antena
Łatwy do zrozumienia! Po przeczytaniu jesteś w połowie ekspertem od anten
Szacowane 20 minut na zakończenie czytania
Jak wszyscy wiemy, anteny służą stacjom bazowym i telefonom komórkowym do przesyłania sygnałów.
Słowo antena w języku angielskim to Antena, co pierwotnie oznaczało macki. Macki to dwa długie, cienkie druty na czubku głowy owada. Nie lekceważ tak niepozornej rzeczy, ale to właśnie sygnały chemiczne wysyłane przez te macki przekazują różne informacje społeczne.
Podobnie w świecie ludzi komunikacja bezprzewodowa również wykorzystuje anteny do przesyłania informacji, ale to fale elektromagnetyczne niosą przydatne informacje. Poniższy obrazek przedstawia przykład telefonu komórkowego i stacji bazowej komunikujących się ze sobą.
Jeśli podniesiesz głowę, aby przyjrzeć się stacji bazowej, odkryjesz, że na szczycie wieży znajdują się rzeczy przypominające talerze, co jest bohaterem tego artykułu: antena komunikacyjna, najczęściej i bezpośredni kontakt wzrokowy z telefonem komórkowym czy to towar.
Antena ta nazywana jest anteną kierunkową, jak sama nazwa wskazuje, polega na tym, że emisja sygnału jest ukierunkowana. Jeśli jest zwrócony w twoją stronę, sygnał po prostu; jeśli za tym stoisz, przepraszam, nie w obszarze usług!
Obecnie zdecydowana większość stacji bazowych korzystających z anten kierunkowych, generalnie potrzebuje trzech anten, aby zapewnić pokrycie 360 stopni. Aby odsłonić tajemniczą zasłonę tego towaru, należy ją rozebrać i zobaczyć, co tak naprawdę jest w środku załadowane.
Pusta część wewnętrzna o niezbyt skomplikowanej konstrukcji składa się z wibratorów, płyty reflektorowej, sieci zasilającej i kopuły. Czym zajmują się te wewnętrzne struktury, jak realizować funkcję kierunkowego nadawania i odbioru sygnałów?
Wszystko zaczyna się od fali elektromagnetycznej.
Zdejmowanie płaszcza anteny
Anteny są w stanie przesyłać informacje z dużą prędkością, ponieważ emitują do powietrza fale elektromagnetyczne zawierające informacje, przemieszczające się z prędkością światła i ostatecznie docierające do anteny odbiorczej .
To jak przewożenie pasażerów pociągiem dużych prędkości. Jeśli porównać informacje z pasażerami, to pojazd, który ich przewozi: szybki pociąg to fala elektromagnetyczna, a antena to odpowiednik stacji, która zarządza wysyłaniem fali elektromagnetycznej.
Czym zatem są fale elektromagnetyczne?
Naukowcy badali dwie tajemnicze siły, elektryczność i magnetyzm, przez setki lat, czego kulminacją była propozycja Maxwella z Anglii, że prąd elektryczny może wytworzyć pole elektryczne w swoim sąsiedztwie, zmienne pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne, a zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. Ostatecznie teoria ta została potwierdzona eksperymentami Hertza.
Przy polu elektromagnetycznym poddanym takiej okresowej transformacji fale elektromagnetyczne promieniują i rozchodzą się w przestrzeń. Więcej szczegółów można znaleźć w artykule „Fal elektromagnetycznych nie można zobaczyć ani dotknąć. Kapryśny pomysł tego młodego człowieka zmienił świat”.
Jak pokazano na powyższym rysunku, czerwona linia przedstawia pole elektryczne, niebieska linia przedstawia pole magnetyczne, a kierunek propagacji fali elektromagnetycznej jest prostopadły do kierunku pola elektrycznego i pola magnetycznego jednocześnie.
W jaki sposób antena wysyła te fale elektromagnetyczne? Po spojrzeniu na poniższy rysunek zrozumiesz.
Dwa przewody wytwarzające fale elektromagnetyczne nazywane są „oscylatorami”. Ogólnie rzecz biorąc, wielkość oscylatora w połowie długości fali daje najlepsze rezultaty, dlatego często nazywany jest „oscylatorem półfalowym”.
