V obsežnem področju brezžične komunikacije antena kot nepogrešljiva kritična komponenta služi kot most, ki povezuje informacijski svet. Njegova uspešnost neposredno narekuje kakovost komunikacije. Trije primarni kazalniki pridobivanja antene, polarizacije in pasovne širine so analogni temeljnim kamnom mostu, ki temeljijo na funkcionalnosti antene. Poglobljeno razumevanje teh treh kazalnikov je ključnega pomena za optimizacijo brezžičnih komunikacijskih sistemov in izboljšanje kakovosti prenosa in sprejema signala. Spodaj se poglobimo v vsakega od teh ključnih kazalnikov zaporedno.
I. Dobiček antene: 'Mehanizem fokusiranja ' za koncentracijo signala
(1) Opredelitev in konotacija dobička
Povečanje antene je ključna metrika, ki se uporablja za kvantitativno, v kolikšni meri se antena koncentrira in izžareva vhodno moč. S stališča komunikacije odraža učinkovitost antene pri ustvarjanju signalov v določeni smeri. V idealnem scenariju izotropni radiator z enakomerno porazdelitvijo moči seva energijo vsesmerno v vesolju. Za takšen radiator je dobiček opredeljen kot 1, kar ustreza 0DB, kadar je izražen v decibelih. Vendar pa praktične antene s pomočjo natančno oblikovanih struktur odstopajo od tega enotnega vzorca sevanja, strateško koncentrirajo energijo za sevanje v določenih smereh in s tem dosežejo pridobitev, ki je boljši od dobička idealne antene.
Matematično je povečanje antene razmerje med kvadratom intenzivnosti polja, ki nastane z dejansko anteno, ki nastane z idealnim sevalnim elementom v isti prostorski točki, ki ima enako vhodno moč, tj. Razmerje moči. Na primer, za ustvarjanje signala določene intenzivnosti v prostorski točki lahko idealen vir sevanja zahteva vhodno moč 126W. Pri uporabi antene z dobičkom 18DBD izračuni razkrivajo, da za doseganje enakega rezultata zadostuje zgolj 2W vhodna moč. To živo ponazarja 'amplifikacijski ' učinek pridobivanja antene na signale. Pomembno je, da ta 'ojačitev ' ne vključuje dejanskega povečanja signalne moči, kot v aktivnih vezjih, temveč učinkovitejšo usmerjeno dodelitev energije.
(2) Načini izračuna dobička
Izračun dejanskega pridobivanja antene ni preprost aritmetični proces; Je produkt koeficienta usmerjenosti in učinkovitosti antene. Koeficient usmerjenosti količinsko opredeljuje razmerje med intenzivnostjo sevanja antene v njegovi največji smeri sevanja in povprečne intenzivnosti sevanja idealne antene, ki intuitivno prikazuje sposobnost antene, da osredotoči energijo v določeni smeri. Učinkovitost antene predstavlja neizogibne izgube energije med pretvorbo vhodne moči v sevalno moč, kot so toplotne izgube, ki izhajajo iz uporovnih lastnosti antenskega materiala.
Različne tipe antene uporabljajo različne metodologije izračuna dobička. Za skupno parabolično anteno lahko dobiček približamo z uporabo formule G (DBI) = 10lg {4,5 × (D/λ0)}}, kjer D označuje premer paraboličnega reflektorja, λ0 je osrednja delovna valovna dolžina, 4,5 pa so empirični podatki, ki izhajajo iz obsežnih praktičnih opazovanj. Dobiček navpične omnidisnosti lahko ocenimo prek G (DBI) = 10lg {2L/λ0}, pri čemer L predstavlja dolžino 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 is also empirični podatki.
