Antena

Lako za razumjeti! Nakon što ga pročitate, napola ste stručnjak za antene.

1. Podizanje vela antene

Kao što svi znamo, bazne stanice i mobilni telefoni koriste antene za prijenos signala.

Engleska riječ za antenu je Antenna, što izvorno znači pipci. Pipci su dvije dugačke niti na vrhu glave kukca. Ne podcjenjujte tako neupadljivu stvar. Upravo pomoću kemijskih signala koje šalju ti pipci kukci prenose razne društvene informacije.

 

Slično ovome, u ljudskom svijetu bežična komunikacija također prenosi informacije putem antena, ali ono što se prenosi su elektromagnetski valovi koji nose korisne informacije. Slika ispod je primjer komunikacije između mobilnog telefona i bazne stanice.

 

Dakle, kako izgleda stvarna antena? Zbog različitih namjena postoji previše oblika antena, od velikih lonaca (paraboličnih antena) koje primaju TV signale do malih antena skrivenih u mobitelima. Imaju različite oblike zbog različitih funkcija.

Kada je riječ o antenama, antena koju većina ljudi najčešće vidi je antena njihovog bežičnog usmjerivača kod kuće.

 

Upravo te antene poput štapića omogućuju nam da uživamo u brzini letenja.

Nekada je slušanje radija bilo vrlo moderno. Na radiju postoji dugačka antena koja se može rastezati jedna po jedna. Ova antena potpuno je ista kao antena rutera. Zove se bičasta antena, također se naziva i teleskopska antena ili potezna šipka. antena.

 

U pretpovijesno doba najviša zgrada u svakom gradu mora biti TV toranj, a televizori također primaju signale s TV tornja preko antena. početni dojam. I oblikom i funkcijom potpuno su slični ticalima kukaca.

 

Osim toga, postoje sve vrste različitih vrsta antena, a različite vrste mogu se dati prema različitim metodama klasifikacije.

1. Prema prirodi rada, može se podijeliti na odašiljačku antenu i prijemnu antenu.

2. Prema namjeni, može se podijeliti na komunikacijsku antenu, antenu za emitiranje, TV antenu, radarsku antenu itd.

3. Prema usmjerenosti, može se podijeliti na višesmjernu antenu i usmjerenu antenu.

4. Prema radnoj valnoj duljini, može se podijeliti na super dugovalnu antenu, dugovalnu antenu, srednjevalnu antenu, kratkovalnu antenu, ultrakratkovalnu antenu, mikrovalnu antenu i tako dalje.

5. Prema strukturi i principu rada, može se podijeliti na linijsku antenu i planarnu antenu.

6. Prema broju dimenzija, može se podijeliti u dvije vrste: jednodimenzionalna antena i dvodimenzionalna antena.

7. Antene se mogu podijeliti u tri kategorije prema različitim prilikama uporabe: ručne antene, antene za vozila i bazne antene.

Baš kao što slijepac pipa slona, ​​svaka metoda klasifikacije može opisati samo jednu stranu ili jednu vrstu karakteristika antene. Samo kombinacijom svih karakteristika ciljanih ovim metodama klasifikacije može se jasno vidjeti cijela slika antene.

Kako bi smanjio složenost, Mr. Mayfly će započeti s najintuitivnijom metodom klasifikacije. Vidjeti je vjerovati, a neka svi vide kako izgledaju prave antene za različite namjene.

Mnogi su ljudi trebali vidjeti ovu vrstu antene na slici ispod. U prošlosti se uglavnom postavljao na krov radi prijema TV signala (šibna antena koja dolazi s TV-om stvarno je ograničena). Ova vrsta riblje kosti antene naziva se Yagi antena.

 

Ne treba brojati ima li 8 šipki na anteni. Razlog zašto se zove Yagi antena je taj što je njen izumitelj Japanac po imenu Yagi Hideji. Yagi antene uglavnom se koriste za prijem TV signala, a nema mnogo scenarija za bežičnu komunikaciju.

Na slici ispod je parabolična antena za radar, poput ogromnih lonaca, spektakularna je. Kada se radar pokrene, energija se mora koncentrirati i zračiti u smjeru koji treba zračiti. Ovaj oblik je vrlo prikladan.

 

Sljedeći "lonci" su manji, a to su mikrovalne antene koje se koriste za slanje i primanje mikrovalnih signala za prijenos informacija. Elektromagnetski valovi poput mikrovalova imaju vrlo kratke valne duljine i uglavnom se šire ravnim linijama. Odašiljačka i prijamna antena moraju biti međusobno usklađene kako bi radile. Uglavnom se koriste za prijenos u bežičnim komunikacijama.

