10 无线局域网WLAN天线技术

WLAN天线技术WLAN作为一项无线技术，其信号以电磁波形式在空气中传播，而能够有效的向空间中某个方向辐射电磁波，或者能从空间某特定方向接收电磁波的器件，我们称之为天线。天线是发射和接收电磁波的设备，是WLAN的基础。本章节主要介绍WLAN天线的基本原理、典型参数和选型。学完本课程后，您将能够：描述天线的定义、作用及分类；描述天线的基本原理及重要性能指标；区分不同天线的参数。天线概述天线相关技术点天线选型传统室分器件介绍天线简介天线是所有无线应用设备中必须要用的一个产品部件，从最早的无线电报，广播，到后来无线对讲，电视，再到后来的微波，卫星通信，无线通信等。电台天线收音机天线电视机天线栅栏式数字电视天线卫星天线

无线通信信号的基本概念要实现随时随地的无线通信，就需要一种随时随地都有的通信媒介。无线电波就是可以在空间中传播的电磁波。射频(RF，RadioFrequency)表示可以辐射到空间的电磁频率，简单的认为就是可以在空气中传播的电磁波，频率范围从300KHz～300GHz之间。300MHz-300GHz是射频的较高频段，也称作微波频段。无线通信系统采用的射频传输方式。如图所示，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，电场就散播在周围空间，辐射增强。电磁波交变电流

电磁波交变电流交变电流电磁波天线的定义及原理天线的定义天线的定义：能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效地接收空间某特定方向来的电磁波的装置，是无线电设备中用来发射和接收电磁波的部件。天线的作用和原理天线的作用：能量转换：导行波和自由空间波的转换，高频电流与电磁波的转换。定向辐射和接收：具有一定方向性。天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。室外AP输出的射频信号，通过馈线（射频电缆）输送到天线，以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收点后，由天线接收，并通过馈线送到AP。一般天线都具有可逆性：同一副天线可用作发射天线，也可用作接收天线。天线的互易定理：同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。室外AP馈线天线空间电磁波天线的分类天线形态丰富按方向性分类：全向天线、定向天线、智能天线等。按极化方式分类：单极化天线、双极化天线等。按外形分类：鞭状天线、板状天线、面板天线等。按位置分类：外置天线、内置天线等。全向天线定向天线面板天线鞭状天线常用WLAN天线形态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。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。室外天线是整个WLAN室外覆盖方案最重要的部分。能否实现更远距离的信号稳定传送，依赖于天线的选型。吸顶天线室内定向天线2.4G&5G室外全向天线室外回传天线2.4G&5G室外定向天线智能天线智能天线是一个天线阵列，所谓天线阵列，就是一列取向相同，同极化，低增益的天线按一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理产生强方向性的方向图，形成所希望的波束。智能天线在水平面上具有多个定向辐射和1个全向辐射模式。4个振子16条天线天线数量多248种方向组合组合模式多15dB干扰抑制2.4GHz：4根5GHz：12根华为智能天线架构图天线以全向模式接收终端发射的信号

