Антенна
Легко понять! Прочитав это, вы наполовину эксперт по антеннам.
Примерно 20 минут, чтобы закончить чтение
Как мы все знаем, антенны используются базовыми станциями и мобильными телефонами для передачи сигналов.
Слово антенна на английском языке — Antenna, что первоначально означает щупальца. Щупальца — это две длинные тонкие проволоки на макушке головы насекомого. Не стоит недооценивать столь неприметную вещь, ведь именно химические сигналы, посылаемые этими щупальцами, передают различную социальную информацию.
Точно так же в человеческом мире беспроводная связь также использует антенны для передачи информации, но полезную информацию переносят именно электромагнитные волны. На рисунке ниже показан пример сотового телефона и базовой станции, взаимодействующих друг с другом.
Если вы поднимете голову, чтобы внимательно осмотреть базовую станцию, вы обнаружите, что на вершине башни есть какие-то пластинчатые предметы, которые являются главным героем этой статьи: антенна связи, чаще всего и прямой зрительный контакт мобильного телефона . это товар.
Эта антенна называется направленной антенной, поскольку, как следует из названия, излучение сигнала направлено. Если он смотрит на вас, это просто сигнал; если стоишь за ним, то извини, не в зоне обслуживания!
В настоящее время подавляющему большинству базовых станций, использующих направленные антенны, обычно требуется три антенны для обеспечения покрытия на 360 градусов. Чтобы приоткрыть загадочную завесу этого товара, необходимо разобрать его и посмотреть, что на самом деле загружено внутри.
Внутренний пустой, конструкция не сложная, состоит из вибраторов, отражательной пластины, питающей сети и обтекателя. Что делают эти внутренние структуры, как реализовать функцию направленной передачи и приема сигналов?
Это все, начиная с электромагнитной волны.
Отслаивание оболочки антенны
Антенны способны передавать информацию на высоких скоростях, поскольку они излучают содержащие информацию электромагнитные волны в воздух, распространяясь со скоростью света и в конечном итоге достигая приемной антенны .
Это похоже на перевозку пассажиров на скоростном поезде. Если сравнивать информацию с пассажирами, то транспортное средство, которое перевозит пассажиров: скоростной поезд — это электромагнитная волна, а антенна — это эквивалент станции, которая управляет отправкой электромагнитной волны.
Итак, что же такое электромагнитные волны?
Ученые изучали две загадочные силы электричества и магнетизма на протяжении сотен лет, кульминацией которых стало предложение Максвелла из Англии о том, что электрический ток может создавать электрическое поле поблизости, изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле. В конце концов эта теория была подтверждена экспериментами Герца.
При таком периодическом преобразовании электромагнитного поля электромагнитные волны излучаются и распространяются в пространство. Подробнее читайте в статье «Электромагнитные волны невозможно увидеть или потрогать. Причудливая идея этого молодого человека изменила мир».
Как показано на рисунке выше, красная линия представляет электрическое поле, синяя линия представляет магнитное поле, а направление распространения электромагнитной волны перпендикулярно направлению электрического поля и магнитного поля одновременно.
Итак, как же антенна излучает эти электромагнитные волны? Посмотрев на рисунок ниже, вы поймете.
Два провода, генерирующие электромагнитные волны, называются «генераторами». В общем, размер генератора в половину длины волны дает наилучшие результаты, поэтому его часто называют «полуволновым генератором».
С помощью генератора электромагнитные волны могут излучаться непрерывно. Это показано на рисунке ниже:
Настоящий осциллятор выглядит так.
Полуволновой генератор непрерывно распространяет электромагнитную волну в пространстве, но мощность сигнала не распределяется в пространстве равномерно, как кольцо или шина. Сигнал сильный по горизонтали, но слабый по вертикали.
На самом деле, зона покрытия нашей базовой станции должна быть немного дальше в горизонтальном направлении, ведь нужно звонить людям, находящимся на земле; вертикальное направление на большую высоту, высоко в воздухе нет необходимости летать, задевая джиттербагов людей (покрытие маршрута - это отдельная тема, после чего следует разговор).
Таким образом, в излучении энергии электромагнитных волн, хотя вертикальное направление энергии полуволнового генератора было относительно слабым, но также необходимо еще больше усилить горизонтальное направление, а вертикальное направление еще больше ослабить.
Согласно принципу сохранения энергии, энергия не увеличивается и не уменьшается, и если нужно увеличить энергию излучения в горизонтальном направлении, то энергию в вертикальном направлении необходимо ослабить. Поэтому единственный способ сгладить карту направления излучения энергии стандартной полуволновой решетки, как показано на рисунке ниже.
