U opsežnom području bežične komunikacije, antena, kao neophodna kritična komponenta, služi kao most koji povezuje svijet informacija. Njegova izvedba izravno diktira kvalitetu komunikacije. Tri osnovna pokazatelja dobitka, polarizacije i propusnosti antene analogni su kamen temeljac mosta, na temelju funkcionalnosti antene. Duboko razumijevanje ova tri pokazatelja je ključno za optimizaciju bežičnih komunikacijskih sustava i poboljšanje kvalitete prijenosa i prijema signala. U nastavku se slijedimo u svaki od ovih pokazatelja ključeva uzastopno.
I. Dobitak antene: 'mehanizam za fokusiranje ' za koncentraciju signala
(1) Definicija i konotacija dobitka
Dobitak antene ključna je metrika koja se koristi za kvantitativno karakterizirajući stupanj do kojeg se antena koncentrira i zrači ulaznom snagom. Sa stajališta komunikacije, to odražava učinkovitost antene u stvaranju signala u određenom smjeru. U idealnom scenariju, izotropni radijator s ujednačenom raspodjelom snage zrači svemirnom energijom u svemiru. Za takav radijator, dobitak je definiran kao 1, što je ekvivalentno 0db kada se izražava u decibelima. Međutim, praktične antene, kroz pažljivo konstruirane strukture, odstupaju od ovog ujednačenog obrasca zračenja, strateški koncentrirajući energiju za zračenje u specifičnim smjerovima, postižući na taj način superiorniji od onog od idealne antene iz točke.
Matematički, dobitak antene je omjer kvadrata intenziteta polja koji je stvarna antena do one proizvedena idealnim zračećim elementom u istoj prostornoj točki, dano je jednakom ulaznom snagom, tj. Omjer snage. Na primjer, za stvaranje signala određenog intenziteta na prostornoj točki, idealan izvor zračenja može zahtijevati ulaznu snagu od 126 W. Prilikom korištenja antene s dobitkom od 18 dBD, proračuni otkrivaju da je samo 2W ulazne snage dovoljno za postizanje istog ishoda. To živo ilustrira efekt 'pojačanog' pojačanja antene na signale. Važno je da ovo 'pojačanje ' ne uključuje stvarno povećanje snage signala, kao u aktivnim krugovima, već učinkovitiju raspodjelu energije.
(2) Metode izračunavanja pojačanja
Izračunavanje stvarnog pojačanja antene nije izravan aritmetički proces; To je proizvod koeficijenta usmjerenosti i učinkovitosti antene. Koeficijent usmjerenosti kvantificira omjer intenziteta zračenja antene u njegovom maksimalnom smjeru zračenja i prosječnog intenziteta zračenja idealne točke antene, intuitivno pokazujući sposobnost antene da usredotoči energiju u određenom smjeru. Učinkovitost antene čini neizbježne gubitke energije tijekom pretvorbe ulazne snage u zračenu snagu, poput toplinskih gubitaka koji proizlaze iz otpornih svojstava materijala antene.
Različite vrste antena koriste različite metodologije izračunavanja pojačanja. Za uobičajenu paraboličku antenu, dobitak se može aproksimirati pomoću formule G (DBI) = 10LG {4,5 × (d/λ0) ²}, gdje D označava promjer paraboličkog reflektora, λ0 je središnja operativna valna duljina, a 4,5 su empirijski izvedeni iz opsežnih praktičnih podataka. Dobitak vertikalne svesmjerne antene može se procijeniti putem G (DBI) = 10LG {2L/λ0}, pri čemu L predstavlja duljinu antene. 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 je također empirijski podaci.
(3) Praktične primjene dobitka
U scenarijima dugoročnih komunikacija, visoko dobitne antene, slične preciznim instrumentima, igraju vitalnu ulogu. Uzmite satelitsku komunikaciju: Značajna udaljenost između satelita i zemaljskih stanica rezultira značajnim prigušivanjem signala tijekom prijenosa. Ovdje visoko dobitne antene mogu intenzivno usmjeriti energiju signala, omogućujući mu da pređe ogromne prostorne udaljenosti i precizno dosegne ciljni prijemnik. U komunikaciji s mikrovalnim relejem, antene visokog dobitka osiguravaju da signali održavaju dovoljnu čvrstoću dugim putem prijenosa, olakšavajući stabilne i pouzdane komunikacijske veze.
Suprotno tome, u komunikacijskim okruženjima kratkog dometa, kao što je unutarnja bežična pokrivenost, situacija se razlikuje. Složena unutarnja postavka zahtijeva jednoliku raspodjelu signala u više smjerova kako bi se zadovoljila korisnicima na različitim mjestima. Stoga se pretežno koriste nisko-dobitne, svesmjerne antene. Ove antene funkcioniraju poput raspršivača signala; Iako je čvrstoća signala u bilo kojem smjeru relativno skromna, oni mogu zračiti signale svedišnim unutar definiranog raspona, pružajući relativno ujednačenu pokrivenost signala za zatvorene korisnike.
