《WLAN天线讲座》PPT课件.ppt

《《WLAN天线讲座》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《WLAN天线讲座》PPT课件.ppt（49页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、推进无线局域网 创造无线价值 ZCOM无线网络,产品经理部张正廉0254661323,WLAN天线讲座,主讲人产品经理部张正廉,大纲,天线的基本知识天线的分类WLAN天线选择天线和距离的关系影响传输的其他因素,天线 1.1 天线的作用与地位 无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。对于众多品种的天线，进

2、行适当的分类是必要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。,天线的基本知识,*电磁波的辐射 导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如 图1.1 a 所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，如 图1.1 b 所示，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。必须指出，当导线的长度 L 远小于波长 时，辐射很微弱；导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电

3、流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。,天线的基本知识,图1.1 a,图1.1 b,1.2 天线方向性的讨论 天线方向性 发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图（图1.2.1 a）。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图1.2.1 b 与图1.2.1 c 给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图1.2.1 b 可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图1.2.1 c 可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。,

4、天线的基本知识,图1.2.1 c 水平面方向图,图1.2.1 b 垂直面方向图,图1.2.1 a 立体方向图,天线的基本知识,天线方向性增强 若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈”，把信号进一步集中到在水平面方向上。下图是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图。,垂直面方向图,立体方向图,也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向 平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用-反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。,天线的基本知识,全向阵（垂直阵列 不带平面反射板）,抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光

5、学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：抛物反射面 和 放置在抛物面焦点上的辐射源。,扇形区覆盖（垂直阵列 带平面反射板）,平面反射板,天线的基本知识,增益 增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益的物理含义-为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为 G=13

6、 dB=20 的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需 100/20=5W.换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。,1.2.4 波瓣宽度 方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。参见图1.2.4 a,在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称 波束宽度 或 主瓣宽度 或 半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。还有一种波瓣宽度，即 10dB波瓣宽度，顾名思义它是方向图中辐射强度降低 10dB（功率密度降

7、至十分之一）的两个点间的夹角，见图1.2.4 b.,3dB 波瓣宽度,-3dB点,-3dB点,10dB 波瓣宽度,-10dB点,-10dB点,峰值方向（最大辐射方向）,图1.2.4 a,图1.2.4 b,峰值方向（最大辐射方向）,天线的基本知识,1.2.5 前后比 方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为 F/B。前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。前后比F/B 的计算十分简单-F/B=10 Lg（前向功率密度）/（后向功率密度）对天线的前后比F/B 有要求时，其典型值为（18 30）dB，特殊情况下则要求达（35 40）dB.,1.2.6 天线增益的若干近似计算式 1）天线主瓣宽度越

8、窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益：G（dBi）=10 Lg 32000/（23dB,E 23dB,H）式中，23dB,E 与 23dB,H 分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度；32000 是统计出来的经验数据。2）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：G（dB i）=10 Lg 4.5（D/0）2 式中，D 为抛物面直径；0 为中心工作波长；4.5 是统计出来的经验数据。3）对于直立全向天线，有近似计算式 G（dBi）=10 Lg 2 L/0 式中，L 为天线长度；0 为中心工作波长；,天线的基本知识,1.2.7 上旁瓣抑制 对于基站天线，人们常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向

9、图中，主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些。这就是所谓的上旁瓣抑制。基站的服务对象是地面上的移动电话用户，指向天空的辐射是毫无意义的。,天线的基本知识,1.2.8 天线的下倾 为使主波瓣指向地面，安置时需要将天线适度下倾。,垂直极化,1.3 天线的极化 天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化-是最常用的；水平极化-也是要被用到的。,天线的基本知识,水平极化,垂直极化,1.3.1 双极化天线 下图示出了另两种单极化的情况：+45 极化 与-45 极化，它们仅仅在特殊场合下使用。这样，共有

10、四种单极化了，见下图。把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，或者，把+45 极化和-45 极化两种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的天线-双极化天线。,天线的基本知识,水平极化,+45 极化,-45 极化,下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双极化天线有两个接头。双极化天线辐射（或接收）两个极化在空间相互正交（垂直）的波。,天线的基本知识,V/H（垂直/水平）型 双 极 化,+45/-45 型 双 极 化,1.3.2 极化损失 垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接

