WLAN培訓D1amP2射頻理論20100313

1、p無線電磁波傳播基礎理論p天線基礎知識pWLAN射頻基礎知識波段名稱 頻段范圍 波長范圍 傳播方式甚長波330（KHz）10010km在大地與低層的電離層間形成的波導中進行傳播長波30300（KHz）101km沿地表面?zhèn)鞑ィǖ夭ǎ┖涂侩婋x層反射傳播（天波）中波3003000（KHz） 1000100m沿地表面?zhèn)鞑ィǖ夭ǎ┖涂侩婋x層反射傳播（天波）短波330（MHz）10010m可沿地表面?zhèn)鞑ィǖ夭ǎ?，沿空間以直接或繞射方式傳播（空間波）和靠電離層反射傳播（天波）超短波30300（MHz）101m主要以直射方式（即所謂的“視距”方式）傳播微波分米波3003000（MHz）10010cm是一種視距

2、傳播，主要在對流層內進行厘米波330（GHz）101cm毫米波30300（GHz）101mm絲米波3003000（GHz）10.1mmWLAN工作頻段空間直線傳播 鏡面反射 漫反射 反射 透射衍射（繞射）阻擋物p 自由空間的概念無任何衰減、無任何阻擋、無任何多徑的傳播理想介質空間。p 自由空間傳播損耗無線電波在自由空間傳播時，其單位面積中的能量會因為擴散而減少。這種減少稱為自由空間的傳播損耗,也就是我們常說的中值損耗定理。p 計算公式LS(dB) = 92.4 + 20 log f(GHz) +20 log d(km)LS-自由空間損耗f-電磁波頻率d-傳播距離自由空間損耗可作為實際無線工程中

3、預估通信距離的重要參數(shù)d1d2HcF1d第一菲涅爾區(qū)半徑計算公式：（所有參數(shù)單位為米）相對余隙與附加損耗關系曲線p相對余隙傳播余隙與第一菲涅爾區(qū)半徑之比（Hc/F1）稱為相對余隙。p最小菲涅爾半徑接收點能得到與自由空間傳播相同的信號強度時所需要的最小菲涅爾橢球區(qū)的半徑稱為最小菲涅爾半徑（F0）。p工程指導實際工程中確保收發(fā)天線架設的高度要滿足使它們之間的障礙物盡可能不超過其第一菲涅爾區(qū)的20。最小菲涅爾半徑計算公式：雨量（mm/h）3.5GHz（dB/km）5.8GHz（dB/km）26GHz（dB/km）1（小雨）0.000650.001750.124004（中雨）0.003070.0107

4、30.5397716（大雨）0.014550.065772.3495950（暴雨）0.052170.291947.87098p 工程指導WLAN工作的和頻段雨霧衰落較小，在實際工程中可以不予考慮。雨衰系數(shù)表p極限直視距離WLAN設備所工作的微波波段主要通過在空間范圍內沿直線方向傳播的空間波來傳播。由于地球的曲率使空間波傳播存在一個極限直視距離Rmax。因而，WLAN設備進行通信時，接收點應落在發(fā)射天線極限直視距離Rmax內。p計算公式考慮大氣層對電波折射作用的極限視距公式：RT接收天線高度HR 發(fā)射天線高度HTRmaxp有效直視距離由于電磁波的頻率遠低于光波的頻率，電波傳播的有效直視距離Re約

5、為極限直視距離Rmax的70%，即R Remaxemax。p工程指導對于通訊距離在10Km以內的WLAN工程，可以不考慮極限視距的影響，但需要考慮障礙物及菲涅爾區(qū)的影響。p無線電磁波傳播基礎理論p天線基礎知識pWLAN射頻基礎知識p 天線的作用天線是電波的換能器件，用以發(fā)射和接收電波。p 電磁波的輻射導線上有交變電流流動時，可發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長度和形狀有關。若導線間距離很近，電場被束縛在兩導線之間，則輻射很微弱。將兩導線張開，電場即散播在周圍空間，則輻射增強。p 振子通常我們將安裝在天線中并能產(chǎn)生顯著電磁輻射的直導線稱為振子。p 對稱振子對稱振子是一種經(jīng)典的、應用最廣泛的天

