V rozsiahlej oblasti bezdrôtovej komunikácie slúži anténa ako nevyhnutná kritická komponent ako most spájajúci informačný svet. Jeho výkon priamo diktuje kvalitu komunikácie. Tri primárne ukazovatele zisku antény, polarizácie a šírky pásma sú analogické základným kameňom mosta, ktoré sú oproti funkčnosti antény. Hlboké porozumenie týchto troch ukazovateľov je kľúčové pre optimalizáciu bezdrôtových komunikačných systémov a zlepšenie kvality prenosu a príjmu signálu. Nižšie sa ponoríme do každého z týchto kľúčových indikátorov postupne.
I. Zisk antény: 'zaostrovací mechanizmus ' pre koncentráciu signálu
(1) Definícia a konotácia zisku
Zisk antény je kľúčová metrika použitá na kvantitatívne charakterizáciu rozsahu, v akom anténa koncentruje a vyžaruje vstupný výkon. Z komunikačného hľadiska odráža účinnosť antény pri vytváraní signálov v konkrétnom smere. V ideálnom scenári izotropný radiátor s rovnomerným distribúciou energie vyžaruje energiu všesmerne vo vesmíre. Pre takýto chladič je zisk definovaný ako 1, čo je ekvivalentné 0 dB, keď je vyjadrený v decibeloch. Praktické antény sa však prostredníctvom starostlivo skonštruovaných štruktúr líšia od tohto rovnomerného vzoru žiarenia, strategicky koncentrujúcu energiu na ožarovanie v špecifických smeroch, čím sa dosiahne zisk, ktorý je lepšie ako ideálna anténa s bodovým zdrojom.
Matematicky je zisk antény pomerom štvorca intenzity poľa generovanej skutočnou anténou k tomu, ktoré sa vytvára ideálnym žiarivým prvkom v rovnakom priestorovom bode, pričom rovnaký vstupný výkon, tj pomer výkonu. Napríklad na generovanie signálu konkrétnej intenzity v priestorovom bode by ideálny zdroj žiarenia mohol vyžadovať vstupný výkon 126 W. Pri využívaní antény so ziskom 18 dBD výpočty ukazujú, že na dosiahnutie rovnakého výsledku postačuje iba 2 W vstupnej sily. Toto živo ilustruje 'amplifikáciu podobný ' účinku zisku antény na signály. Dôležité je, že toto 'amplifikácia ' nezahŕňa skutočné zvýšenie signálovej energie, ako v aktívnych obvodoch, ale skôr efektívnejšie smerové rozdelenie energie.
(2) Metódy výpočtu zisku
Výpočet skutočného zisku antény nie je priamy aritmetický proces; Je to produkt koeficiencie smerovania a účinnosti antény. Koeficient smerovania kvantifikuje pomer intenzity žiarenia antény v jej maximálnom smerovaní žiarenia k priemernej intenzite žiarenia ideálnej antény s bodovým zdrojom, čo intuitívne demonštruje schopnosť antény zaostriť energiu v špecifickom smere. Účinnosť antény predstavuje nevyhnutné energetické straty počas konverzie vstupnej energie na vyžarovanú energiu, ako sú tepelné straty vyplývajúce z odporných vlastností anténneho materiálu.
Rôzne typy antény využívajú odlišné metodiky výpočtu zisku. Pre spoločnú parabolickú anténu sa môže zisk aproximovať pomocou vzorca G (DBI) = 10lg {4,5 × (D/λ0) ²}, kde D označuje priemer parabolických reflektorov, λ0 je centrálna prevádzková vlnová dĺžka a 4.5 je empirické údaje odvodené od rozsiahleho praktického pozorovania. Zisk vertikálnej omniktívnej antény sa dá odhadnúť pomocou G (DBI) = 10lg {2l/λ0}, pričom L predstavuje dĺžku antény. Zisk sa navyše môže vypočítať na základe polovičných (3DB) šírky lúčov v dvoch hlavných rovinách (E-rovina E a H-Plane) s použitím vzorca G (DBI) = 10LG {32000/(293db, E × 2θ3DB, H)}, kde 293DB, E a 293DB, H sú prinástie. 32000 sú tiež empirické údaje.
