Antenne
Einfach zu verstehen! Nachdem Sie es gelesen haben, sind Sie ein halber Antennenexperte
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Wie wir alle wissen, werden Antennen von Basisstationen und Mobiltelefonen zur Signalübertragung verwendet.
Das englische Wort „Antenne“ ist „Antenna“, was ursprünglich „Tentakel“ bedeutet. Tentakel sind die beiden langen, dünnen Drähte auf dem Kopf eines Insekts. Unterschätzen Sie solch ein unauffälliges Ding nicht, aber es sind die chemischen Signale, die von diesen Tentakeln gesendet werden, die verschiedene soziale Informationen übermitteln.
In ähnlicher Weise werden in der menschlichen Welt auch bei der drahtlosen Kommunikation Antennen zur Übertragung von Informationen verwendet, aber es sind elektromagnetische Wellen, die nützliche Informationen übertragen. Das Bild unten zeigt ein Beispiel für die Kommunikation zwischen einem Mobiltelefon und einer Basisstation.
Wenn Sie Ihren Kopf heben, um die Basisstation zu untersuchen, werden Sie feststellen, dass sich an der Spitze des Turms einige plattenartige Dinge befinden, die der Protagonist dieses Artikels sind: Kommunikationsantenne, am häufigsten direkter Augenkontakt mit Mobiltelefonen ist das Ware.
Diese Antenne wird Richtantenne genannt, da die Signalaussendung, wie der Name schon sagt, gerichtet ist. Wenn es Ihnen zugewandt ist, ist das Signal einfach; Wenn Du dahinter stehst, dann leider nicht im Servicebereich!
Derzeit benötigt die überwiegende Mehrheit der Basisstationen, die Richtantennen verwenden, im Allgemeinen drei Antennen, um eine 360-Grad-Abdeckung zu erreichen. Um den geheimnisvollen Schleier dieser Ware zu enthüllen, muss man sie zerlegen, um zu sehen, was sich tatsächlich darin befindet.
Der interne Hohlraum ist nicht komplex aufgebaut und besteht aus Vibratoren, einer Reflektorplatte, einem Speisenetz und einem Radom. Was tun diese internen Strukturen, wie kann die Funktion des gerichteten Sendens und Empfangens von Signalen realisiert werden?
Das ist alles von der elektromagnetischen Welle bis zum Anfang.
Den Mantel der Antenne abziehen
Antennen sind in der Lage, Informationen mit hoher Geschwindigkeit zu übertragen, da sie elektromagnetische Wellen mit Informationen in die Luft aussenden, sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen und schließlich die Empfangsantenne erreichen .
Es ist wie die Beförderung von Passagieren in einem Hochgeschwindigkeitszug. Wenn man Informationen mit Passagieren vergleicht, dann ist das Fahrzeug, das die Passagiere befördert: Der Hochgeschwindigkeitszug ist die elektromagnetische Welle, und die Antenne ist das Äquivalent des Bahnhofs, der den Versand der elektromagnetischen Welle verwaltet.
Was sind also elektromagnetische Wellen?
Wissenschaftler untersuchen seit Jahrhunderten die beiden mysteriösen Kräfte Elektrizität und Magnetismus und gipfelten in Maxwells Vorschlag von England, dass ein elektrischer Strom in seiner Umgebung ein elektrisches Feld erzeugen kann, ein sich änderndes elektrisches Feld ein magnetisches Feld erzeugt und ein sich änderndes magnetisches Feld erzeugt ein elektrisches Feld. Schließlich wurde diese Theorie durch die Experimente von Hertz bestätigt.
Wenn sich das elektromagnetische Feld in einer solchen periodischen Transformation befindet, strahlen elektromagnetische Wellen aus und breiten sich im Raum aus. Weitere Einzelheiten finden Sie im Artikel „Elektromagnetische Wellen können weder gesehen noch berührt werden, die skurrile Idee dieses jungen Mannes veränderte die Welt.“
Wie in der Abbildung oben gezeigt, stellt die rote Linie das elektrische Feld dar, die blaue Linie stellt das magnetische Feld dar und die Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle ist gleichzeitig senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes und des magnetischen Feldes.
Wie sendet die Antenne diese elektromagnetischen Wellen aus? Nachdem Sie sich die Abbildung unten angesehen haben, werden Sie es verstehen.
Die beiden Drähte, die elektromagnetische Wellen erzeugen, werden „Oszillatoren“ genannt. Im Allgemeinen ergibt die Größe des Oszillators eine halbe Wellenlänge, wenn die besten Ergebnisse erzielt werden, weshalb er oft als „Halbwellenoszillator“ bezeichnet wird.
