Antena
Dari perspektif penukaran tenaga, membuka kunci kod evolusi antena
Anggaran 15 minit untuk menghabiskan bacaan
Dalam sistem yang luas komunikasi tanpa wayar, antena memainkan peranan penting. Pada asasnya, ia adalah jenis penukar tenaga yang sangat istimewa yang boleh mencapai penukaran tenaga antara gelombang berpandu dan gelombang ruang bebas. Proses penukaran ini amat penting dalam peringkat penghantaran dan penerimaan isyarat komunikasi.
Apabila dalam keadaan penghantaran isyarat, arus frekuensi tinggi dari pemancar dihantar sepanjang talian penghantaran ke antena. Pada masa ini, antena bertindak seperti ahli sihir ajaib, dengan mahir menukar tenaga dalam bentuk gelombang berpandu (arus frekuensi tinggi) kepada gelombang ruang bebas, yang biasa kita rujuk sebagai gelombang elektromagnet, dan kemudian memancarkannya ke ruang sekeliling. Contohnya, dalam komunikasi telefon mudah alih biasa, litar dalaman telefon menjana isyarat arus frekuensi tinggi, yang dihantar ke antena telefon. The antena kemudian menukar isyarat ini kepada gelombang elektromagnet dan memancarkannya, mewujudkan sambungan komunikasi dengan stesen pangkalan untuk mencapai penghantaran maklumat.
Dalam fasa penerimaan isyarat, kerja antena adalah kebalikan daripada proses di atas. Apabila gelombang elektromagnet yang merambat di angkasa mencapai antena, ia secara sensitif menangkap gelombang elektromagnet ini dan menukar tenaga yang terkandung di dalamnya kepada arus frekuensi tinggi, iaitu penukaran daripada gelombang ruang bebas kepada gelombang berpandu. Arus frekuensi tinggi ini kemudiannya dihantar melalui talian penghantaran ke penerima untuk pemprosesan isyarat dan pengekstrakan maklumat seterusnya. Sebagai contoh, antena televisyen di rumah kita boleh menerima gelombang elektromagnet yang dipancarkan oleh stesen televisyen dan menukarkannya kepada isyarat elektrik, yang dihantar ke televisyen, membolehkan kita menonton pelbagai program televisyen.
Penerokaan Awal: Prototaip Antena dan Penukaran Tenaga Permulaan
Pada abad ke-19, bidang elektromagnetisme menyaksikan kejayaan teori yang ketara. James Clerk Maxwell mencadangkan persamaan Maxwell yang terkenal, secara teori meramalkan kewujudan gelombang elektromagnet dan meletakkan asas teori yang kukuh untuk kelahiran antena. Pada tahun 1887, ahli fizik Jerman Heinrich Hertz menjalankan satu siri eksperimen perintis untuk mengesahkan ramalan Maxwell. Beliau mereka bentuk dan mengeluarkan sistem antena pertama di dunia, yang terdiri daripada dua batang logam sepanjang kira-kira 30 sentimeter, dengan hujungnya disambungkan kepada dua plat logam berukuran 40 sentimeter persegi. Gelombang elektromagnet diuja melalui nyahcas percikan antara bebola logam; antena penerima ialah antena cincin persegi logam gelung tunggal, yang menunjukkan bahawa isyarat diterima apabila percikan api muncul di antara titik akhir gelang. Eksperimen Hertz bukan sahaja berjaya mengesahkan kewujudan gelombang elektromagnet tetapi juga menandakan kelahiran rasmi antena, membuka era baharu untuk penerokaan manusia terhadap komunikasi tanpa wayar. Walaupun struktur antena Hertz adalah sangat mudah dan kecekapan penukaran tenaga agak rendah, ia mencapai penukaran tenaga awal daripada gelombang berpandu kepada gelombang angkasa lepas, membolehkan orang ramai mengalami keajaiban gelombang elektromagnet buat kali pertama secara intuitif dan mengumpul pengalaman berharga untuk pembangunan teknologi antena seterusnya.
