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Facile da capire! Dopo averlo letto sei un mezzo esperto di antenne
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Come tutti sappiamo, le antenne vengono utilizzate dalle stazioni base e dai telefoni cellulari per trasmettere segnali.
La parola antenna in inglese è Antenna, che originariamente significa tentacoli. I tentacoli sono i due fili lunghi e sottili sulla parte superiore della testa di un insetto. Non sottovalutare una cosa così poco appariscente, ma sono i segnali chimici inviati da questi tentacoli a veicolare diverse informazioni sociali.
Allo stesso modo, nel mondo umano, anche la comunicazione wireless utilizza antenne per trasmettere informazioni, ma sono le onde elettromagnetiche a trasportare informazioni utili. L'immagine seguente è un esempio di un telefono cellulare e una stazione base che comunicano tra loro.
Se alzi la testa per scrutare la stazione base, scoprirai che in cima alla torre ci sono alcune cose simili a piastre, che sono le protagoniste di questo articolo: antenna di comunicazione, il più delle volte e contatto visivo diretto del telefono cellulare è questa merce.
Questa antenna è chiamata antenna direzionale, come suggerisce il nome, è che l'emissione del segnale è diretta. Se è rivolto verso di te, il segnale basta; se stai dietro, scusa, non nell'area di servizio!
Allo stato attuale, la stragrande maggioranza delle stazioni base che utilizzano antenne direzionali, generalmente necessitano di tre antenne per completare una copertura a 360 gradi. Per svelare il misterioso velo di questa merce è necessario smontarla per vedere cosa vi è effettivamente caricato al suo interno.
Il vuoto interno, la struttura non è ben complessa, è composto da vibratori, piastra riflettente, rete di alimentazione e radome. Cosa stanno facendo queste strutture interne, come realizzare la funzione di trasmissione direzionale e ricezione dei segnali?
Questo è tutto dall'onda elettromagnetica per iniziare.
Staccando il rivestimento dell'antenna
Le antenne sono in grado di trasmettere informazioni ad alta velocità perché emettono onde elettromagnetiche contenenti informazioni nell'aria, viaggiando alla velocità della luce e raggiungendo infine l' antenna ricevente .
È come trasportare passeggeri su un treno ad alta velocità. Se confrontiamo le informazioni con i passeggeri, allora il veicolo che trasporta i passeggeri: il treno ad alta velocità è l'onda elettromagnetica, e l'antenna è l'equivalente della stazione, che gestisce l'invio dell'onda elettromagnetica.
Allora, cosa sono le onde elettromagnetiche?
Gli scienziati hanno studiato le due misteriose forze dell'elettricità e del magnetismo per centinaia di anni, culminando nella proposta di Maxwell dell'Inghilterra secondo cui una corrente elettrica può produrre un campo elettrico nelle sue vicinanze, un campo elettrico variabile produce un campo magnetico e un campo magnetico variabile produce un campo elettrico. Alla fine questa teoria fu confermata dagli esperimenti di Hertz.
Con il campo elettromagnetico in tale trasformazione periodica, le onde elettromagnetiche si irradiano e si propagano nello spazio. Per maggiori dettagli, vedere l'articolo "Le onde elettromagnetiche non possono essere viste né toccate, l'idea stravagante di questo giovane ha cambiato il mondo".
Come mostrato nella figura sopra, la linea rossa rappresenta il campo elettrico, la linea blu rappresenta il campo magnetico e la direzione di propagazione dell'onda elettromagnetica è perpendicolare alla direzione del campo elettrico e del campo magnetico contemporaneamente.
Quindi, come fa l'antenna a inviare queste onde elettromagnetiche? Dopo aver guardato la figura qui sotto, capirai.
I due fili che generano le onde elettromagnetiche sono chiamati “oscillatori”. In generale, la dimensione dell'oscillatore è di mezza lunghezza d'onda quando i risultati migliori, quindi viene spesso chiamato "oscillatore a mezza onda".