Так как же его сгладить? Ответ заключается в увеличении количества полуволновых осцилляторов. Излучение нескольких вибраторов в центре схождения, край энергии ослаблен, направление излучения реализации уплощения хлопка, концентрация энергии в горизонтальном направлении цели.
Направленные антенны чаще всего используются в системах макробазовых станций общего назначения. Обычно базовая станция разделена на 3 сектора и покрыта 3 антеннами, каждая из которых покрывает диапазон 120 градусов.
На рисунке выше мы ясно видим, что эта базовая станция состоит из трех секторов, использующих три радиочастотных блока, для реализации которых требуются три пары направленных антенн.
Схема выше немного более интуитивна. Базовая станция расположена в центре круга, большой круг разделен на три части, каждая из которых представляет собой сектор по 120 градусов, поэтому его называют тремя секторами.
Так как же антенна обеспечивает направленное излучение электромагнитных волн?
Конечно, нетрудно победить умного дизайнера. Чтобы добавить к генератору отражатель, сигнал должен излучаться на другую сторону отражения обратно к нему?
Поэтому увеличьте вибратор, чтобы электромагнитная волна распространялась в горизонтальном направлении дальше, а затем увеличьте отражатель, чтобы контролировать направление, после двух бросков родился прототип направленной антенны, направление излучения электромагнитной волны показано на следующем рисунке.
Горизонтальная сторона основного закрылка до запуска далеко, но вертикальное направление образует верхнюю сторону закрылка и нижнюю сторону закрылка, и в то же время из-за неполного отражения имеется хвост у спинка, известная как задняя часть лоскута.
На этом этапе в игру вступает объяснение самого важного показателя антенны: «усиления».
Как следует из названия, усиление означает, что антенна усиливает сигнал. Разумно сказать, что антенне не нужна мощность, она просто передает передаваемую ей электромагнитную волну, какой там «усиление»?
На самом деле нет никакого «выигрыша», ключа, чтобы увидеть, с кем, как сравнивать.
Как показано на рисунке ниже, относительно идеального точечного источника излучения и полуволнового генератора антенна может собирать энергию в направлении основного лепестка и отправлять электромагнитную волну дальше, что эквивалентно направлению основного лепестка усиления. . То есть так называемое усиление имеет определенное направление относительно точечного источника излучения или полуволнового генератора.
Итак, в конце концов, как измерить зону покрытия и усиление основного клапана антенны? Для этого необходимо ввести понятие «ширина луча». Мы называем основной заслонкой по обе стороны от центральной линии ослабление интенсивности электромагнитной волны до половины диапазона ширины луча.
Поскольку ослабление интенсивности составляет половину, то есть 3 дБ, поэтому ширину луча также называют «уголом половинной мощности» или «уголом мощности 3 дБ».
Общий угол половинной мощности антенны в большинстве случаев составляет 60°, есть также более узкие антенны 33°. Чем уже угол половинной мощности, чем дальше сигнал распространяется в направлении основного клапана, тем выше усиление.
Внизу совмещаем горизонтальную и вертикальную диаграммы антенны, получаем трехмерную диаграмму направленности, она выглядит гораздо нагляднее.
Очевидно, что наличие задней заслонки нарушает направленность направленной антенны и должно быть сведено к минимуму. Соотношение энергий между передней и задней заслонками называется соотношением «до и после», чем больше значение, тем лучше, это важный показатель антенны.
Ценная мощность верхней стороны закрылков запускается в небо даром, но и не является малой тратой, поэтому при проектировании направленных антенн следует стараться минимизировать подавление верхней части закрылков.
Кроме того, между основной створкой и нижней боковой створкой имеются отверстия, также известные как нижняя часть нулевого провисания, ведущие к антенне ближе к месту приема сигнала, что нехорошо в конструкции антенны. чтобы свести к минимуму эти дыры, известное как «заполнение нулевой точки».
Честно говоря с антенной
Еще одна важная концепция антенн — поляризация.
Как упоминалось ранее, распространение электромагнитных волн по сути является распространением электромагнитных полей, а электрические поля имеют направление.
Если направление электрического поля перпендикулярно земле, мы называем его вертикально поляризованной волной. Точно так же, параллельно земле, это горизонтально поляризованная волна.
Если направление электрического поля составляет с землей угол 45°, мы называем это поляризацией ±45°.
