Antena
¡Fácil de comprender! Después de leerlo eres medio experto en antenas
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Como todos sabemos, las estaciones base y los teléfonos móviles utilizan antenas para transmitir señales.
La palabra antena en inglés es Antenna, que originalmente significa tentáculos. Los tentáculos son dos cables largos y delgados que se encuentran en la parte superior de la cabeza de un insecto. No subestimes algo tan discreto, pero son las señales químicas enviadas por estos tentáculos las que transmiten diversa información social.
De manera similar, en el mundo humano, la comunicación inalámbrica también utiliza antenas para transmitir información, pero son las ondas electromagnéticas las que transportan información útil. La siguiente imagen es un ejemplo de un teléfono celular y una estación base comunicándose entre sí.
Si levantas la cabeza para escudriñar la estación base, encontrarás que en lo alto de la torre hay unas cosas parecidas a placas, que es la protagonista de este artículo: la antena de comunicación, la más frecuente y el contacto visual directo del teléfono móvil . Son estos productos.
Esta antena se llama antena direccional, como su nombre indica, es la que la emisión de la señal es dirigida. Si está frente a usted, la señal es simplemente; Si lo respalda, lo siento, ¡no en el área de servicio!
En la actualidad, la gran mayoría de las estaciones base que utilizan antenas direccionales generalmente necesitan tres antenas para completar una cobertura de 360 grados. Para desvelar el misterioso velo de esta mercancía, es necesario desmontarla para ver qué es lo que realmente se carga en su interior.
El vacío interno, la estructura no es muy compleja, está compuesto por vibradores, placa reflectora, red de alimentación y radomo. ¿Qué hacen estas estructuras internas? ¿Cómo realizar la función de transmisión y recepción direccional de señales?
Para empezar, todo esto es desde la onda electromagnética.
Quitando la capa de la antena
Las antenas son capaces de transmitir información a altas velocidades porque emiten ondas electromagnéticas que contienen información al aire, viajan a la velocidad de la luz y finalmente llegan a la antena receptora .
Es como transportar pasajeros en un tren de alta velocidad. Si se compara la información con los pasajeros, entonces el vehículo que transporta a los pasajeros: el tren de alta velocidad es la onda electromagnética, y la antena es el equivalente de la estación, que gestiona el envío de la onda electromagnética.
Entonces, ¿qué son las ondas electromagnéticas?
Los científicos han estudiado las dos fuerzas misteriosas de la electricidad y el magnetismo durante cientos de años, culminando con la propuesta de Maxwell de Inglaterra de que una corriente eléctrica puede producir un campo eléctrico en su vecindad, un campo eléctrico cambiante produce un campo magnético y un campo magnético cambiante produce un campo eléctrico. Finalmente esta teoría fue confirmada por los experimentos de Hertz.
Con el campo electromagnético en una transformación tan periódica, las ondas electromagnéticas irradian y se propagan hacia el espacio. Para obtener más detalles, consulte el artículo "Las ondas electromagnéticas no se pueden ver ni tocar; la idea caprichosa de este joven cambió el mundo".
Como se muestra en la figura anterior, la línea roja representa el campo eléctrico, la línea azul representa el campo magnético y la dirección de propagación de la onda electromagnética es perpendicular a la dirección del campo eléctrico y al campo magnético al mismo tiempo.
Entonces, ¿cómo envía la antena estas ondas electromagnéticas? Después de mirar la figura a continuación, lo comprenderá.
Los dos cables que generan ondas electromagnéticas se llaman "osciladores". En general, el tamaño del oscilador es de media longitud de onda cuando se obtienen mejores resultados, por lo que a menudo se le llama "oscilador de media onda".
Con el oscilador se pueden emitir ondas electromagnéticas de forma continua. Esto se muestra en la siguiente figura:
Un oscilador real se ve así.
El oscilador de media onda propaga la onda electromagnética al espacio continuamente, pero la intensidad de la señal no se distribuye uniformemente en el espacio, como un anillo como un neumático. La señal es fuerte horizontalmente, pero débil verticalmente.
De hecho, la cobertura de nuestra estación base debe estar un poco más allá en la dirección horizontal; después de todo, es necesario llamar a las personas que están en tierra; dirección vertical a gran altura, en lo alto del aire no hay mucha necesidad de volar mientras se roza a la gente Jitterbug (la cobertura de la ruta es un tema diferente, seguido de una charla).
Por lo tanto, en la emisión de energía de ondas electromagnéticas, aunque la dirección vertical de la energía del oscilador de media onda ha sido relativamente débil, también es necesario mejorar aún más la dirección horizontal, y la dirección vertical se debilitará un poco más.
Según el principio de conservación de la energía, la energía no aumenta ni disminuye, y si se desea aumentar la energía de emisión en la dirección horizontal, se debe debilitar la energía en la dirección vertical. Por lo tanto, la única forma de aplanar el mapa de dirección de radiación de energía de matriz de media onda estándar, como se muestra en la siguiente figura.