Con l'oscillatore, le onde elettromagnetiche possono essere emesse continuamente. Questo è mostrato nella figura seguente:
Un vero oscillatore si presenta così.
L'oscillatore a semionda diffonde continuamente l'onda elettromagnetica nello spazio, ma la potenza del segnale non è distribuita uniformemente nello spazio, come un anello come un pneumatico. Il segnale è forte orizzontalmente, ma debole verticalmente.
In effetti, la copertura della nostra stazione base deve essere un po' più ampia in direzione orizzontale, dopotutto è necessario chiamare le persone a terra; direzione verticale verso l'alta quota, in alto nell'aria non c'è molto bisogno di volare mentre si sfiorano le persone Jitterbug (la copertura del percorso è un argomento diverso, seguito da un discorso).
Pertanto, nell'emissione di energia delle onde elettromagnetiche, anche se la direzione verticale dell'energia dell'oscillatore a semionda è stata relativamente debole, è necessario migliorare ulteriormente la direzione orizzontale e indebolire ulteriormente la direzione verticale.
Secondo il principio di conservazione dell'energia, l'energia non aumenta né diminuisce e se si vuole aumentare l'energia emessa in direzione orizzontale, è necessario indebolire l'energia in direzione verticale. Pertanto, l'unico modo per appiattire la mappa standard della direzione della radiazione energetica dell'array a semionda, come mostrato nella figura seguente.
Allora come appiattirlo? La risposta è aumentare il numero di oscillatori a semionda. L'emissione di vibratori multipli nel centro di convergenza, il bordo dell'energia è stato indebolito, la direzione della radiazione realizza l'appiattimento dell'applauso, la concentrazione dell'energia nella direzione orizzontale dello scopo.
Le antenne direzionali sono più comunemente utilizzate nei sistemi generali di stazioni base macro. Generalmente, una stazione base è divisa in 3 settori e coperta da 3 antenne, ciascuna antenna copre una portata di 120 gradi.
Dalla figura sopra possiamo vedere chiaramente che questa stazione base è composta da tre settori, utilizzando tre unità RF, la cui realizzazione richiede tre coppie di antenne direzionali.
Lo schema qui sopra è un po' più intuitivo. La stazione base si trova al centro del cerchio, una grande torta è divisa in tre parti, ciascuna delle quali è un settore di 120 gradi, quindi è chiamata tre settori.
Allora come fa l' antenna a ottenere l'emissione direzionale delle onde elettromagnetiche?
Non è certamente difficile battere un designer intelligente. Per aggiungere un riflettore all'oscillatore, il segnale dovrebbe essere irradiato verso l'altro lato della riflessione?
Quindi aumentare il vibratore in modo che l'onda elettromagnetica nella direzione orizzontale sia più lontana, quindi aumentare il riflettore per controllare la direzione, dopo due lanci è nato il prototipo dell'antenna direzionale, la direzione dell'emissione dell'onda elettromagnetica nella figura seguente.
Il lato orizzontale dell'aletta principale è lontano dal lancio, ma la direzione verticale produce il lato superiore dell'aletta e il lato inferiore dell'aletta e, allo stesso tempo, a causa della riflessione non completa, c'è una coda in corrispondenza parte posteriore, detta parte posteriore della patta.
A questo punto entra in gioco la spiegazione della metrica più importante dell'antenna: il "guadagno".
Come suggerisce il nome, guadagno significa che l'antenna migliora il segnale. È ragionevole dire che l'antenna non ha bisogno di alimentazione, trasmette solo l'onda elettromagnetica che le viene trasmessa, come può esserci "guadagno"?
Manca infatti il “guadagno”, la chiave per vedere con chi, come confrontarsi.
Come mostrato nella figura seguente, rispetto alla sorgente di radiazione puntiforme ideale e all'oscillatore a semionda, l'antenna può raccogliere l'energia nella direzione del petalo principale, può inviare l'onda elettromagnetica più lontano, equivalente alla direzione del petalo principale del potenziamento . Ciò significa che il cosiddetto guadagno si trova in una certa direzione rispetto alla sorgente di radiazione puntiforme o all'oscillatore a semionda.