智能天线算法根据接收到的信号判断终端所在位置，并控制CPU发送控制信号选择最大辐射方向指向终端的定向辐射模式智能天线信号覆盖模拟图全向天线信号覆盖天线概述天线相关技术点天线选型传统室分器件介绍天线相关技术点天线的典型参数天线的基本原理半波振子天线的方向性天线的极化天线的增益设备发射功率波瓣宽度定向天线前后比下倾角天线的工作频率范围（频带宽度）半波振子产生电磁波的这两根导线就叫做“振子”。一般情况下，振子的大小在半个波长的时候效果最好，所以也经常被称作“半波振子”。半波振子是构成天线的最基本单元。当导线上有交变电流流动时，可以发生电磁波辐射，辐射能力与导线的长度和形状相关。多个振子可以组成天线阵列，智能天线是一个天线阵列。振子振子振子振子华为智能天线4个半波对称振子组成天线阵列有了振子，电磁波就可以源源不断地往外发射了。1/4波长半波对称振子1/4波长1/2波长导线天线的方向性(1)天线的方向性天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电磁波所具有的接收能力。天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。全向天线（外置）在水平面上，辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线。全向天线由于其无方向性，所以多用在点对多点通信的中心台。在水平面上，有一个或多个最大方向的天线称为定向天线。定向天线由于具有最大辐射或接收方向，因此能量集中，适合于远距离通信。由于具有方向性，抗干扰能力比较强。定向天线（外置）天线的方向性(2)天线的方向图平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。方向图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。在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上，在水平面上各个方向上的辐射一样大。水平面H面垂直面E面“面包圈”立体图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。从顶端看水平切面从边上看垂直切面天线的方向性(3)“扁平面包圈”越扁，信号则越集中“扁平面包圈”越扁，信号则越集中，在特定方向辐射能力更强，相应地，在某些方向辐射能力则减弱。定向天线：反射面把电磁波反射到单侧方向，朝某一方向集中，提高了增益全向辐射（无平面反射板）定向增强（有平面反射板）平面反射板反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。抛物反射面的使用，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。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。天线的极化(1)天线极化：电场矢量在空间运动的轨迹。是描述天线辐射电磁波矢量空间指向的参数。由于电场与磁场有恒定的关系，故一般都以电场矢量的空间指向作为天线辐射电磁波的极化方向。而且是指在该天线最大辐射方向上的电场矢量。垂直极化水平极化+45°极化-45°极化电场方向天线垂直放置的半波振子天线磁场电场方向波长振幅水平放置的半波振子天线磁场电场方向波长振幅天线的极化(2)双极化天线：两个极化在空间相互正交的波。两个极化方向互相垂直的天线组合为一个整体，可以得到最佳的分集增益，并节省安装空间。垂直水平极化±45°交叉极化±45°交叉极化在信号接收平衡性优于垂直水平极化。天线的极化(3)天线极化的特性之所以重要是因为接收天线能否接收到信号取决于电磁波的极化方向与接收天线的极化方向是否一致，如果电磁波的极化方向与接收天线的极化方向相互垂直，则接收天线接收不到信号。垂直放置的发射天线磁场电场方向波长振幅水平放置的接收天线作用在接收天线上的电场垂直放置的接收天线作用在接收天线上的电场天线增益(1)增益（Gain）的概念天线通常是无源器件，它并不是放大电磁信号。天线的增益是指：将天线辐射的电磁波进行聚束以后，比起理想的参考天线，在输出功率相同的条件下，在空间同一点上接收功率的比值。增益定量地描述了一个天线把输入功率集中辐射的程度。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，是选择基站天线最重要的参数之一，与具体的天线型号相关。低增益高增益天线增益(2)dBi是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比，即天线相对于点源天线的增益。一个天线与各向同性辐射器相比较的增益，可以用“dBi”表示。dBd是指天线相对于对称振子Dipole的功率能量密度之比，即相对于对称振子天线的增益。一个天线与对称振子相比较的增益，可以用“dBd”表示。对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为dBi时，则为18.14dBi(一般忽略小数位，为18dBi)。参数描述场景计算公式dBi/dBd描述天线的增益，dBi的参考基准为全方向性天线，dBd的参考基准为偶极子(半波振子)。dBi=dBd+2.15各项同性isotropy（全方向性天线）电磁波辐射方向图半波振子dipole电磁波辐射方向图2.15dB设备发射功率dB是一个表示功率增益的单位。当计算A的功率比B的功率大或小多少dB时，可按公式10*lg(A/B)计算。例如：A的功率比B功率大一倍，那么10*lg(A/B)=10lg2=3dB。也就是说A的功率比B的功率大3dB.dBm是一个表示信号强度的单位。计算公式为：10log功率值/1mW。例如：如果发射功率为1mW，按dBm单位进行折算后的值应为：10log(1mW/1mw)=0dBm;对于40W的功率，则10log（40W/1mW）=46dBm。参数描述场景计算公式W描述设备的发射功率设备标称dBm主要用于无线链路计算。10log（功率值/1mW）dB描述信号功率的相对大小10lg（功率值A/功率值B）波瓣宽度波瓣宽度（BeamWidth）波瓣宽度：就是无线电波辐射形成的扇面所张开的角度。它是水平/垂直覆盖宽度的关键指标。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。方向图主瓣范围内，相对最大辐射方向功率密度下降一半(3dB)的角度，称为波瓣宽度或半功率角，分为水平面波瓣宽度和垂直波瓣宽度。-3dB点-3dB点峰值方向(最大辐射方向)主瓣旁瓣波瓣宽度越窄，方向性越好，辐射距离越远，抗干扰能力越强定向天线前后比指天线的方向图中，主瓣最大辐射方向与后瓣最大辐射方向的功率密度之比。前后比越大，天线的后向辐射越小，反映天线对后向的辐射能力或者天线对信号功率的泄漏能力。通常不明确的情况下，指主瓣背向的180度范围内最大的增益为背瓣增益；移动通信中通常取背向+/-30度的范围内的最大增益为背瓣增益。通常要求天线的前后比大于18dB。前向功率后向功率下倾角为使主波瓣指向地面进行有效覆盖，安置时需要将天线适度下倾。较好的方式是让天线主瓣的上3dB点对准需覆盖区域边缘。通过调整天线安装角度，增大下倾角。机械下倾通过调整天线馈电网络的相位改变下倾角。电下倾地面10°下倾3dB点天线的工作频率范围(频带宽度)WLAN天线的工作频段在2400～2500MHz。输入驻波比：这是一个反映天线端口处阻抗匹配好坏的参数，阻抗匹配的越好，驻波比的值越趋近于1，表明馈线中的信号功率越多的传送给了天线；相反，驻波比越大，说明阻抗匹配的越差，端口处对能量的损耗越多。选择时尽量选取驻波比接近于1。反射波电压与入射波电压幅度之比叫作反射系数，记为R。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.终端负载阻抗ZL和特性阻抗Z0越接近，反射系数R越小，驻波比VSWR越接近于1，匹配也就越好。