Dzięki oscylatorowi fale elektromagnetyczne mogą być emitowane w sposób ciągły. Pokazano to na poniższym rysunku:
Prawdziwy oscylator wygląda tak.
Oscylator półfalowy rozprzestrzenia falę elektromagnetyczną w przestrzeń w sposób ciągły, ale siła sygnału nie jest równomiernie rozłożona w przestrzeni, jak pierścień jak opona. Sygnał jest silny w poziomie, ale słaby w pionie.
Tak naprawdę zasięg naszej stacji bazowej musi być nieco dalej w kierunku poziomym, w końcu trzeba zadzwonić do ludzi znajdujących się na ziemi; kierunek pionowy na dużą wysokość, wysoko w powietrzu nie trzeba specjalnie latać podczas ocierania się o ludzi Jitterbuga (przebieg trasy to inny temat, potem rozmowa).
Dlatego też w emisji energii fal elektromagnetycznych, chociaż kierunek pionowy energii oscylatora półfalowego jest stosunkowo słaby, ale należy także dalej wzmacniać kierunek poziomy, a kierunek pionowy nieco osłabić.
Zgodnie z zasadą zachowania energii energia nie rośnie ani nie maleje, a jeśli energia emisji w kierunku poziomym ma zostać wzmocniona, energia w kierunku pionowym musi zostać osłabiona. Dlatego jedynym sposobem na spłaszczenie standardowej mapy kierunku promieniowania energii układu półfalowego, jak pokazano na poniższym rysunku.
Jak więc to spłaszczyć? Odpowiedzią jest zwiększenie liczby oscylatorów półfalowych. Emisja wielu wibratorów w zbieżności środkowej, krawędź energii została osłabiona, kierunek promieniowania realizacji spłaszczenia klapy, koncentracja energii w kierunku poziomym w celu.
Anteny kierunkowe są najczęściej stosowane w ogólnych systemach makrostacji bazowych. Ogólnie rzecz biorąc, stacja bazowa jest podzielona na 3 sektory i pokryta 3 antenami, każda antena pokrywająca zakres 120 stopni.
Z powyższego rysunku wyraźnie widać, że ta stacja bazowa składa się z trzech sektorów i wykorzystuje trzy jednostki RF, co wymaga do realizacji trzech par anten kierunkowych.
Powyższy schemat jest nieco bardziej intuicyjny. Stacja bazowa znajduje się w środku okręgu, duży tort jest podzielony na trzy części, z których każda stanowi sektor o kącie 120 stopni, dlatego nazywa się to trzema sektorami.
W jaki sposób antena osiąga kierunkową emisję fal elektromagnetycznych?
Z pewnością nie jest trudno pokonać sprytnego projektanta. Aby dodać reflektor do oscylatora, sygnał powinien zostać wypromieniowany na drugą stronę odbicia z powrotem do niego?
Zwiększ więc wibrator tak, aby fala elektromagnetyczna była dalej w kierunku poziomym, a następnie zwiększ reflektor, aby kontrolować kierunek, po dwóch rzutach narodził się prototyp anteny kierunkowej, kierunek emisji fali elektromagnetycznej jest przedstawiony na poniższym rysunku.
Pozioma strona głównej klapy do startu jest daleko, ale kierunek pionowy tworzy górną stronę klapy i dolną stronę klapy, a jednocześnie z powodu niekompletnego odbicia, na końcu znajduje się ogon tył, zwany tyłem klapy.
W tym miejscu wchodzi w grę wyjaśnienie najważniejszej miary anteny: „zysku”.
Jak sama nazwa wskazuje, wzmocnienie oznacza, że antena wzmacnia sygnał. Rozsądnie jest powiedzieć, że antena nie potrzebuje zasilania, wystarczy przesłać przesłaną do niej falę elektromagnetyczną, jak można uzyskać „zysk”?
Tak naprawdę nie ma żadnego „zysku”, kluczem jest zobaczyć z kim, jak porównać.
Jak pokazano na poniższym rysunku, w odniesieniu do idealnego punktowego źródła promieniowania i oscylatora półfalowego, antena może gromadzić energię w kierunku głównego płatka i może wysyłać falę elektromagnetyczną dalej, co odpowiada kierunkowi głównego płatka wzmocnienia . Oznacza to, że tak zwane wzmocnienie ma określony kierunek w stosunku do punktowego źródła promieniowania lub oscylatora półfalowego.
