第2章 無線傳輸技術(shù)基礎(chǔ)(2)

第2章無線傳輸技術(shù)基礎(chǔ)2.2RF信號的傳播和損耗影響無線電波發(fā)射和傳播的主要因素包括發(fā)射機功率、發(fā)射天線增益、傳播或鏈路損耗、接收天線增益等。射頻發(fā)射機的發(fā)射功率是決定信號輻射距離的首要因素，通常有兩種表示方式，一是常用的瓦或毫瓦（W或mW），另一種是dBm。xmW對應的dBm數(shù)由下式計算100mW的發(fā)射功率相當于20dBm。2.2.1自由空間損耗（freespaceloss）信號從天線輻射出之后，無線信號會隨傳播距離的不斷增加而擴散，因此，面積固定的天線離發(fā)射天線越遠，接收到的信號的功率就越低。這種形式的信號衰減稱為自由空間損耗。隨著距離的不斷增加，信號會在越來越大的面積內(nèi)散布，因此造成了自由空間損耗。某點的自由空間損耗可表示為發(fā)射功率Pt和在改點的接收功率Pr之比，其單位為dB。d為發(fā)射天線與接收天線間的距離，λ是信號波長。

由λ=c/f，c=300000km/s，若距離d的單位區(qū)km，頻率f的單位取MHz，則上式可變?yōu)榭梢钥闯?，頻率越高自由空間損耗越大。因此頻率較高的微波對長途傳輸沒有什么用處，但卻非常適用于近距離傳輸，原因是頻率越高，使用的天線尺寸就越小、越便宜。計算2.4GHz，相隔100m的自由空間損耗為

微波傳輸?shù)闹饕獡p耗來源于自由空間損耗。2.2.2環(huán)境噪聲信號在傳輸過程中可能會被傳輸系統(tǒng)所產(chǎn)生的各種失真修改，也包括在傳輸端和接收端之間的某些地方插入的不希望有的額外信號，這些不希望有的信號就是噪聲。噪聲是對通信系統(tǒng)性能帶來影響的主要限制因素。相對于噪聲，傳輸?shù)男盘柋仨氁S持一種足夠高的水平才能被無誤差地接收。無線通信中，環(huán)境噪聲是指進入天線的所有RF噪聲，由兩部分組成：環(huán)境噪聲基底：遠距離噪聲源所產(chǎn)生的背景噪聲之和隨機噪聲：本地人為的背景噪聲之和。環(huán)境噪聲基底通常稱為“白噪聲”，在單位帶寬上的功率為常數(shù)。2.2.3大氣吸收水蒸氣和氧氣是產(chǎn)生這種信號損耗的主要因素水蒸氣所產(chǎn)生的衰減的峰值在22GHz附近，在低于15GHz的頻率處，衰減會減少。氧氣的存在會導致在60GHz附近的吸收峰值，而在低于30GHz的頻率處，這種影響會減少。雨和霧(有懸掛的小水滴)會引起無線電波的散射，從而導致衰減，這有可能是引起信號損耗的主要原因。要減少這種損耗，在有較大降水量的地區(qū)，或者是將路徑的長度變短，或者是使用低頻帶。

2.2.4多經(jīng)衰落反射、衍射、散射的信號經(jīng)過不同的路徑到達接收天線時會產(chǎn)生多徑衰落。當電磁信號遇到相對于該信號的波長更大的表面時就會發(fā)生反射。衍射發(fā)生在一個難以穿透的物體的邊界處，該物體比無線電波的波長要大，當無線電波遇到這樣一個邊界時，波就會以此邊界為源向不同方向傳播。如果一個障礙物的尺寸大約等于或小于信號的波長，信號就會被散射為幾路弱的信號。反射(R)、散射(S)和衍射(D)經(jīng)不同路經(jīng)到達的信號會有相位偏移，對直接到達天線的信號產(chǎn)生一定程度的破壞性干擾。電視重影就是由于超高頻（UHF）電視信號被附近的建筑物或其他巨大物體反射信號造成的。2.2.5折射當通過大氣傳播時，無線電波會被折射(或彎曲)。由于信號高度的變化而引起的信號速度的改變或大氣條件下其他空間的改變都會引起折射。導致只有一小部分直線波或沒有直線波抵達接收天線。2.3天線天線是實現(xiàn)無線傳輸最基本的設(shè)備。天線可看作一條電子導線或?qū)Ь€系統(tǒng)，該導線系統(tǒng)或用于將電磁能輻射到太空或用于將太空中的電磁能收集起來。要傳輸一個信號，來自轉(zhuǎn)發(fā)器的無線電頻率的電能通過天線轉(zhuǎn)化為電磁能輻射到周圍環(huán)境；要接受一個信號，撞擊到天線上的電磁能會轉(zhuǎn)化為無線電頻率的電能并合成到接收器中。雙向通信中，同一天線既可以發(fā)送也可以接收。天線的功能主要包括能量轉(zhuǎn)換和定向輻射。對于發(fā)射天線，天線將電路中的高頻電流能量或傳輸線上的行波能量轉(zhuǎn)換為電磁波能量輻射出去。對于接收天線，天線將接收的電磁波能量轉(zhuǎn)換為電路中的高頻電流能量輸送到接收機。定向輻射對于發(fā)射天線是指輻射的電磁波能量應盡可能集中在指定的方向上，而在其它方向不輻射或輻射很弱。定向輻射對于對于接收天線則是指只接收來自指定方向上的的電磁波，在其它方向接收能力很弱或不接收。2.3.1天線的分類按其結(jié)構(gòu)形式分為兩大類：一類是由金屬導線構(gòu)成的線天線，一類是由尺寸遠大于波長的金屬面或口徑面構(gòu)成的面狀天線，簡稱口面天線。從方向性可分為強方向性天線、弱方向性天線、定向天線、全向天線、針狀波束天線、扇形波束天線等。按天線上電流分布分類有行波天線、駐波天線。按工作性質(zhì)可分為發(fā)射天線、接收天線和收發(fā)共用天線。按用途可分為通信天線、廣播天線、電視天線、雷達天線、導航天線、測向天線等。按使用波段分類有長波、超長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線。按載體分有車載天線、機載天線、星載天線，彈載天線等。從頻帶特性可分為窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線。按天線外形分類有鞭狀天線、T形天線、Γ形天線、V形天線、菱形天線、環(huán)天線、螺旋天線、波導口天線、波導縫隙天線、喇叭天線、反射面天線等。最簡單和最基本的兩類天線半波偶極天線或赫茲天線：由等長度的兩個在同一直線上的導線組成，中間由一個小的供電間隙分離開，天線的長度是可最有效傳輸?shù)男盘柕牟ㄩL的一半。?波垂直天線或馬克尼（Marconi）天線：簡單（偶級）天線拋物面反射天線常用于地面微波和衛(wèi)星通信平面內(nèi)與一個定點F和一條直線l的距離相等的點的軌跡叫做拋物線，點F叫做拋物線的焦點，直線l叫做拋物線的準線，定點F不在定直線上。拋物線在合適的坐標變換下，也可看成二次函數(shù)圖像。拋物線反射天線2.3.2方向圖方向圖也稱為輻射模式，用來說明天線在空間各個方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力，是天線輻射出的電磁波在自由空間存在的范圍。方向圖通常都有兩個或多個瓣，其中輻射強度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。最簡單的理想化天線是各項同性天線，即全向天線。它是沿所有方向等功率向外輻射的一個點。