Mit dem Oszillator können kontinuierlich elektromagnetische Wellen ausgesendet werden. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Ein echter Oszillator sieht so aus.
Der Halbwellenoszillator verteilt die elektromagnetische Welle kontinuierlich im Raum, aber die Signalstärke ist nicht gleichmäßig im Raum verteilt, wie bei einem Ring wie bei einem Reifen. Das Signal ist horizontal stark, vertikal jedoch schwach.
Tatsächlich muss die Abdeckung unserer Basisstation in horizontaler Richtung etwas weiter sein, denn schließlich müssen die Leute anrufen, die sich am Boden befinden; Vertikale Richtung zur großen Höhe, hoch in der Luft gibt es nicht viel Notwendigkeit zu fliegen, während man Jitterbug-Menschen streift (Streckenabdeckung ist ein anderes Thema, gefolgt von einem Vortrag).
Daher ist bei der Energieemission elektromagnetischer Wellen zwar die vertikale Richtung der Halbwellenoszillatorenergie relativ schwach, doch muss auch die horizontale Richtung weiter verstärkt und die vertikale Richtung noch etwas abgeschwächt werden.
Gemäß dem Energieerhaltungssatz nimmt die Energie weder zu noch ab, und wenn die Emissionsenergie in horizontaler Richtung erhöht werden soll, muss die Energie in vertikaler Richtung abgeschwächt werden. Daher besteht die einzige Möglichkeit darin, die Energiestrahlungsrichtungskarte des Standard-Halbwellenarrays abzuflachen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
Wie kann man es also glätten? Die Antwort besteht darin, die Anzahl der Halbwellenoszillatoren zu erhöhen. Die Emission mehrerer Vibratoren in der Mitte konvergiert, der Rand der Energie wurde geschwächt, die Strahlungsrichtung der Verwirklichung der Abflachung des Klatschens, die Konzentration der Energie in der horizontalen Richtung des Zwecks.
Richtantennen werden am häufigsten in allgemeinen Makro-Basisstationssystemen verwendet. Im Allgemeinen ist eine Basisstation in drei Sektoren unterteilt und mit drei Antennen ausgestattet, wobei jede Antenne einen Bereich von 120 Grad abdeckt.
Aus der obigen Abbildung können wir deutlich erkennen, dass diese Basisstation aus drei Sektoren besteht und drei HF-Einheiten verwendet, wozu drei Paare von Richtantennen erforderlich sind, um realisiert zu werden.
Das obige Schema ist etwas intuitiver. Die Basisstation befindet sich in der Mitte des Kreises, ein großer Kuchen ist in drei Teile geteilt, von denen jeder ein 120-Grad-Sektor ist, daher nennt man ihn drei Sektoren.
Wie erreicht die Antenne also die gerichtete Emission elektromagnetischer Wellen?
Es ist sicherlich nicht schwer, einen cleveren Designer zu schlagen. Um dem Oszillator einen Reflektor hinzuzufügen, sollte das Signal auf die andere Seite der Reflexion zurückgestrahlt werden?
Erhöhen Sie also den Vibrator, um die elektromagnetische Welle weiter in horizontaler Richtung auszustrahlen, und erhöhen Sie dann den Reflektor, um die Richtung zu steuern. Nach zwei Würfen ist der Prototyp einer Richtantenne geboren und die Richtung der elektromagnetischen Wellenemission in der folgenden Abbildung dargestellt.
Die horizontale Seite der Hauptklappe ist weit vom Start weg, aber die vertikale Richtung erzeugt die obere Seite der Klappe und die untere Seite der Klappe, und gleichzeitig ist aufgrund der unvollständigen Reflexion ein Schwanz an der Seite vorhanden Rückseite, bekannt als die Rückseite der Klappe.
An dieser Stelle kommt die Erklärung der wichtigsten Metrik der Antenne ins Spiel: „Gewinn“.
Wie der Name schon sagt, bedeutet Gain, dass die Antenne das Signal verstärkt. Es ist vernünftig zu sagen, dass die Antenne keinen Strom benötigt, sondern nur die elektromagnetische Welle überträgt, die an sie gesendet wird. Wie kann es zu einem „Gewinn“ kommen?
Tatsächlich gibt es keinen „Gewinn“, den Schlüssel, um zu sehen, mit wem und wie man sich vergleicht.
Wie in der Abbildung unten gezeigt, kann die Antenne im Verhältnis zur idealen Punktstrahlungsquelle und zum Halbwellenoszillator die Energie in Richtung des Hauptblütenblatts sammeln und die elektromagnetische Welle weiter senden, was der Hauptrichtung des Blütenblatts der Verstärkung entspricht . Das heißt, die sogenannte Verstärkung erfolgt in einer bestimmten Richtung relativ zur Punktstrahlungsquelle bzw. zum Halbwellenoszillator.
