W obszernej dziedzinie komunikacji bezprzewodowej antena, jako niezbędny element krytyczny, służy jako most łączący świat informacji. Jego wydajność bezpośrednio dyktuje jakość komunikacji. Trzy podstawowe wskaźniki wzmocnienia anteny, polaryzacji i szerokości pasma są analogiczne do kamieni węgielnych mostu, u podstaw funkcjonalności anteny. Głębokie zrozumienie tych trzech wskaźników jest kluczowe dla optymalizacji systemów komunikacji bezprzewodowej i zwiększenia jakości transmisji i odbioru sygnału. Poniżej zagłębiamy się w każdy z tych kluczowych wskaźników sekwencyjnie.
I. wzmocnienie anteny: „mechanizm ogniskowania ” dla stężenia sygnału
(1) Definicja i konotacja wzmocnienia
Zwiększenie anteny jest kluczową metryką zastosowaną do ilościowej scharakteryzowania stopnia, w jakim antena koncentruje się i promieniuje mocą wejściową. Z punktu widzenia komunikacji odzwierciedla skuteczność anteny w generowaniu sygnałów w określonym kierunku. W idealnym scenariuszu izotropowy chłodnica z jednolitym rozkładem mocy promieniuje energią wszechobecnie w przestrzeni. W przypadku takiego chłodnicy wzmocnienie jest zdefiniowane jako 1, równoważne 0dB, gdy jest wyrażone w decybelach. Jednak praktyczne anteny, poprzez skrupulatnie zmodyfikowane struktury, odbiegają od tego jednolitego wzorca promieniowania, strategicznie koncentrując energię promieniowania w określonych kierunkach, osiągając w ten sposób zysk wyższy niż idealna antena punktowa.
Matematycznie wzmocnienie anteny jest stosunkiem kwadratu intensywności pola generowanego przez rzeczywistą antenę do wytworzonego przez idealny element promieniujący w tym samym punkcie przestrzennym, biorąc pod uwagę równą moc wejściową, tj. Stosunek mocy. Na przykład, aby wygenerować sygnał określonej intensywności w punkcie przestrzennym, idealne źródło promieniowania może wymagać mocy wejściowej 126 W. Podczas korzystania z anteny z wzmocnieniem 18DBD obliczenia ujawniają, że zaledwie 2 W mocy wejściowej wystarczy osiągnąć ten sam wynik. To żywo ilustruje „wzmocnienie podobne do wzmocnienia” wzmocnienia anteny na sygnały. Co ważne, ta „wzmocnienie” nie wiąże się z faktycznym wzrostem mocy sygnału, jak w obwodach aktywnych, ale raczej bardziej wydajnym kierunkowym alokacji energii.
(2) Metody obliczania wzmocnienia
Obliczenie faktycznego wzmocnienia anteny nie jest prostym procesem arytmetycznym; Jest iloczynem współczynnika kierunkowości i wydajności anteny. Współczynnik kierunkowości kwantyfikuje stosunek intensywności promieniowania anteny w jej maksymalnym kierunku promieniowania do średniej intensywności promieniowania idealnej anteny źródłowej, intuicyjnie wykazując zdolność anteny do ustawiania energii w określonym kierunku. Wydajność anteny uwzględnia nieuniknione straty energii podczas konwersji mocy wejściowej do mocy promieniowanej, takich jak straty cieplne wynikające z właściwości rezystancyjnych materiału antenowego.
Różnorodne typy anten stosują różne metodologie obliczania wzmocnienia. W przypadku wspólnej anteny parabolicznej wzmocnienia można aproksymować przy użyciu wzoru G (DBI) = 10lg {4,5 × (d/λ0) ²}, gdzie D oznacza średnicę parabolicznego reflektora, λ0 jest centralną długością fali operacyjnej, a 4,5 to dane empiryczne pochodzące z szeroko zakrojonych obserwacji praktycznych. Wzmocnienie pionowej anteny antenowej można oszacować za pomocą g (dbi) = 10lg {2l/λ0}, przy czym L reprezentuje długość anteny. Dodatkowo wzmocnienie można obliczyć na podstawie szerokości wiązki pół mocy (3dB) w dwóch głównych płaszczyznach (płaszczyznę E i płyn H) przy użyciu wzoru g (dbi) = 10lg {32000/(2θ3db, e × 2θ3db, h)}, gdzie 2θ3db, e i 2θ3db, h to wiązki na liście głównej. 32000 to również dane empiryczne.
