In het uitgebreide rijk van draadloze communicatie dient de antenne, als een onmisbare kritieke component, als een brug die de informatiewereld koppelt. De prestaties ervan bepalen direct de kwaliteit van de communicatie. De drie primaire indicatoren van antenne -winst, polarisatie en bandbreedte zijn analoog aan de hoekstenen van een brug, die de functionaliteit van de antenne ondersteunen. Een diepgaand begrip van deze drie indicatoren is cruciaal voor het optimaliseren van draadloze communicatiesystemen en het verbeteren van de kwaliteit van signaaloverdracht en ontvangst. Hieronder duiken we achtereenvolgens in elk van deze belangrijke indicatoren.
I. Antenne -winst: het 'focusmechanisme ' voor signaalconcentratie
(1) Definitie en connotatie van winst
Antenne -winst is een belangrijke metriek die wordt gebruikt om kwantitatief te karakteriseren in hoeverre een antenne concentreert en het ingangsvermogen straalt. Vanuit het oogpunt van communicatie weerspiegelt het de werkzaamheid van de antenne bij het genereren van signalen in een specifieke richting. In een ideaal scenario straalt een isotrope radiator met uniforme stroomverdeling energie omnidirectioneel in de ruimte uit. Voor een dergelijke radiator wordt de winst gedefinieerd als 1, equivalent aan 0dB wanneer uitgedrukt in decibel. Praktische antennes wijken echter door zorgvuldig gemanipuleerde structuren af van dit uniforme stralingspatroon, waardoor energie zich strategisch concentreert op straling in specifieke richtingen, waardoor een versterking wordt bereikt die superieur is aan die van een ideale point-source antenne.
Wiskundig is de antenne -winst de verhouding van het kwadraat van de veldintensiteit die wordt gegenereerd door de werkelijke antenne tot die geproduceerd door een ideaal stralend element op hetzelfde ruimtelijke punt, gegeven gelijk inputvermogen, dwz de vermogensverhouding. Om bijvoorbeeld een signaal van een bepaalde intensiteit op een ruimtelijk punt te genereren, kan een ideale stralingsbron een invoerkracht van 126W vereisen. Bij het gebruik van een antenne met een winst van 18DBD onthullen de berekeningen dat slechts 2W inputmacht voldoende is om hetzelfde resultaat te bereiken. Dit illustreert levendig het 'amplificatie-achtige ' -effect van antenne-winst op signalen. Belangrijk is dat deze 'versterking ' geen daadwerkelijke toename van signaalvermogen omvat, zoals bij actieve circuits, maar eerder een efficiëntere directionele toewijzing van energie.
(2) Berekeningsmethoden van winst
De berekening van de werkelijke antenne -winst is geen eenvoudig rekenproces; Het is het product van de directiviteitscoëfficiënt en antenne -efficiëntie. De directiviteitscoëfficiënt kwantificeert de verhouding van de stralingsintensiteit van de antenne in zijn maximale stralingsrichting tot de gemiddelde stralingsintensiteit van een ideale punt-source antenne, waardoor het vermogen van de antenne intuïtief wordt aangetoond om energie te concentreren in een specifieke richting. De antenne -efficiëntie verklaart onvermijdelijke energieverliezen tijdens de omzetting van inputvermogen naar uitgestraald vermogen, zoals thermische verliezen die voortvloeien uit de resistieve eigenschappen van het antennemateriaal.
Diverse antenne -typen maken gebruik van verschillende winstberekeningsmethoden. Voor de gemeenschappelijke parabolische antenne kan versterking worden benaderd met behulp van de formule G (DBI) = 10LG {4,5 × (d/λ0) ²}, waarbij D de diameter van de parabole reflector aangeeft, is λ0 de centrale operationele golflengte en 4,5 is afgeleid van uitgebreide praktische waarnemingen. De versterking van een verticale omnidirectionele antenne kan worden geschat via g (dbi) = 10lg {2l/λ0}, waarbij l de antenne -lengte weergeeft. Bovendien kan versterking worden berekend op basis van de halfkracht (3DB) beamwidths in de twee hoofdvliegtuigen (e-vlak en h-vlak) met behulp van de formule G (dbi) = 10lg {32000/(2θ3db, E × 2θ3db, h)}, waarbij 2θ3db, e en 2θ3db, h zijn de balkwidths in de respectieve planen in de balkwidths in de respectieve planen in de respectieve planen in de respectieve planen in de respectieve planen in de respectieve planen in de respectieve planen in de respectieve principaal. 32000 zijn ook empirische gegevens.