11、收，而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。例如：当用+45 极化天线接收垂直极化或水平极化波时，或者，当用垂直极化天线接收+45 极化或-45极化波时，等等情况下，都要产生极化损失。用圆极化天线接收任一线极化波，或者，用线极化天线接收任一圆极化波，等等情况下，也必然发生极化损失-只能接收到来波的一半能量。当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为

12、最大，称极化完全隔离。,天线的基本知识,1.3.3 极化隔离 理想的极化完全隔离是没有的。馈送到一种极化的天线中去的信号多少总会有那么一点点在另外一种极化的天线中出现。例如下图所示的双极化天线中，设输入垂直极化天线的功率为10W，结果在水平极化天线的输出端测得的输出功率为 10mW。,天线的基本知识,垂直极化，10 W,水平极化，10 mW,在这种情况下的极化隔离为 X=10 Lg(10,000 mW/10 mW)=30（dB）,1.4 天线的输入阻抗 Zin 定义：天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗具有电阻分量 Rin 和电抗分量 Xin，即 Zin=Rin+j

13、Xin。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，半波对称振子是最重要的基本天线，其输入阻抗为 Zin=73.142.5(欧)。当把其长度缩短（）时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，此时的输入阻抗为 Zin=73.1(欧),（标称 75 欧）。注意，严格的说，纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言的。顺便指出，半波折合振子的输入阻抗为半波对称振子的四倍，即 Zin=280(欧),

14、（标称300欧）。有趣的是，对于任一天线，人们总可通过天线阻抗调试，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近 50 欧，从而使得天线的输入阻抗为Zin=Rin=50 欧-这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。,天线的基本知识,1.5 天线的工作频率范围（频带宽度）无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义-一种是指：在驻波比SWR 1.5 条件下，天线的工作频带宽度；一种是指：天线增益下降 3 分贝范围内的频带宽度。在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR 不超过

15、 1.5 时，天线的工作频率范围。一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上,天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。,天线的基本知识,1.6 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max，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min，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（L0）R 入射波幅度（L0）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

16、腹电压幅度max（1+R）VSWR 波节电压辐度min（1-R）终端负载阻抗L 和特性阻抗0 越接近，反射系数 R 越小，驻波比VSWR 越接近于，匹配也就越好。,天线的基本知识,1.7 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。1.7.1 传输线的种类

17、 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。,天线的基本知识,1.7.2 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0 表示。同轴电缆的特性阻

18、抗的计算公式为。60/rLog(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；r为导体间绝缘介质的相对介电常数。通常0=50 欧，也有0=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r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。,天线的基本知识,3.3 匹配概念 什么叫匹配？简单地说，馈线终端所接负载阻抗L 等于馈线特性阻抗0 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

19、 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。,天线的基本知识,天 线,1.8 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

20、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。,天线的基本知识,朝前 10W,返回 0.4W,这里的反射损耗为 10Lg(10/0.4)=14dB,辐射 9.6 W,例如，在右图中，由于天线与馈线的阻抗不同，一个为75 ohms，一个为50 ohms，阻抗不匹配，其结果是,大纲,天线的基本知识天线的分类WLAN天线选择天线和距离的关系影响传输的其他因素,天线的分类（按辐射方向分）定向天线：覆盖范围小但距离远，适用于远程点对点连接。,全向天线：覆盖范围大但距离较近，适用于无线覆盖。,天线的基本知识,2

21、WLAN常用的天线 2.1 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WLAN Inter-building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2.4GHz频段，其增益即可达 G=24 dBi.它特别适用于点对点的通信.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。,2.4G ZA-A124,实例分析,5G ZA-A5130,实例分析,定向天线方向图1：（24dBi

22、切割抛物面栅格天线2.4GHz）,实例,2.2 板状天线,天线的基本知识,在WLAN Inter-Building中，板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的天线。这种天线的优点是：增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能 可靠以及使用寿命长。板状天线也常常被用作为直放站的用户天线，根据作用扇形区的范围大小，应选择相应的天线型号。,定向天线方向图2：（18dBi平板天线2.4GHz）,实例,天线的基本知识,2.3 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.八木定向天线的单元数越多，其增益越高，通常采用