Selepas Hertz, pencipta Itali Guglielmo Marconi membuat kemajuan yang ketara dalam penggunaan antena. Pada tahun 1901, Marconi berjaya mencapai komunikasi transoceanic menggunakan antena yang besar. Antena pemancarnya terdiri daripada 50 wayar tembaga ke bawah yang disusun dalam bentuk kipas, dengan bahagian atas disambungkan dengan garisan mendatar yang digantung di antara dua menara 150 kaki tinggi dan 200 kaki dipisahkan. Pemancar nyahcas percikan elektrik yang disambungkan antara antena dan tanah boleh dianggap sebagai antena monopole praktikal yang pertama. Percubaan komunikasi penting ini merentasi Lautan Atlantik, mencapai penghantaran isyarat jarak jauh kira-kira 2500 kilometer, menunjukkan potensi besar antena dalam komunikasi jarak jauh dan memindahkan komunikasi tanpa wayar dari makmal ke peringkat luas aplikasi praktikal. Kejayaan Marconi mencetuskan semangat global untuk penyelidikan dalam teknologi antena dan komunikasi tanpa wayar, mendorong ramai saintis dan jurutera untuk melibatkan diri dalam bidang ini dan memajukan teknologi antena secara berterusan.
Sejarah Pembangunan: Inovasi Teknologi Memacu Peningkatan Penukaran Tenaga
Selepas kerja perintis Hertz dan Marconi, teknologi antena memasuki landasan pembangunan pesat. Pada separuh pertama abad ke-20, terdapat ledakan dalam pembangunan antena wayar. Dengan pengembangan berterusan aplikasi seperti penyiaran radio dan komunikasi, pelbagai jenis wayar antena muncul, seperti antena dipole, antena gelung dan antena dawai panjang. Antena ini secara strukturnya lebih kompleks daripada antena ringkas awal, meningkatkan kecekapan penukaran tenaga dan arah sinaran isyarat dengan ketara melalui reka bentuk, saiz dan susunan antena yang teliti. Sebagai contoh, antena Yagi-Uda terdiri daripada elemen aktif, pemantul, dan berbilang pengarah, membolehkan ia menumpukan tenaga dalam satu arah, meningkatkan keuntungan antena. Berbanding dengan antena mudah awal, antena Yagi-Uda lebih cekap dalam penukaran tenaga dan penghantaran isyarat, membolehkan jarak yang lebih jauh dan komunikasi yang lebih stabil, dan telah digunakan secara meluas dalam penyiaran dan televisyen.
Dari awal 1930-an hingga akhir 1950-an, dengan penciptaan tiub gelombang pengembaraan gelombang mikro dan magnetron, teknologi gelombang mikro muncul dengan cepat, dan teknologi antena memasuki era antena apertur. Dalam tempoh ini, antena parabola dan antena pemantul telah digunakan secara meluas. Antena parabola menggunakan sifat reflektif parabola untuk menukar gelombang sfera yang dipancarkan daripada suapan kepada gelombang satah, mencapai keuntungan tinggi dan sinaran isyarat rasuk sempit, membolehkan tenaga dipancarkan dengan lebih pekat, meningkatkan jarak dan kualiti komunikasi dengan ketara, memainkan peranan penting dalam komunikasi radar dan satelit. Sementara itu, jenis antena baharu seperti antena slot pandu gelombang, antena rod dielektrik, dan heliks. antena terus muncul, masing-masing dengan kelebihan prestasi yang unik, menyesuaikan diri dengan pelbagai keperluan senario aplikasi yang berbeza.
Selepas pertengahan abad ke-20, dengan perkembangan pesat teknologi komunikasi, permintaan yang lebih tinggi diletakkan pada prestasi antena, memacu teknologi antena ke arah kepelbagaian dan kecerdasan. Antena tatasusunan mencapai bentuk rasuk dan kepelbagaian ruang dengan menyusun berbilang elemen antena dalam corak tertentu, membenarkan pelarasan fleksibel arah sinaran isyarat dan keuntungan mengikut keperluan komunikasi, meningkatkan kapasiti dan keupayaan anti-gangguan sistem komunikasi dengan berkesan. Antena tatasusunan berfasa, melalui kawalan elektronik, boleh menukar arah pancaran antena dengan cepat dan tepat, membolehkan pengesanan dan komunikasi serentak dengan pelbagai sasaran, mempamerkan kelebihan ketara dalam radar tentera dan stesen pangkalan komunikasi mudah alih. Antena pintar menggabungkan teknologi pemprosesan isyarat termaju dan algoritma penyesuaian untuk melaraskan parameter antena secara automatik seperti arah rasuk dan perolehan mengikut perubahan dalam persekitaran sekeliling dan isyarat komunikasi, mencapai kesan komunikasi yang optimum dan meningkatkan tahap kecerdasan dan penggunaan spektrum sistem komunikasi.