(3) Praktyczne zastosowanie wzmocnienia
W scenariuszach komunikacyjnych dalekiego zasięgu anteny o wysokiej wartości, podobne do instrumentów precyzyjnych, odgrywają istotną rolę. Weź komunikację satelitarną: znaczna odległość między satelitami i stacji naziemnej powoduje znaczne tłumienie sygnału podczas transmisji. Tutaj anteny o wysokiej wartości mogą intensywnie skupić energię sygnałową, umożliwiając jej przemierzanie rozległych odległości przestrzennych i dokładne dotarcie do docelowego odbiornika. W komunikacji przekaźnikowej mikrofalowej anteny o wysokiej gaenie zapewniają, że sygnały utrzymują wystarczającą wytrzymałość wzdłuż długiej ścieżki transmisji, ułatwiając stabilne i niezawodne łącza komunikacyjne.
I odwrotnie, w środowiskach komunikacyjnych krótkiego zasięgu, takich jak pokrycie bezprzewodowe, sytuacja różni się. Złożone ustawienie wewnętrzne wymaga jednolitego rozkładu sygnału w wielu kierunkach, aby zaspokoić użytkowników w różnych lokalizacjach. Stąd niski gain, anteny wszechniżne są głównie wykorzystywane. Te anteny działają jak rozciągające się sygnały; Chociaż wytrzymałość sygnału w dowolnym kierunku jest stosunkowo niewielka, mogą one promieniować sygnałami, pomnidiryccyjnie w określonym zakresie, zapewniając stosunkowo jednolite pokrycie sygnału dla użytkowników wewnętrznych.
Ii. Polaryzacja anteny: „Orientacja przestrzenna ” fal elektromagnetycznych
(1) Definicja i esencja polaryzacji
Polaryzacja jest wielkością fizyczną, która precyzyjnie opisuje przestrzenną orientację wektora pola elektrycznego fal elektromagnetycznych, głęboko ujawniającym czasowe prawo zmian elektrycznych kierunków fali promieniowanych przez antenę. Z mikroskopijnego punktu widzenia polaryzacja odzwierciedla tryb obrotowy i charakterystykę orientacyjną wektora pola elektrycznego w przestrzeni, właściwość, która wywiera głęboki wpływ na transmisję sygnału i odbiór anteny.
(2) Analiza typów polaryzacji
Polaryzacja anteny obejmuje trzy podstawowe kategorie: polaryzację liniową, polaryzację okrągłą i polaryzację eliptyczną. Liniowa polaryzacja jest dalej podzielona na polaryzację poziomą i pionową. Fala spolaryzowana pionowo ma swój kierunek pola elektrycznego prostopadły do ziemi, podczas gdy fala spolaryzowana poziomo ma kierunek pola elektrycznego równolegle do ziemi. Dodatkowo polaryzacje w temperaturze 45 ° do ziemi, takie jak +45 ° lub -45 °, należą do kategorii polaryzacji liniowej. Polaryzacja kołowa jest klasyfikowana do lewej polaryzacji okrągłej i prawej polaryzacji okrągłej w oparciu o kierunek obrotowy wektora pola elektrycznego, którego trajektoria przestrzenna jest okrągła. Polaryzacja eliptyczna jest bardziej ogólną formą, łącząc cechy polaryzacji liniowej i okrągłej, z wektorem pola elektrycznego śledzenia eliptycznej ścieżki w przestrzeni. Zarówno polaryzacje okrągłe, jak i liniowe można uznać za szczególne przypadki polaryzacji eliptycznej w określonych warunkach.
(3) Przykłady zastosowania polaryzacji w różnych dziedzinach
W programie radiowym i telewizyjnym często przyjmuje się polaryzację pionową, aby zapewnić stabilne pokrycie sygnału szerokiego obszaru. Wynika to z faktu, że fale spolaryzowane pionowo są stosunkowo mniej podatne na odbicie gruntu i efekty wielościeżkowe podczas propagacji, umożliwiając stabilną transmisję sygnału.