Quindi, alla fine, come misurare la copertura e il guadagno della valvola principale dell'antenna? Ciò richiede l'introduzione del concetto di "larghezza del fascio". Chiamiamo attenuazione dell'intensità dell'onda elettromagnetica l'aletta principale su entrambi i lati della linea centrale a metà della gamma di larghezza del fascio.
Poiché l'attenuazione dell'intensità è pari alla metà, ovvero 3 dB, l'ampiezza del fascio è anche chiamata "angolo di potenza dimezzato" o "angolo di potenza 3 dB".
L'angolo di metà potenza dell'antenna comune arriva fino a 60°, ci sono anche alcune antenne più strette da 33°. Più stretto è l'angolo di metà potenza, più il segnale si diffonde nella direzione della valvola principale, maggiore è il guadagno.
In basso combiniamo i diagrammi dell'antenna orizzontale e verticale, otteniamo un diagramma di radiazione tridimensionale, sembra molto più intuitivo.
Ovviamente l'esistenza del flap posteriore distrugge la direzionalità dell'antenna direzionale, è da minimizzare. Il rapporto energetico tra il lembo anteriore e quello posteriore è chiamato "rapporto prima e dopo", maggiore è il valore, migliore è, è un indicatore importante dell'antenna.
La preziosa potenza della parte superiore del lembo viene lanciata verso il cielo per niente, ma non è uno spreco da poco, quindi nella progettazione delle antenne direzionali si dovrebbe cercare di ridurre al minimo la soppressione del lato superiore del lembo.
Inoltre, tra l'aletta principale e l'aletta laterale inferiore ci sono alcuni fori, noti anche come parte inferiore dell'abbassamento zero, che portano l'antenna più vicina al luogo del segnale non va bene, nel design dell'antenna per ridurre al minimo questi buchi, noto come "riempimento del punto zero".
Essere onesti con l'antenna
Un altro concetto importante delle antenne è la polarizzazione.
Come accennato in precedenza, la propagazione delle onde elettromagnetiche è essenzialmente la propagazione dei campi elettromagnetici, e i campi elettrici hanno una direzione.
Se la direzione del campo elettrico è perpendicolare al suolo, si parla di onda polarizzata verticalmente. Allo stesso modo, parallela al suolo, è un'onda polarizzata orizzontalmente.
Se la direzione del campo elettrico forma un angolo di 45° con il suolo, si parla di polarizzazione di ±45°.
A causa delle caratteristiche delle onde elettromagnetiche, si è deciso che la propagazione della polarizzazione orizzontale del segnale in prossimità del suolo produrrà corrente di polarizzazione sulla superficie terrestre, in modo che il segnale del campo elettrico si attenui rapidamente e la polarizzazione verticale non sia facile produrre corrente di polarizzazione , evitando così una significativa attenuazione dell'energia, per garantire l'efficace propagazione del segnale.
Come schema di ottimizzazione, ora le antenne tradizionali vengono utilizzate ± 45° con due metodi di polarizzazione sovrapposti da due oscillatori in un'unità per formare due onde di polarizzazione ortogonali, note come doppia polarizzazione. Questa realizzazione, al fine di garantire le prestazioni allo stesso tempo, migliora notevolmente anche l'integrazione dell'antenna.
Questo è il motivo per cui negli schemi dell'antenna piace disegnare una serie di forcelle all'interno, queste forcelle rappresentano sia la direzione della polarizzazione in senso figurato che il numero di oscillatori.
Con un'antenna direzionale ad alto guadagno , è possibile appenderla direttamente alla torre?
Ovviamente gli edifici bassi sospesi coprono troppo, no; sospeso in alto, nessuno nell'aria, uno spreco di segnale e lascia che il segnale si diffonda troppo lontano, la stazione base riesce a malapena a accettarlo, ma la potenza di trasmissione del telefono cellulare è troppo piccola, la stazione base inviata non può essere ricevuta.
