Ganancia de antena: 'Técnica de enfoque de energía' para dispositivos pasivos

Ganancia de antena: 'Técnica de enfoque de energía' para dispositivos pasivos

La antena es el componente central del sistema de comunicación inalámbrica y su característica de 'ganancia' a menudo plantea preguntas: como dispositivo pasivo, la antena en sí no amplifica la potencia de la señal, entonces, ¿por qué hay 'ganancia'? De hecho, la ganancia de la antena no describe la amplificación de potencia, sino más bien la capacidad de la antena para concentrar energía en una dirección particular.

1. La esencia de la ganancia: la redistribución de la energía

La esencia de la ganancia de antena es mejorar la intensidad de la señal en la dirección especificada sacrificando la capacidad de radiación en otras direcciones. Es como reemplazar una bombilla por una linterna: la energía total es la misma, pero la luz es enfocada por un reflector, que ilumina más lejos.

Definición de ganancia: bajo la condición de igual potencia de entrada, la relación entre las densidades de potencia de la señal producidas en el mismo punto del espacio por una antena real y un elemento radiante ideal.

Hay dos claves para entender la ganancia de la antena:

Como dispositivo pasivo, la antena no añade energía, sino que la redistribuye;

La ganancia de la antena es un valor relativo con respecto a una antena de referencia.

2. Ganancia y direccionalidad: dos caras de una misma moneda

La ganancia de la antena está estrechamente relacionada con el patrón: cuanto más estrecho sea el lóbulo principal y más pequeño el lóbulo lateral del patrón, mayor será la ganancia.

Antena omnidireccional: radiación de 360° en el plano horizontal y limitación del haz en el plano vertical

Antena direccional: enfoca la energía en un haz estrecho

Según la ley de conservación de la energía, cuando la ganancia de la antena es positiva en algunas direcciones, la ganancia en otras direcciones es negativa.

3.Representación cuantificada de ganancia

Por ejemplo, una antena de 0 dBd equivale a 2,15 dBi; la ganancia de la antena de la estación base direccional GSM es de aproximadamente 18 dBi, y la ganancia de la antena de la estación base omnidireccional es de aproximadamente 11 dBi.

4. Métodos comunes para mejorar la ganancia de la antena

La idea central es reducir el ancho del lóbulo en el plano vertical, teniendo en cuenta al mismo tiempo los requisitos de radiación en el plano horizontal. Las principales tecnologías incluyen:

Aumente el tamaño de la antena: como en el caso de una antena parabólica, la ganancia está relacionada positivamente con la apertura. La fórmula es G (dBi) = 10L G { 4,5 × (D/λ0) ² } (D es el diámetro del paraboloide y λ0 es la longitud de onda de trabajo central). Cuanto mayor sea la ganancia.

Adoptar un conjunto de antenas, es decir, disponer una pluralidad de unidades de antena según una regla (como un conjunto vertical de cuatro elementos) para permitir que las ondas electromagnéticas se superpongan en esa misma fase en una dirección objetivo. Un único oscilador de media onda (2,15 dBi) se puede elevar a 8,15 dBi.

Aplicación de tecnologías modernas: las antenas inteligentes concentran la energía de la radiación a través de matrices y la tecnología MIMO combina múltiples antenas para optimizar la transmisión de la señal. La ganancia de ese sistema se puede mejorar indirectamente.

En ingeniería práctica, la selección de la ganancia de la antena debe considerar muchos factores, como los requisitos de cobertura, el tamaño del equipo y el entorno de instalación. Aunque una antena de alta ganancia puede ampliar la distancia de cobertura, también plantea el problema del estrechamiento del haz, que requiere una alineación precisa.

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