Grunnreglur loftneta og útbreiðslu
Loftnet og útbreiðsla eru tvö kjarnahugtök í þráðlausum samskiptakerfum. Loftnet virka sem „brú“ sem breytir rafmerkjum í rás í rafsegulbylgjur sem breiðast út í tómarúmi og öfugt. Útbreiðsla, hins vegar, skoðar hvernig þessar rafsegulbylgjur berast frá sendanda til móttakara, þar á meðal umhverfisþætti sem hafa áhrif á styrk og gæði merkis. Að skilja grunnreglur loftneta og útbreiðslu er nauðsynlegt til að hanna farsímakerfi, útvarpsútsendingar, Wi-Fi, gervihnetti, ratsjár og jafnvel samskipti í tengslum við internetið hlutanna (IoT).
1. Að skilja loftnet og virkni þeirra
Einfaldlega sagt er loftnet rafsegultæki sem sendir eða tekur á móti útvarpsbylgjum. Á sendiendanum breytir loftnetið hátíðnistraumum og spennum í rafsegulbylgjur sem berast í gegnum loftið eða annað miðil. Á móttökuendanum gerir loftnetið hið gagnstæða: það fangar rafsegulbylgjur og breytir þeim í rafmerki sem móttökutækið vinnur síðan úr.
Helstu aðgerðir loftnetsins eru meðal annars:
1. Geislun: að gefa frá sér RF orku út í tómarúm.
2. Móttaka: tekur við RF orku úr umhverfinu.
3. Stefnuáhrif: að beina orku í ákveðna átt til að auka drægni eða gæði móttökunnar.
4. Viðnámsjöfnun: hjálpar til við að flytja hámarksafl frá sendinum til loftnetsins eða frá loftnetinu til móttakarans.
2. Mikilvægar loftnetsbreytur
Afköst loftnets eru ekki aðeins ákvörðuð af efnislegu formi þess, heldur einnig af fjölda lykil tæknilegra breytna.
a. Tíðni og bylgjulengd
Loftnet virka best á ákveðnum tíðnum. Tíðnin (f) tengist bylgjulengd (λ) með eftirfarandi hætti:
λ = c/f
þar sem c er ljóshraði (um 3 × 10⁸ m/s). Margar klassískar loftnet eru smíðaðar með brotabylgjulengdum, til dæmis hálfbylgju- (λ/2) eða fjórðungsbylgju- (λ/4) loftnet, vegna þess að þær skila góðri afköstum.
b. Geislunarmynstur
Geislunarmynstrið lýsir því hvernig geislunarorka loftnets dreifist í ýmsar áttir. Það eru tvær almennar flokkanir:
– Alhliða: geislar jafnt út í lárétta fleti (dæmi: einpólaloftnet á Wi-Fi leið).
– Stefnubundið: beinir geislanum í ákveðna átt (dæmi: Yagi-loftnet, parabóluloftnet og spjaldloftnet).
Geislunarmynstrið er hægt að sjá í formi tvívíddar eða þrívíddar skýringarmyndar og er mjög gagnlegt til að ákvarða staðsetningu og stefnu loftnetsins.
c. Loftnetsstyrkur
Styrkur er mælikvarði á hversu vel loftnet einbeitir orku samanborið við viðmiðunarloftnet. Styrkur er venjulega gefinn upp í dBi (samanborið við ísótrópískt loftnet) eða dBd (samanborið við hálfbylgjutvípóla). Meiri styrkur þýðir almennt lengra svið í tiltekna átt, en kemur oft með þrengra geislahorni.
d. Bandbreidd
Bandbreidd er það tíðnisvið þar sem loftnet virkar enn vel (t.d. lágt VSWR eða gott afturfallstap). Nútímaforrit eins og LTE, 5G og Wi-Fi þurfa mikla bandbreidd til að flytja háhraða gögn.
e. Pólun
Pólun er stefna rafsviðs rafsegulbylgju. Algengar pólanir eru meðal annars:
– Línulegt lárétt/lóðrétt
– Hringlaga (RHCP/LHCP)
Pólunarjöfnun milli sendanda og móttakara er mikilvæg því ósamræmi getur valdið verulegu orkutapi.
f. Impedans og VSWR
Loftnet hafa einkennandi viðnám (oft miðað við 50 Ω). Þegar viðnám loftnetsins er ekki í samræmi við flutningslínuna endurkastast einhver orkugjafi til baka til sendisins. Þetta er mælt með VSWR (spennustöðubylgjuhlutfalli) eða endurkomutapi. Því lægri sem VSWR er, því betri er orkuflutningurinn.
3. Algengar gerðir loftneta
Sumar gerðir loftneta sem oft eru til staðar eru meðal annars:
– Tvípól: einfalt, oft notað í útvarpi.
– Einpóla/sveipu: mikið notað í farsímum og stöðvum.
– Yagi-Uda: stefnubundið, vinsælt fyrir áhugamannasjónvarp og útvarp.
– Parabólískur diskur: mikill ávinningur fyrir gervihnatta- og langlínutengingar.
– Plástur/Míkróstrip: lítil og auðveld í samþættingu, algeng í GPS tækjum og farsímum.
– Array/MIMO: samsetning margra þátta fyrir geislamyndun, mikilvægt í 5G.
Val á loftnetstegund fer eftir tíðnikröfum, magni, stærð, sendistefnu og uppsetningarumhverfi.