(3) Praktične aplikacije dobička
V scenarijih za dolgoročno komunikacijo imajo ključno vlogo, podobne natančnim instrumentom, podobne natančnim instrumentom. Vzemite satelitsko komunikacijo: velika razdalja med sateliti in ozemljitvami povzroči znatno slabljenje signala med prenosom. Tu lahko antene z visokim izkoristkom intenzivno osredotočijo energijo signala, kar mu omogoča prečkanje velikih prostorskih razdalj in natančno doseže ciljni sprejemnik. Pri komunikaciji z mikrovalovnim relejem antene z visokim izkoristkom zagotavljajo, da signali ohranjajo zadostno moč po dolgi prenosnem poti, kar olajša stabilne in zanesljive komunikacijske povezave.
Nasprotno pa se v komunikacijskih okoljih, kot je brezžična pokritost v kratkem dosegu, situacija razlikuje. Kompleksna nastavitev v zaprtih prostorih zahteva enakomerno porazdelitev signala v več smeri, da lahko poskrbi za uporabnike na različnih lokacijah. Zato se pretežno uporabljajo z nizkim izkoristkom, vsesmerne antene. Te antene delujejo kot signalni trosilniki; Čeprav je jakost signala v kateri koli smeri razmeroma skromna, lahko v določenem območju sevajo signale, kar zagotavlja razmeroma enakomerno pokritost signala za uporabnike v zaprtih prostorih.
Ii. Antenska polarizacija: 'prostorska orientacija ' elektromagnetnih valov
(1) Opredelitev in bistvo polarizacije
Polarizacija je fizična količina, ki natančno opisuje prostorsko orientacijo vektorja električnega polja elektromagnetnih valov, ki globoko razkriva zakon o časovni variaciji v smeri električnega polja valov, ki jih seva antena. Z mikroskopske perspektive polarizacija odraža rotacijski način in orientacijske značilnosti vektorja električnega polja v vesolju, lastnost, ki močno vpliva na antenske signalne zmogljivosti in sprejemne zmogljivosti.
(2) Analiza vrst polarizacije
Polarizacija antene obsega tri temeljne kategorije: linearna polarizacija, krožna polarizacija in eliptična polarizacija. Linearna polarizacija je nadalje razdeljena na vodoravno in navpično polarizacijo. Navpično polarizirani val ima svojo smer električnega polja pravokotno na tla, vodoravno polarizirani val pa ima smer električnega polja vzporedno s tlemi. Poleg tega polarizacije pri 45 ° do tal, kot je +45 ° ali -45 °, spadajo v kategorijo linearne polarizacije. Krožna polarizacija je razvrščena v levo krožno polarizacijo in desno krožno polarizacijo, ki temelji na rotacijski smeri vektorja električnega polja, katerega prostorska usmeritev je krožna. Eliptična polarizacija je bolj splošna oblika, ki združuje značilnosti linearne in krožne polarizacije, pri čemer vektor električnega polja sledi eliptični poti v vesolju. Krožne in linearne polarizacije lahko pod določenimi pogoji štejemo za posebne primere eliptične polarizacije.
(3) Primeri uporabe polarizacije na različnih poljih
V radijskem in televizijskem oddajanju se pogosto sprejema vertikalna polarizacija, da se zagotovi stabilna pokritost signala širokega območja. To je zato, ker so vertikalno polarizirani valovi razmeroma manj dovzetni za odraz tal in večpadne učinke med širjenjem, kar omogoča stabilni prenos signala.
Antene za mobilne komunikacijske bazne postaje večinoma uporabljajo vodoravno polarizacijo ali ± 45 ° navzkrižno polarizacijo. Horizontalna polarizacija ponuja prednosti pri blažitvi ko-kanalnih motenj, medtem ko se ± 45 ° navzkrižna polarizacija bolje prilagaja zapletenemu in dinamičnemu mobilnemu komunikacijskemu okolju, kar povečuje sposobnost sprejemanja signalov iz različnih smeri in izboljšanje zanesljivosti in zmogljivosti komunikacijskega sistema.
