2.4GHz/5.8GHzWiFi天線基礎(chǔ)知識(shí)

2016-09-29 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

若你發(fā)現(xiàn)新購買的 2.4GHz 或 5.8GHz 設(shè)備沒有提供你心目中預(yù)料的無線覆蓋能力,這不一定表示設(shè)備有問題,或你放置的設(shè)備位置不對(duì),超過九成的原因是你沒有為設(shè)備配上合適的天線;即使你的 WiFi 客戶端能通過你家中的無線路由器上網(wǎng),你有沒有檢查過實(shí)際的無線信號(hào)強(qiáng)度,如果信噪比 (SNR) 過低,無線傳輸速度便不能達(dá)到 54Mbps 或更高速度,當(dāng)然無線干擾等亦會(huì)影響傳輸速度,但連基本的無線信號(hào)也搞不好,便不要期望能高速上網(wǎng)。那么我們應(yīng)選購那一類型的天線? 這不是三言兩語可以解釋清楚,選用合適天線其實(shí)是一門學(xué)問,我們必須從了解天線的基礎(chǔ)常識(shí)開始,下面的文章會(huì)介紹天線的原理及一些天線參數(shù),相信能協(xié)助你選擇及安裝合適的天線,從而加強(qiáng)無線系統(tǒng)的有效覆蓋面及表現(xiàn)。

天線是一個(gè)無源體,即不需要提供電力或其它能源,它亦非功率放大器,不會(huì)把輸入的無線信號(hào)放大,相反由于饋線及接頭帶來的信號(hào)衰減,發(fā)放的無線能量會(huì)比輸入到天線接點(diǎn)的能量為少,其實(shí)天線只是擔(dān)當(dāng)一個(gè)方向性放大器的角色,使收發(fā)能量集中于空間的某個(gè)特定區(qū)域,改變能量的發(fā)放區(qū)域到需要的地方是天線的唯一目的,若把能量發(fā)放到一些沒有無線設(shè)備的地方,或者把能量過度發(fā)放到某一個(gè)區(qū)域都是浪費(fèi),根據(jù)能量不變定律,把發(fā)放到一個(gè)方向能量加強(qiáng)即把其它區(qū)域的能量減少。

增益

增益是一個(gè)通用的天線特性表示方法,它是指相對(duì)于以下兩種理想標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)模式在某一個(gè)區(qū)域的強(qiáng)度增益,理想標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)模式一是以輻射體的能量從一個(gè) isotropic 天線發(fā)出 ( 如下圖 ),它是一個(gè)等方性輻射體,在空間中的任何方向放射出,所有方向都是 0dB,根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)作為參考計(jì)算出來的增益單位為 dBi,另一種理想標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)模是基于一個(gè)自由空間半波長雙極子放射出來的能量作為參考,計(jì)算出來的益單位為 dBd,很明顯后者的輻射體相對(duì)于前者的輻射體已存在增益,計(jì)算所得為 2.16,即 1 dBd = 2.16 dBi ,現(xiàn)時(shí)大多天線都采用 dBi 為計(jì)算單位, 2.4GHz 或 5.8GHz 的典型增益由 2 dBi 到 26 dBi。

輻射方向圖

增益只能作為選擇天線一個(gè)參考,它只能顯示能量最強(qiáng)方向的增益,并沒有提供任何能量的分布情況,輻射方向圖便能精確顯示能量在自由空間的分布情況,常用的為水平輻射分布圖 ( horizontal / azimuth sweep plane ) 及垂直輻射分布圖 ( vertical / elevation sweep plane ) 兩種,右圖為某公司出產(chǎn) 8dB 全向增益天線 OP2408 的水平及垂直輻射方向圖,紅色線 ( H plane ) 為水平分布,幻想你從天線的頂點(diǎn)望到信號(hào)覆蓋情況,你會(huì)發(fā)現(xiàn) 8dB 全向增益天線的能量在以天線為中心的360 度四周發(fā)放;藍(lán)色線 ( E plane ) 為垂直分布,幻想你從天線的旁邊望到信號(hào)覆蓋情況,能量只在同水平發(fā)放出去,而信號(hào)并不會(huì)輻射到天空或地面。

半功率波瓣寬度

由于不是所有用戶都能看得懂輻射方向圖,于是習(xí)慣上采用另一種簡(jiǎn)化有效的參數(shù)去描述能量的分布情況,此乃“ 半功率波瓣寬度” ( 3dB Beamwidth or half power Beamwidth ),簡(jiǎn)稱“波瓣寬度”,計(jì)算方法為最高功率一半的兩個(gè)發(fā)射方向之間的寬度,這我們通常稱這個(gè)輻射為 " 主波瓣 " ,波瓣寬度可細(xì)分為水平及垂直兩種,右圖為根據(jù)上圖計(jì)算出來的垂直波瓣寬度,其顯示角度為 16 度。

增益及波瓣寬度成反比,水平波瓣寬度與垂直波瓣寬度之積越低,天線增益越高,下表為典型天線波瓣的最大增益值。

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

側(cè)邊輻射尾、背面輻射尾、前后比

“側(cè)邊輻射尾” ( side lobes )、”背面輻射尾” ( back lobes ) 及”前后比 ( F/B ) 為天線另一組參數(shù),側(cè)邊/背面輻射尾是指主電波以外的少能量放射,其影響為浪費(fèi)能量