6、線，單個半波對稱振子可獨立使用或用作為拋物面天線的饋源，也可將多個半波對稱振子組成天線陣。兩臂長度相等的振子叫做對稱振子對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子半波對稱振子。1/4波長波長 1/4波長波長 1/2波長波長 p 天線的方向性天線輻射電磁波是有方向性的，在天線的發(fā)送端，方向性指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對于接收端而言，則表示天線對來自不同方向的電磁波的接收能力。p 天線的方向圖通常用垂直平面及水平平面上表示不同方向輻射（或接收）電磁波功率大小的曲線來表示天線的方向性，并稱為天線輻射的方向圖。全向天線立體方向圖全向天線垂直面方向圖全向天線水平面

7、方向圖水平面方向圖視角 垂直面方向圖視角 p 各種天線的形成通過對天線的內部結構做相應的改動，可以改變天線的方向性，并由此形成不同種類及特性各異的天線。標準半波對稱振子天線增加反射板反射板振子增加振子數(shù)量振子p 波瓣寬度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。在主瓣最大輻射方向兩側，輻射強度降低 3dB（功率密度降低一半）的兩點間的夾角定義為波瓣寬度（又稱波束寬度或主瓣寬度或半功率角）。 - 3dB點點 - 3dB點點峰值方向峰值方向 （最大輻射方向）（最大輻射方向） 25o波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠，抗干擾能力越強。板狀天線立體方向圖p

8、增益增益是指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。p 增益與波瓣寬度的關系增益與天線波瓣寬度有密切的關系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。p 上旁瓣抑制對于無線覆蓋天線，其服務對象是地面上的無線用戶，指向天空的輻射是毫無意義的。因而人們常常要求它的垂直面方向圖主瓣上方的第一旁瓣盡可能弱一些，這就是所謂的上旁瓣抑制。抑制前抑制后p 前后比方向圖中，前后瓣最大值之比稱為前后比。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小，天線受后方（或對后方）的無線干擾就越小。全向天線的前后比為0dB，常用定向天線的前后比典型值為1830dB。p 天線的極化天線

9、向周圍空間輻射電磁波是由電場和磁場構成的。人們規(guī)定：天線極化方向就是電場的方向。垂直極化垂直極化水平極化水平極化+45 極化極化-45 極化極化EEEEp 雙極化天線把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起?；蛘甙?45極化和-45極化兩種極化的天線組合在一起，就構成了雙極化天線。垂直/水平極化組合+/-45 極化組合p 極化損失收、發(fā)天線的極化方式必需一致，也就是垂直（或水平）極化波要用具有垂直（或水平）極化特性的天線來接收。當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，接收到的信號將會變小，也就是發(fā)生極化損失。p 極化完全隔離當接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時，例如用水平極

10、化的接收天線接收垂直極化的來波時，天線就完全接收不到來波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱極化完全隔離。p 工程指導在WLAN工程中使用的天線一般均為收發(fā)一體的垂直極化天線。p 室內吸頂天線l 室內吸頂天線具有結構輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點。主要用于建筑物內各區(qū)域的全向無線覆蓋。室內吸頂天線屬于低增益天線, 一般為2dBi 。l 由于吸頂通常安裝在室內空間的頂部，因此吸頂天線在設計時上部安裝了一塊反射板，以控制向上輻射的電磁波并使其向下輻射。這樣即可以減少吸頂天線對上一樓層的無線干擾，還可以增強下方空間的無線覆蓋效果。p 室內壁掛天線室內壁掛天線具有結構輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點。主

