I. Funções básicas das antenas
A antena de um roteador industrial 4G é essencialmente um transdutor entre ondas eletromagnéticas e sinais elétricos, realizando a dupla tarefa de recepção e transmissão de sinais. Quando o roteador precisa receber dados, a antena captura as ondas eletromagnéticas emitidas pela estação base por meio de casamento de polarização e as converte em sinais elétricos a serem transmitidos ao modem. Ao enviar dados, o processo é inverso, modulando os sinais digitais em ondas eletromagnéticas e irradiando-as para o espaço. Esse processo precisa atender a dois indicadores principais:
Correspondência de frequência: O padrão 4G LTE estipula que as bandas FDD (como B1/B3) exigem antenas de banda correspondentes, e a VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) da antena precisa ser ≤2,0 para garantir a correspondência de impedância.
Método de polarização: Antenas de polarização vertical são comumente usadas em cenários industriais, o que pode reduzir efetivamente perdas por incompatibilidade de polarização causadas por superfícies reflexivas de metal.
II. Análise aprofundada da tecnologia de antenas
Tecnologia MIMO: A Revolução da Multiplexação Espacial
A tecnologia MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) rompe o limite de Shannon por meio de técnicas de diversidade espacial. Um roteador MIMO 4×4 típico pode estabelecer quatro fluxos de dados simultaneamente, atingindo uma taxa de pico teórica de 300 Mbps em uma largura de banda de 80 MHz. Em aplicações práticas, essa tecnologia pode aumentar a taxa de transferência em áreas de cobertura de borda em 30% a 50%. Os principais elementos de implementação incluem:
Projeto de conjunto de antenas: elementos de antena com polarização cruzada são usados para obter multiplexação espacial por meio de polarização ortogonal.
Algoritmo de estimativa de canal: feedback de informações de estado do canal (CSI) baseado em símbolos piloto.
Tecnologia de pré-codificação: otimização de formação de feixe usando decomposição de valor singular (SVD).
Técnicas de Diversidade: Uma Ferramenta Poderosa Contra o Desvanecimento do Sinal
Antenas de diversidade combatem o desvanecimento multipercurso por meio de diversidade espacial, diversidade de frequência e outros métodos. Implementações típicas incluem:
Combinação de Máxima Razão (MRC): Soma ponderada de sinais de múltiplas antenas.
Seleção Combinada (SC): Seleção do ramo com a maior relação sinal-ruído.
Diversidade de equalização: Combinada com tecnologia OFDM para eliminar interferência entre símbolos.
Antenas Direcionais: Uma Solução para Cobertura Precisa
Antenas direcionais alcançam ganho em direções específicas por meio da tecnologia de formação de feixe. Antenas direcionais que utilizam microstrip patch arrays podem atingir um ganho de 6 a 18 dBi, com uma largura de feixe horizontal de 30° a 90° e uma largura de feixe vertical de 7° a 15°. São adequadas para comunicação ponto a ponto ou cenários de cobertura direcional.
III. Aplicações de configuração de antena baseadas em cenários
Aumento da cobertura em áreas de cobertura fraca
Em cenários como estacionamentos subterrâneos e túneis, é recomendado:
Utilize antenas direcionais externas de alto ganho (acima de 12dBi).
Implante nós de retransmissão para estender a cobertura.
Habilite MIMO 2×2 para aumentar a diversidade de recepção.
Cenários móveis de alta velocidade
Em cenários como trens de alta velocidade e drones, é preciso considerar o seguinte:
Desempenho de comutação de antena (Handover).
Compensação de mudança de frequência Doppler.
Tecnologia de rastreamento de feixe dinâmico.
Implantação da Internet Industrial das Coisas
Para cenários de automação de fábrica, é recomendado:
Use antenas omnidirecionais para cobertura de 360°.
Configure antenas redundantes para melhorar a confiabilidade.
Implementar cascata de antenas (Cascade) para ampliar o alcance da cobertura.
IV. Direções da evolução da tecnologia
Integração de antena de onda milimétrica
À medida que o 5G Sub-6G transita para ondas milimétricas, a tecnologia de antenas de matriz faseada será introduzida em roteadores industriais 4G. Uma matriz faseada de 128 elementos pode atingir um alcance de varredura de ±60°, com tempo de comutação do feixe< 1μs.
Sistemas de Antenas Inteligentes
Combinado com algoritmos de IA para alcançar:
Previsão do estado do canal em tempo real.
Formação de feixe adaptável.
Alinhamento e cancelamento de interferência.
Antenas Metasurface
Utilizando as características das metassuperfícies para alcançar:
Antenas flexíveis ultrafinas (espessura< 1 mm).
Cobertura multibanda de banda larga.
Design de antena invisível.
V. Sugestões Práticas
Princípios de seleção de antenas
Correspondência de banda de frequência: escolha antenas que suportem a banda de frequência da operadora de destino.
Seleção de ganho: Escolha um ganho de 6 a 18 dBi de acordo com a faixa de cobertura.
Método de polarização: a polarização vertical é adequada para a maioria dos cenários.
Padrões de instalação
Requisito de altura: Recomenda-se instalar a antena a uma altura> 3m.
Distância de isolamento: Os sistemas multi-antena precisam manter um espaçamento de> λ/2.
À prova d’água e de poeira: classificação de proteção IP67 para lidar com ambientes adversos.
Teste de desempenho
Teste de ROE: Garanta ROE< 2.0.
Teste de intensidade de campo: verifique se a intensidade do campo de cobertura da borda é> – 100dBm.
Teste de taxa de transferência: use a ferramenta Iperf3 para testar a taxa real.