能量轉(zhuǎn)移到側(cè)面/背面干擾附近其它接收裝置
來自于其它周圍傳輸裝置的能量可能通過背面輻射尾接收信號(hào)引至系統(tǒng)內(nèi)部成為干擾

“前后比” 是指電波頂點(diǎn)的功率和離開此點(diǎn) 180° 的某一點(diǎn)功率的差別,典型情況為 25 到 45 dB,高“前后比”能減少對(duì)鄰近單元覆蓋區(qū)的干擾。

天線極化

“天線極化”是指輻射波中的電場(chǎng)向量的方向,其中“線型極化”是指在某一平面的能量部分 (垂直,水平或相對(duì)于地球的 45° 角斜向),而“圓形極化”則是圓形旋轉(zhuǎn) ( 左手邊LHCP、右手邊 RHCP),為消除極化不匹配引致的損失,接收天線必須與收到無線電信號(hào)保持相同的極化方向。

電壓駐波比

天線的“電壓駐波比” ( VSWR ) 為反射功率與輸入功率之比,主要是受天線接線端輸入阻抗與傳輸線特性阻抗的匹配程度影響,匹配越高,反射波及注波比相對(duì)越細(xì),反射波會(huì)減少傳輸?shù)教炀€的能量,從而減低天線的有效增益,理想的比例為 1:1 ,即輸入阻抗相等于傳輸線的特性阻抗,但不能達(dá)到,典型為 1.5 : 1 ( 96% 功率傳遞 ),下表為“電壓駐波比”與反射功率的關(guān)系

VSWR	%反射功率	傳遞衰減
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

天線可根據(jù)使用情況分為三大類,主波瓣水平發(fā)放的全向天線、主波瓣向下的全向天線及定向天線,所謂全向天線是指輻射在水平 360度以同樣的形狀發(fā)放,我們必須根據(jù)環(huán)境需要選用合適的天線,藉以令最多的無線設(shè)備在需要的信號(hào)強(qiáng)度下進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳送。在一個(gè)大型的無線網(wǎng)絡(luò)中,選用合適的天線及安裝方法,不單能改善整體覆蓋表現(xiàn),更可減少 AP 數(shù)量以減低成本。

主波瓣水平發(fā)放的全向天線

可以連接到無線設(shè)備或AP,如果AP 和此類全向天線安裝在很高的地方如戶外30米高燈柱,由于天線的輻射形狀類似一個(gè)水泡,信號(hào)多數(shù)在水平方向放射出去,放射距離得以增加,但在天線的下方卻會(huì)造成盲點(diǎn),因此,收發(fā)雙方的天線需要在同水平。

在倉庫內(nèi),如果樓底高度在十米之內(nèi),也可采用此類全向天線,雖然部份向上的能量會(huì)浪費(fèi),但主要能量都是水平放射,所以覆蓋范圍會(huì)比其它天線大,在天線的下方,雖然可在不在波瓣寬度之內(nèi),但由于離開天線不遠(yuǎn),能量比較少的副波瓣都己經(jīng)能提供不錯(cuò)的信號(hào)覆蓋。

主波瓣向下的全向天線

放射形狀近似于一個(gè)半球,信號(hào)同時(shí)向外和向下發(fā)射,只有微量的能量向上發(fā)放,使無線信號(hào)在覆蓋區(qū)域內(nèi)均勻地放射和傳輸,最適合安裝在一些 20 米以上較高的地方,如覆蓋需要顧及同水平及地面的無線設(shè)備,此類天線是非常理想。

這類天線比主波瓣水平發(fā)放的全向天線的水平覆蓋面積為細(xì),但后者只能顧及同水平無線設(shè)備。

在一些在十米樓底內(nèi)的倉庫,不建議采用此類天線,因有過量的能量在天線下方附近發(fā)放,造成浪費(fèi),我們應(yīng)改用主波瓣水平發(fā)放的全向天線,盡量把能量在水平方向放射,以增加覆蓋面積。

定向天線

輻射能量只在天線的某個(gè)指定方向發(fā)放,有不同增益、水平波瓣寬度及垂直波瓣寬度供選擇,適用于無線設(shè)備都在 AP 的某一個(gè)方向的環(huán)境,亦多使用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線系統(tǒng)。

MIMO天線

MIMO天線,主要是配合 802.11n 設(shè)備使用,每一個(gè)收發(fā)組件都配合多于一條的天線 (現(xiàn)時(shí)最多三條),以增加接收信號(hào)及提升傳輸速度?；诙嗤緩椒瓷?從一個(gè)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)到達(dá)另一個(gè)有多于一條接收天線的接收點(diǎn),不同天線收到直接信號(hào)及反射信號(hào)可能會(huì)出現(xiàn)某程度的不同強(qiáng)度及不同極性,無線組件會(huì)可從中選出最好的信號(hào)?，F(xiàn)時(shí)的MIMO天線除了 " 主波瓣水平發(fā)放的全向天線" 天線外,都會(huì)把三條天線安裝于同一個(gè)組件內(nèi),而定向天線內(nèi)的三條天線,其中一條會(huì)與另外兩條有90 度的不同極性。

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