Ii. Polarizacija antene: 'prostorna orijentacija ' elektromagnetskih valova
(1) Definicija i suština polarizacije
Polarizacija je fizička količina koja precizno opisuje prostornu orijentaciju vektora električnog polja elektromagnetskih valova, duboko otkrivajući zakon o vremenskim varijacijama u smjeru električnog polja valova koji zrači antenom. Iz mikroskopske perspektive, polarizacija odražava rotacijski način i orijentacijske karakteristike vektora električnog polja u prostoru, svojstvo koje ima dubok utjecaj na mogućnosti prijenosa i prijema signala antene.
(2) Analiza vrsta polarizacije
Polarizacija antene obuhvaća tri temeljne kategorije: linearna polarizacija, kružna polarizacija i eliptična polarizacija. Linearna polarizacija dodatno je podijeljena na horizontalnu i vertikalnu polarizaciju. Vertikalno polarizirani val ima svoj električni smjer polja okomito na zemlju, dok vodoravno polarizirani val ima smjer električnog polja paralelan s tlom. Uz to, polarizacije na 45 ° do zemlje, kao što su +45 ° ili -45 °, spadaju u kategoriju linearne polarizacije. Kružna polarizacija klasificirana je u lijevu kružnu polarizaciju i desnu kružnu polarizaciju na temelju smjera rotacije vektora električnog polja, čija je prostorna putanja kružna. Eliptična polarizacija je općenitiji oblik, kombinirajući značajke linearne i kružne polarizacije, s tim da vektor električnog polja prati eliptični put u prostoru. I kružne i linearne polarizacije mogu se smatrati posebnim slučajevima eliptične polarizacije u određenim uvjetima.
(3) Primjeri primjene polarizacije u različitim poljima
U radio i televizijskom emitiranju često se prihvaća vertikalna polarizacija kako bi se osigurala stabilna pokrivenost signala širokog područja. To je zato što su vertikalno polarizirani valovi relativno manje osjetljivi na refleksiju tla i višestruke efekte tijekom širenja, što omogućava stabilni prijenos signala.
Antene mobilne komunikacijske bazne stanice pretežno koriste horizontalnu polarizaciju ili ± 45 ° unakrsnu polarizaciju. Horizontalna polarizacija nudi prednosti u ublažavanju ko-kanalnih smetnji, dok se ± 45 ° unakrsna polarizacija bolje prilagođava složenom i dinamičnom mobilnom komunikacijskom okruženju, poboljšavajući mogućnost primanja signala iz različitih smjerova i poboljšanja pouzdanosti i kapaciteta komunikacijskog sustava.
U satelitskoj komunikaciji preferiraju se kružno polarizirane antene. Zbog kontinuiranih varijacija satelita u prostoru i smetnji iz različitih složenih čimbenika tijekom širenja signala, kružno polarizirane antene mogu učinkovito smanjiti gubitak signala uzrokovan neusklađenjem polarizacije, osiguravajući neometanje komunikacije između satelita i zemaljskih stanica.
U RFID sustavima također su presudne kružno polarizirane antene. Omogućuju učinkovitu identifikaciju oznaka u različitim orijentacijama, značajno povećavajući učinkovitost i točnost prepoznavanja sustava te pružaju snažnu podršku za brojne scenarije aplikacija kao što su upravljanje logistikom i sustavi kontrole pristupa.
Iii. Širina pojasa antene: 'frekvencijski raspon ' za učinkovit rad
(1) Definicija propusnosti
Propusnost antene odnosi se na frekvencijski raspon unutar kojeg antena može djelovati učinkovito. Unutar ovog raspona, antena ispunjava unaprijed definirane kriterije performansi, uključujući karakteristike pojačanja, omjera stalnog vala i polarizacijske karakteristike. Služi kao frekvencijski pojas gdje se mogu prenijeti i primiti signali različitih frekvencija, a antena je osigurala povoljno okruženje za te procese.
(2) Razlikovanje vrsta propusnosti
Uobičajene definicije propusnosti antene uključuju apsolutnu širinu pojasa i relativnu širinu pojasa. Apsolutna širina pojasa je razlika između gornjih i donjih granica radnog frekvencijskog raspona antene, s jedinicama kao što su Hertz (HZ), Kilohertz (KHZ) ili Megahertz (MHZ). Na primjer, antena koja djeluje od 1GHz do 2GHz ima apsolutnu propusnost od 1GHz. Relativna širina pojasa je omjer apsolutne širine pojasa prema središnjoj frekvenciji, obično izražena kao postotak. Središnja frekvencija može se izračunati korištenjem aritmetičke srednje vrijednosti, fCenter = (fMax + fmin)/2, ili geometrijske srednje vrijednosti, koja je prevladavajuća na logaritamskoj skali, fcenter = sqrt (fmax⋅fmin). Relativna širina pojasa također se može izračunati kao bwrel = 2*(fmax - fmin)/(fmax + fmin) × 100%. Općenito, uske antene imaju relativnu širinu pojasa manju od 5%, širokopojasne antene kreću se od 5%do 25%, a ultra širokopojasne antene prelaze 25%.
