В современном информационном обществе мы наслаждаемся повсеместной беспроводной связью. Звонки по мобильному телефону, доступ в Интернет по Wi-Fi и GPS-навигация — главным героем этих чудес является крошечная антенна . Действуя как «рот» и «уши» беспроводной связи, антенна выполняет критическое преобразование сигналов цепи в электромагнитные волны в космосе.
Чтобы оценить, хорошая или плохая антенна, нам не нужны сложные математические формулы; нам просто нужно понять несколько ключевых ролей, которые они играют. Давайте воспользуемся повседневными аналогиями, чтобы углубиться в четыре основных показателя, используемых для измерения характеристик антенны..
Введение: Функция антенны — соединение двух миров
Антенна по своей сути является преобразователем . Он действует как телефон: один конец подключен к вашему электронному устройству (говорит), а другой конец обращен к огромному свободному пространству (слушает и говорит). Его задача — эффективно преобразовывать электрические сигналы, проходящие по кабелю внутри устройства, в электромагнитные волны, распространяющиеся по воздуху, и наоборот.
Чтобы понять работу антенны, мы в основном смотрим на то, насколько четко она «говорит», насколько чутко она «слушает» и насколько «легко» она выполняет это преобразование.
Искусство концентрации энергии: направленность и усиление
Ключевые показатели: усиление и направленность
Усиление — самый важный показатель для антенны; он измеряет способность антенны концентрировать энергию в определенном направлении.
Обычная лампочка (всенаправленная антенна). Всенаправленная антенна равномерно распределяет энергию сигнала во всех направлениях, как стандартная лампочка, освещающая всю комнату. Преимущество — широкое покрытие — вы можете принимать сигнал независимо от направления (как антенна, встроенная в ваш сотовый телефон). Недостаток заключается в том, что из-за рассеяния энергии уровень сигнала в любом одном направлении низок, что ограничивает дальность действия.
Сфокусированный фонарик (антенна с высоким коэффициентом усиления). Антенна с высоким коэффициентом усиления похожа на сфокусированный фонарик; он жертвует охватом в других направлениях, чтобы сосредоточить большую часть энергии под очень узким углом. Преимущество этого заключается в том, что сигнал становится чрезвычайно сильным в этом конкретном направлении, что позволяет осуществлять связь на сверхдальних расстояниях (например, спутниковые антенны или направленные антенны базовой станции).
Резюме: Усиление не создается самой антенной; скорее, это его способность перераспределять конечную энергию . Чем выше усиление, тем уже ширина луча.
Секрет экономии энергии: эффективность излучения («Дырявый кран»)
Ключевой показатель: радиационная эффективность (КПД)
Эффективность антенны измеряет долю подаваемой на антенну электроэнергии, которая действительно преобразуется в излучаемые электромагнитные волны , а не тратится впустую.
Негерметичный кран: когда в антенну подается электроэнергия, металлические проводники внутри антенны выделяют тепло из-за сопротивления, или энергия поглощается из-за материальных потерь. Это аналогично тому, как вода вытекает из отверстия в кране. Эта потерянная энергия преобразуется в тепло и не способствует передаче сигнала в эфире.
Высокоэффективная антенна. Высокоэффективная антенна означает, что ее «трубопровод» хорошо спроектирован с минимальными потерями, гарантируя, что почти вся входная мощность преобразуется в эффективный сигнал. Для мобильных устройств высокая эффективность имеет решающее значение, поскольку помогает продлить срок службы батареи..
Гладкий трубопровод: согласование импеданса (подключение к водопроводной трубе)
Ключевой показатель: коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) и согласование импедансов.
Чтобы сигнал мог плавно течь из кабеля (линии передачи) в антенну, электрические характеристики двух компонентов в точке соединения должны «совпадать» — это называется согласованием импеданса..
Несогласованный интерфейс трубопровода. Если входное сопротивление антенны не соответствует характеристическому сопротивлению линии передачи, это все равно, что пытаться подключить большую водопроводную трубу к маленькому разъему. Вода (энергия сигнала) будет отражаться обратно на границу раздела.
Отражение сигнала. Эта отраженная энергия не только тратится впустую, но также может создавать помехи в работе передатчика и вызывать стоячих волн в линии передачи. образование
Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН): КСВН — это показатель, используемый для измерения того, насколько хорошо «подходит» этот интерфейс. Идеальный КСВН 1:1 означает идеальное совпадение (отсутствие отражения), тогда как более высокое число (например, 3:1 ) указывает на большее отражение сигнала и большую потерю энергии.
Поза рукопожатия: поляризация (согласованная «позиция»)
Ключевой показатель: поляризация
Поляризация определяет направление, в котором вектор электрического поля электромагнитной волны колеблется в пространстве.
Принцип согласованного установления связи: чтобы антенна могла принимать максимальное количество энергии сигнала, она должна использовать ту же или совпадающую поляризацию, что и передающая антенна. Если передающая антенна использует вертикальную поляризацию (электрическое поле перпендикулярно земле), а приемная антенна использует горизонтальную поляризацию, это похоже на то, как будто два человека протягивают руки по-разному — они не могут успешно «пожать друг другу руки».
Потеря несоответствия поляризации. Эта несогласованность поляризации приводит к серьезной потере энергии сигнала, известной как потеря несоответствия поляризации . Следовательно, в системах фиксированной связи и передатчик, и приемник должны строго калибровать направления поляризации.
Вывод: самое подходящее — самое лучшее
Искусство проектирования антенн заключается в балансе этих показателей.
Антенны мобильных телефонов должны жертвовать усилением в обмен на всенаправленное покрытие, высокую эффективность и хорошее согласование, чтобы гарантировать, что вы можете позвонить в любом положении и месте.
Спутниковые приемные антенны обеспечивают чрезвычайно высокий коэффициент усиления и направленности , используя мощный «фонарик» для наведения на удаленный источник сигнала.
Не существует абсолютно «лучшей» антенны, есть только самая « подходящая » антенна. Понимание этих основных показателей дает вам ключ к оценке производительности любой системы беспроводной связи.
