第2章 无线传输技术基础(2)

1、第2章 无线传输技术基础 2.2 RF信号的传播和损耗 n 影响无线电波发射和传播的主要因素包括发射机 功率、发射天线增益、传播或链路损耗、接收天 线增益等。 n 射频发射机的发射功率是决定信号辐射距离的首 要因素，通常有两种表示方式，一是常用的瓦或 毫瓦（W或mW），另一种是dBm。 n xmW对应的dBm数由下式计算 n 100mW的发射功率相当于20dBm。 )(lg10)(mWxdBmX 2.2.1 自由空间损耗（free space loss） n信 号 从 天 线 辐 射 出 之 后， 无 线 信 号 会 随 传 播 距 离 的 不 断 增 加 而 扩 散， 因 此， 面 积 固

2、定 的 天 线 离 发 射 天 线 越 远， 接 收 到 的 信 号 的 功 率 就 越 低。 这 种 形 式 的 信 号 衰 减 称 为 自 由 空 间 损 耗。 n随 着 距 离 的 不 断 增 加， 信 号 会 在 越 来 越 大 的 面 积 内 散 布， 因 此 造 成 了 自 由 空 间 损 耗。 某 点 的 自 由 空 间 损 耗 可 表 示 为 发 射 功 率 P t 和 在 改 点 的 接 收 功 率 P r 之 比， 其 单 位 为 d B。 d 为 发 射 天 线 与 接 收 天 线 间 的 距 离， 是 信 号 波 长。 )/4lg(20lg10lg10 4 2 d P

3、P L d r t dB n 由=c/f，c=300000km/s，若距离d的单位区 km，频率f的单位取MHz，则上式可变为 n 可以看出，频率越高自由空间损耗越大。因此频 率较高的微波对长途传输没有什么用处，但却非 常适用于近距离传输，原因是频率越高，使用的 天线尺寸就越小、越便宜。 )lg(20)lg(204 .32 )lg(20)lg(20)3 .0/4lg(20 )/4lg(20)/4lg(20 df df cdfdLdB n 计算2.4GHz，相隔100m的自由空间损耗为 n 微波传输的主要损耗来源于自由空间损耗。 dB dfLdB 80206 .674 .32 )1 .0lg(2

4、0)2400lg(204 .32 )lg(20)lg(204 .32 2.2.2 环境噪声 n 信号在传输过程中可能会被传输系统所产生的各 种失真修改，也包括在传输端和接收端之间的某 些地方插入的不希望有的额外信号，这些不希望 有的信号就是噪声。 n 噪声是对通信系统性能带来影响的主要限制因素。 相对于噪声，传输的信号必须要维持一种足够高 的水平才能被无误差地接收。 n 无 线 通 信 中， 环 境 噪 声 是 指 进 入 天 线 的 所 有 R F 噪 声， 由 两 部 分 组 成： n环 境 噪 声 基 底： 远 距 离 噪 声 源 所 产 生 的 背 景 噪 声 之 和 n随 机 噪 声

5、： 本 地 人 为 的 背 景 噪 声 之 和。 n 环 境 噪 声 基 底 通 常 称 为 “ 白 噪 声” ， 在 单 位 带 宽 上 的 功 率 为 常 数。 2.2.3 大气吸收 n 水蒸气和氧气是产生这种信号损耗的主要因素 n水蒸气所产生的衰减的峰值在22GHz附近，在低于 15GHz的频率处，衰减会减少。 n氧气的存在会导致在60GHz附近的吸收峰值，而在低 于30GHz的频率处，这种影响会减少。 n 雨和雾(有悬挂的小水滴)会引起无线电波的散射， 从而导致衰减，这有可能是引起信号损耗的主要 原因。要减少这种损耗，在有较大降水量的地区， 或者是将路径的长度变短，或者是使用低频带。

6、2.2.4 多经衰落 n 反射、衍射、散射的信号经过不同的路径到达接收 天线时会产生多径衰落。 n当电磁信号遇到相对于该信号的波长更大的表面时就会 发生反射。 n衍射发生在一个难以穿透的物体的边界处，该物体比无 线电波的波长要大，当无线电波遇到这样一个边界时， 波就会以此边界为源向不同方向传播。 n如果一个障碍物的尺寸大约等于或小于信号的波长，信 号就会被散射为几路弱的信号。 反射(R)、散射(S)和衍射(D) n 经 不 同 路 经 到 达 的 信 号 会 有 相 位 偏 移， 对 直 接 到 达 天 线 的 信 号 产 生 一 定 程 度 的 破 坏 性 干 扰。 n电 视 重 影 就 是

7、 由 于 超 高 频 （ U H F） 电 视 信 号 被 附 近 的 建 筑 物 或 其 他 巨 大 物 体 反 射 信 号 造 成 的。 2.2.5 折射 n 当通过大气传播时，无线电波会被折射(或弯曲)。 n 由于信号高度的变化而引起的信号速度的改变或 大气条件下其他空间的改变都会引起折射。导致 只有一小部分直线波或没有直线波抵达接收天线。 2.3 天线 n 天线是实现无线传输最基本的设备。天线可看作 一条电子导线或导线系统，该导线系统或用于将 电磁能辐射到太空或用于将太空中的电磁能收集 起来。 n 要传输一个信号，来自转发器的无线电频率的电 能通过天线转化为电磁能辐射到周围环境；要接