Pertanto questa antenna deve trasmettere segnali al suolo dove sono presenti persone e la copertura deve essere controllata. Ciò richiede che l'antenna sia inclinata verso il basso ad angolo, come un lampione, ciascuna antenna è responsabile della copertura delle rispettive aree.
Ciò introduce il concetto di inclinazione dell'antenna.
Tutte le antenne sono dotate di una manopola con una scala angolare sulla staffa di montaggio e, ruotando la manopola per controllare il movimento meccanico della staffa, è possibile regolare l'angolo di inclinazione verso il basso. Pertanto, la regolazione dell'inclinazione verso il basso in questo modo viene anche definita inclinazione verso il basso meccanica.
Tuttavia, questo metodo presenta due ovvi svantaggi.
Il primo sono i guai. Per ottimizzare la rete e regolare l'angolo, sono necessari ingegneri che salgano sulla torre della stazione, l'effetto reale di ciò che non è abbastanza buono da dire è scomodo e ad alto costo.
Il secondo è che la regolazione meccanica dell'inclinazione è troppo semplice e approssimativa e l'ampiezza della componente verticale e della componente orizzontale dell'antenna è invariata, quindi la mappa della direzione di copertura sarà forzata ad appiattirsi, con conseguente distorsione.
Dopo tanto sforzo, la copertura prima e dopo la regolazione è completamente cambiata, è difficile ottenere l'effetto desiderato, ma anche a causa della curvatura verso l'alto del petalo posteriore si verificano anche interferenze con altre stazioni base, quindi l'angolo di inclinazione meccanica può essere regolato solo con piccoli incrementi.
Quindi, esiste un modo migliore?
C'è davvero un modo: utilizzare l'inclinazione elettronica. Il principio del downtilt elettronico è quello di modificare la fase dell'oscillatore comune dell'antenna line array, modificare l'ampiezza della componente verticale e la dimensione del componente orizzontale, modificare l'intensità del campo del componente sintetizzato, in modo che la direzione verticale della figura dell'antenna si inclini verso il basso.
Vale a dire, l'inclinazione elettronica verso il basso non ha realmente bisogno di far inclinare l'antenna, servono solo gli ingegneri davanti al computer, puntare e fare clic con il mouse, con la regolazione del software può essere. Inoltre, l'inclinazione elettronica non causerà la distorsione della mappa della direzione della radiazione.
La semplicità e la comodità dell'inclinazione elettronica non nascono dal nulla, ma grazie agli sforzi congiunti del settore per realizzarla.
Nel 2001, diversi produttori di antenne si uniscono, creano un'organizzazione chiamata AISG (Antenna Interface Standards Group), vogliono standardizzare l'interfaccia dell'antenna ESC.
Finora esistono due versioni dell’accordo: AISG 1.0 e AISG 2.0.
Con questi due protocolli, anche se l'antenna e la stazione base sono prodotte da produttori diversi, purché seguano tutte lo stesso protocollo AISG, possono scambiarsi reciprocamente le informazioni di controllo dell'inclinazione dell'antenna e realizzare la regolazione remota dell'inclinazione angolo.
Con l'evoluzione all'indietro del protocollo AISG, non solo l'angolo di inclinazione verticale può essere regolato da remoto, anche l'angolo di azimut orizzontale e la larghezza e il guadagno del flap principale possono essere regolati da remoto.
Inoltre, a causa del numero crescente di bande wireless di ciascun operatore, insieme al drammatico aumento del numero di porte dell'antenna richieste dal MIMO del 4G e da altre tecnologie, l'antenna si sta gradualmente evolvendo da doppia porta a frequenza singola a multi-porta. multiporta di frequenza.
Il principio dell'antenna sembra semplice, ma la ricerca dell'eccellenza prestazionale non ha fine. Questo articolo fino a questo punto è solo una descrizione qualitativa della conoscenza di base della stazione base, per quanto riguarda il mistero più profondo al suo interno, come supportare meglio l'evoluzione verso il 5G, un'ondata di comunicazioni che le persone continuano a cercare!
