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无线网络WiFi天线原理

2015-09-22
关键词: WiFi 天线

1.7.2 高增益栅状抛物面天线

  从性能价格比出发,人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线。由于抛物面具有良好的聚焦作用,所以抛物面天线集射能力强,直径为 1.5 m 的栅状抛物面天线,在900兆频段,其增益即可达 G = 20dBi。它特别适用于点对点的通信,例如它常常被选用为直放站的施主天线。

  抛物面采用栅状结构,一是为了减轻天线的重量,二是为了减少风的阻力。

  抛物面天线一般都能给出 不低于 30 dB 的前后比 ,这也正是直放站系统防自激而对接收天线所提出的必须满足的技术指标。

  1.7.3 八木定向天线

  八木定向天线,具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。因此,它特别适用于点对点的通信,例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型。

  八木定向天线的单元数越多,其增益越高,通常采用 6 - 12 单元的八木定向天线,其增益可达 10-15dBi。

  1.7.4 室内吸顶天线

  室内吸顶天线必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。

  现今市场上见到的室内吸顶天线,外形花色很多,但其内芯的购造几乎都是一样的。这种吸顶天线的内部结构,虽然尺寸很小,但由于是在天线宽带理论的基础上,借助计算机的辅助设计,以及使用网络分析仪进行调试,所以能很好地满足在非常宽的工作频带内的驻波比要求,按照国家标准,在很宽的频带内工作的天线其驻波比指标为VSWR ≤ 2 。当然,能达到VSWR ≤ 1.5 更好。顺便指出,室内吸顶天线属于低增益天线, 一般为G = 2 dBi。

  1.7.5 室内壁挂天线

  室内壁挂天线同样必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。

  现今市场上见到的室内壁挂天线,外形花色很多,但其内芯的购造几乎也都是一样的。这种壁挂天线的内部结构,属于空气介质型微带天线。由于采用了展宽天线频宽的辅助结构,借助计算机的辅助设计,以及使用网络分析仪进行调试,所以能较好地满足了工作宽频带的要求。顺便指出,室内壁挂天线具有一定的增益,约为G = 7 dBi。

  2 电波传播的几个基本概念

  目前GSM和CDMA移动通信使用的频段为:

  GSM:890 - 960 MHz, 1710 - 1880 MHz

  CDMA: 806 - 896 MHz

  806 - 960 MHz 频率范围属超短波范围;1710 ~1880 MHz 频率范围属微波范围。

  电波的频率不同,或者说波长不同,其传播特点也不完全相同,甚至很不相同。

  2.1 自由空间通信距离方程

  设发射功率为PT,发射天线增益为GT,工作频率为f . 接收功率为PR,接收天线增益为GR,收、发天线间距离为R,那么电波在无环境干扰时,传播途中的电波损耗 L0 有以下表达式:

  L0 (dB) = 10 Lg( PT / PR )

  = 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB)

  [ 举例] 设:PT = 10 W = 40dBmw ;GR = GT = 7 (dBi) ; f = 1910MHz

  问:R = 500 m 时, PR = ?

  解答: (1) L0 (dB) 的计算

  L0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB)

  = 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 (dB)

  (2)PR 的计算

  PR = PT / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.807 ) = 1 ( μW ) / ( 10 0.807 )

  = 1 ( μW ) / 6.412 = 0.156 ( μW ) = 156 ( mμW )

  顺便指出,1.9GHz电波在穿透一层砖墙时,大约损失 (10~15) dB

  2.2 超短波和微波的传播视距

  2.2.1 极限直视距离

  超短波特别是微波,频率很高,波长很短,它的地表面波衰减很快,因此不能依靠地表面波作较远距离的传播。超短波特别是微波,主要是由空间波来传播的。简单地说,空间波是在空间范围内沿直线方向传播的波。显然,由于地球的曲率使空间波传播存在一个极限直视距离Rmax 。在最远直视距离之内的区域,习惯上称为照明区;极限直视距离Rmax以外的区域,则称为阴影区。不言而语,利用超短波、微波进行通信时,接收点应落在发射天线极限直视距离Rmax内。 受地球曲率半径的影响,极限直视距离Rmax 和发射天线与接收天线的高度HT 与 HR间的关系 为 : Rmax = 3.57{ √HT (m) +√HR (m) } (km)

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考虑到大气层对电波的折射作用,极限直视距离应修正为

  Rmax = 4.12 { √HT (m) +√HR (m) } (km)

  由于电磁波的频率远低于光波的频率,电波传播的有效直视距离 Re 约为 极限直视距离Rmax 的 70% ,即 Re = 0.7 Rmax .