(3) Praktische toepassingen van winst
In langetermijncommunicatiescenario's spelen high-gain antennes, verwant aan precisie-instrumenten, een cruciale rol. Neem satellietcommunicatie: de substantiële afstand tussen satellieten en grondstations resulteert in een significante signaalverzwakking tijdens de transmissie. Hier kunnen antennes met een hoog gain intens signaalergie focussen, waardoor het enorme ruimtelijke afstanden kan doorkruisen en de doelontvanger nauwkeurig kunnen bereiken. In de communicatie van de magnetron zorgen ervoor dat antennes met hoge gain ervoor zorgen dat signalen voldoende sterkte in het langdurige transmissiepad behouden, waardoor stabiele en betrouwbare communicatieverbindingen worden vergemakkelijkt.
Omgekeerd verschilt de situatie in communicatieomgevingen op korte afstand zoals de draadloze dekking binnenshuis. De complexe binneninstelling vereist een uniforme signaalverdeling over meerdere richtingen om tegemoet te komen aan gebruikers op verschillende locaties. Daarom worden omnidirectionele antennes met een lage gain voornamelijk gebruikt. Deze antennes functioneren als signaalspreiders; Hoewel de signaalsterkte in een enkele richting relatief bescheiden is, kunnen ze signalen omnidirectioneel binnen een gedefinieerd bereik uitstralen, wat een relatief uniforme signaaldekking biedt voor binnengebruikers.
II. Antenne -polarisatie: de 'ruimtelijke oriëntatie ' van elektromagnetische golven
(1) Definitie en essentie van polarisatie
Polarisatie is een fysieke hoeveelheid die de ruimtelijke oriëntatie van de elektrische veldvector van elektromagnetische golven nauwkeurig beschrijft, waardoor de temporele variatiewet van de elektrische veldrichting van golven die door de antenne worden uitgestraald, diep onthult. Vanuit een microscopisch perspectief weerspiegelt polarisatie de rotatiemodus en de oriëntatiekarakteristieken van de elektrische veldvector in de ruimte, een eigenschap die een grote invloed heeft op de signaaltransmissie- en ontvangstmogelijkheden van de antenne.
(2) Analyse van polarisatietypen
Antenne -polarisatie omvat drie fundamentele categorieën: lineaire polarisatie, circulaire polarisatie en elliptische polarisatie. Lineaire polarisatie wordt verder onderverdeeld in horizontale en verticale polarisatie. Een verticaal gepolariseerde golf heeft zijn elektrische veldrichting loodrecht op de grond, terwijl een horizontaal gepolariseerde golf een elektrische veldrichting parallel aan de grond heeft. Bovendien vallen polarisaties bij 45 ° tot de grond, zoals +45 ° of -45 °, onder de categorie lineaire polarisatie. Circulaire polarisatie wordt geclassificeerd in linker circulaire polarisatie en circulaire polarisatie van de rechter op basis van de rotatierichting van de elektrische veldvector, waarvan het ruimtelijk traject cirkelvormig is. Elliptische polarisatie is een meer algemene vorm, die kenmerken van lineaire en cirkelvormige polarisatie combineren, waarbij de elektrische veldvector een elliptisch pad in de ruimte volgt. Zowel circulaire als lineaire polarisaties kunnen worden beschouwd als speciale gevallen van elliptische polarisatie onder specifieke omstandigheden.
(3) Toepassingsvoorbeelden van polarisatie op verschillende gebieden
In radio- en televisie-uitzending wordt verticale polarisatie vaak aangenomen om een stabiele breedtesignaaldekking te garanderen. Dit komt omdat verticaal gepolariseerde golven relatief minder gevoelig zijn voor grondreflectie en multipad -effecten tijdens voortplanting, waardoor stabiele signaaltransmissie mogelijk wordt.
