Antenne
Facile à comprendre! Après l'avoir lu, vous êtes à moitié un expert en antennes
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Comme nous le savons tous, les antennes sont utilisées par les stations de base et les téléphones portables pour transmettre des signaux.
Le mot antenne en anglais est Antenna, qui signifie à l'origine tentacules. Les tentacules sont les deux longs fils fins au sommet de la tête d'un insecte. Ne sous-estimez pas une chose aussi discrète, mais ce sont les signaux chimiques envoyés par ces tentacules qui transmettent diverses informations sociales.
De même, dans le monde humain, la communication sans fil utilise également des antennes pour transmettre des informations, mais ce sont les ondes électromagnétiques qui transportent les informations utiles. L'image ci-dessous est un exemple d'un téléphone portable et d'une station de base communiquant entre eux.
Si vous levez la tête pour scruter la station de base, vous constaterez qu'au sommet de la tour se trouvent des objets en forme de plaque, qui sont le protagoniste de cet article : l'antenne de communication, le plus souvent et le contact visuel direct du téléphone portable . est-ce une marchandise.
Cette antenne est appelée antenne directionnelle, comme son nom l'indique, c'est à dire que l'émission du signal est dirigée. S'il est face à vous, le signal suffit ; si vous vous tenez derrière, alors désolé, pas dans la zone de service !
À l'heure actuelle, la grande majorité des stations de base utilisant des antennes directives ont généralement besoin de trois antennes pour compléter une couverture à 360 degrés. Pour dévoiler le voile mystérieux de cette marchandise, il faut la démonter pour voir ce qui est réellement chargé à l'intérieur.
Le vide interne, la structure n'est pas bien complexe, est composé de vibrateurs, de plaque réflectrice, de réseau d'alimentation et de radôme. Ces structures internes font quoi, comment réaliser la fonction de transmission et de réception directionnelles des signaux ?
Tout cela commence par l’onde électromagnétique.
Retirer le manteau de l'antenne
Les antennes sont capables de transmettre des informations à grande vitesse car elles émettent des ondes électromagnétiques contenant des informations dans l'air, se déplaçant à la vitesse de la lumière et atteignant finalement l' antenne de réception .
C'est comme transporter des passagers dans un train à grande vitesse. Si vous comparez les informations aux passagers, alors le véhicule qui transporte les passagers : le train à grande vitesse est l'onde électromagnétique, et l'antenne est l'équivalent de la gare, qui gère la répartition de l'onde électromagnétique.
Alors, que sont les ondes électromagnétiques ?
Les scientifiques étudient les deux forces mystérieuses de l'électricité et du magnétisme depuis des centaines d'années, aboutissant à la proposition de Maxwell d'Angleterre selon laquelle un courant électrique peut produire un champ électrique dans son voisinage, un champ électrique changeant produit un champ magnétique et un champ magnétique changeant produit un champ électrique. Finalement, cette théorie fut confirmée par les expériences de Hertz.
Avec le champ électromagnétique dans une telle transformation périodique, les ondes électromagnétiques rayonnent et se propagent dans l’espace. Pour plus de détails, consultez l'article « Les ondes électromagnétiques ne peuvent être ni vues ni touchées, l'idée fantaisiste de ce jeune homme a changé le monde ».
Comme le montre la figure ci-dessus, la ligne rouge représente le champ électrique, la ligne bleue représente le champ magnétique et la direction de propagation de l'onde électromagnétique est perpendiculaire à la direction du champ électrique et du champ magnétique en même temps.
Alors, comment l’antenne envoie-t-elle ces ondes électromagnétiques ? Après avoir regardé la figure ci-dessous, vous comprendrez.
Les deux fils qui génèrent les ondes électromagnétiques sont appelés « oscillateurs ». En général, la taille de l'oscillateur est en demi-onde pour obtenir les meilleurs résultats, c'est pourquoi on l'appelle souvent "oscillateur demi-onde".