23、6 12 单元的八木定向天线，其增益可达 1015 dB。,全向天线方向图1：（杆状、车载天线2.4GHz）,实例,天线的基本知识,2.4 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

24、 G=2 dB。,全向天线方向图：（吸顶天线2.4GHz）,实例,天线的基本知识,2.5 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吸顶天线，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 dB。,大纲,天线的基本知识天线的分类WLAN天线选择天线和距离的关系影响传输的其他因素,天线的选择,频率范围 应用的前提辐射方向 P2P o

25、r PXP波瓣宽度 有效传输范围 天线增益-传输的范围和距离极化方向 系统效率驻波比 系统效率额定风速 系统安装,天线的选择,全向天线适用于各桥接点距离较近、分布角度范围大且数量较多的情况。碟形天线属于全向天线的一种，无波速角度，适用情况同全向天线。扇形天线此类型天线具有能量定向和汇聚功能，可以有效地进行水平180度、120度、90度范围内的 覆盖，当桥接点在某一角度内较集中的情况下，可选用此类型天线。平板天线平板天线的波速角度可分为30度和15度，能量汇聚能力强，适用在远程连接点相对集中且 数量较少的环境下。弧形网格天线是定向天线中能量汇聚能力最强，信号方向指向性最好的一种类型的天线，当桥接

26、点 位置固定切数量少而集中的项目中，此类型天线是最佳选择。YaGi天线有多种型号的覆盖角度可供选择，可以视不同情况而定。,大纲,天线的基本知识天线的分类WLAN天线选择天线和距离的关系影响传输的其他因素,3 电波传播的几个基本概念 目前802.11b,802.11g和802.11a使用的频段为：802.11b：2412MHz 2483MHz 802.11g:2412MHz 2483MHz 802.11a:5150MHz 5250MHz 5250MHz 5350MHz 5725MHz 5825MHz 大于1000 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

27、，甚至很不相同。,天线的基本知识,天线的基本知识,2.1 自由空间损耗和通信距离方程 2.1.1 自由空间损耗对照表：以XI-325和XI-1500V为例，发射功率为PT=15dBm，接收灵敏度83dBm。假设电波在无环境干扰时，中间有一层砖墙隔断，收、发天线间距离为10m，传播途中的电波损耗 L0=60dB20dB 20dB98dBm#顺便指出，2.4GHz电波在穿透一层砖墙时，大约损失(1520)dB.,天线的基本知识,2.1.2 自由空间通信距离方程,Transmitter,Receiver,Transmitted signal Pt,Received signal Pr,R,Free

28、space loss FL,Gain Gt,Gain Gr,Cable loss andconnector loss Ct,Cable loss andconnector loss Cr,Pr(dBm)=Pt(dBm)-Ct(dB)+Gt(dB)-FL(dB)-Ls+Gr(dB)-Cr(dB),where FL(dB)=20 log R(km)+20 log f(GHz)+92.44Ls：系统损耗（空气、环境）,1.52dB/Km,Link Budget Equation:,举例:XI-1500-I的工作频段：2.4GHz.,RF输出功率：13dBm,接收灵敏度：83dBm.线缆损耗：2dB,

29、双方天线增益：24dBi,Pr(dBm)=13(dBm)2(dB)+24(dB)-FL(dB)-Ls+24(dB)2(dB)-83(dBm)FL=20 log R(Km)+20 log 2.4(GHz)+92.44 Ls20dB,R 15(km),大纲,天线的基本知识天线的分类WLAN天线选择天线和距离的关系影响传输的其他因素,毫米波层的电波传输易受气候影响。降雨对毫米波影响大，如在2GHz，当降雨强度 为5mm/h时，吸收损耗为1.5dB/km；降雨强度为100mm/h时，则可达15dB/km。当传送距离为1 0km，降雨时损耗可达150dB，再加上自由空间传输损耗，甚至可能中断通信。,气候的影响,