Antenne
Vanuit het perspectief van energieomzetting, het ontsluiten van de evolutiecode van antennes
Geschatte leestijd: 15 minuten
In het enorme systeem van draadloze communicatieAntennes spelen een sleutelrol. In wezen zijn ze een zeer speciaal type energieomzetter die energie kan omzetten tussen geleide golven en golven in de vrije ruimte. Dit omzettingsproces is van cruciaal belang in de transmissie- en ontvangstfase van communicatiesignalen.
In de signaaloverdrachtstoestand wordt de hoogfrequente stroom van de zender via de transmissielijn naar de antenne gestuurd. Op dat moment gedraagt de antenne zich als een magische tovenaar die de energie in de vorm van geleide golven (hoogfrequente stroom) vakkundig omzet in vrije-ruimtegolven, die we gewoonlijk elektromagnetische golven noemen, en deze vervolgens uitstraalt naar de omringende ruimte. Bij gewone mobiele telefooncommunicatie genereren de interne circuits van de telefoon bijvoorbeeld hoogfrequente stroomsignalen, die naar de antenne van de telefoon worden verzonden. antenne Vervolgens zet het deze signalen om in elektromagnetische golven en zendt deze uit. Op deze manier wordt een communicatieverbinding met het basisstation tot stand gebracht om de informatie te kunnen verzenden.
In de signaalontvangstfase werkt de antenne precies andersom. Wanneer elektromagnetische golven die zich door de ruimte voortplanten de antenne bereiken, vangt deze deze elektromagnetische golven gevoelig op en zet de energie die ze bevatten om in hoogfrequente stroom. Dit is de omzetting van vrije ruimtegolven naar geleide golven. Deze hoogfrequente stroom wordt vervolgens via de transmissielijn naar de ontvanger gestuurd voor verdere signaalverwerking en informatie-extractie. Zo kan de televisieantenne in ons huis elektromagnetische golven van televisiezenders ontvangen en deze omzetten in elektrische signalen, die naar de televisie worden verzonden, zodat we diverse televisieprogramma's kunnen bekijken.
Vroege verkenning: het prototype van antennes en de initiële energieomzetting
In de 19e eeuw beleefde het elektromagnetisme belangrijke theoretische doorbraken. James Clerk Maxwell stelde de beroemde Maxwell-vergelijkingen voor, die theoretisch het bestaan van elektromagnetische golven voorspelden en een solide theoretische basis legden voor de geboorte van antennes. In 1887 voerde de Duitse natuurkundige Heinrich Hertz een reeks baanbrekende experimenten uit om Maxwells voorspellingen te verifiëren. Hij ontwierp en bouwde 's werelds eerste antennesysteem, bestaande uit twee metalen staven van ongeveer 30 centimeter lang, met de uiteinden verbonden met twee metalen platen van 40 vierkante centimeter. Elektromagnetische golven werden opgewekt door vonkontladingen tussen de metalen bollen; de ontvangstantenne was een metalen vierkante ringantenne met een enkele lus, wat aangaf dat er een signaal werd ontvangen wanneer er vonken verschenen tussen de uiteinden van de ring. Hertz' experiment bevestigde niet alleen met succes het bestaan van elektromagnetische golven, maar markeerde ook de officiële geboorte van antennes en luidde een nieuw tijdperk in voor de menselijke verkenning van draadloze communicatie. Hoewel de antennestructuur van Hertz erg eenvoudig was en de energieomzettingsefficiëntie relatief laag was, werd met deze techniek een eerste energieomzetting van geleide golven naar vrije-ruimtegolven gerealiseerd. Hierdoor konden mensen voor het eerst intuïtief de wonderen van elektromagnetische golven ervaren en waardevolle ervaring opdoen voor de verdere ontwikkeling van antennetechnologie.