Avec l'oscillateur, des ondes électromagnétiques peuvent être émises en continu. Ceci est illustré dans la figure ci-dessous :
Un vrai oscillateur ressemble à ceci.
L'oscillateur demi-onde propage l'onde électromagnétique dans l'espace en continu, mais la force du signal n'est pas uniformément répartie dans l'espace, comme un anneau comme un pneu. Le signal est fort horizontalement mais faible verticalement.
En fait, la couverture de notre station de base doit être un peu plus loin dans le sens horizontal, après tout, il faut appeler les gens qui sont au sol ; direction verticale vers la haute altitude, dans les airs, il n'est pas vraiment nécessaire de voler tout en effleurant les Jitterbug (la couverture des itinéraires est un sujet différent, suivi d'une conférence).
Par conséquent, dans l'émission d'énergie des ondes électromagnétiques, bien que la direction verticale de l'énergie de l'oscillateur demi-onde ait été relativement faible, il est également nécessaire d'améliorer encore la direction horizontale, la direction verticale s'affaiblissant encore davantage.
Selon le principe de conservation de l'énergie, l'énergie n'augmente ni ne diminue, et si l'énergie émise dans le sens horizontal doit être améliorée, l'énergie dans le sens vertical doit être affaiblie. Par conséquent, la seule façon d’aplatir la carte de direction du rayonnement énergétique du réseau demi-onde standard, comme le montre la figure ci-dessous.
Alors comment l'aplatir ? La réponse est d’augmenter le nombre d’oscillateurs demi-onde. L'émission de plusieurs vibrateurs au centre de convergence, le bord de l'énergie a été affaibli, la direction du rayonnement de la réalisation de l'aplatissement du clap, la concentration de l'énergie dans la direction horizontale du but.
Les antennes directionnelles sont le plus souvent utilisées dans les systèmes généraux de macrostations de base. Généralement, une station de base est divisée en 3 secteurs et recouverte de 3 antennes, chaque antenne couvrant une portée de 120 degrés.
Sur la figure ci-dessus, nous pouvons clairement voir que cette station de base se compose de trois secteurs, utilisant trois unités RF, ce qui nécessite trois paires d'antennes directives pour sa réalisation.
Le schéma ci-dessus est un peu plus intuitif. La station de base est située au centre du cercle, un grand gâteau est divisé en trois parties, chacune étant un secteur de 120 degrés, c'est pourquoi on l'appelle trois secteurs.
Alors, comment l’ antenne parvient-elle à émettre des ondes électromagnétiques directionnelles ?
Il n'est certainement pas difficile de battre un designer intelligent. Pour ajouter un réflecteur à l'oscillateur, le signal doit-il être rayonné de l'autre côté de la réflexion ?
Augmentez donc le vibrateur pour que l'onde électromagnétique dans la direction horizontale soit plus loin, puis augmentez le réflecteur pour contrôler la direction, après deux lancers, le prototype d'antenne directionnelle est né, la direction de l'émission des ondes électromagnétiques dans la figure suivante.
Le côté horizontal du volet principal est éloigné du lancement, mais la direction verticale produit le côté supérieur du volet et le côté inférieur du volet, et en même temps, en raison de la réflexion incomplète, il y a une queue au niveau du volet principal. dos, connu sous le nom de dos du rabat.
À ce stade, l’explication de la métrique la plus importante de l’antenne : le « gain » entre en jeu.
Comme son nom l’indique, le gain signifie que l’antenne améliore le signal. Il est raisonnable de dire que l'antenne n'a pas besoin d'énergie, il suffit de transmettre l'onde électromagnétique qui lui est transmise, comment peut-il y avoir un « gain » ?
En fait, il n’y a pas de « gain », la clé pour voir avec qui, comment comparer.
Comme le montre la figure ci-dessous, par rapport à la source de rayonnement ponctuelle idéale et à l'oscillateur demi-onde, l'antenne peut rassembler l'énergie dans la direction du pétale principal et envoyer l'onde électromagnétique plus loin, ce qui équivaut à la direction du pétale principal de l'amélioration. . C'est-à-dire que ce qu'on appelle le gain se situe dans une certaine direction par rapport à la source de rayonnement ponctuelle ou à l'oscillateur demi-onde.
