ข่าว
เข้าใจง่าย! หลังจากอ่านแล้ว คุณก็เป็นผู้เชี่ยวชาญด้านเสาอากาศไปครึ่งหนึ่งแล้ว
ใช้เวลาประมาณ 20 นาทีจึงจะอ่านจบ
ดังที่เราทุกคนทราบสถานีฐานและโทรศัพท์มือถือใช้เสาอากาศ ในการส่งสัญญาณ
คำว่าเสาอากาศในภาษาอังกฤษคือ Antenna ซึ่งแต่เดิมหมายถึงหนวด หนวดคือลวดเส้นเล็กยาวสองเส้นที่อยู่บนหัวแมลง อย่าประมาทสิ่งที่ไม่เด่นนัก แต่สัญญาณทางเคมีที่หนวดเหล่านี้ส่งมานั้นทำหน้าที่ถ่ายทอดข้อมูลทางสังคมต่างๆ
ในทำนองเดียวกัน ในโลกมนุษย์การสื่อสารไร้สายยังใช้เสาอากาศในการส่งข้อมูล แต่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่นำข้อมูลที่เป็นประโยชน์ รูปภาพด้านล่างเป็นตัวอย่างของโทรศัพท์มือถือและสถานีฐานที่สื่อสารระหว่างกัน
หากคุณเงยหน้าขึ้นเพื่อตรวจสอบสถานีฐานคุณจะพบว่าที่ด้านบนของหอคอยมีสิ่งคล้ายจานซึ่งเป็นตัวเอกของบทความนี้: เสาอากาศสื่อสาร การสบตาบ่อยที่สุดและโทรศัพท์มือถือโดยตรง นี่คือสินค้า
เสาอากาศนี้เรียกว่าเสาอากาศแบบกำหนดทิศทางตามชื่อ คือ การปล่อยสัญญาณจะถูกส่งโดยตรง หากมันหันหน้าเข้าหาคุณ สัญญาณก็จะดังขึ้น ถ้าคุณยืนอยู่ข้างหลังก็ขอโทษด้วย ไม่ได้อยู่ในพื้นที่ให้บริการ!
ในปัจจุบัน สถานีฐานส่วนใหญ่ที่ใช้เสาอากาศแบบกำหนดทิศทาง โดยทั่วไปจะต้องมีเสาอากาศสามเสาเพื่อให้ครอบคลุมได้ 360 องศา หากต้องการเปิดเผยม่านลึกลับของสินค้าชิ้นนี้ จำเป็นต้องถอดออกเพื่อดูว่ามีอะไรบรรจุอยู่ข้างในจริงๆ
ภายในว่างเปล่า โครงสร้างไม่ซับซ้อนดี ประกอบด้วยเครื่องสั่น แผ่นสะท้อนแสง เครือข่ายฟีด และเรโดม โครงสร้างภายในเหล่านี้กำลังทำอะไรอยู่ จะตระหนักถึงการทำงานของการส่งผ่านทิศทางและการรับสัญญาณได้อย่างไร?
ทั้งหมดนี้เริ่มต้นจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
การลอกเปลือกเสาอากาศกลับ
เสาอากาศมีความสามารถในการส่งข้อมูล ด้วยความเร็วสูงเนื่องจากปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีข้อมูลไปในอากาศ เดินทางด้วยความเร็วแสงและไปถึงเสาอากาศรับสัญญาณในที่สุด
มันเหมือนกับการขนส่งผู้โดยสารบนรถไฟความเร็วสูง หากคุณเปรียบเทียบข้อมูลกับผู้โดยสาร ยานพาหนะที่บรรทุกผู้โดยสาร รถไฟความเร็วสูงคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และเสาอากาศก็เทียบเท่ากับสถานีซึ่งจัดการการส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
แล้วคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคืออะไร?
นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาแรงลึกลับทั้งสองของไฟฟ้าและแม่เหล็กมาเป็นเวลาหลายร้อยปี โดยปิดท้ายด้วยข้อเสนอของแมกซ์เวลล์แห่งอังกฤษที่ว่ากระแสไฟฟ้าสามารถผลิตสนามไฟฟ้าในบริเวณใกล้เคียง สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงจะก่อให้เกิดสนามแม่เหล็ก และสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก สนามไฟฟ้า ในที่สุดทฤษฎีนี้ก็ได้รับการยืนยันจากการทดลองของเฮิรตซ์
ด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะแผ่กระจายและแพร่กระจายสู่อวกาศ สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม โปรดดูบทความ "คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่สามารถมองเห็นหรือสัมผัสได้ ความคิดแปลกๆ ของชายหนุ่มคนนี้ได้เปลี่ยนโลก"
ดังแสดงในรูปด้านบน เส้นสีแดงแสดงถึงสนามไฟฟ้า เส้นสีน้ำเงินแสดงถึงสนามแม่เหล็ก และทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะตั้งฉากกับทิศทางของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในเวลาเดียวกัน
เสาอากาศจะส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเหล่านี้ออกมาได้อย่างไร? หลังจากดูรูปด้านล่างแล้วคุณจะเข้าใจ
สายไฟสองเส้นที่สร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเรียกว่า "ออสซิลเลเตอร์" โดยทั่วไปขนาดของออสซิลเลเตอร์จะอยู่ในช่วงครึ่งความยาวคลื่นเมื่อให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด จึงมักเรียกว่า "ออสซิลเลเตอร์แบบครึ่งคลื่น"
ด้วยออสซิลเลเตอร์ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถปล่อยออกมาได้อย่างต่อเนื่อง นี่แสดงในรูปด้านล่าง:
ออสซิลเลเตอร์จริงมีลักษณะเช่นนี้
ออสซิลเลเตอร์แบบครึ่งคลื่นจะกระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปยังอวกาศอย่างต่อเนื่อง แต่ความแรงของสัญญาณไม่ได้กระจายสม่ำเสมอในพื้นที่นั้นเหมือนวงแหวนเหมือนยาง สัญญาณแรงในแนวนอน แต่แนวตั้งอ่อน
ความครอบคลุมของสถานีฐานของเราจะต้องไกลออกไปเล็กน้อยในแนวนอน เพราะต้องเรียกคนอยู่บนพื้น ทิศทางแนวตั้งไปยังที่สูง อยู่ในอากาศไม่จำเป็นต้องบินมากนักในขณะที่แปรงคน Jitterbug (การครอบคลุมเส้นทางเป็นหัวข้ออื่นตามด้วยการพูดคุย)
ดังนั้นในการปล่อยพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แม้ว่าทิศทางแนวตั้งของพลังงานออสซิลเลเตอร์ครึ่งคลื่นจะค่อนข้างอ่อนแอ แต่ยังต้องปรับปรุงทิศทางแนวนอนเพิ่มเติม ทิศทางแนวตั้งจะลดลงอีกบางส่วน
ตามหลักการอนุรักษ์พลังงาน พลังงานจะไม่เพิ่มขึ้นหรือลดลง และหากต้องเพิ่มพลังงานที่ปล่อยออกมาในแนวนอน พลังงานในแนวตั้งจะต้องอ่อนลง ดังนั้นวิธีเดียวที่จะแบนแผนที่ทิศทางการแผ่รังสีพลังงานอาเรย์ครึ่งคลื่นมาตรฐานดังแสดงในรูปด้านล่าง
แล้วจะแบนยังไงล่ะ? คำตอบคือการเพิ่มจำนวนออสซิลเลเตอร์แบบครึ่งคลื่น การปล่อยเครื่องสั่นหลายตัวในการบรรจบกันที่ศูนย์กลาง ขอบของพลังงานลดลง ทิศทางการแผ่รังสีของการตบมือที่แบนราบ ความเข้มข้นของพลังงานในทิศทางแนวนอนของวัตถุประสงค์
เสาอากาศแบบมีทิศทางมักใช้ในระบบสถานีฐานมาโครทั่วไป โดยทั่วไป สถานีฐานจะแบ่งออกเป็น 3 ส่วนและมีเสาอากาศ 3 เสา แต่ละเสาอากาศครอบคลุมช่วง 120 องศา
จากรูปด้านบน เราจะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าสถานีฐานนี้ประกอบด้วยสามส่วน โดยใช้หน่วย RF สามชุด ซึ่งต้องใช้เสาอากาศกำหนดทิศทางสามคู่จึงจะรับรู้ได้
แผนผังด้านบนใช้งานง่ายกว่าเล็กน้อย สถานีฐานตั้งอยู่ตรงกลางวงกลม โดยวงกลมขนาดใหญ่จะแบ่งออกเป็น 3 ส่วน แต่ละส่วนมีมุม 120 องศา จึงเรียกว่า 3 ส่วน
เสาอากาศสามารถปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างไร ?