  例如,HT 与 HR 分别为 49 m 和 1.7 m,则有效直视距离为 Re = 24 km。

  2.3 电波在平面地上的传播特征

  由发射天线直接射到接收点的电波称为直射波;发射天线发出的指向地面的电波,被地面反射而到达接收点的电波称为反射波。显然,接收点的信号应该是直射波和反射波的合成。电波的合成不会象 1 + 1 = 2 那样简单地代数相加,合成结果会随着直射波和反射波间的波程差的不同而不同。波程差为半个波长的奇数倍时,直射波和反射波信号相加,合成为最大;波程差为一个波长的倍数时,直射波和反射波信号相减,合成为最小。可见,地面反射的存在,使得信号强度的空间分布变得相当复杂。

  实际测量指出:在一定的距离 Ri之内,信号强度随距离或天线高度的增加都会作起伏变化;在一定的距离 Ri之外,随距离的增加或天线高度的减少,信号强度将。单调下降。理论计算给出了这个 Ri 和天线高度 HT与 HR 的关系式:

  Ri = (4 HT HR )/ l , l 是波长。

  不言而喻,Ri 必须小于极限直视距离Rmax。

  2.4 电波的多径传播

  在超短波、微波波段,电波在传播过程中还会遇到障碍物(例如楼房、高大建筑物或山丘等)对电波产生反射。因此,到达接收天线的还有多种反射波(广义地说,地面反射波也应包括在内),这种现象叫为多径传播。

  由于多径传输,使得信号场强的空间分布变得相当复杂,波动很大,有的地方信号场强增强,有的地方信号场强减弱;也由于多径传输的影响,还会使电波的极化方向发生变化。另外,不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如:钢筋水泥建筑物对超短波、微波的反射能力比砖墙强。我们应尽量克服多径传输效应的负面影响,这也正是在通信质量要求较高的通信网中,人们常常采用空间分集技术或极化分集技术的缘由。

  2.5 电波的绕射传播

  在传播途径中遇到大障碍物时,电波会绕过障碍物向前传播,这种现象叫做电波的绕射。超短波、微波的频率较高,波长短,绕射能力弱,在高大建筑物后面信号强度小,形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度,不仅和建筑物的高度有关,和接收天线与建筑物之间的距离有关,还和频率有关。例如有一个建筑物,其高度为 10 米,在建筑物后面距离200 米处,接收的信号质量几乎不受影响,但在 100 米处,接收信号场强比无建筑物时明显减弱。注意,诚如上面所说过的那样,减弱程度还与信号频率有关,对于 216 ~ 223 兆赫的射频信号,接收信号场强比无建筑物时低16 dB,对于 670 兆赫的射频信号,接收信号场强比无建筑物时低20dB .如果建筑物高度增加到 50 米时,则在距建筑物 1000 米以内,接收信号的场强都将受到影响而减弱。也就是说,频率越高、建筑物越高、接收天线与建筑物越近,信号强度与通信质量受影响程度越大;相反,频率越低,建筑物越矮、接收天线与建筑物越远,影响越小。

  因此,选择基站场地以及架设天线时,一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响,注意到对绕射传播起影响的各种因素。

  3 传输线的几个基本概念

  连接天线和发射机输出端(或接收机输入端)的电缆称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量,因此,它应能将发射机发出的信号功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端,或将天线接收到的信号以最小的损耗传送到接收机输入端,同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号,这样,就要求传输线必须屏蔽。

  顺便指出,当传输线的物理长度等于或大于所传送信号的波长时,传输线又叫做长线。

  3.1 传输线的种类

  超短波段的传输线一般有两种:平行双线传输线和同轴电缆传输线;微波波段的传输线有同轴电缆传输线、波导和微带。平行双线传输线由两根平行的导线组成它是对称式或平衡式的传输线,这种馈线损耗大,不能用于UHF频段。同轴电缆传输线的两根导线分别为芯线和屏蔽铜网,因铜网接地,两根导体对地不对称,因此叫做不对称式或不平衡式传输线。同轴电缆工作频率范围宽,损耗小,对静电耦合有一定的屏蔽作用,但对磁场的干扰却无能为力。使用时切忌与有强电流的线路并行走向,也不能靠近低频信号线路。

  3.2 传输线的特性阻抗

  无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗,用Z0 表示。同轴电缆的特性阻抗的计算公式为

  Z。=〔60/√εr〕×Log ( D/d ) [ 欧]。

  式中,D 为同轴电缆外导体铜网内径; d 为同轴电缆芯线外径;

  εr为导体间绝缘介质的相对介电常数。

  通常Z0 = 50 欧 ,也有Z0 = 75 欧的。

  由上式不难看出,馈线特性阻抗只与导体直径D和d以及导体间介质的介电常数εr有关,而与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗无关。

  3.3 馈线的衰减系数

  信号在馈线里传输,除有导体的电阻性损耗外,还有绝缘材料的介质损耗。这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。因此,应合理布局尽量缩短馈线长度。

  单位长度产生的损耗的大小用衰减系数 β 表示,其单位为 dB / m (分贝/米),电缆技术说明书上的单位大都用 dB / 100 m(分贝/百米) .