Jak więc w końcu zmierzyć pokrycie i wzmocnienie głównego zaworu anteny? Wymaga to wprowadzenia pojęcia „szerokości wiązki”. Klapkę główną po obu stronach linii środkowej nazywamy tłumieniem natężenia fali elektromagnetycznej do połowy zakresu szerokości wiązki.
Ponieważ tłumienie natężenia wynosi połowę, czyli 3 dB, dlatego szerokość wiązki nazywana jest również „kątem połowy mocy” lub „kątem mocy 3 dB”.
Wspólna antena ma kąt połowy mocy do 60°, są też węższe anteny 33°. Im węższy kąt połowy mocy, tym dalej sygnał rozprzestrzenia się w kierunku głównego zaworu, tym większe wzmocnienie.
W dół łączymy schematy anteny poziomej i pionowej, otrzymujemy trójwymiarowy wykres promieniowania, wygląda to znacznie bardziej intuicyjnie.
Oczywiście istnienie tylnej klapki niszczy kierunkowość anteny kierunkowej, należy je minimalizować. Stosunek energii pomiędzy przednią i tylną klapką nazywany jest „stosunkiem przed i po”, im większa wartość, tym lepiej, jest to ważny wskaźnik anteny.
Cenna moc górnej strony klapy jest wystrzeliwana w niebo za darmo, ale też nie jest małą stratą, dlatego przy projektowaniu anten kierunkowych należy starać się zminimalizować tłumienie górnej strony klapy.
Dodatkowo pomiędzy klapką główną a klapką boczną dolną znajdują się otwory, zwane również dolną częścią zerowego zwisu, prowadzące do anteny bliżej miejsca, w którym sygnał nie jest dobry, w konstrukcji anteny aby zminimalizować te dziury, zwane „wypełnieniem punktu zerowego”.
Szczerze mówiąc co do anteny
Inną ważną koncepcją anten jest polaryzacja.
Jak wspomniano wcześniej, propagacja fal elektromagnetycznych jest zasadniczo propagacją pól elektromagnetycznych, a pola elektryczne mają kierunek.
Jeżeli kierunek pola elektrycznego jest prostopadły do podłoża, nazywamy to falą spolaryzowaną pionowo. Podobnie, równolegle do ziemi, jest to fala spolaryzowana poziomo.
Jeżeli kierunek pola elektrycznego tworzy z ziemią kąt 45°, nazywamy to polaryzacją ±45°.
Ze względu na charakterystykę fal elektromagnetycznych zdecydowano, że propagacja polaryzacji poziomej sygnału blisko ziemi spowoduje wytworzenie prądu polaryzacyjnego na powierzchni ziemi, tak że sygnał pola elektrycznego szybko się osłabia, a polaryzacja pionowa nie jest łatwa do wytworzenia prądu polaryzacyjnego , unikając w ten sposób znacznego tłumienia energii, aby zapewnić efektywną propagację sygnału.
Jako schemat optymalizacji, obecnie anteny głównego nurtu wykorzystują dwie metody polaryzacji ± 45 ° nałożone na siebie przez dwa oscylatory w jednostce, tworząc dwie ortogonalne fale polaryzacyjne, znane jako podwójna polaryzacja. Realizacja tego celu, mająca na celu zapewnienie jednoczesnej wydajności, znacznie poprawia integrację anteny.
To jest powód, dla którego schematy anten lubią rysować w środku kilka widełek, te widełki przedstawiają w przenośni zarówno kierunek polaryzacji, jak i liczbę oscylatorów.
Czy antena kierunkowa o dużym wzmocnieniu może być zawieszona bezpośrednio na wieży?
Oczywiście wiszące niskie budynki zakrywają zbyt wiele, nie; wisieć wysoko, nikt w powietrzu, marnowanie sygnału i pozwolić, aby sygnał rozprzestrzenił się zbyt daleko, stacja bazowa ledwo może to zaakceptować, ale moc nadawania telefonu komórkowego jest zbyt mała, wysłana stacja bazowa nie może zostać odebrana.