Wie misst man also letztendlich die Abdeckung und den Gewinn des Hauptventils der Antenne? Dies erfordert die Einführung des Konzepts der „Strahlbreite“. Wir bezeichnen die Hauptklappe auf beiden Seiten der Mittellinie als Intensitätsdämpfung der elektromagnetischen Welle auf die Hälfte des Strahlbreitenbereichs.
Da die Intensitätsdämpfung die Hälfte beträgt, also 3 dB, wird die Strahlbreite auch als „halber Leistungswinkel“ oder „3 dB-Leistungswinkel“ bezeichnet.
Übliche Antennen mit halbem Leistungswinkel bis 60°, es gibt auch einige schmalere 33°-Antennen. Je enger der Halbwertswinkel ist, desto weiter breitet sich das Signal in Richtung des Hauptventils aus, desto höher ist die Verstärkung.
Wenn wir die horizontalen und vertikalen Antennendiagramme kombinieren, erhalten wir ein dreidimensionales Strahlungsdiagramm, das viel intuitiver aussieht.
Offensichtlich zerstört das Vorhandensein der Heckklappe die Richtwirkung der Richtantenne und muss minimiert werden. Das Energieverhältnis zwischen Vorder- und Hinterklappe wird als „Vorher-Nachher-Verhältnis“ bezeichnet, je größer der Wert, desto besser, ist ein wichtiger Indikator für die Antenne.
Die wertvolle Leistung der Oberseite der Klappe wird umsonst in den Himmel geschossen, stellt aber auch keine geringe Verschwendung dar, daher sollte bei der Konstruktion von Richtantennen versucht werden, die Unterdrückung der Oberseite der Klappe zu minimieren.
Darüber hinaus gibt es zwischen der Hauptklappe und der unteren Seitenklappe einige Löcher, die auch als unterer Teil des Nulldurchhangs bezeichnet werden und dazu führen, dass die Antenne näher an den Ort des Signals gelangt, was im Design der Antenne nicht gut ist Um diese Löcher zu minimieren, spricht man von der „Nullpunktfüllung“.
Seien wir ehrlich mit der Antenne
Ein weiteres wichtiges Konzept von Antennen ist die Polarisation.
Wie bereits erwähnt, ist die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im Wesentlichen die Ausbreitung elektromagnetischer Felder, und elektrische Felder haben eine Richtung.
Wenn die Richtung des elektrischen Feldes senkrecht zum Boden verläuft, spricht man von einer vertikal polarisierten Welle. Parallel zum Boden handelt es sich ebenfalls um eine horizontal polarisierte Welle.
Wenn die Richtung des elektrischen Feldes mit dem Boden einen Winkel von 45° bildet, spricht man von ±45°-Polarisation.
Aufgrund der Eigenschaften elektromagnetischer Wellen wurde entschieden, dass die horizontale Polarisationsausbreitung des Signals in Bodennähe einen Polarisationsstrom in der Erdoberfläche erzeugt, so dass das elektrische Feldsignal schnell gedämpft wird und die vertikale Polarisation nicht einfach ist, einen Polarisationsstrom zu erzeugen Dadurch wird eine erhebliche Dämpfung der Energie vermieden, um eine effektive Ausbreitung des Signals sicherzustellen.
Als Optimierungsschema werden nun bei Mainstream- Antennen zwei Polarisationsmethoden verwendet, die von zwei Oszillatoren in einer Einheit mit ± 45 ° überlagert werden, um zwei orthogonale Polarisationswellen zu bilden, die als Dualpolarisation bezeichnet werden. Um gleichzeitig die Leistung sicherzustellen, wird durch diese Erkenntnis auch die Antennenintegration erheblich verbessert.
Aus diesem Grund werden in Antennenschaltplänen gerne mehrere Gabeln eingezeichnet. Diese Gabeln repräsentieren im übertragenen Sinne sowohl die Richtung der Polarisation als auch die Anzahl der Oszillatoren.
Kann man mit einer Richtantenne mit hohem Gewinn direkt am Turm hängen?
Offensichtlich verdecken hängende niedrige Gebäude zu viel, nein; Hoch hängend, niemand in der Luft, eine Signalverschwendung, und wenn sich das Signal zu weit ausbreitet, kann die Basisstation es kaum akzeptieren, aber die Sendeleistung des Mobiltelefons ist zu gering, und die Basisstation kann das gesendete Signal nicht empfangen.