8、受一个信号，撞击到天线上的电磁能会转化为无 线电频率的电能并合成到接收器中。 n 双向通信中，同一天线既可以发送也可以接收。 n 天线的功能主要包括能量转换和定向辐射。对于 发射天线，天线将电路中的高频电流能量或传输 线上的行波能量转换为电磁波能量辐射出去。对 于接收天线，天线将接收的电磁波能量转换为电 路中的高频电流能量输送到接收机。 n 定向辐射对于发射天线是指辐射的电磁波能量应 尽可能集中在指定的方向上，而在其它方向不辐 射或辐射很弱。 n 定向辐射对于对于接收天线则是指只接收来自指 定方向上的的电磁波，在其它方向接收能力很弱 或不接收。 2.3.1 天线的分类 n 按其结构形式分为两大

9、类：一类是由金属导线构 成的线天线，一类是由尺寸远大于波长的金属面 或口径面构成的面状天线，简称口面天线。 n 从方向性可分为强方向性天线、弱方向性天线、 定向天线、全向天线、针状波束天线、扇形波束 天线等。 n 按天线上电流分布分类有行波天线、驻波天线。 n 按工作性质可分为发射天线、接收天线和收发共 用天线。 n 按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、 雷达天线、导航天线、测向天线等。 n 按使用波段分类有长波、超长波天线、中波天线、 短波天线、超短波天线和微波天线。 n 按载体分有车载天线、机载天线、星载天线，弹 载天线等。 n 从频带特性可分为窄频带天线、宽频带天线和超 宽频带天线

10、。 n 按天线外形分类有鞭状天线、T形天线、形天线、 V形天线、菱形天线、环天线、螺旋天线、波导 口天线、波导缝隙天线、喇叭天线、反射面天线 等。 n 最简单和最基本的两类天线 n半波偶极天线或赫兹天线：由等长度的两个在同一 直线上的导线组成，中间由一个小的供电间隙分离 开，天线的长度是可最有效传输的信号的波长的一 半。 n波垂直天线或马克尼（Marconi）天线： 简单（偶级）天线 抛物面反射天线 n 常用于地面微波和卫星通信 n平面内与一个定点F 和一条直线l 的距离相等的点 的轨迹叫做抛物线，点F 叫做抛物线的焦点，直线 l 叫做抛物线的准线，定点F不在定直线上。 n抛物线在合适的坐标变

11、换下，也可看成二次函数图 像 。 抛物线反射天线 2.3.2 方向图 n 方向图也称为辐射模式，用来说明天线在空间各 个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力，是 天线辐射出的电磁波在自由空间存在的范围。 n 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。 n 最简单的理想化天线是各项同性天线，即全向天 线。它是沿所有方向等功率向外辐射的一个点。 n 虽然天线辐射空域是一个立体空间，但实际描述 时总是被描绘为一个三维模式的一个剖面。 n 在方向图中，从天线到每一点的距离与天线沿该 方向的辐射功率成比例。 n 方向图的大小可以任意，重要的是每个方向上的 点到天

12、线之间的相对距离，该相对距离代表了天 线辐射的相对功率。 n 表示天线的方向性的计量值通常用光束带宽。光 束带宽也称为半功率光束带宽，它是这样一个角 度，在这个角度下，该天线的辐射功率至少是它 在最佳方向辐射功率的一半。 n 方向图提供了一种确定光束带宽的一种便利方法。 2.3.3 天线增益 n 当某种辐射源向空间辐射能量时，理想情况下能 量是按球状体散射开来，研究和实践都发现，如 果天线能将这种能量辐射按某个方向集中发射， 则能量所达到的距离以及该方向上所覆盖的范围 都会有很大的提高。 n 天线增益(antenna gain)就是用来衡量天线朝某 一特定方向收发信号的能力的。 n 在输入功率

13、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 之比定义为天线增益，它定量地描述一个天线把 输入功率集中辐射的程度。 n 实际应用中，即使集中某个方向，天线还是会在 空间各个方向都有大小不同的增益，天线增益通 常是指产生最大增益的方向上的增益。 1 2 lg10 P P G n 天线增益并不是为了获得比输入功率更高的输出 功率，而是为了定向。相同的条件下，天线在某 方向增益越高，电波在该方向的传播距离越远。 n 增益显然与天线的方向图有密切的关系，主瓣越 窄，副瓣越小，则天线增益越高。 n 信号的总能量是由发射器决定的，天线则决定让 这些能量集中在某个角度内，这个

14、角度越小，能 量聚集度越高，获得的“增益”也就越大，信号 覆盖的距离越远；反之，如果覆盖角度越大，能 量聚集度越低，信号覆盖的距离越近。 n 表征天线增益的参数有dBd和dBi，二者都是相对 值，但参考基准不一样。dBi参考的基准是全向天 线，在各方向的辐射是均匀的；dBd参考的则是偶 极子到天线。 n DdBi=dBd+2.15 n 通常，室内天线大多为4dBi5dBi，室外天线大 多为8.5dBi14dBi。 n 例：在一定距离的某点处产生一定大小的信号， 若用理想全向天线，需要100W 的输入功率，用增 益为G=13dB 的定向天线作为发射天线时，求设发 射功率x。 解：由 可得输入功率

15、只需x = 5W 。 x dBG 100 lg1013 2.3.4 常见的无线天线 n 1.全向天线 n 全向天线，即在水平方向图上表现为360都均 匀辐射，在垂直方向图上表现为有一定宽度的 波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。 如图一款TP-Link全向天线。 n 2.定向板状天线 n 板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的基 站天线。这种天线增益高、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，使用寿命长。 n 3.抛物面天线 n 抛物面天线是由抛物面反射器和位于其焦点处的 馈源组成的面状天线。接收天线由抛物面反射器 将垂直信号反射收集到馈源。抛物面天线广泛用 于微波和卫星通信。 n 4.栅状抛物面天线 n