Debido a que muchos parámetros eléctricos de la antena deben calcularse con precisión, es un problema matemático muy complejo y, en problemas prácticos, a menudo se requieren algunas estimaciones de ingeniería. Hablemos de los métodos de procesamiento aproximados de ingeniería y los requisitos generales para varios parámetros importantes de la antena en aplicaciones prácticas, así como de la estimación aproximada de ingeniería de varios parámetros en el enlace de comunicación.
1. Acerca de la eficiencia de la antena
La eficiencia de la antena generalmente se define como la relación entre la potencia radiada de la antena y la potencia de entrada, que siempre es menor que 1. La eficiencia de la antena se ve afectada principalmente por los siguientes factores: pérdida del conductor, pérdida dieléctrica y el entorno circundante de la antena. La apertura de antena aproximada de una antena sin pérdidas (eficiencia 100%) en ingeniería es:
Por ejemplo, el tamaño de apertura de antena correspondiente a una antena de 2,45 GHz es de aproximadamente 34,5 x 34,5 mm². De hecho, es imposible que una antena WiFi alcance este tamaño. Por lo tanto, la eficiencia de las antenas del mercado es generalmente del 70 al 90 %. ); mientras que las antenas integradas ordinarias, debido a su pérdida dieléctrica y al entorno hostil, generalmente tienen una eficiencia del 30-50%.
2. Acerca de la relación de onda estacionaria
Todo el mundo está familiarizado con la definición de relación de ondas estacionarias, por lo que no diré más al respecto. Es solo que me he encontrado con muchas demandas recientemente y siempre piden que la onda estacionaria sea inferior a 1,5. Consulte la siguiente imagen:
En el mundo académico, generalmente se requiere que su VSWR sea <2,0. En este momento, la antena puede convertir aproximadamente el 90% de la energía emitida por el módulo en ondas electromagnéticas e irradiarla.
En la industria, generalmente se requiere que su VSWR sea <3,0. En este momento, la antena puede convertir aproximadamente el 75% de la energía emitida por el módulo en ondas electromagnéticas e irradiarla.
En muchos casos de antenas de telefonía móvil actualmente en el mercado, debido a la búsqueda de estructuras ultrafinas y totalmente metálicas, las ondas estacionarias de sus antenas suelen alcanzar 5,0 o incluso 7,0.
Por lo tanto, para equipos terminales de comunicaciones civiles de baja potencia, no es necesario exigir que la onda estacionaria sea ≤1,5, porque mejorar el entorno alrededor de la antena a menudo traerá mayores beneficios, por ejemplo, si la onda estacionaria aumenta de 2,0 a. 1.5, la energía transmitida a la antena también aumentará un 6% y la pérdida de radiación de la antena causada por piezas metálicas, líquidos, etc. en el entorno cercano a la antena es mucho mayor.
3. Principio de ganancia de antena.
En teoría, la ganancia de la antena es la relación entre la densidad de potencia de la señal generada por la antena real y la antena de fuente puntual ideal en una determinada posición en el espacio con la misma potencia de entrada. Aquí se menciona el concepto de antena de fuente puntual. Qué es? De hecho, es una antena que la gente imagina que emite señales de manera uniforme, y su patrón de radiación de señal es una esfera uniformemente difundida. De hecho, las antenas tienen direcciones de ganancia de radiación (en lo sucesivo denominadas superficies de radiación). La señal en la superficie de radiación será más fuerte que el valor de radiación de la antena de fuente puntual teórica, mientras que la radiación de la señal en otras direcciones se debilita. La comparación entre el valor real y el valor teórico aquí es la ganancia de la antena.
Vale la pena señalar que las antenas pasivas que la gente común ve comúnmente no solo no mejoran la potencia de transmisión, sino que también la consumen. La razón por la que todavía se considera que tiene ganancia es porque se sacrifican otras direcciones para centrarse en mejorar la dirección de la radiación y mejorar la utilización de la señal.