Deshalb muss diese Antenne Signale an den Boden übertragen, wo sich Menschen aufhalten, und die Abdeckung muss kontrolliert werden. Dazu muss die Antenne schräg nach unten geneigt sein, wie bei einer Straßenlaterne. Jede Antenne ist für die Abdeckung ihres jeweiligen Bereichs verantwortlich.
Dies führt das Konzept der Antennenabwärtsneigung ein.
Alle Antennen verfügen an ihrer Montagehalterung über einen Knopf mit einer Winkelskala. Durch Drehen des Knopfes zur Steuerung der mechanischen Bewegung der Halterung kann der Neigungswinkel nach unten eingestellt werden. Daher wird die Einstellung der Abwärtsneigung auf diese Weise auch als mechanische Abwärtsneigung bezeichnet.
Dieser Weg hat jedoch zwei offensichtliche Nachteile.
Das erste ist Ärger. Um das Netzwerk zu optimieren und den Winkel anzupassen, müssen Ingenieure den Turm auf der Station erklimmen. Der tatsächliche Effekt ist nicht gut genug, um zu sagen, dass er unbequem ist und hohe Kosten verursacht.
Der zweite Grund ist, dass die mechanische Neigungseinstellung zu einfach und grob ist und die Amplitude der vertikalen und horizontalen Komponenten der Antenne unverändert bleibt, was dazu führt, dass die Abdeckungsrichtungskarte abgeflacht wird, was zu Verzerrungen führt.
Nach so viel Aufwand ist die Abdeckung vor und nach der Anpassung völlig verändert, es ist schwierig, den gewünschten Effekt zu erzielen, aber aufgrund der Aufwärtskrümmung des hinteren Blütenblatts kommt es auch zu Störungen anderer Basisstationen, so dass der mechanische Neigungswinkel zunimmt kann nur in kleinen Schritten angepasst werden.
Gibt es also einen besseren Weg?
Es gibt wirklich eine Möglichkeit, die elektronische Neigung zu verwenden. Das Prinzip der elektronischen Abwärtsneigung besteht darin, die Phase des gemeinsamen Line-Array-Antennenoszillators zu ändern, die Amplitude der vertikalen Komponente und die Größe der horizontalen Komponente zu ändern und die Feldstärke der synthetisierten Komponente zu ändern, sodass die vertikale Richtung der Antennenfigur nach unten geneigt wird.
Das heißt, bei der elektronischen Abwärtsneigung muss die Antenne nicht wirklich geneigt werden, es müssen lediglich Ingenieure vor dem Computer sitzen, mit der Maus zeigen und darauf klicken, und die Software kann angepasst werden. Darüber hinaus führt die elektronische Neigung nicht zu einer Verzerrung der Strahlungsrichtungskarte.
Die Einfachheit und Bequemlichkeit der elektronischen Neigung kommt nicht von ungefähr, sondern wurde durch die gemeinsamen Anstrengungen der Industrie realisiert.
Im Jahr 2001 schließen sich mehrere Antennenhersteller zusammen und gründen eine Organisation namens AISG (Antenna Interface Standards Group), die die Schnittstelle der ESC-Antenne standardisieren will.
Bisher gab es zwei Versionen der Vereinbarung: AISG 1.0 und AISG 2.0.
Selbst wenn die Antenne und die Basisstation von unterschiedlichen Herstellern hergestellt werden, können diese beiden Protokolle, sofern sie alle dem gleichen AISG-Protokoll folgen, die Informationen zur Antennenneigungssteuerung aneinander weitergeben und die Neigung aus der Ferne anpassen Winkel.
Mit der Rückwärtsentwicklung des AISG-Protokolls kann nicht nur der vertikale Neigungswinkel, sondern auch der horizontale Azimutwinkel sowie die Breite und Verstärkung der Hauptklappe aus der Ferne angepasst werden.
Darüber hinaus entwickelt sich die Antenne aufgrund der zunehmenden Anzahl von Funkbändern jedes Betreibers in Verbindung mit der dramatischen Zunahme der Anzahl von Antennenanschlüssen, die für MIMO von 4G und andere Technologien erforderlich sind, schrittweise von einer Einzelfrequenz-Doppelanschlussantenne zu einer Mehrfrequenzantenne. Frequenz-Multi-Port.
Das Prinzip einer Antenne scheint einfach, aber das Streben nach hervorragender Leistung kennt kein Ende. Bis zu diesem Punkt ist dieser Artikel nur eine qualitative Beschreibung des Grundwissens der Basisstation, denn für das tiefere Geheimnis im Inneren, wie die Entwicklung zu 5G besser unterstützt werden kann, sind die Menschen immer noch auf der Suche nach einer Welle von Kommunikationswellen!