9.5W80ohms50ohmsPout:10WPin:0.5W

天线概述天线相关技术点天线选型传统室分器件介绍天线选型主要方式天线选型室内室外频带波束宽窄增益极化方式全向定向智能天线天线选型-

室内外&方向天线方向图应用场景天线类型室内全向天线水平方向360度覆盖室内全向覆盖，如办公区域，报告厅，会议室等吸顶全向天线鞭状天线内置天线室外室外全向覆盖，如开放区域,广场，公园等杆型全向天线双频天线室内定向天线聚焦某方向,角度覆盖，高增益室内定向覆盖，公共场合长走廊，从室内某墙面指向另一面覆盖等板型定向天线室外室外定向覆盖如油井，郊外角度覆盖，室外回传包括点对点和点对多点回传等板型定向天线板型交叉极化天线吸顶天线室内定向天线2.4G&5G室外全向天线2.4G&5G室外定向天线天线选型-天线类型一般天线增益都较大，覆盖距离远；定向覆盖范围较窄，可减少对其他AP的干扰；有单极化天线和双极化天线两种。为实现分极和MIMO特性，如选用单极化天线需要两根；如选用双极化天线只需一根即可；一般天线增益都较小，覆盖距离近；全向覆盖，范围较大；都为一个端口的单极化天线，需要两根全向天线以实现分极和MIMO特性；

全向天线定向天线天线选型-

频带频带选择天线要根据使用频段来选择，为降低工程成本和采购成本，在同时满足技术指标要求的前提下，应该尽量采用宽频段（与双频段天线不同，没有增加馈电端口）天线。水平方向图垂直方向图天线型号:27011668增益/dBi:4dBi，2.4G；7dBi，5G天线选型-天线增益(1)如有明确带宽要求，覆盖距离与带宽关系表如下：天线频段

满足不同带宽下的最大建议覆盖距离（802.11nHT20模式，MIMO2×2双流）1007060453025157标准配置11dBi天线2.4GHz密集市区90100110150200300350450市区100110120170250300400500郊区130140150200300400500600农村1501702003004005006008005GHz密集市区4044486090120150190市区40455070100130160200郊区50606590130180200300农村607080120160200250350高增益天线17dBi（2.4G）15dBi（5G）2.4GHz密集市区170180200300400500600800市区180200220300450600700900郊区2402603004006007509001200农村3003203506009001300160025005GHz密集市区556070100140180210280市区607075100150200230300郊区809095130200250300400农村90100120150240300350480天线选型-天线增益(2)室外无阻挡环境，AP外接11dBi天线覆盖时，规划终端上行可按照：笔记本：300米；手机：200米；网规计算，无论上下行，都要满足：信号场强－系统裕量＞设备接收灵敏度；系统裕量与信号传播环境有关，一般情况下可以按照10dB考虑。设备发射功率天线增益接收灵敏度（2.4GHz、802.11n、HT20）最高速率（MCS7/15）可用速率（MCS2/10）AP27dBm根据所选天线而定-71dBm-86dBm笔记本14-18dBm0dBi-64dBm-77dBm手机10-13.8dBm0dBi-64dBm-77dBmCPE14dBm10dBi-68dBm-82dBm下行：AP→终端上行：终端→AP天线天线选型-波束宽窄天线角度：把大部分能量朝所需的方向辐射。增益与角度的关系：角度越小，增益越大。角度有水平角度与垂直角度。天线增益的大小与天线方向图有密切的关系，方向图的主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。在选择增益指标时并不是越高越好，关键在于满足信号覆盖要求。垂直面方向图水平面方向图天线选型