Mobiele communicatie-basisstation antennes gebruiken voornamelijk horizontale polarisatie of ± 45 ° kruispolarisatie. Horizontale polarisatie biedt voordelen bij het verminderen van co-kanaal interferentie, terwijl ± 45 ° kruispolarisatie zich beter aanpast aan de complexe en dynamische mobiele communicatieomgeving, waardoor de mogelijkheid wordt verbeterd om signalen uit verschillende richtingen te ontvangen en de betrouwbaarheid en capaciteit van het communicatiesysteem te verbeteren.
In satellietcommunicatie hebben circulair gepolariseerde antennes de voorkeur. Vanwege de continue houdingvariaties van satellieten in de ruimte en de interferentie van verschillende complexe factoren tijdens signaalpropagatie, kunnen circulair gepolariseerde antennes het signaalverlies veroorzaakt door polarisatie -mismatch effectief verminderen, waardoor ongehinderde communicatie tussen satellieten en grondstations wordt gewaarborgd.
In RFID -systemen zijn circulair gepolariseerde antennes ook cruciaal. Ze maken een effectieve identificatie van tags in verschillende oriëntaties mogelijk, waardoor de herkenningsefficiëntie en nauwkeurigheid van het systeem aanzienlijk wordt verbeterd en robuuste ondersteuning bieden voor tal van applicatiescenario's zoals logistiekbeheer en toegangscontrolesystemen.
Iii. Antenne -bandbreedte: de 'frequentiebereik ' voor een effectieve bewerking
(1) Definitie van bandbreedte
Antenne -bandbreedte verwijst naar het frequentiebereik waarbinnen de antenne effectief kan werken. Binnen dit bereik voldoet de antenne aan vooraf gedefinieerde prestatiecriteria, inclusief versterking, staande golfverhouding en polarisatiekarakteristieken. Het dient als een frequentieband waar signalen van verschillende frequenties kunnen worden overgedragen en ontvangen, waarbij de antenne een gunstige omgeving voor deze processen zorgt.
(2) onderscheid tussen bandbreedtetypen
Gemeenschappelijke definities van antenne bandbreedte omvatten absolute bandbreedte en relatieve bandbreedte. Absolute bandbreedte is het verschil tussen de bovenste en ondergrenzen van het werkfrequentiebereik van de antenne, met eenheden zoals Hertz (Hz), Kilohertz (KHZ) of Megahertz (MHz). Een antenne die werkt van 1 GHz tot 2GHz heeft bijvoorbeeld een absolute bandbreedte van 1 GHz. Relatieve bandbreedte is de verhouding van de absolute bandbreedte tot de middenfrequentie, meestal uitgedrukt als een percentage. De middenfrequentie kan worden berekend met behulp van het rekenkundig gemiddelde, fCenter = (fmax + fmin)/2, of het geometrische gemiddelde, dat vaker voorkomt op een logaritmische schaal, fCenter = sqrt (fmax⋅fmin). Relatieve bandbreedte kan ook worden berekend als bwrel = 2*(fmax - fmin)/(fmax + fmin) × 100%. Over het algemeen hebben smalbandantennes een relatieve bandbreedte van minder dan 5%, wideband-antennes variëren van 5%tot 25%en ultra-wideband-antennes overschrijden 25%.
(3) Toepassingsvereisten van bandbreedte in verschillende scenario's
Smalbandantennes, vanwege hun sterke frequentieselectiviteit, worden gebruikt in communicatiesystemen die een hoge frequentie -precisie vereisen. Bijvoorbeeld, in radio- en televisietransmissie, waar bedrijfsfrequenties relatief vast zijn, bieden smalbandantennes stabiele signaaltransmissie bij specifieke frequenties, waardoor interferentie van andere frequentiesignalen wordt vermeden. Gespecialiseerde draadloze communicatiesystemen, zoals die in bepaalde industriële controledomeinen met strenge vereisten voor frequentiestabiliteit en interferentie -immuniteit, profiteren ook van smalbandantennes.