การเอาชนะนักออกแบบที่ชาญฉลาดไม่ใช่เรื่องยากอย่างแน่นอน ในการเพิ่มตัวสะท้อนแสงให้กับออสซิลเลเตอร์ควรส่งสัญญาณไปยังอีกด้านของการสะท้อนกลับเข้าไปหรือไม่?
ดังนั้นเพิ่มเครื่องสั่นเพื่อให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในแนวนอนไกลออกไป จากนั้นเพิ่มตัวสะท้อนแสงเพื่อควบคุมทิศทาง หลังจากโยนสองครั้ง ต้นแบบของเสาอากาศทิศทางก็เกิด ทิศทางของการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นรูปต่อไปนี้
ด้านแนวนอนของแผ่นพับหลักถึงจุดปล่อยไกล แต่ทิศทางแนวตั้งทำให้เกิดด้านบนของแผ่นพับและด้านล่างของแผ่นพับ และในขณะเดียวกันเนื่องจากการสะท้อนไม่สมบูรณ์ จึงมีหางอยู่ที่ ด้านหลังเรียกว่าด้านหลังของพนัง
ณ จุดนี้ คำอธิบายตัวชี้วัดที่สำคัญที่สุดของเสาอากาศ: "กำไร" เข้ามามีบทบาท
ตามชื่อที่แนะนำ Gain หมายความว่าเสาอากาศจะขยายสัญญาณ มีเหตุผลที่จะบอกว่าเสาอากาศไม่ต้องการพลังงานเพียงแค่ส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่งไปจะมี "กำไร" ได้อย่างไร?
ที่จริงแล้วไม่มี "กำไร" สิ่งสำคัญที่ต้องดูว่ากับใครจะเปรียบเทียบอย่างไร
ดังแสดงในรูปด้านล่าง สัมพันธ์กับแหล่งกำเนิดรังสีจุดในอุดมคติและออสซิลเลเตอร์ครึ่งคลื่น เสาอากาศสามารถรวบรวมพลังงานในทิศทางของกลีบหลัก สามารถส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ไกลขึ้น เทียบเท่ากับทิศทางกลีบหลักของการเพิ่มประสิทธิภาพ . กล่าวคือ สิ่งที่เรียกว่าเกนนั้นอยู่ในทิศทางที่แน่นอนซึ่งสัมพันธ์กับแหล่งกำเนิดรังสีแบบจุดหรือออสซิลเลเตอร์แบบครึ่งคลื่น
ดังนั้นในท้ายที่สุดจะวัดความครอบคลุมและอัตราขยายของวาล์วหลักของเสาอากาศได้อย่างไร? ซึ่งจำเป็นต้องมีการแนะนำแนวคิดเรื่อง "ความกว้างของลำแสง" เราเรียกแผ่นปิดหลักทั้งสองด้านของการลดทอนความเข้มของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เส้นกึ่งกลางเป็นครึ่งหนึ่งของช่วงความกว้างของลำแสง
เนื่องจากการลดทอนความเข้มลงครึ่งหนึ่ง นั่นคือ 3dB ดังนั้นความกว้างของลำแสงจึงถูกเรียกว่า "มุมกำลังครึ่ง" หรือ "มุมกำลัง 3dB"
เสาอากาศทั่วไปมีมุมกำลังครึ่งหนึ่งถึง 60 °มากที่สุด นอกจากนี้ยังมีเสาอากาศ 33 °ที่แคบกว่าอีกด้วย ยิ่งมุมครึ่งกำลังแคบลง สัญญาณก็จะกระจายไปในทิศทางของวาล์วหลักมากขึ้นเท่านั้น อัตราขยายก็จะยิ่งสูงขึ้น
ด้านล่างนี้เรารวมไดอะแกรมเสาอากาศแนวนอนและแนวตั้งเข้าด้วยกัน เราได้ไดอะแกรมรังสีสามมิติ ซึ่งดูเป็นธรรมชาติกว่ามาก