Na Hertz boekte de Italiaanse uitvinder Guglielmo Marconi aanzienlijke vooruitgang in de toepassing van antennes. In 1901 slaagde Marconi erin transoceanische communicatie te realiseren met behulp van een grote antenne. Zijn zendantenne bestond uit 50 naar beneden gerichte koperdraden, gerangschikt in een waaiervorm, met de bovenkant verbonden door een horizontale lijn die tussen twee torens van 45 meter hoog en 60 meter uit elkaar hing. De elektrische vonkontladingszender, aangesloten tussen de antenne en de grond, kan worden beschouwd als de eerste praktische monopoolantenne. Dit baanbrekende communicatie-experiment stak de Atlantische Oceaan over en bereikte een signaaloverdracht over een afstand van ongeveer 2500 kilometer. Dit toonde het enorme potentieel van antennes voor langeafstandscommunicatie aan en bracht draadloze communicatie van het laboratorium naar het brede stadium van praktische toepassing. Marconi's succes wakkerde wereldwijd enthousiasme aan voor onderzoek naar antennetechnologie en draadloze communicatie, wat veel wetenschappers en ingenieurs ertoe aanzette zich op dit gebied te richten en de antennetechnologie voortdurend te verbeteren.
Ontwikkelingsgeschiedenis: technologische innovaties die de upgrade van energieomzetting stimuleren
Na het baanbrekende werk van Hertz en Marconi kwam de antennetechnologie in een stroomversnelling terecht. In de eerste helft van de 20e eeuw bloeide de ontwikkeling van draadantennes op. Met de voortdurende uitbreiding van toepassingen zoals radio-uitzendingen en communicatie, werden verschillende soorten draadantennes ontwikkeld. antennes ontstonden, zoals dipoolantennes, lusantennes en lange draadantennes. Deze antennes waren structureel complexer dan de eerste eenvoudige antennes, waardoor de energieomzettingsefficiëntie en de richting van de signaalstraling aanzienlijk verbeterden door een zorgvuldig ontwerp van antennevormen, -afmetingen en -opstellingen. De Yagi-Uda-antenne bestaat bijvoorbeeld uit een actief element, een reflector en meerdere directors, waardoor de energie in één richting kan worden geconcentreerd, wat de versterking van de antenne aanzienlijk verbetert. Vergeleken met de eerste eenvoudige antennes is de Yagi-Uda-antenne efficiënter in energieomzetting en signaaloverdracht, wat grotere afstanden en stabielere communicatie mogelijk maakt, en wordt hij veel gebruikt in de omroep en televisie.
Van begin jaren 30 tot eind jaren 50, met de uitvinding van lopende-golfbuizen en magnetrons, kwam de microgolftechnologie snel op gang en betrad de antennetechnologie het tijdperk van apertuurantennes. In deze periode werden parabolische antennes en reflectorantennes op grote schaal gebruikt. Parabolische antennes maken gebruik van de reflecterende eigenschappen van parabolen om sferische golven die door de feed worden uitgestraald, om te zetten in vlakke golven. Dit resulteert in een hoge versterking en een smalle bundel, waardoor energie geconcentreerder kan worden uitgezonden, wat de communicatieafstand en -kwaliteit aanzienlijk verbetert en een belangrijke rol speelt in radar- en satellietcommunicatie. Ondertussen verschenen er nieuwe soorten antennes, zoals golfgeleider-sleufantennes, diëlektrische staafantennes en spiraalvormige antennes. antennes Er kwamen steeds meer nieuwe technologieën op de markt, elk met unieke prestatievoordelen en aangepast aan de uiteenlopende behoeften van verschillende toepassingsscenario's.
Na het midden van de 20e eeuw, met de snelle ontwikkeling van de communicatietechnologie, werden hogere eisen gesteld aan de prestaties van antennes, waardoor de antennetechnologie steeds meer divers en intelligenter werd. Arrayantennes bereiken bundelvorming en ruimtelijke diversiteit door meerdere antenne-elementen in een bepaald patroon te plaatsen, waardoor de richting en versterking van de signaalstraling flexibel kunnen worden aangepast aan de communicatiebehoeften. Dit verbetert effectief de capaciteit en het anti-interferentievermogen van communicatiesystemen. Phased array-antennes kunnen, dankzij elektronische besturing, snel en nauwkeurig de richting van de antennebundel veranderen, waardoor gelijktijdige tracking en communicatie met meerdere doelen mogelijk is. Dit biedt aanzienlijke voordelen in militaire radar- en mobiele communicatiebasisstations. Slimme antennes combineren geavanceerde signaalverwerkingstechnologie en adaptieve algoritmen om antenneparameters, zoals de bundelrichting en versterking, automatisch aan te passen aan veranderingen in de omgeving en communicatiesignalen. Dit resulteert in optimale communicatie-effecten en een aanzienlijke verbetering van het intelligentieniveau en spectrumgebruik van communicatiesystemen.