Pri satelitski komunikaciji so prednostne krožno polarizirane antene. Zaradi neprekinjenih sprememb satelitov v prostoru in motenj različnih zapletenih dejavnikov med širjenjem signala lahko krožno polarizirane antene učinkovito zmanjšajo izgubo signala, ki jo povzroča neusklajenost polarizacije, kar zagotavlja neovirano komunikacijo med sateliti in zemeljskimi postajami.
V sistemih RFID so ključne tudi krožno polarizirane antene. Omogočajo učinkovito identifikacijo oznak v različnih usmeritvah, kar znatno poveča učinkovitost in natančnost prepoznavanja sistema ter zagotavljajo močno podporo številnim scenarijem aplikacij, kot so sistemi za upravljanje logistike in nadzor dostopa.
Iii. Pasovna širina antene: 'frekvenčno območje ' za učinkovito delovanje
(1) Opredelitev pasovne širine
Pasovna širina antene se nanaša na frekvenčno območje, znotraj katerega lahko antena učinkovito deluje. V tem območju antena izpolnjuje vnaprej določena merila uspešnosti, vključno z značilnostmi dobička, razmerja stojnega vala in polarizacijskimi značilnostmi. Služi kot frekvenčni pas, kjer se lahko prenašajo in sprejmejo signali različnih frekvenc, pri čemer antena zagotavlja ugodno okolje za te procese.
(2) Razlikovanje vrst pasovne širine
Skupne definicije pasovne širine antene vključujejo absolutno pasovno širino in relativno pasovno širino. Absolutna pasovna širina je razlika med zgornjo in spodnjo mejo obratovalnega frekvenčnega območja antene z enotami, kot so Hertz (Hz), Kilohertz (KHz) ali Megahertz (MHZ). Na primer, antena, ki deluje od 1GHz do 2GHz, ima absolutno pasovno širino 1GHz. Relativna pasovna širina je razmerje med absolutno pasovno širino in srednjo frekvenco, običajno izraženo kot odstotek. Sredinsko frekvenco je mogoče izračunati z aritmetično srednjo vrednostjo, fCenter = (fmax + fmin)/2 ali geometrijsko srednjo vrednost, ki je bolj razširjena na logaritmični lestvici, fCenter = sqrt (fmax⋅fmin). Relativno pasovno širino je mogoče izračunati tudi kot bwrel = 2*(fmax - fmin)/(fmax + fmin) × 100%. Na splošno imajo ozke pasovne antene relativne pasovne širine manj kot 5%, širokopasovne antene se gibljejo od 5%do 25%, ultra široke pasovne antene pa presegajo 25%.
(3) Zahteve za uporabo pasovne širine v različnih scenarijih
Z ozkimi pasovnimi antenami se zaradi močne frekvenčne selektivnosti uporabljajo v komunikacijskih sistemih, ki zahtevajo visokofrekvenčno natančnost. Na primer, v radijskem in televizijskem prenosu, kjer so obratovalne frekvence relativno fiksne, antene ozke pasove zagotavljajo stabilen prenos signala pri določenih frekvencah, pri čemer se izogibajo motnjam drugih frekvenčnih signalov. Specializirani brezžični komunikacijski sistemi, kot so tisti v nekaterih industrijskih kontrolnih področjih s strogimi zahtevami za frekvenčno stabilnost in motnje imuniteto, imajo tudi koristi od ozkih pasovnih anten.
Širokopasovne antene so primerne za zapletene scenarije komunikacije, ki zahtevajo pokritost več frekvenčnih pasov. V baznih postajah za mobilne komunikacije razvijajočo se komunikacijsko tehnologijo zahteva podporo za večpasovni prenos signala, da ustreza raznolikim zahtevam uporabnikov in storitev. Širokopasovne antene ohranjajo zadovoljive zmogljivosti v širokem frekvenčnem območju, kar zagotavlja učinkovito komunikacijo med osnovnimi postajami in različnimi terminalnimi napravami. Podobno se brezžična lokalna omrežja (WLAN) zanašajo na širokopasovne antene za namestitev brezžičnih naprav različnih standardov in frekvenčnih pasov, ki uporabnikom ponujajo priročno in hitro omrežno povezljivost.
