Antena
Fácil de entender! Depois de ler você é meio especialista em antenas
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Como todos sabemos, as antenas são utilizadas por estações base e telefones celulares para transmitir sinais.
A palavra antena em inglês é Antena, que originalmente significa tentáculos. Tentáculos são dois fios longos e finos no topo da cabeça de um inseto. Não subestime algo tão discreto, mas são os sinais químicos enviados por esses tentáculos que transmitem diversas informações sociais.
Da mesma forma, no mundo humano, a comunicação sem fio também utiliza antenas para transmitir informações, mas são as ondas eletromagnéticas que transportam informações úteis. A imagem abaixo é um exemplo de um telefone celular e uma estação base se comunicando.
Se você levantar a cabeça para examinar a estação base, descobrirá que no topo da torre existem algumas coisas parecidas com placas, que são as protagonistas deste artigo: antena de comunicação, a mais frequente e contato visual direto do celular é este produto.
Essa antena é chamada de antena direcional, pois como o nome sugere, é que a emissão do sinal é direcionada. Se estiver de frente para você, o sinal é justo; se você está atrás disso, desculpe, não na área de serviço!
Actualmente, a grande maioria das estações base sobre a utilização de antenas direccionais, geralmente precisa de três antenas para completar a cobertura de 360 graus. Para desvendar o véu misterioso desta mercadoria, é necessário desmontá-la para ver o que realmente está carregado dentro dela.
O vazio interno, a estrutura não é bem complexa, é composto por vibradores, placa refletora, rede de alimentação e radome. Essas estruturas internas estão fazendo o quê, como realizar a função de transmissão e recepção direcional de sinais?
Para começar, tudo isso vem da onda eletromagnética.
Retirando o revestimento da antena
As antenas são capazes de transmitir informações em altas velocidades porque emitem ondas eletromagnéticas contendo informações no ar, viajando na velocidade da luz e eventualmente alcançando a antena receptora .
É como transportar passageiros num trem de alta velocidade. Se compararmos as informações dos passageiros, então o veículo que transporta os passageiros: o trem de alta velocidade é a onda eletromagnética, e a antena é o equivalente à estação, que gerencia o despacho da onda eletromagnética.
Então, o que são ondas eletromagnéticas?
Os cientistas estudaram as duas forças misteriosas da eletricidade e do magnetismo durante centenas de anos, culminando na proposta de Maxwell da Inglaterra de que uma corrente elétrica pode produzir um campo elétrico na sua vizinhança, um campo elétrico variável produz um campo magnético, e um campo magnético variável produz um campo elétrico. Eventualmente, esta teoria foi confirmada pelos experimentos de Hertz.
Com o campo eletromagnético em tal transformação periódica, as ondas eletromagnéticas irradiam e se propagam no espaço. Para obter mais detalhes, consulte o artigo "Ondas eletromagnéticas não podem ser vistas ou tocadas, a ideia extravagante deste jovem mudou o mundo".
Conforme mostrado na figura acima, a linha vermelha representa o campo elétrico, a linha azul representa o campo magnético e a direção de propagação da onda eletromagnética é perpendicular à direção do campo elétrico e do campo magnético ao mesmo tempo.
Então, como a antena envia essas ondas eletromagnéticas? Depois de olhar a figura abaixo, você entenderá.
Os dois fios que geram ondas eletromagnéticas são chamados de “osciladores”. Em geral, o tamanho do oscilador em meio comprimento de onda quando os melhores resultados, por isso é muitas vezes chamado de "oscilador de meia onda".
Com o oscilador, ondas eletromagnéticas podem ser emitidas continuamente. Isso é mostrado na figura abaixo:
Um oscilador real se parece com isto.
O oscilador de meia onda espalha a onda eletromagnética continuamente pelo espaço, mas a intensidade do sinal não é distribuída uniformemente no espaço, como um anel como um pneu. O sinal é forte horizontalmente, mas fraco verticalmente.
Na verdade, a cobertura da nossa estação base precisa ser um pouco mais distante no sentido horizontal, afinal, é preciso chamar as pessoas que estão no terreno; direção vertical para alta altitude, alto no ar, não há muita necessidade de voar enquanto escova as pessoas do Jitterbug (a cobertura da rota é um tópico diferente, seguida de uma palestra).
Portanto, na emissão de energia das ondas eletromagnéticas, embora a direção vertical da energia do oscilador de meia onda tenha sido relativamente fraca, mas também é necessário aumentar ainda mais a direção horizontal, a direção vertical para enfraquecer um pouco mais.
De acordo com o princípio da conservação da energia, a energia não aumenta nem diminui, e se a energia de emissão na direção horizontal deve ser aumentada, a energia na direção vertical deve ser enfraquecida. Portanto, a única maneira de achatar o mapa de direção de radiação de energia de matriz de meia onda padrão, conforme mostrado na figura abaixo.
