2.4GHz/5.8GHzWiFi天线基础知识

2016-09-29 by:CAE仿真在线来源:互联网

若你发现新购买的 2.4GHz 或 5.8GHz 设备没有提供你心目中预料的无线覆盖能力,这不一定表示设备有问题,或你放置的设备位置不对,超过九成的原因是你没有为设备配上合适的天线;即使你的 WiFi 客户端能通过你家中的无线路由器上网,你有没有检查过实际的无线信号强度,如果信噪比 (SNR) 过低,无线传输速度便不能达到 54Mbps 或更高速度,当然无线干扰等亦会影响传输速度,但连基本的无线信号也搞不好,便不要期望能高速上网。那么我们应选购那一类型的天线? 这不是三言两语可以解释清楚,选用合适天线其实是一门学问,我们必须从了解天线的基础常识开始,下面的文章会介绍天线的原理及一些天线参数,相信能协助你选择及安装合适的天线,从而加强无线系统的有效覆盖面及表现。

天线是一个无源体,即不需要提供电力或其它能源,它亦非功率放大器,不会把输入的无线信号放大,相反由于馈线及接头带来的信号衰减,发放的无线能量会比输入到天线接点的能量为少,其实天线只是担当一个方向性放大器的角色,使收发能量集中于空间的某个特定区域,改变能量的发放区域到需要的地方是天线的唯一目的,若把能量发放到一些没有无线设备的地方,或者把能量过度发放到某一个区域都是浪费,根据能量不变定律,把发放到一个方向能量加强即把其它区域的能量减少。

增益

增益是一个通用的天线特性表示方法,它是指相对于以下两种理想标准收发模式在某一个区域的强度增益,理想标准收发模式一是以辐射体的能量从一个 isotropic 天线发出 ( 如下图 ),它是一个等方性辐射体,在空间中的任何方向放射出,所有方向都是 0dB,根据此标准作为参考计算出来的增益单位为 dBi,另一种理想标准收发模是基于一个自由空间半波长双极子放射出来的能量作为参考,计算出来的益单位为 dBd,很明显后者的辐射体相对于前者的辐射体已存在增益,计算所得为 2.16,即 1 dBd = 2.16 dBi ,现时大多天线都采用 dBi 为计算单位, 2.4GHz 或 5.8GHz 的典型增益由 2 dBi 到 26 dBi。

辐射方向图

增益只能作为选择天线一个参考,它只能显示能量最强方向的增益,并没有提供任何能量的分布情况,辐射方向图便能精确显示能量在自由空间的分布情况,常用的为水平辐射分布图 ( horizontal / azimuth sweep plane ) 及垂直辐射分布图 ( vertical / elevation sweep plane ) 两种,右图为某公司出产 8dB 全向增益天线 OP2408 的水平及垂直辐射方向图,红色线 ( H plane ) 为水平分布,幻想你从天线的顶点望到信号覆盖情况,你会发现 8dB 全向增益天线的能量在以天线为中心的360 度四周发放;蓝色线 ( E plane ) 为垂直分布,幻想你从天线的旁边望到信号覆盖情况,能量只在同水平发放出去,而信号并不会辐射到天空或地面。

半功率波瓣宽度

由于不是所有用户都能看得懂辐射方向图,于是习惯上采用另一种简化有效的参数去描述能量的分布情况,此乃“ 半功率波瓣宽度” ( 3dB Beamwidth or half power Beamwidth ),简称“波瓣宽度”,计算方法为最高功率一半的两个发射方向之间的宽度,这我们通常称这个辐射为 " 主波瓣 " ,波瓣宽度可细分为水平及垂直两种,右图为根据上图计算出来的垂直波瓣宽度,其显示角度为 16 度。

增益及波瓣宽度成反比,水平波瓣宽度与垂直波瓣宽度之积越低,天线增益越高,下表为典型天线波瓣的最大增益值。

水平波瓣(角度)	垂直波瓣(角度)	最大增益 dBi
360(全向)	8	11.6
360(全向)	15	8.8
150	15	12.6
150	30	9.6
120	30	10.6
120	60	7.6
90	15	14.9
90	30	11.9
60	30	13.6
60	60	10.6