Anteny stacji bazowej komunikacji mobilnej wykorzystują głównie polaryzację poziomą lub ± 45 ° spolaryzację krzyżową. Pozioma polaryzacja oferuje zalety w łagodzeniu zakłóceń współkanałów, podczas gdy polaryzacja krzyżowa ± 45 ° lepiej dostosowuje się do złożonego i dynamicznego środowiska komunikacji mobilnej, zwiększając możliwość odbierania sygnałów z różnych kierunków oraz poprawy niezawodności i pojemności systemu komunikacji.
W komunikacji satelitarnej preferowane są okrągłe spolaryzowane anteny. Ze względu na ciągłe zmiany nastawienia satelitów w przestrzeni i zakłóceniu różnych złożonych czynników podczas propagacji sygnału anteny spolaryzowane okrągłe mogą skutecznie zmniejszyć utratę sygnału spowodowaną niedopasowaniem polaryzacji, zapewniając niezakłóconą komunikację między satelitami i stażami naziemnymi.
W systemach RFID kluczowe są również okrągłe spolaryzowane anteny. Umożliwiają skuteczną identyfikację tagów w różnych orientacjach, znacznie zwiększając wydajność i dokładność rozpoznawania systemu oraz zapewniają solidne wsparcie dla wielu scenariuszy aplikacji, takich jak zarządzanie logistyką i systemy kontroli dostępu.
Iii. Przepustowość anteny: „zakres częstotliwości ” do skutecznego działania
(1) Definicja przepustowości
Przepustowość anteny odnosi się do zakresu częstotliwości, w którym antena może działać skutecznie. W tym zakresie antena spełnia predefiniowane kryteria wydajności, w tym wzmocnienie, współczynnik fali stojącej i charakterystykę polaryzacji. Służy jako pasmo częstotliwości, w którym sygnały o różnych częstotliwościach mogą być przesyłane i odbierane, przy czym antena zapewnia korzystne środowisko dla tych procesów.
(2) Rozróżnienie typów przepustowości
Wspólne definicje przepustowości anteny obejmują absolutną przepustowość i względną przepustowość. Bezwzględna przepustowość to różnica między górnymi i dolnymi limitami częstotliwości anteny, z jednostkami takimi jak Hertz (HZ), Kiloherz (KHz) lub Megahertz (MHz). Na przykład antena działająca od 1 GHz do 2 GHz ma absolutną przepustowość 1 GHz. Względna przepustowość jest stosunkiem absolutnej przepustowości do częstotliwości środkowej, zwykle wyrażanej jako procent. Częstotliwość środka można obliczyć za pomocą średniej arytmetycznej, fCenter = (fmax + fmin)/2 lub średniej geometrycznej, która jest bardziej rozpowszechniona w skali logarytmicznej, fcenter = sqrt (fmax⋅fmin). Względną przepustowość można również obliczyć jako Bwrel = 2*(Fmax - Fmin)/(Fmax + Fmin) × 100%. Zasadniczo anteny wąskopasmowe mają względną przepustowość mniejszą niż 5%, anteny szerokopasmowe wynosi od 5%do 25%, a anteny ultra szerokopasmowe przekraczają 25%.
(3) Wymagania dotyczące zastosowania przepustowości w różnych scenariuszach
Anteny wąskopasmowe, ze względu na ich silną selektywność częstotliwości, są stosowane w systemach komunikacyjnych wymagających precyzji wysokiej częstotliwości. Na przykład w transmisji radiowej i telewizyjnej, gdzie częstotliwości robocze są stosunkowo stałe, wąskie pasma anteny zapewniają stabilną transmisję sygnału przy określonych częstotliwościach, unikając zakłóceń z innych sygnałów częstotliwości. Specjalistyczne systemy komunikacji bezprzewodowej, takie jak te w niektórych domenach kontroli przemysłowej o rygorystycznych wymaganiach dotyczących stabilności częstotliwości i odporności na interferencję, również korzystają z anten wąskich opasek.