Из-за характеристик электромагнитных волн было решено, что распространение сигнала с горизонтальной поляризацией вблизи земли приведет к образованию тока поляризации на поверхности земли, так что сигнал электрического поля быстро затухает, а вертикальная поляризация затрудняет создание тока поляризации. , что позволяет избежать значительного ослабления энергии и обеспечить эффективное распространение сигнала.
В качестве схемы оптимизации теперь в основных антеннах используются два метода поляризации ± 45 °, наложенные двумя генераторами в блоке для формирования двух волн ортогональной поляризации, известных как двойная поляризация. Эта реализация, чтобы одновременно обеспечить производительность, также значительно улучшает интеграцию антенны.
По этой причине на схемах антенн любят рисовать внутри несколько вилок, эти вилки образно представляют как направление поляризации, так и количество осцилляторов.
С направленной антенной с высоким коэффициентом усиления можно ли висеть прямо на вышке?
Очевидно, что висячие низкие здания закрывают слишком многое, нет; Висит высоко, никого в воздухе, пустая трата сигнала, и пусть сигнал распространяется слишком далеко, базовая станция едва может принять, но мощность передачи сотового телефона слишком мала, отправленная базовая станция не может быть принята.
Поэтому эта антенна должна передавать сигналы на землю, где есть люди, и нужно контролировать покрытие. Для этого антенна должна быть наклонена вниз под углом, как у уличного фонаря, каждая антенна отвечает за покрытие соответствующей территории.
Это вводит концепцию наклона антенны вниз.
Все антенны имеют ручку со шкалой угла на монтажном кронштейне, и, поворачивая ручку для управления механическим движением кронштейна, можно регулировать угол наклона вниз. Таким образом, регулировка наклона вниз таким способом также называется механическим наклоном вниз.
Однако у этого способа есть два очевидных недостатка.
Первое – это беда. Чтобы выполнить оптимизацию сети для регулировки угла, вам нужно, чтобы инженеры поднялись на башню станции, фактический эффект недостаточно хорош, чтобы сказать, это неудобно, высокая стоимость.
Во-вторых, механическая регулировка наклона слишком проста и груба, а амплитуда вертикальной и горизонтальной составляющих антенны не изменяется, что приводит к сглаживанию карты направления покрытия, что приводит к искажениям.
После стольких усилий покрытие до и после регулировки полностью изменилось, трудно достичь желаемого эффекта, но также из-за кривизны заднего лепестка вверх, что приводит к увеличению помех других базовых станций, поэтому механический угол наклона корректировать можно только небольшими шагами.
Итак, есть ли лучший способ?
Действительно есть способ - использовать электронный наклон. Принцип электронного наклона заключается в изменении фазы генератора общей линейной антенной решетки, изменении амплитуды вертикальной составляющей и размера горизонтальной составляющей, изменении напряженности поля синтезируемой составляющей, так что вертикальное направление фигуры антенны наклоняется вниз.
То есть, электронный наклон вниз на самом деле не требует наклона антенны, нужны только инженеры перед компьютером, наведите и щелкните мышью, с помощью программного обеспечения можно отрегулировать. При этом электронный наклон не приведет к искажению карты направления излучения.
Простота и удобство электронного наклона возникают не из ниоткуда, а благодаря совместным усилиям отрасли.
В 2001 году несколько производителей антенн собрались вместе и создали организацию под названием AISG (Группа стандартов интерфейсов антенн) с целью стандартизировать интерфейс антенны ESC.
До сих пор существовало две версии соглашения: AISG 1.0 и AISG 2.0.
С помощью этих двух протоколов, даже если антенна и базовая станция производятся разными производителями, при условии, что все они следуют одному и тому же протоколу AISG, они могут передавать друг другу информацию управления наклоном антенны и осуществлять удаленную регулировку наклона. угол.
Благодаря обратной эволюции протокола AISG не только угол вертикального наклона можно регулировать дистанционно, даже угол горизонтального азимута, а также ширину и усиление основного закрылка можно регулировать дистанционно.
Более того, из-за увеличения количества диапазонов беспроводной связи каждого оператора в сочетании с резким увеличением количества антенных портов, необходимых для MIMO 4G и других технологий, антенна также постепенно развивается от одночастотной двухпортовой к многопортовой. частотный многопортовый.
Принцип действия антенны кажется простым, но стремление к совершенству не имеет конца. На данный момент эта статья представляет собой лишь качественное описание базовых знаний о базовой станции, а что касается более глубокой тайны внутри: как лучше поддерживать эволюцию к 5G, волну связи, которую люди все еще ищут вверх и вниз!