Alors, en fin de compte, comment mesurer la couverture et le gain de la valve principale de l’antenne ? Cela nécessite l'introduction de la notion de « largeur de faisceau ». Nous appelons l’atténuation de l’intensité des ondes électromagnétiques du volet principal des deux côtés de la ligne centrale à la moitié de la plage de largeur du faisceau.
Parce que l'atténuation de l'intensité est de moitié, c'est-à-dire 3 dB, la largeur du faisceau est également appelée « demi-angle de puissance » ou « angle de puissance 3 dB ».
Antenne commune demi-angle de puissance à 60° maximum, il existe également des antennes plus étroites à 33°. Plus l'angle de demi-puissance est étroit, plus le signal se propage loin en direction de la valve principale, plus le gain est élevé.
En bas, nous combinons les diagrammes d'antenne horizontaux et verticaux, nous obtenons un diagramme de rayonnement tridimensionnel, cela semble beaucoup plus intuitif.
Évidemment, l'existence du volet arrière détruit la directivité de l'antenne directionnelle et doit être minimisée. Le rapport d'énergie entre les volets avant et arrière est appelé "rapport avant et après", plus la valeur est grande, mieux c'est, c'est un indicateur important de l'antenne.
La précieuse puissance de la partie supérieure du volet est lancée dans le ciel pour rien, mais ce n'est pas non plus un petit gaspillage, c'est pourquoi, lors de la conception des antennes directives, il convient d'essayer de minimiser la suppression de la partie supérieure du volet.
De plus, entre le volet principal et le volet latéral inférieur, il y a des trous, également connus sous le nom de partie inférieure de l'affaissement zéro, qui conduisent l'antenne plus près de l'endroit du signal, ce qui n'est pas bon, dans la conception de l'antenne. pour minimiser ces trous, ce que l'on appelle le "remplissage au point zéro".
Être honnête avec l'antenne
Un autre concept important des antennes est la polarisation.
Comme mentionné précédemment, la propagation des ondes électromagnétiques est essentiellement la propagation de champs électromagnétiques, et les champs électriques ont une direction.
Si la direction du champ électrique est perpendiculaire au sol, on parle d’onde polarisée verticalement. De même, parallèlement au sol, c'est une onde polarisée horizontalement.
Si la direction du champ électrique fait un angle de 45° avec le sol, on parle de polarisation ±45°.
En raison des caractéristiques des ondes électromagnétiques, il a été décidé que la propagation de la polarisation horizontale du signal à proximité du sol produirait un courant de polarisation à la surface de la terre, de sorte que le signal du champ électrique s'atténue rapidement et que la polarisation verticale ne soit pas facile à produire un courant de polarisation. , évitant ainsi une atténuation importante de l'énergie, pour assurer la propagation efficace du signal.
Comme schéma d'optimisation, les antennes principales utilisent désormais deux méthodes de polarisation à ± 45 ° superposées par deux oscillateurs dans une unité pour former deux ondes de polarisation orthogonales, connues sous le nom de double polarisation. Cette réalisation, afin de garantir en même temps les performances, améliore également grandement l'intégration de l'antenne.
C'est la raison pour laquelle les schémas d'antenne aiment dessiner un certain nombre de fourches à l'intérieur, ces fourches représentent à la fois la direction de polarisation au sens figuré et le nombre d'oscillateurs.
Avec une antenne directionnelle à gain élevé , accrocher directement sur la tour peut être ?
Évidemment, les bâtiments bas suspendus couvrent trop, non ; suspendu haut, personne dans les airs, un gaspillage de signal, et laisser le signal se propager trop loin, la station de base peut à peine accepter, mais la puissance d'émission du téléphone portable est trop faible, la station de base envoyée ne peut pas être reçue.