-极化方式双极化天线双极化天线通过对交叉极化的复用，实现一副天线上同时传输两路信号，这两路信号通过交叉极化分集而实现媲美于使用两个独立天线的性能。以2×2MIMOAP为例，一个频段只需一个双极化天线即可，而相同情况下使用线极化天线则需要两个。双极化天线有两个接口，一般分别为+/-45度极化。使用此种天线可以降低天线购置和安装的成本，天线个数的减少也同时提高了整体布局的简易度和美观度。天线型号：27010904增益/dBi:8dBi,2.4G,300m,适用于AP6510DN/AP6610DN/AP8130DN双极化定向天线水平方向图垂直方向图WLAN室外不同场景下的推荐天线选型(1)场景频段推荐天线编码推荐天线型号备注可选外接AP型号无线回传WDS5G27010890SL12845A2*2AP点对点回传场景WA161DD-NZ27011145SL12941A3*3AP点对点回传场景WA251DT-NE密集城区/城区2.4G27010661A25451804连续覆盖（覆盖距离需求大）的场景WA151DD-NZ（国外）WA161DD-NZ（国内）27010812SL12764A城区热点场景5G27011044产品未认证连续覆盖（覆盖距离需求大）的场景WLAN室外不同场景下的推荐天线选型(2)场景频段推荐天线编码推荐天线型号备注可选外接AP型号郊区/农村2.4G27010661A25451804对天线安装体积限制较高、远距离覆盖场景WA151DD-NZ（国外）WA161DD-NZ（国内）27011071SL12865A单极化天线，实现MIMO2*2需要安装2根5G27011072SL12867A单极化天线，为实现MIMO2*2需要安装2根居民小区2.4G27010904SL12872AP水平覆盖长度<=12m（水平波瓣需求60度）27010812SL12764AAP水平覆盖长度>12m（水平波瓣需求30度）5G27010906SL12872AAP水平覆盖长度<=12m（水平波瓣需求60度）27010889SL12844AAP水平覆盖长度>12m（水平波瓣需求30度）广场/步行街2.4G27010812SL12764A对安装体积限制高、覆盖距离需求不大的场景5G27010889SL12844AWLAN室外天线示例(1)SL12845A该款为5G频段窄波束高增益双极化定向天线，适合WDS无线回传（2*2）场景。项目名称指标频率范围(MHz)5150~5850极化方式(°)±45°天线增益(dBi)19±1水平波瓣宽(°)15±3垂直波瓣宽(°)15±3前后比（dB）≥25隔离度（dB）≥30输入阻抗(Ω)50电压驻波比≤1.8接口N-型阴头×2最大功率(w)50闪电保护直流接地尺寸(mm)250×250×25支撑杆（mm）φ35~φ114水平方向图垂直方向图WLAN室外天线示例(2)该款为2.4G频段覆盖类单极化天线，适合郊区/农村对天线安装体积限制不高的场景，为实现MIMO2*2效果，需要安装2根。SL12865A项目名称指标频率范围(MHz)2400~2500极化方式(°)垂直极化天线增益(dBi)15±1水平波瓣宽(°)120垂直波瓣宽(°)7前后比（dB）≥21输入阻抗(Ω)50电压驻波比≤1.5接口N-型阴头×1或7/16DIN阴头最大功率(w)300闪电保护直流接地尺寸(mm)1070×160×80支撑杆(mm)φ48~φ135水平方向图垂直方向图WLAN室外天线示例(3)该款为5G频段覆盖类定向天线，适合城区等要求小体积、水平波瓣宽60度左右的场景。SL12844A项目名称指标频率范围(MHz)5150~5850极化方式(°)±45天线增益(dBi)>16水平波瓣宽(°)60垂直波瓣宽(°)6前后比（dB）≥23隔离度（dB）≥30输入阻抗(Ω)50驻波比≤1.8接口N-型阴头×2最大功率W5闪电保护直流接地水平方向图垂直方向图WLAN室内天线鞭状全向天线，该类天线为室内AP的缺省自带天线，随AP发货，增益约2~3dB，有的仅支持单频（2.4Gor5.8G），有的支持双频(2.4Gand5.8G).吸顶天线，该类天线在室内部署，适合安装在天花板上，增益约2~3dB，有的仅支持单频（2.4Gor5.8G），有的可支持双频(2.4Gand5.8G)，用于室内DAS

AP或者放装型AP的外接天线.定向平板天线，该类天线用于室内，适合有明确覆盖目标的定向覆盖，增益约12~15dBi，可支持双频(2.4Gand5.8G)，用于室内放装型AP外接天线。桌面天线，该类天线放置在桌面使用，用于增强室内覆盖，增益约5dBi，仅支持2.4G频段，用于室内放装型AP的外接天线。天线概述天线相关技术点天线选型传统室分器件介绍室内分布系统室内分布系统架构WLANAP2G/3GBaseStation合路器耦合器功分器天线天线天线功分器用于室内分布系统，可以将AP的输出功率等分输出到远端。常用的有一分二、一分三、一分四，也可以组合起来使用。功分器：将一路输入信号能量等分成两路或多路输