(3) Praktické aplikácie zisku
V komunikačných scenároch na veľké vzdialenosti zohrávajú dôležitú úlohu vysokohorské antény, ktoré sa podobajú presným nástrojom. Vezmite satelitnú komunikáciu: Vysoká vzdialenosť medzi satelitmi a pozemnými stanicami vedie k významnému útlmu signálu počas prenosu. Tu môžu antény s vysokým ziskom intenzívne zaostrovať energiu signálu, čo jej umožní prechádzať obrovské priestorové vzdialenosti a presne dosiahnuť cieľový prijímač. V komunikácii mikrovlnného relé zabezpečujú vysoko ziskové antény, aby signály udržiavali dostatočnú pevnosť pozdĺž zdĺhavej prevodovej dráhy, čo uľahčuje stabilné a spoľahlivé komunikačné spojenia.
Naopak, v komunikačných prostrediach s krátkym dosahom, ako je vnútorné bezdrôtové pokrytie, sa situácia líši. Komplexné nastavenie vnútorného intervalu si vyžaduje rovnomerné rozdelenie signálu vo viacerých smeroch, aby sa uspokojilo používateľom na rôznych miestach. Preto sa využívajú prevažne všesmerné antény s nízkym ziskom. Tieto antény fungujú ako rozptyly signálu; Aj keď sila signálu v akomkoľvek jednom smere je relatívne skromná, môžu vyžarovať signály všesmerne v definovanom rozsahu, čím poskytujú relatívne rovnomerné pokrytie signálu pre používateľov vnútorných.
II. Polarizácia antény: 'priestorová orientácia ' elektromagnetických vĺn
(1) Definícia a podstata polarizácie
Polarizácia je fyzikálne množstvo, ktoré presne opisuje priestorovú orientáciu vektora elektromagnetických vĺn elektromagnetických vĺn, čo hlboko odhalí zákon o časovej variačnej úrovni smeru elektrického poľa vlny vyžarovaných anténou. Z mikroskopického hľadiska polarizácia odráža rotačný režim a orientačné charakteristiky vektora elektrického poľa vo vesmíre, čo je vlastnosť, ktorá má hlboký vplyv na schopnosti prenosu a príjmu signálu antény.
(2) Analýza typov polarizácie
Polarizácia antény zahŕňa tri základné kategórie: lineárna polarizácia, kruhová polarizácia a eliptická polarizácia. Lineárna polarizácia je ďalej rozdelená na vodorovnú a vertikálnu polarizáciu. Vertikálne polarizovaná vlna má smer elektrického poľa kolmo na zem, zatiaľ čo horizontálne polarizovaná vlna má smer elektrického poľa rovnobežne so zemou. Okrem toho polarizácia pri 45 ° k zemi, ako je +45 ° alebo -45 °, spadajú do kategórie lineárnej polarizácie. Kruhová polarizácia sa klasifikuje do ľavej kruhovej polarizácie a pravej kruhovej polarizácie na základe rotačného smeru vektora elektrického poľa, ktorého priestorová trajektória je kruhová. Eliptická polarizácia je všeobecnejšia forma, ktorá kombinuje vlastnosti lineárnej a kruhovej polarizácie, pričom vektor elektrického poľa sleduje eliptickú cestu vo vesmíre. Kruhová aj lineárna polarizácia možno považovať za špeciálne prípady eliptickej polarizácie za špecifických podmienok.
(3) Príklady polarizácie v rôznych oblastiach
V rozhlasovom a televíznom vysielaní sa často prijíma vertikálna polarizácia, aby sa zabezpečilo stabilné pokrytie signálu širokého priestranstva. Je to preto, že vertikálne polarizované vlny sú relatívne menej citlivé na odrazové odrazy a viacnásobné účinky počas šírenia, čo umožňuje stabilný prenos signálu.
Antény mobilnej komunikačnej základnej stanice prevažne využívajú horizontálnu polarizáciu alebo ± 45 ° krížová polarizácia. Horizontálna polarizácia ponúka výhody pri zmierňovaní ko-kanálového rušenia, zatiaľ čo krížová polarizácia ± 45 ° sa lepšie prispôsobuje komplexnému a dynamickému mobilnému komunikačnému prostrediu, čím sa zvyšuje schopnosť prijímať signály z rôznych smerov a zlepšiť spoľahlivosť a kapacitu komunikačného systému.