雖然天線輻射空域是一個立體空間，但實際描述時總是被描繪為一個三維模式的一個剖面。在方向圖中，從天線到每一點的距離與天線沿該方向的輻射功率成比例。方向圖的大小可以任意，重要的是每個方向上的點到天線之間的相對距離，該相對距離代表了天線輻射的相對功率。表示天線的方向性的計量值通常用光束帶寬。光束帶寬也稱為半功率光束帶寬，它是這樣一個角度，在這個角度下，該天線的輻射功率至少是它在最佳方向輻射功率的一半。方向圖提供了一種確定光束帶寬的一種便利方法。2.3.3天線增益當某種輻射源向空間輻射能量時，理想情況下能量是按球狀體散射開來，研究和實踐都發(fā)現(xiàn)，如果天線能將這種能量輻射按某個方向集中發(fā)射，則能量所達到的距離以及該方向上所覆蓋的范圍都會有很大的提高。天線增益(antennagain)就是用來衡量天線朝某一特定方向收發(fā)信號的能力的。在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比定義為天線增益，它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。實際應用中，即使集中某個方向，天線還是會在空間各個方向都有大小不同的增益，天線增益通常是指產(chǎn)生最大增益的方向上的增益。天線增益并不是為了獲得比輸入功率更高的輸出功率，而是為了定向。相同的條件下，天線在某方向增益越高，電波在該方向的傳播距離越遠。增益顯然與天線的方向圖有密切的關(guān)系，主瓣越窄，副瓣越小，則天線增益越高。信號的總能量是由發(fā)射器決定的，天線則決定讓這些能量集中在某個角度內(nèi)，這個角度越小，能量聚集度越高，獲得的“增益”也就越大，信號覆蓋的距離越遠；反之，如果覆蓋角度越大，能量聚集度越低，信號覆蓋的距離越近。表征天線增益的參數(shù)有dBd和dBi，二者都是相對值，但參考基準不一樣。dBi參考的基準是全向天線，在各方向的輻射是均勻的；dBd參考的則是偶極子到天線。DdBi=dBd+2.15通常，室內(nèi)天線大多為4dBi～5dBi，室外天線大多為8.5dBi～14dBi。例：在一定距離的某點處產(chǎn)生一定大小的信號，若用理想全向天線，需要100W的輸入功率，用增益為G=13dB的定向天線作為發(fā)射天線時，求設(shè)發(fā)射功率x。解：由可得輸入功率只需x=5W。2.3.4常見的無線天線1.全向天線全向天線，即在水平方向圖上表現(xiàn)為360°都均勻輻射，在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束，一般情況下波瓣寬度越小，增益越大。如圖一款TP-Link全向天線。2.定向板狀天線板狀天線是用得最為普遍的一類極為重要的基站天線。這種天線增益高、扇形區(qū)方向圖好、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制方便、密封性能可靠，使用壽命長。3.拋物面天線拋物面天線是由拋物面反射器和位于其焦點處的饋源組成的面狀天線。接收天線由拋物面反射器將垂直信號反射收集到饋源。拋物面天線廣泛用于微波和衛(wèi)星通信。4.柵狀拋物面天線柵狀拋物面天線采用柵狀結(jié)構(gòu)，一方面為了減