第2章 无线传输技术基础(2)

第2章无线传输技术基础2.2RF信号的传播和损耗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。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。xmW对应的dBm数由下式计算100mW的发射功率相当于20dBm。2.2.1自由空间损耗（freespaceloss）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。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Pt和在改点的接收功率Pr之比，其单位为dB。d为发射天线与接收天线间的距离，λ是信号波长。

由λ=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。计算2.4GHz，相隔100m的自由空间损耗为

微波传输的主要损耗来源于自由空间损耗。2.2.2环境噪声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。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。无线通信中，环境噪声是指进入天线的所有RF噪声，由两部分组成：环境噪声基底：远距离噪声源所产生的背景噪声之和随机噪声：本地人为的背景噪声之和。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大气吸收水蒸气和氧气是产生这种信号损耗的主要因素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。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。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。

2.2.4多经衰落反射、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。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。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。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)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。电视重影就是由于超高频（UHF）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折射当通过大气传播时，无线电波会被折射(或弯曲)。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。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。双向通信中，同一天线既可以发送也可以接收。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。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。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天线的分类按其结构形式分为两大类：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。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。按天线上电流分布分类有行波天线、驻波天线。按工作性质可分为发射天线、接收天线和收发共用天线。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。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。按载体分有车载天线、机载天线、星载天线，弹载天线等。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。按天线外形分类有鞭状天线、T形天线、Γ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。最简单和最基本的两类天线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。¼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常用于地面微波和卫星通信平面内与一个定点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。抛物线在合适的坐标变换下，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。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。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。

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。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。方向图的大小可以任意，重要的是每个方向上的点到天线之间的相对距离，该相对距离代表了天线辐射的相对功率。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。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。天线增益(antennagain)就是用来衡量天线朝某一特定方向收发信号的能力的。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。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。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。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。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。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。DdBi=dBd+2.15通常，室内天线大多为4dBi～5dBi，室外天线大多为8.5dBi～14dBi。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：由可得输入功率只需x=5W。2.3.4常见的无线天线1.全向天线全向天线，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。2.定向板状天线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。3.抛物面天线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。4.栅状抛物面天线栅状抛物面天线采用栅状结构，一方面为了减