(3) Zahtjevi za širinu pojasa u različitim scenarijima
Uske antene, zbog svoje snažne frekvencijske selektivnosti, koriste se u komunikacijskim sustavima koji zahtijevaju visoku preciznost frekvencije. Na primjer, u radijskom i televizijskom prijenosu, gdje su radne frekvencije relativno fiksne, uskopojasne antene pružaju stabilan prijenos signala na određenim frekvencijama, izbjegavajući smetnje iz drugih frekvencijskih signala. Specijalizirani bežični komunikacijski sustavi, poput onih u određenim industrijskim kontrolnim domenama sa strogim zahtjevima za stabilnost frekvencije i smetnji imunitet, također imaju koristi od uskih antena.
Širokopojasne antene pogodne su za složene scenarije komunikacije koji zahtijevaju pokrivanje više frekvencijskih pojasa. U baznim stanicama mobilne komunikacije, razvijajuća komunikacijska tehnologija zahtijeva podršku za višepojasni prijenos signala kako bi se zadovoljile različite zahtjeve korisnika i usluge. Širokopojasne antene održavaju zadovoljavajuće performanse u širokom frekvencijskom rasponu, osiguravajući učinkovitu komunikaciju između baznih stanica i različitih terminalnih uređaja. Slično tome, bežične mreže lokalnih područja (WLAN) oslanjaju se na širokopojasne antene za smještaj bežičnih uređaja različitih standarda i frekvencijskih opsega, nudeći korisnicima praktičnu i brzu mrežnu povezanost.
Ultra-široke antene igraju jedinstvenu ulogu u otkrivanju radara. Njihova izuzetno široka propusnost pruža ciljeve visoke rezolucije ciljane mogućnosti otkrivanja, omogućujući točnu identifikaciju ciljanog položaja, oblika i statusa kretanja. U komunikaciji velike brzine, kao što je zatvoreni brzi prijenos podataka, ultra širokopojasne antene utječu na veliku propusnost za postizanje brzine podataka od nekoliko gigabita u sekundi, udovoljavajući potražnji za prijenosom podataka velikog kapaciteta.
Iv. Međusobna povezanost i sveobuhvatno razmatranje tri pokazatelja
Tri ključna pokazatelja pojačanja antene, polarizacije i širine pojasa nisu izolirani; Oni su međusobno povezani i međusobno utjecajni. Dizajn antene često zahtijeva pažljivu kompromisu i optimizacije među tim pokazateljima.
Povećani dobitak antene obično uključuje sužavanje širine zračenja. Iako ovo povećava čvrstoću signala u određenom smjeru, istovremeno smanjuje propusnost. To je zato što sužavanje širine zrake mijenja odgovor antene na signale različitih frekvencija, smanjujući učinkovit raspon radne frekvencije.
Karakteristike polarizacije također utječu na propusnost antene i dobivaju performanse. Antene s različitim načinima polarizacije pokazuju različite prostorne raspodjele i varijacije uzoraka vektora električnog polja tijekom zračenja signala i prijema, što dovodi do razlika u njihovim mogućnostima spajanja sa signalima različitih frekvencija. Na primjer, kružno polarizirana antena može pokazati izvrsne performanse dobitaka u određenim rasponima frekvencije, ali doživljaj degradacije u drugima zbog faktora poput neusklađenosti polarizacije, što utječe na performanse propusnosti.
U praktičnim primjenama, sveobuhvatno razmatranje ova tri pokazatelja neophodno je na temelju specifičnih komunikacijskih zahtjeva i scenarija pri odabiru ili dizajniranju odgovarajuće antene. Na primjer, u planinskom komunikacijskom projektu s visokim zahtjevima za rasponom pokrivanja signala, usmjerenosti i strogim ograničenjima frekvencijskih opsega, možda će biti potrebna potrebna visoko dobitna, uskopoznata antena s polarizacijskim načinom pogodnim za planinski teren kako bi se osiguralo da signali prelaze složeni teren i precizno pokrivaju ciljno područje. U zatvorenom komunikacijskom okruženju velikog trgovačkog centra, koje treba podržati više bežičnih uređaja i ima visoke zahtjeve za ujednačenost propusnosti signala i ujednačenost pokrivanja, širokopojasna, niskonamjerna antena s polarizacijskim načinom prilagodljivim složenim refleksijama u zatvorenom je prikladniju, pružajući stabilne i visoke usluge bežične mreže za kupce i osoblje.
Ukratko, temeljito razumijevanje tri ključna pokazatelja dobitka, polarizacije i propusnosti antene, zajedno s njihovim međusobnim vezama, čini temelj za postizanje učinkovite i pouzdane bežične komunikacije. Samo kroz racionalnu optimizaciju i konfiguraciju ovih pokazatelja na temelju specifičnih potreba u praktičnim aplikacijama mogu antene pružiti optimalne performanse, pružajući solidne temelje za napredak bežične komunikacije.