11、要用于對建筑物內特定區(qū)域的某一方向進行無線覆蓋。室內壁掛天線屬于定向天線, 其增益約為7dBi。由于室內壁掛天線在防水、防潮等方面沒有做特殊處理，因此切勿將其安裝在室外環(huán)境。p 室外柱狀天線柱狀天線也被稱為桿狀天線或鞭狀天線。室外柱狀天線一般采用玻璃鋼外殼封裝，具有增益高、安裝方便，并具有良好的抗風、防潮、防腐等特點。其主要應用于室外大面積無線覆蓋。p 室外板狀天線板狀天線由于其覆蓋區(qū)域呈扇形分布，因此也被稱為扇區(qū)天線或扇型天線。室外板狀天線具有增益高、結構牢靠、安裝方便，以及良好的防振動沖擊和防水防腐能力等特點。其主要應用于室外定向覆蓋，也可作為WLAN工程中點到多點橋接的中心點天線。p 八

12、木定向天線八木定向天線，具有增益較高、結構輕巧、架設方便、價格便宜等優(yōu)點。因此，它特別適用于點對點通信。八木定向天線的單元數(shù)越多，其增益越高，通常采用 612單元的八木定向天線，其增益可達1015 dBi。 p 柵狀拋物面天線l 由于拋物面具有良好的聚焦作用，所以拋物面天線集射能力強，特別適用于點對點的通信，例如它常被選為WLAN點到點遠距離通訊天線。 l 拋物面采用柵狀結構，一是為了減輕天線的重量，二是為了減少風的阻力。 p無線電磁波傳播基礎理論p天線基礎知識pWLAN射頻基礎知識典型WLAN總體硬件原理框圖典型WLAN射頻系統(tǒng)原理框圖p dB dB是一個純計數(shù)單位，本意是表示兩個量的比值大

13、小，沒有單位。對于功率，dB = 10log（A/B）；對于電壓或電流，dB = 20log（A/B）。此處A，B代表參與比較的功率值或者電流、電壓值。p dBmdBm用于表示射頻信號的功率，它是實際功率相對于1mW的分貝值：假設信號功率為XmW，利用dBm 表示時其大小為：p(dBm)=10log(X)例如100mW相當與20dBm，500mW相當于27dBmp EIRP（等效全向輻射功率）EIRP為射頻發(fā)射機在指定方向上的輻射功率。在WLNA應用中其單位通常為dBm。p 計算公式EIRP=P（設備發(fā)射功率）+ G（發(fā)射天線增益）- A（線路損耗）p EIRP的意義EIRP反映了設備輻射信號

14、的強度，接收設備收到的信號強度與這個指標有密切關系。一般的無線電認證法規(guī)都是規(guī)定EIRP的限值，而不是發(fā)射功率的限值。p SNR（信噪比）信噪比是一個衡量系統(tǒng)解調處理能力的指標。它是在接收機接收到信號經(jīng)各級放大、解調后的信號與噪聲的比值。對具體業(yè)務，所要求的信噪比越低，則系統(tǒng)的容量和覆蓋就比較好。p C/I（載干比）載干比反映信號在空間傳播過程中，接收端接收到信號的好壞。它是加到接收天線輸入口的有用載頻功率（C）與干擾信號（I）功率的比值。載干比體現(xiàn)了設備抗同頻干擾的能力，C/I越小，說明抗同頻干擾能力越強。信噪比是基帶信號與噪聲之比，載干比是射頻信號與噪聲比。p 接收靈敏度接收靈敏度是指接收

15、機在滿足PER（錯包率）小于10的條件下，天線口能夠接收到的最小接收信號電平，一般用dBm表示。它反映了設備接收弱信號的能力，在發(fā)射功率一定的情況下，靈敏度越高，覆蓋范圍越大。p 最大接收電平最大接收電平是指接收機在滿足PER（錯包率）小于10的條件下，天線口能夠接收的最大接收信號電平，一般用dBm表示。規(guī)范要求OFDM最大接收電平為30dBm，CCK為20dBm。最大接收電平反映了接收機接收強信號的能力，超過最大接收電平將導致接收機飽和，誤碼率明顯升高。p RSSIRSSI (Receiver Signal Strength Indicator)接收信號強度指示，是指接收機處基頻信號的功率大