侧边辐射尾、背面辐射尾、前后比

“侧边辐射尾” ( side lobes )、”背面辐射尾” ( back lobes ) 及”前后比 ( F/B ) 为天线另一组参数,侧边/背面辐射尾是指主电波以外的少能量放射,其影响为浪费能量

能量转移到侧面/背面干扰附近其它接收装置
来自于其它周围传输装置的能量可能通过背面辐射尾接收信号引至系统内部成为干扰

“前后比” 是指电波顶点的功率和离开此点 180° 的某一点功率的差别,典型情况为 25 到 45 dB,高“前后比”能减少对邻近单元覆盖区的干扰。

天线极化

“天线极化”是指辐射波中的电场向量的方向,其中“线型极化”是指在某一平面的能量部分 (垂直,水平或相对于地球的 45° 角斜向),而“圆形极化”则是圆形旋转 ( 左手边LHCP、右手边 RHCP),为消除极化不匹配引致的损失,接收天线必须与收到无线电信号保持相同的极化方向。

电压驻波比

天线的“电压驻波比” ( VSWR ) 为反射功率与输入功率之比,主要是受天线接线端输入阻抗与传输线特性阻抗的匹配程度影响,匹配越高,反射波及注波比相对越细,反射波会减少传输到天线的能量,从而减低天线的有效增益,理想的比例为 1:1 ,即输入阻抗相等于传输线的特性阻抗,但不能达到,典型为 1.5 : 1 ( 96% 功率传递 ),下表为“电压驻波比”与反射功率的关系

VSWR	%反射功率	传递衰减
1:1	0.0	0.0
1.25:1	1.14	0.05
1.5:1	4.06	0.18
1.75:1	7.53	0.34
2:1	11.07	0.51
2.25:1	14.89	0.70
2.5:1	18.24	0.88

天线可根据使用情况分为三大类,主波瓣水平发放的全向天线、主波瓣向下的全向天线及定向天线,所谓全向天线是指辐射在水平 360度以同样的形状发放,我们必须根据环境需要选用合适的天线,藉以令最多的无线设备在需要的信号强度下进行无线数据传送。在一个大型的无线网络中,选用合适的天线及安装方法,不单能改善整体覆盖表现,更可减少 AP 数量以减低成本。

主波瓣水平发放的全向天线

可以连接到无线设备或AP,如果AP 和此类全向天线安装在很高的地方如户外30米高灯柱,由于天线的辐射形状类似一个水泡,信号多数在水平方向放射出去,放射距离得以增加,但在天线的下方却会造成盲点,因此,收发双方的天线需要在同水平。

在仓库内,如果楼底高度在十米之内,也可采用此类全向天线,虽然部份向上的能量会浪费,但主要能量都是水平放射,所以覆盖范围会比其它天线大,在天线的下方,虽然可在不在波瓣宽度之内,但由于离开天线不远,能量比较少的副波瓣都己经能提供不错的信号覆盖。

主波瓣向下的全向天线

放射形状近似于一个半球,信号同时向外和向下发射,只有微量的能量向上发放,使无线信号在覆盖区域内均匀地放射和传输,最适合安装在一些 20 米以上较高的地方,如覆盖需要顾及同水平及地面的无线设备,此类天线是非常理想。

这类天线比主波瓣水平发放的全向天线的水平覆盖面积为细,但后者只能顾及同水平无线设备。

在一些在十米楼底内的仓库,不建议采用此类天线,因有过量的能量在天线下方附近发放,造成浪费,我们应改用主波瓣水平发放的全向天线,尽量把能量在水平方向放射,以增加覆盖面积。

定向天线

辐射能量只在天线的某个指定方向发放,有不同增益、水平波瓣宽度及垂直波瓣宽度供选择,适用于无线设备都在 AP 的某一个方向的环境,亦多使用于点对点、一点对多点的无线系统。

MIMO天线

MIMO天线,主要是配合 802.11n 设备使用,每一个收发组件都配合多于一条的天线 (现时最多三条),以增加接收信号及提升传输速度。基于多途径反射,从一个点发射的信号到达另一个有多于一条接收天线的接收点,不同天线收到直接信号及反射信号可能会出现某程度的不同强度及不同极性,无线组件会可从中选出最好的信号。现时的MIMO天线除了 " 主波瓣水平发放的全向天线" 天线外,都会把三条天线安装于同一个组件内,而定向天线内的三条天线,其中一条会与另外两条有90 度的不同极性。

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