Então, como achatá-lo? A resposta é aumentar o número de osciladores de meia onda. A emissão de múltiplos vibradores na convergência central, a borda da energia foi enfraquecida, a direção da radiação da realização do achatamento das palmas, a concentração de energia na direção horizontal do propósito.
Antenas direcionais são mais comumente usadas em sistemas gerais de estações base macro. Geralmente, uma estação base é dividida em 3 setores e coberta por 3 antenas, cada antena cobrindo um alcance de 120 graus.
Na figura acima podemos ver claramente que esta estação base consiste em três setores, utilizando três unidades de RF, o que requer três pares de antenas direcionais para ser realizado.
O esquema acima é um pouco mais intuitivo. A estação base está localizada no centro do círculo, uma grande torta é dividida em três partes, cada uma das quais é um setor de 120 graus, por isso é chamada de três setores.
Então, como a antena consegue a emissão direcional de ondas eletromagnéticas?
Certamente não é difícil vencer um designer inteligente. Para adicionar um refletor ao oscilador, o sinal deve ser irradiado para o outro lado do reflexo de volta para ele?
Então aumente o vibrador para que a onda eletromagnética na direção horizontal se afaste, e depois aumente o refletor para controlar a direção, depois de dois lances, nasceu o protótipo da antena direcional, a direção da emissão da onda eletromagnética na figura a seguir.
Lado horizontal da aba principal para o lançamento longe, mas a direção vertical produz o lado superior da aba e o lado inferior da aba, e ao mesmo tempo devido à reflexão não estar completa, há uma cauda no parte de trás, conhecida como parte de trás da aba.
Neste ponto, entra em jogo a explicação da métrica mais importante da antena: o “ganho”.
Como o nome sugere, ganho significa que a antena potencializa o sinal. É razoável dizer que a antena não precisa de energia, apenas transmite a onda eletromagnética que lhe é transmitida, como pode haver “ganho”?
Na verdade, não há “ganho”, a chave para ver com quem, como comparar.
Conforme mostrado na figura abaixo, em relação à fonte de radiação pontual ideal e ao oscilador de meia onda, a antena pode reunir a energia na direção da pétala principal, pode enviar a onda eletromagnética mais longe, equivalente à direção da pétala principal do aprimoramento . Ou seja, o chamado ganho está em uma determinada direção em relação à fonte pontual de radiação ou oscilador de meia onda.
Então, no final, como medir a cobertura e o ganho da válvula principal da antena? Isto requer a introdução do conceito de “largura de feixe”. Chamamos a aba principal em ambos os lados da linha central de atenuação da intensidade da onda eletromagnética para metade da faixa de largura do feixe.
Como a atenuação da intensidade é metade, ou seja, 3dB, a largura do feixe também é chamada de "meio ângulo de potência" ou "ângulo de potência de 3dB".
Antena comum com ângulo de meia potência de até 60 °, há também algumas antenas mais estreitas de 33 °. Quanto mais estreito for o ângulo de meia potência, mais o sinal se espalha na direção da válvula principal e maior será o ganho.
Abaixo combinamos os diagramas de antenas horizontais e verticais, obtemos um diagrama de radiação tridimensional, parece muito mais intuitivo.
Obviamente, a existência da aba traseira destrói a direcionalidade da antena direcional, devendo ser minimizada. A relação de energia entre a aba frontal e traseira é chamada de “relação antes e depois”, quanto maior o valor melhor, é um indicador importante da antena.
A valiosa potência do lado superior do flap é lançada ao céu por nada, mas também não é um desperdício pequeno, portanto, no projeto de antenas direcionais, deve-se tentar minimizar o lado superior da supressão do flap.
Além disso, entre a aba principal e a aba lateral inferior existem alguns furos, também conhecidos como parte inferior do zero-sag, levando a antena mais próxima do local do sinal não é bom, no desenho da antena para minimizar esses buracos, conhecido como "enchimento do ponto zero".
Sendo honesto com a antena
Outro conceito importante de antenas é a polarização.
Conforme mencionado anteriormente, a propagação de ondas eletromagnéticas é essencialmente a propagação de campos eletromagnéticos, e os campos elétricos têm uma direção.
Se a direção do campo elétrico for perpendicular ao solo, chamamos isso de onda polarizada verticalmente. Da mesma forma, paralela ao solo, é uma onda polarizada horizontalmente.
Se a direção do campo elétrico forma um ângulo de 45° com o solo, chamamos isso de polarização de ±45°.
Devido às características das ondas eletromagnéticas, decidiu-se que a propagação da polarização horizontal do sinal próximo ao solo produzirá corrente de polarização na superfície terrestre, de modo que o sinal do campo elétrico atenua rapidamente, e a polarização vertical não é fácil de produzir corrente de polarização , evitando assim uma atenuação significativa da energia, para garantir a propagação eficaz do sinal.