V satelitnej komunikácii sa uprednostňujú kruhovo polarizované antény. Vďaka zmenám nepretržitého postoja satelitov vo vesmíre a interferencii z rôznych komplexných faktorov počas šírenia signálu môže kruhovo polarizované antény účinne znížiť stratu signálu spôsobenú nesúladom polarizácie, čím sa zabezpečí nezmenená komunikácia medzi satelitmi a pozemnými stanicami.
V systémoch RFID sú tiež rozhodujúce kruhové polarizované antény. Umožňujú efektívnu identifikáciu značiek v rôznych orientáciách, výrazne vylepšujú efektívnosť a presnosť rozpoznávania systému a poskytujú robustnú podporu pre mnohé aplikačné scenáre, ako sú systémy riadenia logistiky a riadenie prístupu.
III. Šírka pásma antény: 'frekvenčný rozsah ' pre efektívnu prevádzku
(1) Definícia šírky pásma
Šírka pásma antény sa vzťahuje na frekvenčný rozsah, v ktorom môže anténa účinne fungovať. V tomto rozsahu anténa spĺňa preddefinované výkonnostné kritériá vrátane zisku, pomeru stojatích vĺn a polarizačných charakteristík. Slúži ako frekvenčné pásmo, v ktorom je možné prenášať a prijímať signály rôznych frekvencií, pričom anténa zaisťuje priaznivé prostredie pre tieto procesy.
(2) Rozlišovanie typov šírky pásma
Bežné definície šírky pásma antény zahŕňajú absolútnu šírku pásma a relatívnu šírku pásma. Absolútna šírka pásma je rozdiel medzi hornými a dolnými hranicami prevádzkového frekvenčného rozsahu antény, s jednotkami ako Hertz (Hz), Kilohertz (KHz) alebo Megahertz (MHz). Napríklad anténa pracujúca od 1 GHz do 2 GHz má absolútnu šírku pásma 1 GHz. Relatívna šírka pásma je pomer absolútnej šírky pásma k stredovej frekvencii, ktorá sa zvyčajne vyjadruje ako percento. Stredová frekvencia sa môže vypočítať pomocou aritmetického priemeru, Fcenter = (FMAX + Fmin)/2 alebo geometrického priemeru, ktorý je častejší v logaritmickej stupnici, FCcenter = SQRT (FMAX⋅Fmin). Relatívna šírka pásma sa môže tiež vypočítať ako bwrel = 2*(fmax - fmin)/(fmax + fmin) × 100%. Všeobecne platí, že úzkopásmové antény majú relatívnu šírku pásma nižšiu ako 5%, širokopásmové antény sa pohybujú od 5%do 25%a ultra širokopásmové antény presahujú 25%.
(3) Požiadavky na aplikáciu šírky pásma v rôznych scenároch
Úzkopásmové antény, vďaka svojej silnej frekvenčnej selektivite, sa používajú v komunikačných systémoch, ktoré si vyžadujú vysokofrekvenčnú presnosť. Napríklad v prenose rozhlasu a televízie, kde sú prevádzkové frekvencie relatívne pevné, poskytujú úzkopásmové antény stabilný prenos signálu pri špecifických frekvenciách, čím sa zabráni rušeniu z iných frekvenčných signálov. Špecializované bezdrôtové komunikačné systémy, ako sú napríklad v niektorých doménach priemyselného riadenia s prísnymi požiadavkami na frekvenčnú stabilitu a imunitu interferencie, majú tiež úžitok z úzkopásmových antén.
Širokopásmové antény sú vhodné pre zložité komunikačné scenáre, ktoré si vyžadujú pokrytie viacerých frekvenčných pásiem. V základných staniciach mobilnej komunikácie si vyvíjajúca sa komunikačná technológia vyžaduje podporu prenosu viacerých pásiem signálu, aby sa splnili rôzne požiadavky používateľov a služieb. Širokopásmové antény udržiavajú uspokojivý výkon v širokom frekvenčnom rozsahu, čo zabezpečuje efektívnu komunikáciu medzi základnými stanicami a rôznymi terminálnymi zariadeniami. Podobne sa bezdrôtové siete v miestnej oblasti (WLAN) spoliehajú na širokopásmové antény, ktoré vyhovujú bezdrôtovým zariadeniam rôznych štandardov a frekvenčných pásiem, ktoré ponúka používateľom pohodlné a vysokorýchlostné sieťové pripojenie.