 

Ako pažljivo pogledate gornje slike, otkrit ćete da postoje neke stvari u obliku ploče na vrhu tornja, koji je protagonist ovog članka: komunikacijska antena (vrsta podjele je usmjerena antena: signal se šalje i primljen u određenom smjeru), najviše To je onaj koji često uspostavlja kontakt očima s mobitelom.

 

Budući da postoje usmjerene antene, moraju postojati i višesmjerne antene. Kao što naziv implicira, višesmjerne antene mogu slati i primati signale u 360° bez mrtvog kuta, vanjske višesmjerne antene i stropne antene za unutarnju pokrivenost.

 

Vratimo se protagonistu ovog članka: usmjerenoj anteni. Da biste otkrili misterij ovog proizvoda, potrebno ga je rastaviti i vidjeti što je unutra.

 

Unutrašnjost je prazna, a struktura nije komplicirana. Sastoji se od vibratora, reflektora, dovodne mreže i kupole. Čemu služe te unutarnje strukture i kako se može ostvariti funkcija usmjerenog odašiljanja i primanja signala?

Sve počinje s elektromagnetskim valovima.

 

2. Skinite omotač s antene

Razlog zašto antena može prenositi informacije velikom brzinom je taj što može pokrenuti elektromagnetski val koji nosi informaciju u zrak, širiti se brzinom svjetlosti i konačno doći do prijemne antene.

Ovo je kao korištenje brzih vlakova za prijevoz putnika. Ako se informacije uspoređuju s putnicima, onda je alat za prijevoz putnika: brzi vlakovi su elektromagnetski valovi, a antene su ekvivalent stanicama, odgovorne za upravljanje i raspored prijenosa elektromagnetskih valova.

Dakle, što su elektromagnetski valovi?

Znanstvenici su proučavali dvije misteriozne sile elektriciteta i magnetizma stotinama godina. Konačno, Maxwell iz Ujedinjenog Kraljevstva je predložio da: električna struja može generirati električno polje oko sebe, promjenjivo električno polje generira magnetsko polje, a promjenjivo magnetsko polje generira električno polje. Na kraju je ova teorija potvrđena Hertzovim eksperimentima.

Tijekom takve periodične transformacije elektromagnetskog polja, elektromagnetski valovi zrače van i šire se u svemir. Za detalje pogledajte članak: “Elektromagnetski valovi su nevidljivi i neopipljivi, hirovita ideja ovog mladića promijenila je svijet”.

 

动图封面

Kao što je prikazano na gornjoj slici, crvena linija predstavlja električno polje, plava linija predstavlja magnetsko polje, a smjer širenja elektromagnetskog vala je okomit na smjer električnog i magnetskog polja u isto vrijeme.

Dakle, kako antena šalje te elektromagnetske valove? Nakon što pročitate sliku ispod, shvatit ćete.

 

Gornje dvije žice koje generiraju elektromagnetske valove nazivaju se "oscilatori". Općenito, veličina vibratora najbolje funkcionira kada je pola valne duljine, pa se često naziva "poluvalni vibrator".

 

S vibratorom se elektromagnetski valovi mogu kontinuirano emitirati. Kako je prikazano dolje.

 

动图封面

Pravi vibrator izgleda kao na slici ispod.

 

Poluvalni vibrator kontinuirano širi elektromagnetske valove u prostor, ali raspodjela jačine signala u prostoru nije ravnomjerna, kao prsten kao guma.

 

Ali zapravo, pokrivenost naše bazne stanice mora biti dalje u horizontalnom smjeru. Uostalom, ljudi koji trebaju telefonirati su na terenu; Pokrivenost je druga tema, o njoj ću sljedeći put), dakle, u emisiji energije elektromagnetskih valova potrebno je pojačati horizontalni smjer, a oslabiti vertikalni smjer.

 

Prema načelu očuvanja energije, energija se neće niti povećati niti smanjiti. Ako želite povećati energiju emisije u vodoravnom smjeru, morate oslabiti energiju u okomitom smjeru. Stoga je potrebno samo izravnati uzorak zračenja energije standardnog poluvalnog niza, kao što je prikazano na donjoj slici.

 

Pa kako to izravnati? Odgovor je povećati broj poluvalnih oscilatora. Emisija višestrukih oscilatora skuplja se u središtu, a energija na rubu je oslabljena, tako da se ostvaruje svrha izravnavanja smjera zračenja i koncentriranja energije u vodoravnom smjeru.

 

U općim sustavima makro baznih stanica najčešća je uporaba usmjerenih antena. Općenito, bazna stanica je podijeljena u 3 sektora i pokrivena s 3 antene, a svaka antena pokriva raspon od 120 stupnjeva.

 

Gornja slika je karta planiranja pokrivenosti baznom stanicom nekog područja. Jasno možemo vidjeti da je svaka bazna stanica sastavljena od tri sektora, a svaki sektor je predstavljen drugom bojom, što zahtijeva tri usmjerene antene za realizaciju.