Como esquema de otimização, agora as antenas mainstream são usadas ± 45 ° dois métodos de polarização sobrepostos por dois osciladores em uma unidade para formar duas ondas de polarização ortogonais, conhecidas como polarização dupla. Essa realização, a fim de garantir o desempenho ao mesmo tempo, também melhora bastante a integração da antena.
Esta é a razão pela qual os esquemas de antenas gostam de desenhar uma série de garfos em seu interior; esses garfos representam figurativamente a direção da polarização e o número de osciladores.
Com uma antena direcional de alto ganho , pendurar diretamente na torre pode ser?
Obviamente, edifícios baixos e suspensos cobrem demais, não; pendurado alto, ninguém no ar, um desperdício de sinal, e deixar o sinal se espalhar muito, a estação base mal consegue aceitar, mas a potência de transmissão do telefone celular é muito pequena, enviada a estação base não pode ser recebida.
Portanto, esta antena tem que transmitir sinais para o solo onde há pessoas, e a cobertura tem que ser controlada. Isso requer que a antena seja inclinada para baixo em um ângulo, como um poste de luz, cada antena é responsável pela cobertura de suas respectivas áreas.
Isso introduz o conceito de inclinação descendente da antena.
Todas as antenas possuem um botão com uma escala de ângulo no suporte de montagem e girando o botão para controlar o movimento mecânico do suporte, o ângulo de inclinação para baixo pode ser ajustado. Portanto, ajustar a inclinação para baixo dessa forma também é chamado de inclinação mecânica para baixo.
No entanto, esta forma tem duas desvantagens óbvias.
O primeiro é o problema. Para fazer a otimização da rede para ajustar o ângulo, é necessário que engenheiros subam na torre da estação, o efeito real do que não é bom o suficiente para dizer, é inconveniente, de alto custo.
A segunda é que o ajuste mecânico da inclinação é muito simples e grosseiro, e a amplitude do componente vertical e do componente horizontal da antena permanece inalterada, o que fará com que o mapa de direção de cobertura seja forçado a ser achatado, resultando em distorção.
Depois de tanto esforço, a cobertura antes e depois do ajuste é completamente alterada, é difícil conseguir o efeito desejado, mas também devido à curvatura ascendente da pétala traseira leva a outra interferência da estação base também aumentada, então o ângulo de inclinação mecânica só pode ser ajustado em pequenos incrementos.
Então, existe uma maneira melhor?
Existe realmente uma maneira, é usar a inclinação eletrônica. O princípio da inclinação eletrônica é alterar a fase do oscilador de antena de matriz linear comum, alterar a amplitude do componente vertical e o tamanho do componente horizontal, alterar a intensidade do campo do componente sintetizado, de modo que a direção vertical da figura da antena seja inclinada para baixo.
Ou seja, a inclinação eletrônica para baixo não precisa realmente deixar a antena inclinar, só precisa de engenheiros na frente do computador, apontar e clicar com o mouse, com o ajuste do software pode ser. Além disso, a inclinação eletrônica não causará distorção do mapa de direção da radiação.
A simplicidade e conveniência da inclinação eletrônica não surgem do nada, mas sim através dos esforços conjuntos da indústria para serem concretizadas.
Em 2001, vários fabricantes de antenas se reuniram, criaram uma organização chamada AISG (Antenna Interface Standards Group), querendo padronizar a interface da antena ESC.
Até agora, existiram duas versões do acordo: AISG 1.0 e AISG 2.0.
Com esses dois protocolos, mesmo que a antena e a estação base sejam produzidas por fabricantes diferentes, desde que todos sigam o mesmo protocolo AISG, eles podem passar as informações de controle de inclinação da antena entre si e realizar o ajuste remoto da inclinação ângulo.
Com a evolução retroativa do protocolo AISG, não apenas o ângulo de inclinação vertical pode ser ajustado remotamente, até mesmo o ângulo de azimute horizontal, e a largura e o ganho do flap principal podem ser ajustados remotamente.
Além disso, devido ao número crescente de bandas sem fio de cada operadora, juntamente com o aumento dramático no número de portas de antena exigidas pelo MIMO 4G e outras tecnologias, a antena também está evoluindo gradualmente de uma porta dupla de frequência única para multi-porta. frequência multiporta.
O princípio da antena parece simples, mas a busca pela excelência em desempenho não tem fim. Este artigo, até o momento, é apenas uma descrição qualitativa do conhecimento básico da estação base, quanto ao mistério mais profundo interno, como apoiar melhor a evolução para 5G, uma onda de pessoas em comunicação ainda está subindo e descendo e procurando!