Ultra široke antene igrajo edinstveno vlogo pri odkrivanju radarjev. Njihova izjemno široka pasovna širina zagotavlja zmogljivosti za odkrivanje ciljev z visoko ločljivostjo, kar omogoča natančno identifikacijo stanja ciljnega položaja, oblike in gibanja. Ultra široke pasovne antene v kratkem dosegu hitre komunikacije, kot je notranja hitrost prenosa podatkov, izkoristijo svojo veliko pasovno širino, da dosežejo hitrost podatkov več gigabitov na sekundo, pri čemer izpolnjujejo povpraševanje po prenosu podatkov z veliko hitrostjo.
Iv. Medsebojno povezanost in obsežno upoštevanje treh kazalcev
Trije ključni kazalniki pridobivanja antene, polarizacije in pasovne širine niso izolirani; So medsebojno povezani in medsebojno vplivni. Oblikovanje antene med temi kazalniki pogosto zahteva skrbne kompromise in optimizacije.
Povečanje povečanja antene običajno vključuje zoženje širine sevanja. Medtem ko to povečuje moč signala v določeni smeri, hkrati zmanjšuje pasovno širino. To je zato, ker zoženje širine snopa spremeni odziv antene na signale različnih frekvenc, kar krči učinkovito delovno frekvenčno območje.
Polarizacijske značilnosti vplivajo tudi na pasovno širino antene in pridobivanje učinkovitosti. Antene z različnimi polarizacijskimi načini kažejo različne prostorske porazdelitve in variacijske vzorce vektorja električnega polja med signalnim sevanjem in sprejemom, kar vodi do razlik v njihovih zmožnostih spajanja s signali različnih frekvenc. Na primer, krožna polarizirana antena lahko kaže odlično učinkovitost dobička v določenih frekvenčnih območjih, vendar doživlja degradacijo pri drugih zaradi dejavnikov, kot je neusklajenost polarizacije, s čimer vpliva na zmogljivost pasovne širine.
V praktičnih aplikacijah je celovito upoštevanje teh treh kazalnikov bistvenega pomena na podlagi posebnih zahtev za komunikacijo in scenarijev pri izbiri ali oblikovanju ustrezne antene. Na primer, v gorskem komunikacijskem projektu z velikimi zahtevami po območju pokritosti signala, usmerjenosti in strogih frekvenčnih omejitvah pasu, lahko zahtevajo visokozmogljivo anteno z načinom polarizacije, primernega za gorski teren, da se zagotovi signale, ki prečkajo kompleksni teren in natančno pokrivajo ciljno območje. V zaprtem komunikacijskem okolju nakupovalnega središča, ki mora podpirati več brezžičnih naprav in ima visoke zahteve za signalno pasovno širino in enakomernost pokritosti, je širokopasovna antena z nizkim izkoristkom s polarizacijskim načinom, ki je prilagojena zapletenim notranjem odsevu, primernejša, saj zagotavlja stabilne in hitre storitve brezžične mreže za stranke in osebje.
Če povzamemo, temeljito razumevanje treh ključnih kazalcev pridobivanja antene, polarizacije in pasovne širine, skupaj z njihovimi medsebojnimi odnosi, tvori temelj za doseganje učinkovite in zanesljive brezžične komunikacije. Le z racionalno optimizacijo in konfiguracijo teh kazalnikov, ki temeljijo na posebnih potrebah v praktičnih aplikacijah, lahko antene zagotavljajo optimalne zmogljivosti, kar zagotavlja trdne temelje za napredovanje brezžične komunikacije.