Par conséquent, cette antenne doit transmettre des signaux au sol là où se trouvent des personnes et la couverture doit être contrôlée. Cela nécessite que l'antenne soit inclinée vers le bas, comme un lampadaire, chaque antenne est responsable de la couverture de ses zones respectives.
Ceci introduit le concept d’inclinaison de l’antenne.
Toutes les antennes ont un bouton avec une échelle d'angle sur leur support de montage, et en tournant le bouton pour contrôler le mouvement mécanique du support, l'angle d'inclinaison vers le bas peut être ajusté. Ainsi, le réglage de l’inclinaison vers le bas de cette manière est également appelé inclinaison mécanique vers le bas.
Cependant, cette méthode présente deux inconvénients évidents.
Le premier est le problème. Afin d'optimiser le réseau pour ajuster l'angle, vous avez besoin d'ingénieurs pour grimper sur la tour de la station, l'effet réel de ce qui n'est pas assez bon pour dire, c'est peu pratique et coûteux.
La seconde est que le réglage mécanique de l'inclinaison est trop simple et grossier, et que l'amplitude de la composante verticale et de la composante horizontale de l'antenne reste inchangée, ce qui entraînera un aplatissement forcé de la carte de direction de couverture, ce qui entraînera une distorsion.
Après tant d'efforts, la couverture avant et après le réglage est complètement modifiée, il est difficile d'obtenir l'effet souhaité, mais également en raison de la courbure vers le haut du pétale arrière, les interférences d'autres stations de base ont également augmenté, de sorte que l'angle d'inclinaison mécanique ne peut être ajusté que par petits incréments.
Alors, existe-t-il une meilleure solution ?
Il existe vraiment un moyen d'utiliser l'inclinaison électronique. Le principe de l'inclinaison électronique vers le bas est de changer la phase de l'oscillateur d'antenne à réseau de lignes commun, de modifier l'amplitude de la composante verticale et la taille de la composante horizontale, de modifier l'intensité du champ du composant synthétisé, de sorte que la direction verticale de la figure de l'antenne s'incline vers le bas.
C'est-à-dire que l'inclinaison électronique vers le bas n'a pas vraiment besoin de laisser l'antenne s'incliner, il suffit d'ingénieurs devant l'ordinateur, de pointer et de cliquer avec la souris, avec le logiciel de réglage peut être. De plus, l’inclinaison électronique ne provoquera pas de distorsion de la carte de direction du rayonnement.
La simplicité et la commodité de l'inclinaison électronique ne viennent pas de nulle part, mais grâce aux efforts conjoints de l'industrie pour la réaliser.
En 2001, plusieurs fabricants d'antennes se réunissent, créent une organisation appelée AISG (Antenna Interface Standards Group), et souhaitent standardiser l'interface de l'antenne ESC.
Jusqu'à présent, il existait deux versions de l'accord : AISG 1.0 et AISG 2.0.
Avec ces deux protocoles, même si l'antenne et la station de base sont produites par des fabricants différents, tant qu'elles suivent toutes le même protocole AISG, elles peuvent se transmettre les informations de contrôle d'inclinaison de l'antenne et réaliser le réglage à distance de l'inclinaison. angle.
Avec l'évolution vers l'arrière du protocole AISG, non seulement l'angle d'inclinaison vertical peut être ajusté à distance, mais même l'angle d'azimut horizontal, et la largeur et le gain du volet principal peuvent être ajustés à distance.
De plus, en raison du nombre croissant de bandes sans fil de chaque opérateur, associé à l'augmentation spectaculaire du nombre de ports d'antenne requis par le MIMO de la 4G et d'autres technologies, l'antenne évolue également progressivement d'une antenne double port monofréquence à une antenne multi-ports. fréquence multi-port.
Le principe de l'antenne semble simple, mais la poursuite de l'excellence des performances n'a pas de fin. À ce stade, cet article n'est qu'une description qualitative des connaissances de base de la station de base, quant au mystère le plus profond qu'elle contient, comment mieux soutenir l'évolution vers la 5G, une vague de communications que les gens sont toujours en quête de hauts et de bas !