Anteny szerokopasmowe są odpowiednie do złożonych scenariuszy komunikacyjnych wymagających zasięgu wielu pasm częstotliwości. Na stacjach bazowych komunikacji mobilnej ewoluująca technologia komunikacji wymaga obsługi transmisji sygnałów wielorakiej w celu sprostania różnorodnym wymaganiom użytkowników i usług. Anteny szerokopasmowe utrzymują zadowalającą wydajność w szerokim zakresie częstotliwości, zapewniając wydajną komunikację między stacji bazowych i różnych urządzeń terminalowych. Podobnie bezprzewodowe sieci lokalne (WLAN) polegają na antenach szerokopasmowych, aby pomieścić urządzenia bezprzewodowe o różnych standardach i pasmach częstotliwości, oferując użytkownikom wygodną i szybką łączność sieciową.
Anteny ultra szerokopasmowe odgrywają wyjątkową rolę w wykrywaniu radaru. Ich wyjątkowo szeroka przepustowość zapewnia możliwości wykrywania celu o wysokiej rozdzielczości, umożliwiając dokładną identyfikację pozycji docelowej, kształtu i statusu ruchu. W krótkim zasięgu szybkiej komunikacji, takiej jak wewnętrzna szybka transmisja danych, anteny ultra szerokopasmowe wykorzystują swoją dużą przepustowość, aby osiągnąć szybkość danych kilku gigabitów na sekundę, spełniając zapotrzebowanie na szybką transmisję danych o dużej pojemności.
Iv. Wzajemne powiązania i kompleksowe rozważenie trzech wskaźników
Trzy kluczowe wskaźniki wzmocnienia anteny, polaryzacji i szerokości pasma nie są izolowane; Są ze sobą powiązane i wzajemnie wpływowe. Projektowanie anteny często wymaga starannych kompromisów i optymalizacji wśród tych wskaźników.
Zwiększenie zysku anteny zwykle obejmuje zwężenie szerokości wiązki promieniowania. Chociaż zwiększa to siłę sygnału w określonym kierunku, jednocześnie zmniejsza przepustowość. Wynika to z faktu, że zwężenie szerokości wiązki zmienia odpowiedź anteny na sygnały o różnych częstotliwościach, zmniejszając efektywny zakres częstotliwości roboczej.
Charakterystyka polaryzacji wpływa również na przepustowość anteny i wydajność zysku. Anteny z różnymi trybami polaryzacji wykazują wyraźne rozkłady przestrzenne i wzorce zmian wektora pola elektrycznego podczas promieniowania sygnału i odbioru, co prowadzi do różnic w ich możliwościach sprzężenia z sygnałami o różnych częstotliwościach. Na przykład antena spolaryzowana okrągła może wykazywać doskonałą wydajność wzmocnienia w niektórych zakresach częstotliwości, ale doświadczać degradacji wzmocnienia w innych z powodu czynników takich jak niedopasowanie polaryzacji, wpływając w ten sposób na wydajność przepustowości.
W praktycznych zastosowaniach kompleksowe rozważenie tych trzech wskaźników jest niezbędne w oparciu o określone wymagania komunikacyjne i scenariusze przy wyborze lub projektowaniu odpowiedniej anteny. Na przykład w górzystym projekcie komunikacyjnym o wysokim wymaganiach dotyczących zasięgu sygnału, kierunkowości i ścisłych ograniczeń pasma częstotliwościowych, o wysokiej, wąskiej antenie z wąskopasmem z trybem polaryzacji odpowiednim do upewnienia się, że sygnały przemierzają złożony teren i dokładne pokrycie obszaru docelowego. W dużym środowisku komunikacji wewnętrznej centrum handlowego, które musi obsługiwać wiele urządzeń bezprzewodowych i ma wysokie wymagania dotyczące przepustowości sygnału i jednorodności zasięgu, szerokopasmowa antena o niskiej zawartości w trybie polaryzacji dostosowująca się do złożonych refleksji wewnętrznych, jest bardziej odpowiednia, zapewniająca stabilne i szybkie usługi sieciowe dla klientów i personelu.
Podsumowując, dokładne zrozumienie trzech kluczowych wskaźników wzmocnienia anteny, polaryzacji i przepustowości, wraz z ich wzajemnymi powiązaniami, stanowi podstawę do osiągnięcia wydajnej i niezawodnej komunikacji bezprzewodowej. Tylko poprzez racjonalną optymalizację i konfigurację tych wskaźników na podstawie konkretnych potrzeb w praktycznych aplikacjach mogą zapewnić optymalną wydajność, zapewniając solidne podstawy do rozwoju komunikacji bezprzewodowej.
