I. Основные функции антенн
Антенна промышленного маршрутизатора 4G по сути является преобразователем между электромагнитными волнами и электрическими сигналами, выполняя двойную задачу приема и передачи сигнала. Когда маршрутизатору необходимо получить данные, антенна улавливает электромагнитные волны, излучаемые базовой станцией, посредством согласования поляризации и преобразует их в электрические сигналы для передачи на модем. При отправке данных процесс происходит в обратном порядке, модулируя цифровые сигналы в электромагнитные волны и излучая их в пространство. Этот процесс должен соответствовать двум основным показателям:
Согласование частот: стандарт 4G LTE предусматривает, что для диапазонов FDD (таких как B1/B3) требуются соответствующие диапазонные антенны, а КСВН антенны (коэффициент стоячей волны по напряжению) должен быть ≤2,0 для обеспечения согласования импеданса.
Метод поляризации: Антенны с вертикальной поляризацией обычно используются в промышленных условиях, поскольку они могут эффективно снижать потери из-за рассогласования поляризации, вызванные металлическими отражающими поверхностями.
II. Углубленный анализ антенных технологий
Технология MIMO: революция пространственного мультиплексирования
Технология Multiple-In Multiple-Output (MIMO) преодолевает предел Шеннона с помощью методов пространственного разнесения. Типичный маршрутизатор MIMO 4×4 может устанавливать четыре потока данных одновременно, достигая теоретической пиковой скорости 300 Мбит/с при полосе пропускания 80 МГц. В практических приложениях эта технология может увеличить пропускную способность в зонах покрытия периметра на 30% — 50%. Ключевые элементы реализации включают в себя:
Конструкция антенной решетки: Кросс-поляризованные элементы антенны используются для достижения пространственного мультиплексирования посредством ортогональной поляризации.
Алгоритм оценки канала: обратная связь с информацией о состоянии канала (CSI) на основе пилотных символов.
Технология предварительного кодирования: оптимизация формирования луча с использованием сингулярного разложения (SVD).
Методы разнообразия: мощный инструмент против затухания сигнала
Разнесенные антенны борются с многолучевым замиранием с помощью пространственного разнесения, частотного разнесения и других методов. Типичные реализации включают:
Максимальное коэффициентное сложение (MRC): взвешенное суммирование сигналов с нескольких антенн.
Объединение выбора (SC): выбор ветви с наибольшим отношением сигнал/шум.
Разнесение выравнивания: Сочетание с технологией OFDM для устранения межсимвольных помех.
Направленные антенны: решение для точного покрытия
Направленные антенны достигают усиления в определенных направлениях с помощью технологии формирования луча. Направленные антенны, использующие микрополосковые патч-решетки, могут достигать усиления 6 — 18 дБи с горизонтальной шириной луча 30° — 90° и вертикальной шириной луча 7° — 15°. Они подходят для сценариев связи точка-точка или направленного покрытия.
III. Приложения для настройки антенн на основе сценариев
Улучшение покрытия в зонах со слабым покрытием
В таких ситуациях, как подземные парковки и туннели, рекомендуется:
Используйте внешние направленные антенны с высоким коэффициентом усиления (выше 12 дБи).
Разверните ретрансляционные узлы для расширения покрытия.
Включите MIMO 2×2 для улучшения разнесения приема.
Высокоскоростные мобильные сценарии
В таких сценариях, как высокоскоростные железные дороги и беспилотники, необходимо учитывать следующее:
Эффективность переключения антенн (передача обслуживания).
Компенсация сдвига частоты Доплера.
Технология динамического отслеживания луча.
Развертывание промышленного Интернета вещей
Для сценариев автоматизации производства рекомендуется:
Используйте всенаправленные антенны для покрытия на 360°.
Настройте резервные антенны для повышения надежности.
Реализуйте каскадное подключение антенн (каскад) для расширения зоны покрытия.
IV. Направления развития технологий
Интеграция антенн миллиметрового диапазона
Поскольку 5G Sub — 6G переходит на миллиметровые волны, технология фазированной антенной решетки будет внедрена в промышленные маршрутизаторы 4G. Фазированная решетка из 128 элементов может достигать диапазона сканирования ±60° со временем переключения луча <1 мкс.
Интеллектуальные антенные системы
В сочетании с алгоритмами ИИ для достижения:
Прогнозирование состояния канала в реальном времени.
Адаптивное формирование луча.
Выравнивание и подавление помех.
Антенны Metasurface
Использование характеристик метаповерхностей для достижения:
Сверхтонкие гибкие антенны (толщина <1 мм).
Широкополосное многодиапазонное покрытие.
Невидимая конструкция антенны.
V. Практические предложения
Принципы выбора антенны
Соответствие частотному диапазону: выбирайте антенны, которые поддерживают частотный диапазон целевого оператора.
Выбор усиления: выберите усиление 6–18 дБи в зависимости от диапазона покрытия.
Метод поляризации: вертикальная поляризация подходит для большинства сценариев.
Стандарты установки
Требование к высоте: рекомендуется устанавливать антенну на высоте> 3 м.
Расстояние изоляции: в многоантенных системах необходимо поддерживать расстояние> λ/2.
Водонепроницаемость и пыленепроницаемость: класс защиты IP67 позволяет работать в суровых условиях.
Тестирование производительности
Тестирование КСВН: убедитесь, что КСВН < 2,0.
Тестирование напряженности поля: убедитесь, что напряженность поля на краю покрытия составляет >- 100 дБм.
Тестирование пропускной способности: используйте инструмент Iperf3 для тестирования фактической скорости.