Dakle, kako antena ostvaruje usmjerenu emisiju elektromagnetskih valova?

To sigurno nije problem za pametne dizajnere. Ne bi li bilo dovoljno vibratoru dodati reflektor koji bi reflektirao signal koji je trebao biti odaslan na drugu stranu?

 

Na taj način se dodaje vibrator kako bi se elektromagnetski val širio dalje u horizontalnom smjeru, a reflektor je dodan da kontrolira smjer. Nakon ova dva zaokreta, rađa se prototip usmjerene antene, a smjer emisije elektromagnetskog vala postaje kao što je prikazano na slici ispod.

 

Glavni režanj u horizontalnom smjeru je daleko od tla emisije, ali gornji bočni režanj i donji bočni režanj nastaju u okomitom smjeru. Istodobno, zbog nepotpune refleksije, iza njega se nalazi rep, koji se naziva stražnji režanj.

U ovom trenutku, najvažniji pokazatelj antene: objašnjenje "pojačanja" je samo po sebi razumljivo.

Kao što naziv implicira, dobitak znači da antena može poboljšati signal. Razumljivo je da antena ne treba napajanje, već samo emitira elektromagnetske valove koji se do nje prenose, pa kako može biti "dobitak"?

Zapravo, postoji li "dobitak" ili ne ovisi o tome s kim i kako se uspoređujete.

Kao što je prikazano na donjoj slici, u usporedbi s idealnim točkastim izvorom zračenja i poluvalnim oscilatorom, antena može prikupiti energiju u smjeru glavnog snopa i poslati elektromagnetske valove dalje, što je jednako poboljšanju smjera glavnog snopa. režanj. To jest, takozvani dobitak je relativan u odnosu na točkasti izvor zračenja ili poluvalni oscilator u određenom smjeru.

 

Dakle, kako izmjeriti pokrivenost i pojačanje glavnog snopa antene? To zahtijeva uvođenje koncepta "širine snopa". Nazivamo područje gdje je intenzitet elektromagnetskog vala s obje strane središnje linije na glavnom režnju prigušen na polovicu širine snopa.

Budući da je intenzitet prigušen za polovicu, to jest 3dB, širina snopa se također naziva "kut pola snage" ili "kut snage 3dB".

 

Uobičajeni kutovi pola snage antene su uglavnom 60°, a postoje i uže antene od 33°. Što je kut polovične snage uži, to se signal dalje širi u smjeru glavnog snopa i to je pojačanje veće.

Zatim kombiniramo vodoravni i okomiti uzorak antene kako bismo dobili stereogramski uzorak zračenja, koji izgleda puno intuitivnije.

 

Očito, postojanje stražnjeg režnja uništava usmjerenost usmjerene antene, koja se mora minimizirati što je više moguće. Omjer energije između prednjeg i stražnjeg režnja naziva se "omjer naprijed-natrag". Što je veća vrijednost, to bolje, a to je važan pokazatelj antene.

Dragocjena snaga gornjeg bočnog snopa uzalud se šalje u nebo, što nije mali gubitak, pa se pri projektiranju usmjerene antene nastoj gornji bočni snop potisnuti na minimum.

Osim toga, postoje neke rupe između glavnog režnja i donjeg bočnog režnja, također poznatog kao donji nulti, što dovodi do lošeg signala u blizini antene. Prilikom projektiranja antene te rupe treba svesti na najmanju moguću mjeru, što se naziva "nulto punjenje".

 

3. Budite iskreni s antenom

Razgovarajmo o još jednom važnom konceptu antena: polarizaciji.

Kao što je ranije spomenuto, širenje elektromagnetskih valova je u biti širenje elektromagnetskih polja, a električna polja su usmjerena.

Ako je smjer električnog polja okomit na tlo, nazivamo ga vertikalno polariziranim valom. Slično tome, paralelno s tlom je vodoravno polariziran val.

Ako smjer električnog polja s tlom čini kut od 45°, to nazivamo polarizacijom od ±45°.

 

Zbog karakteristika elektromagnetskih valova, utvrđeno je da će horizontalno polarizirani signal generirati polariziranu struju na površini zemlje kada je blizu tla, tako da se signal električnog polja brzo slabi, dok vertikalno polarizirani mod Nije lako generirati polariziranu struju, čime se izbjegava gubitak energije. Značajno prigušenje osigurava učinkovit prijenos signala.

Kao kompromisno optimizacijsko rješenje, trenutne mainstream antene su superponirane s dva polarizacijska moda od ±45°, a dva oscilatora tvore dva ortogonalna polarizacijska vala u jednoj jedinici, što se naziva dualnom polarizacijom. Dok osigurava performanse, ova metoda implementacije također uvelike poboljšava razinu integracije antene.