Kepelbagaian Moden: Penukaran Tenaga Pintar dalam Pelbagai Senario
Memasuki masyarakat moden, teknologi komunikasi telah berkembang pesat, dan senario aplikasi komunikasi tanpa wayar telah menjadi semakin kaya dan pelbagai, mendorong evolusi berterusan teknologi antena untuk memenuhi keperluan khas senario yang berbeza, menunjukkan kebijaksanaan dan inovasi yang cemerlang dalam penukaran tenaga.
Dalam era komunikasi 5G, permintaan untuk berkelajuan tinggi, kependaman rendah dan komunikasi berkapasiti besar adalah amat mendesak, menimbulkan cabaran yang belum pernah berlaku sebelum ini kepada prestasi antena. Stesen pangkalan 5G menggunakan teknologi antena Massive MIMO (Massive Multiple Input Multiple Output) secara meluas, menggunakan sejumlah besar elemen antena di stesen pangkalan untuk membentuk tatasusunan antena berskala besar, mencapai pemultipleksan ruang dan pembentukan pancaran. Teknologi ini boleh melaraskan arah sinaran dan perolehan isyarat dengan tepat mengikut lokasi pengguna dan keperluan komunikasi, menumpukan tenaga ke arah pengguna sasaran, dengan itu meningkatkan kecekapan dan liputan penghantaran isyarat, meningkatkan kapasiti dan prestasi sistem komunikasi dengan ketara. Contohnya, di kawasan bandar yang berpenduduk padat, antena Massive MIMO stesen pangkalan 5G boleh menggunakan teknologi pembentuk pancaran untuk menumpukan liputan pada pelbagai pengguna dalam bangunan bertingkat, menyelesaikan masalah sekatan dan gangguan isyarat dengan berkesan, memastikan pengguna dapat menikmati perkhidmatan rangkaian 5G berkelajuan tinggi dan stabil.
Dalam bidang komunikasi satelit, antena juga mempunyai keperluan prestasi yang ketat. Antena satelit perlu memiliki keuntungan yang tinggi, ketepatan penunjuk yang tinggi, dan keupayaan anti-gangguan yang baik untuk mencapai komunikasi yang boleh dipercayai dengan satelit. Tatasusunan berfasa antena digunakan secara meluas dalam komunikasi satelit, kerana ia boleh menukar arah pancaran dengan cepat dan fleksibel dengan mengawal fasa dan amplitud setiap elemen dalam antena tatasusunan, mencapai pengesanan dan komunikasi yang tepat dengan satelit. Antena berbilang rasuk juga merupakan teknologi utama dalam komunikasi satelit, mampu menumpukan tenaga gelombang elektromagnet dalam pelbagai arah, membentuk berbilang rasuk, dan meliputi pengguna di kawasan yang berbeza, meningkatkan kecekapan dan kapasiti komunikasi satelit. Sebagai contoh, antena berbilang rasuk dalam sistem komunikasi satelit orbit Bumi rendah boleh memperuntukkan tenaga gelombang elektromagnet secara dinamik mengikut keperluan komunikasi kawasan yang berbeza, menyediakan perkhidmatan komunikasi berkualiti tinggi kepada pengguna di lapangan.
Sistem radar, sebagai peranti pengesanan yang penting, memainkan peranan yang amat diperlukan dalam bidang ketenteraan, meteorologi, aeroangkasa dan lain-lain. Prestasi antena radar secara langsung mempengaruhi keupayaan pengesanan dan ketepatan sistem radar. Antena radar moden biasanya menggunakan teknologi tatasusunan berperingkat dan teknologi pembentuk pancaran digital. Antena tatasusunan berfasa mencapai pengimbasan pantas dan kawalan rasuk yang fleksibel melalui pengimbasan elektronik, membolehkan pengesanan dan pengesanan berbilang sasaran dalam masa yang singkat. Teknologi pembentuk pancaran digital membolehkan pembentukan dan kawalan pancaran yang lebih tepat dengan memproses isyarat secara digital daripada elemen antena, meningkatkan resolusi radar dan keupayaan anti-gangguan. Contohnya, dalam radar tentera, antena radar tatasusunan berperingkat boleh mengimbas ruang udara dengan cepat, mengesan dan menjejak sasaran udara tepat pada masanya, memberikan sokongan kuat untuk operasi pertahanan udara. Dalam radar meteorologi, teknologi pembentuk pancaran digital boleh mengesan maklumat meteorologi dalam lapisan awan dengan lebih tepat, meningkatkan ketepatan ramalan cuaca.