4. Grunnatriði útbreiðslu útvarpsbylgna
Útbreiðsla er ferlið þar sem útvarpsbylgjur berast frá sendanda til móttakara. Í reynd berast bylgjur ekki alltaf í beinni línu án truflana. Margir þættir, svo sem landslag, byggingar, veður og lofthjúpslög, geta magnað eða veikt merki.
a. Sjónlína (LOS) og ekki-LOS
– Sjónlína (LOS): Sendandi og móttakari „sjá“ hvort annað án nokkurra stórra hindrana. Þetta ástand veitir venjulega bestu gæði merkisins.
– NLOS (Non-Line of Sight): Það eru hindranir eins og byggingar, hæðir eða tré. Merkið getur samt náð til móttakarans í gegnum endurkast, dreifingu eða ljósbrot, en verður venjulega fyrir deyfingu og röskun.
b. Helsta útbreiðsluferli
1. Íhugun
Þetta gerist þegar bylgjur endurkastast af stórum flötum eins og byggingum eða jörðu. Endurkast getur hjálpað merkjum að ná til svæða sem ekki eru strax sýnilegir, en það getur einnig valdið truflunum.
2. Diffraction
Bylgjur geta „beygst“ við brúnir hluta eins og hæða eða bygginga. Bylgjubylgjur gera kleift að eiga samskipti á skuggsælum svæðum, en merkjastyrkurinn er yfirleitt minni.
3. Dreifing
Þetta gerist þegar bylgjur rekast á smáa hluti eða hrjúfa fleti eins og lauf, staura eða ójöfn yfirborð. Dreifing er oft ríkjandi við háar tíðnir og í þéttbýli.
4. Frásog
Ákveðin efni gleypa bylgjuorku, svo sem steypuveggir, vatn og mannslíkaminn. Við hærri tíðni (t.d. mmbylgjur) verður gleypni frá regni og andrúmslofti meiri.
c. Fjölslóð og fölnun
Í raunverulegum aðstæðum berast merki oft til móttakara eftir mörgum leiðum (fjölleiðum). Þessar leiðir hafa mismunandi ferðatíma og fasa og geta því styrkt eða veikt hver aðra. Þetta fyrirbæri hraðra breytinga á merkisstigi kallast fölnun. Til að bregðast við þessu nota nútímakerfi aðferðir eins og:
– Fjölbreytni (loftnetsfjölbreytni)
– MIMO
– OFDM
– Jöfnun
5. Útbreiðslutapslíkan (leiðartap)
Þegar fjarlægð eykst minnkar afl móttekins merkis. Í tómarúmi er hægt að áætla tap með því að nota Free Space Path Loss (FSPL) líkanið, sem sýnir að tap eykst með fjarlægð og tíðni. Hins vegar, í þéttbýli eða innandyra, verður líkanið flóknara vegna endurskina og hindrana.
Í reynd nota nethönnuðir blöndu af vettvangsmælingum og empirískum líkönum (t.d. Okumura-Hata, COST-231 eða innanhússlíkön) til að meta umfang.
6. Umhverfisþættir sem hafa áhrif á fjölgun
Sumir af helstu þáttunum sem hafa áhrif á útbreiðslu eru meðal annars:
– Landslag: hæðir, dalir og landslag hafa áhrif á ljósleiðni og ljósbrot.
– Þéttleiki bygginga: þéttbýli eykur fjölþætta myndun og skuggamyndun.
– Gróður: Tré taka í sig og dreifa merkjum, sérstaklega þegar þau eru blaut.
– Veður: Mikil rigning getur veikt merki á háum tíðnum, sérstaklega gervihnatta- og millimetrabylgjutengingum.
– Loftnetshæð: því hærri, því betri er LOS-þekjan, sérstaklega fyrir farsíma- og útvarpsnet.
7. Tengsl loftnets og útbreiðslu
Loftnet og útbreiðsla eru óaðskiljanleg. Loftnet með mikilli ávinningi getur aukið drægni í ákveðna átt, en ef umhverfið skapar margar endurkastanir getur mjög stefnubundið loftnet tapað merki í endurkastsleiðinni sem annars væri gagnlegt. Aftur á móti er alhliða loftnet sveigjanlegra á svæðum með fjölleiðum en hefur yfirleitt styttri drægni. Þess vegna tekur hönnun þráðlausra samskipta alltaf tillit til bæði eiginleika loftnetsins (mynstur, skautun, ávinningur) og útbreiðsluskilyrða (LOS/NLOS, fjölleiðir, hindranir).
Niðurstaða
Grunnreglur loftneta og útbreiðslu eru undirstaða allrar þráðlausrar fjarskiptatækni. Loftnet ákvarða hvernig útvarpsbylgjur berast eða taka á móti með breytum eins og geislunarmynstri, ávinningi, bandbreidd og skautun. Útbreiðsla lýsir ferðalagi bylgjunnar í gegnum krefjandi umhverfi eins og endurkast, dreifingu, dreifingu og frásog. Með því að skilja hvort tveggja getum við hannað áreiðanlegri, skilvirkari og sérsniðnari fjarskiptakerfi - allt frá einföldum heimanetum til fjarskiptainnviða á landsvísu.
Ef þú vilt get ég aðlagað þessa grein að tæknilegri útfærslu (með formúlum og útreikningsdæmum) eða hagnýtari útfærslu (með dæmum um notkun í Wi-Fi, farsímastöðvum eða gervihnattasamskiptum).