แน่นอนว่าการมีอยู่ของแผ่นพับด้านหลังจะทำลายทิศทางของเสาอากาศแบบกำหนดทิศทางจึงจะต้องลดลงให้เหลือน้อยที่สุด อัตราส่วนพลังงานระหว่างแผ่นพับด้านหน้าและด้านหลังเรียกว่า "อัตราส่วนก่อนและหลัง" ค่ายิ่งมากก็ยิ่งดีเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของเสาอากาศ
กำลังอันมีค่าของด้านบนของแผ่นพับถูกปล่อยขึ้นสู่ท้องฟ้าโดยเปล่าประโยชน์ แต่ก็ไม่ใช่การเสียเปล่าเล็กๆ น้อยๆ ด้วย ดังนั้นในการออกแบบเสาอากาศกำหนดทิศทางจึงควรพยายามลดด้านบนของแผ่นปิดป้องกันให้เหลือน้อยที่สุด
นอกจากนี้ระหว่างแผ่นปิดหลักและแผ่นปิดด้านล่างยังมีรูอยู่บ้างหรือที่เรียกว่าส่วนล่างของแผ่นลดหย่อนทำให้เสาอากาศเข้าใกล้ตำแหน่งที่สัญญาณไม่ดีในการออกแบบเสาอากาศ เพื่อลดรูเหล่านี้ซึ่งเรียกว่า "การเติมจุดศูนย์"
ซื่อสัตย์กับเสาอากาศ
แนวคิดที่สำคัญอีกประการหนึ่งของเสาอากาศคือโพลาไรซ์
ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น การแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยพื้นฐานแล้วเป็นการแพร่กระจายของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า และสนามไฟฟ้าก็มีทิศทาง
หากทิศทางของสนามไฟฟ้าตั้งฉากกับพื้น เราจะเรียกมันว่าคลื่นโพลาไรซ์ในแนวตั้ง ในทำนองเดียวกัน ขนานกับพื้น มันเป็นคลื่นโพลาไรซ์ในแนวนอน
ถ้าทิศทางของสนามไฟฟ้าทำมุม 45° กับพื้น เราจะเรียกมันว่า ±45° โพลาไรเซชัน
เนื่องจากลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ตัดสินใจว่าการแพร่กระจายโพลาไรเซชันในแนวนอนของสัญญาณใกล้กับพื้นดินจะผลิตกระแสไฟฟ้าโพลาไรซ์ในพื้นผิวโลก เพื่อให้สนามไฟฟ้าส่งสัญญาณการลดทอนอย่างรวดเร็ว และโพลาไรซ์ในแนวตั้งไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะสร้างกระแสไฟฟ้าโพลาไรซ์ จึงหลีกเลี่ยงการลดทอนพลังงานอย่างมีนัยสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าการแพร่กระจายของสัญญาณมีประสิทธิภาพ
ในรูปแบบการปรับให้เหมาะสม ขณะนี้เสาอากาศกระแส หลัก ใช้ ± 45 ° วิธีการโพลาไรเซชันสองวิธีซ้อนทับด้วยออสซิลเลเตอร์สองตัวในหน่วยเพื่อสร้างคลื่นโพลาไรเซชันมุมฉากสองอัน เรียกว่าโพลาไรเซชันคู่ การรับรู้นี้เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพในเวลาเดียวกัน ยังทำให้การรวมเสาอากาศดีขึ้นมาก
นี่คือเหตุผลที่แผนผังเสาอากาศชอบวาดส้อมจำนวนหนึ่งไว้ข้างใน ส้อมเหล่านี้แสดงทั้งทิศทางของโพลาไรเซชันโดยเป็นรูปเป็นร่างและจำนวนออสซิลเลเตอร์
ด้วยเสาอากาศแบบมีทิศทาง กำลังขยายสูง สามารถแขวนไว้บนทาวเวอร์ได้โดยตรงหรือไม่?
