Антенна
С точки зрения преобразования энергии, раскрытие кода эволюции антенн
Примерно 15 минут, чтобы закончить чтение
В огромной системе беспроводная связь, антенны играют ключевую роль. По сути, они представляют собой особый тип преобразователя энергии, который может осуществлять преобразование энергии между направленными волнами и волнами свободного пространства. Этот процесс преобразования имеет первостепенное значение на этапах передачи и приема сигналов связи.
В состоянии передачи сигнала высокочастотный ток от передатчика передается по линии передачи к антенне. В этот момент антенна действует как волшебник, искусно преобразуя энергию в виде направленных волн (высокочастотный ток) в волны свободного пространства, которые мы обычно называем электромагнитными волнами, а затем излучая их в окружающее пространство. Например, в обычной мобильной телефонной связи внутренние схемы телефона генерируют высокочастотные токовые сигналы, которые передаются на антенну телефона. антенна затем преобразует эти сигналы в электромагнитные волны и излучает их, устанавливая соединение с базовой станцией для передачи информации.
В фазе приема сигнала работа антенны является обратной по отношению к вышеописанному процессу. Когда электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве, достигают антенны, она чувствительно улавливает эти электромагнитные волны и преобразует содержащуюся в них энергию в высокочастотный ток, что является преобразованием из волн свободного пространства в направленные волны. Затем этот высокочастотный ток передается по линии передачи на приемник для последующей обработки сигнала и извлечения информации. Например, телевизионная антенна в нашем доме может принимать электромагнитные волны, излучаемые телевизионными станциями, и преобразовывать их в электрические сигналы, которые передаются на телевизор, позволяя нам смотреть различные телевизионные программы.
Ранние исследования: прототип антенн и первоначальное преобразование энергии
В 19 веке в области электромагнетизма произошли значительные теоретические прорывы. Джеймс Клерк Максвелл предложил знаменитые уравнения Максвелла, теоретически предсказав существование электромагнитных волн и заложив прочную теоретическую основу для рождения антенн. В 1887 году немецкий физик Генрих Герц провел ряд пионерских экспериментов для проверки предсказаний Максвелла. Он спроектировал и изготовил первую в мире антенную систему, состоящую из двух металлических стержней длиной около 30 сантиметров, концы которых были соединены с двумя металлическими пластинами площадью 40 квадратных сантиметров. Электромагнитные волны возбуждались посредством искровых разрядов между металлическими шарами; приемная антенна представляла собой одноконтурную металлическую квадратную кольцевую антенну, которая указывала на то, что сигнал принимался, когда между конечными точками кольца появлялись искры. Эксперимент Герца не только успешно подтвердил существование электромагнитных волн, но и ознаменовал официальное рождение антенн, открыв новую эру для исследования человеком беспроводной связи. Хотя конструкция антенны Герца была очень простой, а эффективность преобразования энергии относительно низкой, она достигла первоначального преобразования энергии из направленных волн в волны свободного пространства, что позволило людям впервые интуитивно ощутить чудеса электромагнитных волн и накопить ценный опыт для последующего развития антенных технологий.
После Герца итальянский изобретатель Гульельмо Маркони добился значительного прогресса в применении антенн. В 1901 году Маркони успешно осуществил трансокеанскую связь с помощью большой антенны. Его передающая антенна состояла из 50 направленных вниз медных проводов, расположенных в форме веера, с верхней частью, соединенной горизонтальной линией, подвешенной между двумя башнями высотой 150 футов и на расстоянии 200 футов друг от друга. Электрический искровой разрядный передатчик, подключенный между антенной и землей, можно считать первой практической монопольной антенной. Этот эпохальный эксперимент по связи пересек Атлантический океан, достигнув передачи сигнала на расстояние около 2500 километров, продемонстрировав огромный потенциал антенн в области дальней связи и переместив беспроводную связь из лабораторных условий на широкую стадию практического применения. Успех Маркони зажег всемирный энтузиазм в отношении исследований в области антенных технологий и беспроводной связи, побудив многих ученых и инженеров заняться этой областью и постоянно совершенствовать антенные технологии.
История развития: технологические инновации, способствующие модернизации преобразования энергии
После пионерских работ Герца и Маркони антенная технология вступила в полосу быстрого развития. В первой половине 20-го века произошел бум в развитии проволочных антенн. С непрерывным расширением таких приложений, как радиовещание и связь, различные типы проволочных антенны появились такие как дипольные антенны, рамочные антенны и антенны с длинным проводом. Эти антенны были структурно сложнее, чем ранние простые антенны, значительно улучшая эффективность преобразования энергии и направленность излучения сигнала за счет тщательного проектирования форм антенн, размеров и компоновок. Например, антенна Яги-Уда состоит из активного элемента, рефлектора и нескольких директоров, что позволяет ей концентрировать энергию в одном направлении, значительно увеличивая коэффициент усиления антенны. По сравнению с ранними простыми антеннами, антенна Яги-Уда более эффективна в преобразовании энергии и передаче сигнала, обеспечивая большие расстояния и более стабильную связь, и широко используется в радиовещании и телевидении.