Zbog toga volim crtati nekoliko križeva u shematskom dijagramu antene. Ovi križevi ne samo da zorno predstavljaju smjer polarizacije, već također predstavljaju broj oscilatora.

 

Uz usmjerenu antenu visokog pojačanja, je li u redu objesiti je izravno na toranj?

Očito, ako je tlo nisko, zgrada će blokirati previše, tako da neće raditi; ako je tlo visoko, neće biti nikoga na nebu, što će trošiti signal, a ako se signal odašilje predaleko, bazna stanica ga jedva može prihvatiti, ali je snaga prijenosa mobitela premala. Poslao sam ga baznoj stanici i nisam ga mogao primiti.

Dakle, ova antena mora prenositi signale na tlo gdje ima ljudi, a područje pokrivanja mora biti kontrolirano. To zahtijeva da antena bude nagnuta prema dolje pod kutom, poput ulične svjetiljke, a svaka antena je odgovorna za pokrivanje vlastitog područja.

 

Ovo uvodi koncept nagiba antene prema dolje.

Sve antene imaju gumbe s kutnim ljestvicama na svojim montažnim nosačima. Okretanjem gumba za kontrolu mehaničkog pomicanja nosača, može se prilagoditi kut nagiba prema dolje. Stoga se podešavanje kuta nagiba prema dolje na ovaj način naziva i mehaničkim nagibom prema dolje.

 

Ali ovaj pristup ima dva očita nedostatka.

Prva je nevolja. Kako bi napravili optimizaciju mreže i podesili kut, inženjeri se moraju popeti na toranj na postaji. Teško je reći kakav će biti stvarni učinak, stvarno je nezgodno i skupo.

 

Drugo je da je metoda podešavanja mehaničkog nagiba prema dolje prejednostavna i gruba, a amplituda vertikalne komponente i horizontalne komponente antene ostaje nepromijenjena, što će uzrokovati izobličenje uzorka pokrivenosti.

 

Nakon toliko truda, pokrivenost prije i poslije prilagodbe potpuno se promijenila i bilo je teško postići očekivani učinak, a smetnje drugim baznim stanicama također su se povećale zbog preokretanja stražnjeg režnja, tako da mehanički kut nagiba prema dolje može samo malo prilagoditi.

Dakle, postoji li bolji način?

Doista postoji način, odnosno korištenje elektroničkog nagiba. Načelo elektroničkog nagiba prema dolje je promjena faze oscilatora kolinearne antene, promjena amplitude okomite komponente i vodoravne komponente i promjena jakosti polja kompozitne komponente, tako da je okomiti dijagram antene nagnut prema dolje.

 

Drugim riječima, elektronički nagib ne treba zapravo naginjati antenu, potrebno je samo da inženjer klikne mišem ispred računala i prilagodi ga softverom. Štoviše, nagib elektrona prema dolje ne uzrokuje izobličenje uzorka zračenja.

 

Jednostavnost i praktičnost elektroničkog nagiba nisu nastale iz ničega, već su ostvarene zajedničkim naporima industrije.

Godine 2001. nekoliko proizvođača antena okupilo se i osnovalo organizaciju pod nazivom AISG (Antenna Interface Standards Group) kako bi standardizirali sučelje električnih podesivih antena.

 

Do sada su postojale dvije verzije sporazuma: AISG 1.0 i AISG 2.0.

S ova dva protokola, čak i ako su antenu i baznu stanicu proizveli različiti proizvođači, sve dok su u skladu s istim AISG protokolom, mogu jedna drugoj prenijeti kontrolne informacije o kutu nagiba antene kako bi ostvarili daljinsko podešavanje kut nagiba prema dolje.

 

S evolucijom AISG protokola unatrag, ne samo da se kut nagiba prema dolje u okomitom smjeru može podesiti daljinski, već i kut azimuta u vodoravnom smjeru, kao i širina i pojačanje glavnog režnja mogu se podesiti daljinski.

Štoviše, zbog sve većeg broja bežičnih frekvencijskih pojaseva raznih operatera i naglog povećanja broja antenskih priključaka koje zahtijevaju tehnologije kao što je 4G MIMO, antene postupno evoluiraju od jednofrekventnih dvopriključnih do višefrekventnih i višestrukih -luka.

Princip antene se čini jednostavnim, ali potraga za izvrsnošću performansi je beskrajna. Do sada je ovaj članak samo kvalitativno opisao osnovna znanja o baznim stanicama. Što se tiče dubljih unutarnjih misterija, kako bolje podržati evoluciju na 5G, valovi komunikacije ljudi još uvijek traže gore-dolje.

Sve što se ovdje može vidjeti je prava ljubav.

hvala svima.