Ultra širokopásmové antény hrajú jedinečnú úlohu pri detekcii radaru. Ich extrémne široká šírka pásma poskytuje schopnosti detekcie cieľov s vysokým rozlíšením, čo umožňuje presnú identifikáciu cieľovej polohy, tvaru a stavu pohybu. Pri vysokorýchlostnej komunikácii s krátkym rozsahom, ako je napríklad vysokorýchlostný prenos údajov v interiéri, ultra širokopásmové antény využívajú svoju veľkú šírku pásma na dosiahnutie rýchlosti dát niekoľkých gigabitov za sekundu, čím uspokojujú dopyt po vysokorýchlostnom veľkokapacitnom prenose údajov.
Iv. Vzájomné vzťahy a komplexné zváženie týchto troch ukazovateľov
Tri kľúčové ukazovatele zisku antény, polarizácie a šírky pásma nie sú izolované; Sú vzájomne prepojené a vzájomne vplyvné. Dizajn antény si často vyžaduje starostlivé kompromisy a optimalizácie medzi týmito ukazovateľmi.
Zvyšujúci sa zisk antény zvyčajne zahŕňa zúženie šírky žiarenia. Aj keď to zvyšuje silu signálu v špecifickom smere, súčasne znižuje šírku pásma. Dôvodom je, že zúženie šírky lúča mení reakciu antény na signály rôznych frekvencií a zmenšuje efektívny rozsah prevádzkovej frekvencie.
Charakteristiky polarizácie ovplyvňujú aj šírku pásma antény a výkon. Antény s rôznymi režimami polarizácie vykazujú počas signálneho žiarenia a príjmu odlišné priestorové rozdelenie a variačné vzorce vektora elektrického poľa počas signálneho žiarenia a príjmu, čo vedie k rozdielom v ich spojeniach so signálmi rôznych frekvencií. Napríklad kruhovo polarizovaná anténa môže vykazovať vynikajúci výkon zisku v určitých frekvenčných rozsahoch, ale skúsenosti s degradáciou v iných v dôsledku faktorov, ako je nesúlad polarizácie, čo ovplyvňuje výkon šírky pásma.
V praktických aplikáciách je komplexné zváženie týchto troch ukazovateľov nevyhnutné na základe konkrétnych komunikačných požiadaviek a scenárov pri výbere alebo navrhovaní vhodnej antény. Napríklad v horskej komunikačnej projekte s vysokými požiadavkami na rozsah pokrytia signálu, smerovanie a prísne obmedzenia frekvenčných pásiem môže byť potrebná vysokohorská, úzkopásmová anténa s polarizačným režimom vhodným pre horský terén na zabezpečenie signálov prekročenia komplexného terénu a presne pokrytie cieľovej oblasti. Vo veľkom komunikačnom prostredí v interiéri nákupného centra, ktoré potrebuje podporovať viacero bezdrôtových zariadení a má vysoké požiadavky na šírku pásma a uniformitu pokrytia signálu a uniformitu pokrytia, je vhodnejšia široká pásová, nízko zisková anténa s polarizačným režimom prispôsobiteľným na zložité vnútorné odrazy a poskytuje stabilné a vysokorýchlostné bezdrôtové sieťové služby pre zákazníkov a personál.
Stručne povedané, dôkladné pochopenie troch kľúčových ukazovateľov zisku, polarizácie a šírky pásma antény spolu s ich vzájomnými vzťahmi tvorí základ pre dosiahnutie efektívnej a spoľahlivej bezdrôtovej komunikácie. Iba prostredníctvom racionálnej optimalizácie a konfigurácie týchto ukazovateľov na základe konkrétnych potrieb v praktických aplikáciách môžu antény poskytovať optimálny výkon, čo poskytuje solídny základ pre rozvoj bezdrôtovej komunikácie.