С начала 1930-х до конца 1950-х годов, с изобретением микроволновых ламп бегущей волны и магнетронов, микроволновая технология быстро развивалась, и антенная технология вступила в эру апертурных антенн. В этот период широко использовались параболические антенны и рефлекторные антенны. Параболические антенны используют отражательные свойства парабол для преобразования сферических волн, излучаемых от источника, в плоские волны, достигая высокого усиления и узкого луча излучения сигнала, что позволяет излучать энергию более концентрированно, значительно улучшая дальность и качество связи, играя ключевую роль в радиолокационной и спутниковой связи. Между тем, новые типы антенн, такие как волноводные щелевые антенны, диэлектрические стержневые антенны и спиральные антенны продолжали появляться новые технологии, каждая из которых обладала уникальными преимуществами в производительности и адаптировалась к разнообразным потребностям различных сценариев применения.
После середины 20-го века, с быстрым развитием технологий связи, к характеристикам антенн предъявлялись более высокие требования, что привело к диверсификации и интеллектуальности антенных технологий. Антенные решетки достигают формирования луча и пространственного разнесения, размещая несколько антенных элементов в определенном шаблоне, что позволяет гибко регулировать направление излучения сигнала и усиление в соответствии с потребностями связи, эффективно улучшая пропускную способность и помехоустойчивость систем связи. Фазированные антенные решетки с помощью электронного управления могут быстро и точно изменять направление луча антенны, обеспечивая одновременное отслеживание и связь с несколькими целями, демонстрируя значительные преимущества в военных радарах и базовых станциях мобильной связи. Интеллектуальные антенны объединяют передовые технологии обработки сигналов и адаптивные алгоритмы для автоматической регулировки параметров антенны, таких как направление луча и усиление в соответствии с изменениями окружающей среды и сигналов связи, достигая оптимальных эффектов связи и значительно повышая уровень интеллекта и использование спектра систем связи.
Современное разнообразие: интеллектуальное преобразование энергии в различных сценариях
В современном обществе коммуникационные технологии развиваются экспоненциально, а сценарии применения беспроводной связи становятся все более богатыми и разнообразными, что приводит к непрерывной эволюции антенных технологий для удовлетворения особых потребностей различных сценариев, демонстрируя выдающуюся мудрость и новаторство в преобразовании энергии.
В эпоху связи 5G потребность в высокоскоростной связи с малой задержкой и большой емкостью чрезвычайно актуальна, что создает беспрецедентные проблемы для производительности антенн. Базовые станции 5G широко используют технологию антенн Massive MIMO (Massive Multiple Input Multiple Output), развертывая большое количество антенных элементов на базовой станции для формирования крупномасштабных антенных решеток, достигая пространственного мультиплексирования и формирования луча. Эта технология может точно регулировать направление излучения и усиление сигналов в соответствии с местоположением пользователя и потребностями в связи, концентрируя энергию на целевых пользователях, тем самым повышая эффективность передачи сигнала и покрытие, значительно увеличивая емкость и производительность систем связи. Например, в густонаселенных городских районах антенны Massive MIMO базовой станции 5G могут использовать технологию формирования луча для концентрации покрытия на различных пользователях в высотных зданиях, эффективно решая проблемы блокировки сигнала и помех, гарантируя пользователям возможность пользоваться высокоскоростными и стабильными услугами сети 5G.
В области спутниковой связи антенны также имеют строгие требования к производительности. Спутниковые антенны должны обладать высоким коэффициентом усиления, высокой точностью наведения и хорошими возможностями защиты от помех для достижения надежной связи со спутниками. Фазированная решетка антенны широко используются в спутниковой связи, так как они могут быстро и гибко изменять направление луча, управляя фазой и амплитудой каждого элемента в антенна массив, достигая точного отслеживания и связи со спутниками. Многолучевые антенны также являются ключевой технологией в спутниковой связи, способной концентрировать энергию электромагнитных волн в нескольких направлениях, формировать несколько лучей и охватывать пользователей в разных областях, значительно повышая эффективность и пропускную способность спутниковой связи. Например, многолучевые антенны в системах спутниковой связи на низкой околоземной орбите могут динамически распределять энергию электромагнитных волн в соответствии с потребностями связи в разных регионах, предоставляя высококачественные услуги связи пользователям на земле.
Радиолокационные системы, как важные устройства обнаружения, играют незаменимую роль в военной, метеорологической, аэрокосмической и других областях. Производительность радиолокационных антенн напрямую влияет на способность обнаружения и точность радиолокационных систем. Современные радиолокационные антенны обычно используют технологию фазированной решетки и технологию цифрового формирования луча. Фазированные антенные решетки обеспечивают быстрое сканирование и гибкое управление лучами с помощью электронного сканирования, что позволяет обнаруживать и отслеживать несколько целей за короткое время. Цифровая технология формирования луча позволяет более точно формировать луч и управлять им с помощью цифровой обработки сигналов от элементов антенны, улучшая разрешение радара и возможности защиты от помех. Например, в военных радарах фазированные антенные решетки радаров могут быстро сканировать воздушное пространство, своевременно обнаруживать и отслеживать воздушные цели, обеспечивая надежную поддержку операций противовоздушной обороны. В метеорологических радарах технология цифрового формирования луча может более точно обнаруживать метеорологическую информацию в слоях облаков, повышая точность прогнозов погоды.
