en raison de facteurs tels que l'inadéquation de polarisation, affectant ainsi les performances de la bande passante.
Dans les applications pratiques, une considération complète de ces trois indicateurs est essentielle sur la base d'exigences et de scénarios de communication spécifiques lors de la sélection ou de la conception d'une antenne appropriée. Par exemple, dans un projet de communication montagneux avec une forte exigence sur la gamme de couverture du signal, la directionnalité et les contraintes de bande de fréquence strictes, une antenne à bande étroite à haut gain avec un mode de polarisation adapté à un terrain montagneux peut être nécessaire pour assurer que les signaux traversent le terrain complexe et couvrent avec précision la zone cible. Dans l'environnement de communication intérieur d'un grand centre commercial, qui doit prendre en charge plusieurs appareils sans fil et a des exigences élevées pour la bande passante de signal et l'uniformité de couverture, une antenne à large bande et à faible gain avec un mode de polarisation adaptable aux réflexions intérieures complexes est plus appropriée, offrant des services de réseau sans fil stables et haut débit pour les clients et le personnel.
En résumé, une compréhension approfondie des trois indicateurs clés du gain de l'antenne, de la polarisation et de la bande passante, ainsi que leurs interrelations, constituent les bases de la réalisation d'une communication sans fil efficace et fiable. Ce n'est que par l'optimisation rationnelle et la configuration de ces indicateurs basés sur des besoins spécifiques dans les applications pratiques que les antennes peuvent fournir des performances optimales, offrant une base solide pour l'avancement de la communication sans fil.