เห็นได้ชัดว่าการแขวนอาคารต่ำนั้นปกปิดมากเกินไปไม่ แขวนสูงไม่มีใครอยู่ในอากาศ เปลืองสัญญาณ และปล่อยให้สัญญาณกระจายไปไกลเกินไป สถานีฐานแทบจะไม่สามารถยอมรับได้ แต่กำลังส่งของโทรศัพท์มือถือน้อยเกินไป ไม่สามารถรับสัญญาณสถานีฐานที่ส่งได้
ดังนั้นเสาอากาศนี้จึงต้องส่งสัญญาณไปยังพื้นดินที่มีคนอยู่และต้องควบคุมความครอบคลุม โดยต้องให้เสาอากาศเอียงลงเป็นมุมเหมือนโคมไฟถนน เสาอากาศแต่ละตัวมีหน้าที่รับผิดชอบในการครอบคลุมพื้นที่ของตน
นี่เป็นการแนะนำแนวคิดของการเอียงเสาอากาศลง
เสาอากาศทั้งหมดมีปุ่มที่มีสเกลมุมบนขายึด และด้วยการบิดปุ่มเพื่อควบคุมการเคลื่อนไหวทางกลไกของขายึด ทำให้สามารถปรับมุมเอียงลงได้ ดังนั้น การปรับความเอียงลงในลักษณะนี้จึงเรียกว่าการเอียงลงแบบกลไก
อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีข้อเสียที่ชัดเจนสองประการ
ประการแรกคือปัญหา เพื่อทำการเพิ่มประสิทธิภาพเครือข่ายเพื่อปรับมุม คุณต้องวิศวกรปีนหอคอยบนสถานี ผลกระทบจริงของสิ่งที่ไม่ดีพอที่จะพูด มันไม่สะดวก ต้นทุนสูง
ประการที่สองคือการปรับความเอียงทางกลนั้นง่ายเกินไปและหยาบเกินไป และแอมพลิจูดของส่วนประกอบแนวตั้งของเสาอากาศและส่วนประกอบแนวนอนไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นจะทำให้แผนที่ทิศทางครอบคลุมถูกบังคับให้แบน ส่งผลให้เกิดการบิดเบือน
หลังจากพยายามอย่างมาก ความครอบคลุมก่อนและหลังการปรับก็เปลี่ยนไปโดยสิ้นเชิง เป็นเรื่องยากที่จะบรรลุผลตามที่ต้องการ แต่เนื่องจากการโค้งขึ้นของกลีบด้านหลังทำให้การรบกวนของสถานีฐานอื่นๆ เพิ่มขึ้นเช่นกัน ดังนั้นมุมเอียงเชิงกลก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน สามารถปรับเพิ่มได้ทีละน้อยเท่านั้น
แล้วมีวิธีที่ดีกว่านี้ไหม?