Wideband -antennes zijn geschikt voor complexe communicatiescenario's die dekking van meerdere frequentiebanden vereisen. In mobiele communicatie-basisstations vereist de zich ontwikkelende communicatietechnologie ondersteuning voor multi-band signaaltransmissie om te voldoen aan diverse gebruikers- en servicevereisten. Wideband -antennes behouden bevredigende prestaties over een breed frequentiebereik, waardoor een efficiënte communicatie tussen basisstations en verschillende terminale apparaten wordt gewaarborgd. Evenzo zijn Wireless Local Area Networks (WLAN) afhankelijk van Wideband-antennes om draadloze apparaten van verschillende normen en frequentiebanden te huisvesten, waardoor gebruikers handige en snelle netwerkconnectiviteit bieden.
Ultra-brede bandantennes spelen een unieke rol bij radardetectie. Hun extreem brede bandbreedte biedt hoge resolutie doeldetectiemogelijkheden, waardoor een nauwkeurige identificatie van doelpositie, vorm en bewegingsstatus mogelijk is. In korte-snelheidscommunicatie op korte afstand, zoals indoor high-speed gegevensoverdracht, maakt ultra-wijdbandantennes gebruik van hun grote bandbreedte om gegevenssnelheden van verschillende gigabits per seconde te bereiken, waardoor voldoet aan de vraag naar high-speed, gegevensoverdracht met grote capaciteit.
IV. Onderlinge relatie en uitgebreide overweging van de drie indicatoren
De drie belangrijkste indicatoren van antenne -winst, polarisatie en bandbreedte zijn niet geïsoleerd; Ze zijn onderling verbonden en wederzijds invloedrijk. Antenne-ontwerp vereist vaak zorgvuldige afwegingen en optimalisaties tussen deze indicatoren.
Toenemende antenne -versterking omvat typisch het verkleinen van de straling bundelbreedte. Hoewel dit de signaalsterkte in een specifieke richting verbetert, vermindert het de bandbreedte tegelijkertijd. Dit komt omdat het verkleinen van de beambreedte de reactie van de antenne op signalen van verschillende frequenties verandert, waardoor het effectieve werkfrequentiebereik krimpt.
Polarisatiekarakteristieken hebben ook invloed op de bandbreedte van de antennes en de prestaties. Antennes met verschillende polarisatiemodi vertonen verschillende ruimtelijke verdelingen en variatiepatronen van de elektrische veldvector tijdens signaalstraling en ontvangst, wat leidt tot verschillen in hun koppelingsmogelijkheden met signalen van verschillende frequenties. Een circulair gepolariseerde antenne kan bijvoorbeeld uitstekende versterkingsprestaties vertonen binnen bepaalde frequentiebereiken, maar ervaren winstafbraak bij andere als gevolg van factoren zoals polarisatiemismatch, waardoor de prestaties van de bandbreedte worden beïnvloed.
In praktische toepassingen is een uitgebreide overweging van deze drie indicatoren essentieel op basis van specifieke communicatievereisten en scenario's bij het selecteren of ontwerpen van een geschikte antenne. Bijvoorbeeld, in een bergachtig communicatieproject met hoge eisen aan signaaldekkingsbereik, directionaliteit en strikte frequentiebandbeperkingen, kan een nalige bandantenne met hoge gain met een polarisatiemodus die geschikt is voor bergachtig terrein nodig is om te zorgen voor signalen die complex terrein doorkruisen en het doelgebied nauwkeurig bedekken. In de indoorcommunicatieomgeving van een groot winkelcentrum, die meerdere draadloze apparaten moet ondersteunen en hoge vereisten heeft voor signaalbandbreedte en dekking uniformiteit, is een wideband, low-gain antenne met een polarisatiemodus die aanpasbaar is aan complexe binnenreflecties voor binnenshuis, geschikt voor stabiele en high-speed draadloze netwerkdiensten voor klanten en personeel.
Samenvattend vormt een grondig begrip van de drie belangrijkste indicatoren van antenne -winst, polarisatie en bandbreedte, samen met hun onderlinge relaties, de basis voor het bereiken van efficiënte en betrouwbare draadloze communicatie. Alleen door rationele optimalisatie en configuratie van deze indicatoren op basis van specifieke behoeften in praktische toepassingen kunnen antennes optimale prestaties leveren, waardoor een solide basis is voor de vooruitgang van draadloze communicatie.