Dlatego antena ta musi przesyłać sygnały do ziemi, gdzie znajdują się ludzie, a zasięg musi być kontrolowany. Wymaga to anteny pochylonej w dół pod kątem, jak latarnia uliczna, każda antena jest odpowiedzialna za pokrycie swojego odpowiedniego obszaru.
Wprowadza to koncepcję pochylenia anteny w dół.
Wszystkie anteny posiadają pokrętło ze skalą kąta na uchwycie montażowym, a przekręcając pokrętło w celu kontrolowania mechanicznego ruchu wspornika, można regulować kąt nachylenia w dół. Zatem regulacja pochylenia w dół w ten sposób nazywana jest również mechanicznym pochyleniem w dół.
Jednakże sposób ten ma dwie oczywiste wady.
Pierwszym z nich są kłopoty. Aby przeprowadzić optymalizację sieci w celu dostosowania kąta, inżynierowie muszą wspiąć się na wieżę na stacji, a rzeczywisty efekt tego, co nie jest wystarczająco dobre, aby powiedzieć, jest niewygodny, wysoki koszt.
Po drugie, mechaniczna regulacja nachylenia jest zbyt prosta i szorstka, a amplituda składowej pionowej i poziomej anteny pozostaje niezmieniona, co prowadzi do spłaszczenia mapy kierunku pokrycia, co powoduje zniekształcenia.
Po tak dużym wysiłku zasięg przed i po regulacji ulega całkowitej zmianie, trudno jest uzyskać pożądany efekt, ale również ze względu na wygięcie tylnego płatka ku górze powoduje, że zakłócenia innych stacji bazowych również się zwiększają, więc mechaniczny kąt pochylenia można regulować jedynie małymi krokami.
Czy istnieje lepszy sposób?
Naprawdę jest na to sposób, polegający na zastosowaniu elektronicznego pochylenia. Zasada elektronicznego przechylenia w dół polega na zmianie fazy oscylatora antenowego typu common line array, zmianie amplitudy składowej pionowej i wielkości składowej poziomej, zmianie natężenia pola składowej syntetycznej, tak aby pionowy kierunek anteny przechylił się w dół.
Oznacza to, że elektroniczne pochylenie w dół tak naprawdę nie musi pozwalać na przechylenie anteny, wystarczy inżynierom przed komputerem, wskaż i kliknij myszką, z możliwością regulacji oprogramowania. Co więcej, elektroniczne nachylenie nie spowoduje zniekształcenia mapy kierunku promieniowania.
Prostota i wygoda elektronicznego pochylenia nie biorą się znikąd, ale dzięki wspólnym wysiłkom branży.
W 2001 roku kilku producentów anten zebrało się, założyło organizację zwaną AISG (Antenna Interface Standards Group), chcąc ujednolicić interfejs anteny ESC.
Do tej pory istniały dwie wersje porozumienia: AISG 1.0 i AISG 2.0.
Dzięki tym dwóm protokołom, nawet jeśli antena i stacja bazowa są produkowane przez różnych producentów, o ile wszystkie korzystają z tego samego protokołu AISG, mogą przekazywać sobie nawzajem informacje dotyczące sterowania nachyleniem anteny i realizować zdalną regulację nachylenia kąt.
Dzięki wstecznej ewolucji protokołu AISG można zdalnie regulować nie tylko kąt nachylenia w pionie, nawet kąt azymutu w poziomie, a także szerokość i wzmocnienie głównej klapy.
Co więcej, ze względu na rosnącą liczbę pasm bezprzewodowych każdego operatora, w połączeniu z dramatycznym wzrostem liczby portów antenowych wymaganych przez MIMO 4G i inne technologie, antena również stopniowo ewoluuje od dwuportowej o pojedynczej częstotliwości do wieloportowej częstotliwość, wiele portów.
Zasada anteny wydaje się prosta, ale dążenie do doskonałości wydajności nie ma końca. Ten artykuł do tego momentu jest jedynie jakościowym opisem podstawowej wiedzy o stacji bazowej, jeśli chodzi o głębszą tajemnicę wewnątrz, jak lepiej wspierać ewolucję do 5G, ludzie wciąż szukają fali komunikacyjnej!