Moderne diversiteit: intelligente energieomzetting in verschillende scenario's
Communicatietechnologie heeft haar intrede gedaan in de moderne maatschappij en heeft zich exponentieel ontwikkeld. De toepassingsmogelijkheden van draadloze communicatie zijn steeds uitgebreider en diverser geworden. Dit zorgt voor een voortdurende ontwikkeling van antennetechnologie om te kunnen voldoen aan de specifieke behoeften van verschillende scenario's. Hierbij wordt blijk gegeven van uitzonderlijke wijsheid en innovatie op het gebied van energieomzetting.
In het 5G-communicatietijdperk is de vraag naar snelle communicatie met lage latentie en een grote capaciteit extreem urgent, wat ongekende uitdagingen met zich meebrengt voor de prestaties van antennes. 5G-basisstations maken op grote schaal gebruik van Massive MIMO-antennetechnologie (Massive Multiple Input Multiple Output), waarbij een groot aantal antenne-elementen bij het basisstation wordt geplaatst om grootschalige antenne-arrays te vormen, waarmee ruimtelijke multiplexing en beamforming mogelijk worden. Deze technologie kan de stralingsrichting en versterking van signalen nauwkeurig aanpassen aan de locatie en communicatiebehoeften van de gebruiker, waardoor energie wordt geconcentreerd op de doelgebruikers. Dit verbetert de efficiëntie en dekking van de signaaloverdracht, wat de capaciteit en prestaties van communicatiesystemen aanzienlijk verbetert. In dichtbevolkte stedelijke gebieden kunnen de Massive MIMO-antennes van 5G-basisstations bijvoorbeeld beamforming-technologie gebruiken om de dekking te concentreren op verschillende gebruikers in hoogbouw, waardoor signaalblokkering en interferentieproblemen effectief worden opgelost en gebruikers kunnen genieten van snelle en stabiele 5G-netwerkdiensten.
Ook op het gebied van satellietcommunicatie stellen antennes hoge prestatie-eisen. Satellietantennes moeten een hoge versterking, een hoge richtnauwkeurigheid en goede anti-interferentie-eigenschappen hebben om betrouwbare communicatie met satellieten te bereiken. Phased array antennes worden veel gebruikt in satellietcommunicatie, omdat ze snel en flexibel de richting van de bundel kunnen veranderen door de fase en amplitude van elk element in de bundel te regelen. antenne array, wat zorgt voor nauwkeurige tracking en communicatie met satellieten. Multi-beam antennes zijn ook een belangrijke technologie in satellietcommunicatie. Ze kunnen elektromagnetische golfenergie in meerdere richtingen concentreren, meerdere bundels vormen en gebruikers in verschillende gebieden bereiken, wat de efficiëntie en capaciteit van satellietcommunicatie aanzienlijk verbetert. Zo kunnen multi-beam antennes in satellietcommunicatiesystemen in een lage baan om de aarde elektromagnetische golfenergie dynamisch toewijzen op basis van de communicatiebehoeften van verschillende regio's, waardoor gebruikers op de grond hoogwaardige communicatiediensten kunnen ontvangen.
Radarsystemen spelen als belangrijke detectieapparatuur een onmisbare rol in het leger, de meteorologie, de lucht- en ruimtevaart en andere sectoren. De prestaties van radarantennes zijn direct van invloed op het detectievermogen en de nauwkeurigheid van radarsystemen. Moderne radarantennes maken doorgaans gebruik van phased array-technologie en digitale beamforming-technologie. Phased array-antennes zorgen voor snelle scanning en flexibele controle van de bundels door middel van elektronische scanning, waardoor meerdere doelen in korte tijd kunnen worden gedetecteerd en gevolgd. Digitale beamforming-technologie maakt een nauwkeurigere bundelvorming en -controle mogelijk door de signalen van antenne-elementen digitaal te verwerken, wat de radarresolutie en anti-interferentiemogelijkheden verbetert. In militaire radar kunnen phased array-radarantennes bijvoorbeeld snel het luchtruim scannen, luchtdoelen tijdig detecteren en volgen, en zo krachtige ondersteuning bieden voor luchtverdedigingsoperaties. In meteorologische radar kan digitale beamforming-technologie meteorologische informatie in wolkenlagen nauwkeuriger detecteren, waardoor de nauwkeurigheid van weersvoorspellingen wordt verbeterd.