Entonces, ¿cómo aplanarlo? La respuesta es aumentar el número de osciladores de media onda. La emisión de múltiples vibradores en el centro converge, el borde de la energía se ha debilitado, la dirección de radiación de la realización del aplanamiento del aplauso, la concentración de energía en la dirección horizontal del propósito.
Las antenas direccionales se utilizan con mayor frecuencia en sistemas generales de estaciones base macro. Generalmente, una estación base se divide en 3 sectores y se cubre con 3 antenas, cada una de las cuales cubre un rango de 120 grados.
En la figura anterior podemos ver claramente que esta estación base consta de tres sectores y utiliza tres unidades de RF, lo que requiere tres pares de antenas direccionales para realizarse.
El esquema anterior es un poco más intuitivo. La estación base está ubicada en el centro del círculo, un pastel grande se divide en tres partes, cada una de las cuales es un sector de 120 grados, por eso se le llama tres sectores.
Entonces, ¿cómo logra la antena la emisión direccional de ondas electromagnéticas?
Ciertamente no es difícil vencer a un diseñador inteligente. Para agregar un reflector al oscilador, ¿la señal debe irradiarse al otro lado del reflejo de regreso a él?
Así que aumente el vibrador para que la onda electromagnética se extienda más en la dirección horizontal, y luego aumente el reflector para controlar la dirección, después de dos lanzamientos, nació el prototipo de antena direccional, la dirección de emisión de ondas electromagnéticas se muestra en la siguiente figura.
El lado horizontal del flap principal está lejos del lanzamiento, pero la dirección vertical produce el lado superior del flap y el lado inferior del flap, y al mismo tiempo debido a que la reflexión no es completa, hay una cola en el espalda, conocida como la parte posterior de la solapa.
En este punto entra en juego la explicación de la métrica más importante de la antena: la "ganancia".
Como sugiere el nombre, ganancia significa que la antena mejora la señal. Es razonable decir que la antena no necesita energía, solo transmite la onda electromagnética que se le transmite, ¿cómo puede haber "ganancia"?
De hecho, no hay "ganancia", la clave es ver con quién, cómo comparar.
Como se muestra en la siguiente figura, en relación con la fuente de radiación puntual ideal y el oscilador de media onda, la antena puede recolectar energía en la dirección del pétalo principal y puede enviar la onda electromagnética más lejos, equivalente a la dirección de mejora del pétalo principal. . Es decir, la llamada ganancia está en una determinada dirección con respecto a la fuente de radiación puntual u oscilador de media onda.
Entonces, al final, ¿cómo medir la cobertura y la ganancia de la válvula principal de la antena? Esto requiere la introducción del concepto de "ancho de haz". Llamamos a la aleta principal a ambos lados de la línea central atenuación de la intensidad de la onda electromagnética hasta la mitad del rango del ancho del haz.
Debido a que la atenuación de intensidad es la mitad, es decir, 3 dB, el ancho del haz también se denomina "ángulo de potencia medio" o "ángulo de potencia de 3 dB".
Antena común con ángulo de media potencia máxima de 60°, también hay algunas antenas más estrechas de 33°. Cuanto más estrecho sea el ángulo de media potencia, más se propaga la señal en dirección a la válvula principal y mayor será la ganancia.
Abajo combinamos los diagramas de antena horizontal y vertical, obtenemos un diagrama de radiación tridimensional, parece mucho más intuitivo.
Obviamente, la existencia de la trampilla trasera destruye la direccionalidad de la antena direccional y debe minimizarse. La relación de energía entre las solapas delantera y trasera se llama "relación antes y después", cuanto mayor sea el valor, mejor, es un indicador importante de la antena.
La valiosa potencia del lado superior del flap se lanza al cielo en vano, pero tampoco es un desperdicio menor, por lo que al diseñar antenas direccionales se debe intentar minimizar la supresión del lado superior del flap.
Además, entre la aleta principal y la aleta lateral inferior hay algunos orificios, también conocidos como la parte inferior de hundimiento cero, lo que acerca la antena al lugar de la señal no es bueno, en el diseño de la antena. para minimizar estos agujeros, lo que se conoce como "relleno de punto cero".
Siendo honesto con la antena
Otro concepto importante de antenas es la polarización.
Como se mencionó anteriormente, la propagación de ondas electromagnéticas es esencialmente la propagación de campos electromagnéticos y los campos eléctricos tienen una dirección.
Si la dirección del campo eléctrico es perpendicular al suelo, lo llamamos onda polarizada verticalmente. De manera similar, paralela al suelo, es una onda polarizada horizontalmente.
Si la dirección del campo eléctrico forma un ángulo de 45° con el suelo, lo llamamos polarización de ±45°.
Debido a las características de las ondas electromagnéticas, se decidió que la propagación de polarización horizontal de la señal cerca del suelo producirá una corriente de polarización en la superficie terrestre, de modo que la señal del campo eléctrico se atenuará rápidamente, y la polarización vertical no es fácil de producir corriente de polarización. , evitando así una atenuación significativa de la energía, para asegurar la propagación efectiva de la señal.