  设输入到馈线的功率为P1 ,从长度为 L(m )的馈线输出的功率为P2 ,传输损耗TL可表示为:

  TL = 10 ×Lg ( P1 /P2 ) ( dB )

  衰减系数为

  β = TL / L ( dB / m )

  例如, NOKIA 7 / 8英寸低耗电缆, 900MHz 时衰减系数为 β= 4.1 dB / 100 m ,也可写成 β=3 dB / 73 m , 也就是说, 频率为 900MHz 的信号功率,每经过 73 m 长的这种电缆时,功率要少一半。

  而普通的非低耗电缆,例如, SYV-9-50-1, 900MHz 时衰减系数为 β = 20.1 dB / 100 m ,也可写成β=3dB / 15 m ,也就是说, 频率为 900MHz 的信号功率,每经过15 m 长的这种电缆时,功率就要少一半!

  3.4 匹配概念

  什么叫匹配?简单地说,馈线终端所接负载阻抗ZL 等于馈线特性阻抗Z0 时,称为馈线终端是匹配连接的。匹配时,馈线上只存在传向终端负载的入射波,而没有由终端负载产生的反射波,因此,当天线作为终端负载时,匹配能保证天线取得全部信号功率。如下图所示,当天线阻抗为 50 欧时,与50 欧的电缆是匹配的,而当天线阻抗为 80 欧时,与50欧的电缆是不匹配的。

  如果天线振子直径较粗,天线输入阻抗随频率的变化较小,容易和馈线保持匹配,这时天线的工作频率范围就较宽。反之,则较窄。

  在实际工作中,天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响。为了使馈线与天线良好匹配,在架设天线时还需要通过测量,适当地调整天线的局部结构,或加装匹配装置。


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3.5 反射损耗

  前面已指出,当馈线和天线匹配时,馈线上没有反射波,只有入射波,即馈线上传输的只是向天线方向行进的波。这时,馈线上各处的电压幅度与电流幅度都相等,馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。

  而当天线和馈线不匹配时,也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时,负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量,而不能全部吸收,未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波。

  例如,在右图中,由于天线与馈线的阻抗不同,一个为75欧姆,一个为50欧姆,阻抗不匹配,其结果是

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3.6 电压驻波比

  在不匹配的情况下, 馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方,电压振幅相加为最大电压振幅Vmax ,形成波腹;而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin ,形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。

  反射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系数,记为 R

  反射波幅度 (ZL-Z0)

  R =───── = ───────

  入射波幅度 (ZL+Z0 )

  波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数,也叫电压驻波比,记为VSWR

  波腹电压幅度Vmax (1 + R)

  VSWR = ────────────── = ────

  波节电压辐度Vmin (1 - R)

  终端负载阻抗ZL 和特性阻抗Z0 越接近,反射系数 R 越小,驻波比VSWR 越接近于1,匹配也就越好。

  3.7 平衡装置

  信号源或负载或传输线,根据它们对地的关系,都可以分成平衡和不平衡两类。

  若信号源两端与地之间的电压大小相等、极性相反,就称为平衡信号源,否则称为不平衡信号源;若负载两端与地之间的电压大小相等、极性相反,就称为平衡负载,否则称为不平衡负载;若传输线两导体与地之间阻抗相同,则称为平衡传输线,否则为不平衡传输线。

  在不平衡信号源与不平衡负载之间应当用同轴电缆连接,在平衡信号源与平衡负载之间应当用平行双线传输线连接,这样才能有效地传输信号功率,否则它们的平衡性或不平衡性将遭到破坏而不能正常工作。如果要用不平衡传输线与平衡负载相连接,通常的办法是在粮者之间加装“平衡-不平衡”的转换装置,一般称为平衡变换器 。

  3.7.1 二分之一波长平衡变换器

  又称“U”形管平衡变换器,它用于不平衡馈线同轴电缆与平衡负载半波对称振子之间的连接。 “U”形管平衡变换器还有 1:4 的阻抗变换作用。移动通信系统采用的同轴电缆特性阻抗通常为50欧,所以在YAGI天线中,采用了折合半波振子,使其阻抗调整到200欧左右,实现最终与主馈线50欧同轴电缆的阻抗匹配。

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3.7.2 四分之一波长平衡-不平衡器

  利用四分之一波长短路传输线终端为高频开路的性质实现天线平衡输入端口与同轴馈线不平衡输出端口之间的平衡-不平衡变换。


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