4. Acerca de la ganancia de la antena
La unidad de radiación de antena más básica es una antena dipolo de onda estacionaria. Las antenas como barras de pegamento, ventosas, varillas de cobre y fibra de vidrio que se usan comúnmente en las comunicaciones son generalmente unidades de radiación de este tipo. Analicemos brevemente la dirección de la radiación y la ganancia de la antena dipolo. Los campos de radiación y los coeficientes de dirección (ganancia para antenas sin pérdidas) de antenas dipolo de diferentes tamaños y longitudes son los siguientes:
A medida que aumenta el tamaño de la antena, aumenta la directividad de la antena y aumenta la ganancia correspondiente. Sin embargo, después de alcanzar 1,25 veces la longitud de onda, la dirección de radiación máxima de la antena cambia y ya no está en el plano horizontal y en los lóbulos laterales. (direcciones de radiación que no necesitamos), el ancho del lóbulo también se vuelve más estrecho y el coeficiente de directividad de la antena es el más fuerte con 3,28 (5,16 dBi) a 1,25 veces la longitud de onda. En este momento, el ancho del lóbulo del plano vertical es 32. °.
Por lo tanto, generalmente se utiliza una antena de látigo con una sola unidad radiante (sin reflector), y la ganancia máxima que se puede lograr en condiciones ideales es de aproximadamente 5 dBi.
5. Otros métodos de prueba para la ganancia de antena.
A. Método de onda plana
La antena de prueba debe instalarse frente a la fuente de radiación de onda plana. La fuente de radiación de onda plana es una antena que se utiliza para generar un campo de onda plana. Durante las pruebas, es necesario ajustar la posición de la antena para lograr la máxima salida de señal y la ganancia de la antena se calcula mediante la medición de potencia.
B. Método de espacio libre
El método se prueba en un espacio libre sin obstrucciones físicas, como un gran lugar al aire libre. Al probar la ganancia, es necesario fijar la antena en la posición de la fuente de radiación y se utiliza un medidor de potencia para medir y calcular la ganancia de la antena.
C. Método de la bola de dispersión
El método de la esfera de dispersión requiere la prueba en un cuerpo de dispersión esférico o prismático, que sea uniforme en su interior. Al realizar la prueba, debe colocar la antena en el centro de la esfera, usar un medidor de potencia para probar y calcular la ganancia de la antena.
D. Método de reflexión
Este método debe probarse con superficies reflectantes (como edificios cercanos, frontones, superficies marinas, etc.). El método de prueba de reflexión requiere que la antena transmita una señal, reciba la señal después de la reflexión y finalmente calcule la ganancia de la antena.
La ganancia de la antena es un parámetro utilizado para describir el grado en que una antena irradia potencia de entrada de manera concentrada y es un indicador importante del rendimiento de la antena. Durante el proceso de prueba de ganancia de antena, se debe prestar atención a la conexión de las líneas del equipo, la calibración de los instrumentos de prueba, el entorno de prueba, etc. para garantizar que los resultados de la prueba sean precisos y confiables.
6. Acerca de la estimación de parámetros del enlace de comunicación
En el enlace de comunicación, se puede estimar uno de los cuatro parámetros de la potencia de transmisión del módulo, la sensibilidad de recepción, la ganancia de la antena del transceptor y la distancia de comunicación.
Por ejemplo: un sistema de comunicación NB-IoT, una estación base de 900 MHz, la ganancia de su antena es de 10 dBi, la potencia de transmisión del dispositivo terminal a un kilómetro de distancia es de 23 dBm y la ganancia de la antena es de 3 dBi. Podemos calcular aproximadamente la potencia recibida por el. dispositivo terminal desde la estación base como:
Por supuesto, esto es solo una estimación teórica. La situación real será peor que esto (obstrucción, absorción por el suelo, edificios, árboles, etc.), y la potencia obtenida por la estación base puede ser mucho menor que este valor ( La sensibilidad anunciada de NB-IoT puede alcanzar -128 dBm, o incluso - 130 dBm). Por supuesto, también podemos estimar la distancia de comunicación en función de la potencia de transmisión conocida, la sensibilidad de recepción, la ganancia de la antena del transceptor, etc.