มีวิธีจริงๆ คือการใช้การเอียงแบบอิเล็กทรอนิกส์ หลักการของการเอียงแบบอิเล็กทรอนิกส์คือการเปลี่ยนเฟสของออสซิลเลเตอร์เสาอากาศแบบ line array ทั่วไป เปลี่ยนความกว้างของส่วนประกอบแนวตั้งและขนาดส่วนประกอบแนวนอน เปลี่ยนความแรงของสนามส่วนประกอบสังเคราะห์ เพื่อให้ทิศทางแนวตั้งของรูปเสาอากาศลดลง
กล่าวคือ การเอียงลงแบบอิเล็กทรอนิกส์ไม่จำเป็นต้องปล่อยให้เสาอากาศเอียงจริงๆ ต้องการเพียงวิศวกรที่อยู่หน้าคอมพิวเตอร์ ชี้และคลิกเมาส์ โดยสามารถปรับซอฟต์แวร์ได้ นอกจากนี้การเอียงแบบอิเล็กทรอนิกส์จะไม่ทำให้เกิดการบิดเบือนของแผนที่ทิศทางการแผ่รังสี
ความเรียบง่ายและความสะดวกสบายของการเอียงแบบอิเล็กทรอนิกส์ไม่ได้มาจากที่ไหนเลย แต่ผ่านความพยายามร่วมกันของอุตสาหกรรมในการตระหนักรู้
ในปี 2544 ผู้ผลิตเสาอากาศหลายรายมารวมตัวกันเพื่อจัดตั้งองค์กรที่เรียกว่า AISG (Antenna Interface Standards Group) ซึ่งต้องการสร้างมาตรฐานอินเทอร์เฟซของเสาอากาศ ESC
จนถึงขณะนี้มีข้อตกลงอยู่ 2 เวอร์ชัน คือ AISG 1.0 และ AISG 2.0
ด้วยโปรโตคอลทั้งสองนี้ แม้ว่าเสาอากาศและสถานีฐานจะผลิตโดยผู้ผลิตที่แตกต่างกัน ตราบใดที่พวกเขาทั้งหมดปฏิบัติตามโปรโตคอล AISG เดียวกัน พวกเขาก็สามารถส่งข้อมูลการควบคุมการเอียงของเสาอากาศให้กันและกัน และตระหนักถึงการปรับการเอียงจากระยะไกล มุม.
ด้วยวิวัฒนาการที่ล้าหลังของโปรโตคอล AISG ไม่เพียงแต่สามารถปรับมุมเอียงในแนวตั้งได้จากระยะไกล แม้แต่มุมราบในแนวนอนด้วย และสามารถปรับ ความกว้างและ เกน ของแผ่นพับหลักได้จากระยะไกล
นอกจากนี้ เนื่องจากจำนวนย่านความถี่ไร้สายที่เพิ่มขึ้นของผู้ปฏิบัติงานแต่ละราย ประกอบกับจำนวนพอร์ตเสาอากาศที่เพิ่มขึ้นอย่างมากซึ่งต้องใช้โดย MIMO ของ 4G และเทคโนโลยีอื่น ๆ เสาอากาศจึงค่อย ๆ พัฒนาจากพอร์ตคู่ความถี่เดียวไปเป็นหลายพอร์ต ความถี่หลายพอร์ต
หลักการของเสาอากาศดูเหมือนเรียบง่าย แต่การแสวงหาความเป็นเลิศด้านประสิทธิภาพนั้นไม่มีที่สิ้นสุด บทความนี้ถึงจุดนี้เป็นเพียงคำอธิบายเชิงคุณภาพเกี่ยวกับความรู้พื้นฐานของสถานีฐาน ส่วนความลึกลับที่ลึกลงไปภายใน จะสนับสนุนการพัฒนาสู่ 5G ได้ดีขึ้นได้อย่างไร คลื่นแห่งการสื่อสารที่ผู้คนยังคงขึ้น ๆ ลง ๆ และแสวงหา!