Como esquema de optimización, ahora las antenas convencionales utilizan dos métodos de polarización de ± 45° superpuestos por dos osciladores en una unidad para formar dos ondas de polarización ortogonales, conocidas como polarización dual. Esta realización, para garantizar el rendimiento al mismo tiempo, también mejora enormemente la integración de la antena.
Esta es la razón por la que a los esquemas de antena les gusta dibujar varias bifurcaciones en su interior, estas bifurcaciones representan tanto la dirección de polarización en sentido figurado como el número de osciladores.
Con una antena direccional de alta ganancia , ¿se puede colgar directamente de la torre?
Evidentemente, los edificios bajos y colgantes cubren demasiado, no; colgando alto, sin nadie en el aire, una pérdida de señal y dejando que la señal se extienda demasiado, la estación base apenas puede aceptarla, pero la potencia de transmisión del teléfono celular es demasiado pequeña y la estación base enviada no se puede recibir.
Por tanto, esta antena tiene que transmitir señales al suelo donde hay gente, y hay que controlar la cobertura. Esto requiere que la antena esté inclinada hacia abajo en un ángulo, como una farola, cada antena es responsable de la cobertura de sus respectivas áreas.
Esto introduce el concepto de inclinación descendente de la antena.
Todas las antenas tienen una perilla con una escala de ángulo en su soporte de montaje y, al girar la perilla para controlar el movimiento mecánico del soporte, se puede ajustar el ángulo de inclinación hacia abajo. Por lo tanto, ajustar la inclinación hacia abajo de esta manera también se denomina inclinación hacia abajo mecánica.
Sin embargo, este método tiene dos desventajas obvias.
El primero es el problema. Para optimizar la red y ajustar el ángulo, es necesario que los ingenieros suban a la torre de la estación. El efecto real no es lo suficientemente bueno como para decirlo, es inconveniente y tiene un alto costo.
La segunda es que el ajuste mecánico de la inclinación es demasiado simple y tosco, y la amplitud de los componentes vertical y horizontal de la antena no cambia, por lo que el mapa de dirección de cobertura se verá obligado a aplanarse, lo que provocará distorsión.
Después de tanto esfuerzo, la cobertura antes y después del ajuste se cambia por completo, es difícil lograr el efecto deseado, pero también debido a la curvatura hacia arriba del pétalo trasero conduce a otras interferencias de la estación base que también aumentan, por lo que el ángulo de inclinación mecánica sólo se puede ajustar en pequeños incrementos.
Entonces, ¿hay una mejor manera?
Realmente hay una manera: utilizar la inclinación electrónica. El principio de la inclinación descendente electrónica es cambiar la fase del oscilador de antena de matriz de línea común, cambiar la amplitud del componente vertical y el tamaño del componente horizontal, cambiar la intensidad del campo del componente sintetizado, de modo que la dirección vertical de la antena se incline hacia abajo.
Es decir, la inclinación electrónica hacia abajo realmente no necesita dejar que la antena se incline, solo necesita que los ingenieros estén frente a la computadora, apunten y hagan clic con el mouse, con el ajuste del software. Además, la inclinación electrónica no distorsionará el mapa de dirección de la radiación.
La simplicidad y conveniencia de la inclinación electrónica no surgen de la nada, sino que se logran gracias a los esfuerzos conjuntos de la industria.
En 2001, varios fabricantes de antenas se reunieron y crearon una organización llamada AISG (Grupo de Estándares de Interfaz de Antena) con el objetivo de estandarizar la interfaz de la antena ESC.
Hasta ahora, ha habido dos versiones del acuerdo: AISG 1.0 y AISG 2.0.
Con estos dos protocolos, incluso si la antena y la estación base son producidas por diferentes fabricantes, siempre que sigan el mismo protocolo AISG, pueden pasarse la información de control de inclinación de la antena entre sí y realizar el ajuste remoto de la inclinación. ángulo.
Con la evolución hacia atrás del protocolo AISG, no sólo se puede ajustar de forma remota el ángulo de inclinación vertical, sino también el ángulo de azimut horizontal, y el ancho y la ganancia del flap principal se pueden ajustar de forma remota.
Además, debido al creciente número de bandas inalámbricas de cada operador, junto con el espectacular aumento en el número de puertos de antena requeridos por MIMO 4G y otras tecnologías, la antena también está evolucionando gradualmente desde un puerto dual de frecuencia única a un puerto multi- multipuerto de frecuencia.
El principio de la antena parece simple, pero la búsqueda de la excelencia en el rendimiento no tiene fin. Hasta este punto, este artículo es solo una descripción cualitativa del conocimiento básico de la estación base. En cuanto al misterio más profundo en su interior, cómo apoyar mejor la evolución a 5G, ¡una ola de comunicaciones que la gente todavía está buscando arriba y abajo!