16、小。p 鏈路總增益l 計算公式：Gl=Pt-Prs+Gt+GrPt為設備射頻輸出功率Prs為接收端接收靈敏度Gt為發(fā)射端的天線增益Gr為接收端的天線增益例如：假設設備發(fā)送功率為20dBm，接收端接收靈敏度為-75dBm，收發(fā)天線增益為Gt=Gr=18dBi，那么鏈路總增益為: Gl=20-(-75)+18+18=131dBp 鏈路總損耗l 計算公式：Lt=Ls + Lft + Lfr Ls為收、發(fā)端之間的空中損耗Lft為發(fā)射機到發(fā)射天線之間的電纜損耗Lfr為接收機到接收天線之間的電纜損耗例如，假設設備工作在頻段，發(fā)送和接收機到天線之間的饋線長度為2米，在頻率饋線損耗為。兩設備間空間距離100米

17、。那么，鏈路總損耗為：Lt=80+0.5+0.5=81dB100100米距離自由空間損耗米距離自由空間損耗Ls=Ls=92.4 + 20 lg2.4 +20 lg0.1=80dBp 鏈路儲備余量鏈路儲備余量直觀體現(xiàn)了在滿足接收端接收靈敏度要求的條件下，整個無線傳輸鏈路上還可以允許應對多少潛在的額外損耗。鏈路儲備余量越大，則無線傳輸系統(tǒng)應對潛在傳輸損耗的能力越強，也越容易滿足通信要求。p 計算公式Margin=GlLt對于前面的例子，鏈路儲備余量為：Margin=131-81=50dBp 工程指導由于多徑效應和干擾影響，為了保證鏈路的可靠性，一般要保證15dBm左右的鏈路儲備余量?？臻g損耗輸出功

18、率:20dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm輸出功率:20dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm空間損耗輸出功率:20dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm輸出功率:15dBm天線增益:1dBm接收靈敏度:-65dBm對稱系統(tǒng)非對稱系統(tǒng)空間損耗:100dBm輸出功率:20dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm輸出功率:20dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm鏈路儲備余量:25dBm鏈路儲備余量:25dBm空間損耗:100dBm輸出功率:30dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm鏈路儲備余量:35dBm鏈路儲備余量:25

19、dBm輸出功率:20dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm空間損耗:100dBm輸出功率:20dBm天線增益:25dBm接收靈敏度:-75dBm鏈路儲備余量:35dBm鏈路儲備余量:35dBm輸出功率:20dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm空間損耗:90dBm輸出功率:20dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm輸出功率:15dBm天線增益:1dBm接收靈敏度:-65dBm鏈路儲備余量:11dBm鏈路儲備余量:16dBm空間損耗:90dBm輸出功率:30dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm輸出功率:15dBm天線增益:1dBm接收靈敏度:-6

20、5dBm鏈路儲備余量:21dBm鏈路儲備余量:16dBm空間損耗:90dBm輸出功率:20dBm天線增益:25dBm接收靈敏度:-75dBm輸出功率:15dBm天線增益:1dBm接收靈敏度:-65dBm鏈路儲備余量:21dBm鏈路儲備余量:26dBmp 總結l 在工程實施中需綜合考慮系統(tǒng)的對稱性問題，當存在非對稱系統(tǒng)時，需分別計算系統(tǒng)兩端的鏈路儲備余量，并以能力較弱一端作為主要考查對象。l 在無線通訊中出現(xiàn)由于信號強度而導致的傳輸速率低下問題時，為改善通訊效果需根據(jù)實際情況在提高發(fā)射功率和（或）提高天線增益間做出正確決策。p 空間損耗無線電波在空間傳播時，其單位面積中的能量會因為擴散而減少。這

21、種減少稱為空間傳播損耗，其損耗值與空間距離及電波頻率成正比。在WLAN室外通訊工程中我們通常把現(xiàn)實空間環(huán)境等效為自由空間，并利用自由空間損耗公式來估算實際環(huán)境的空間傳播損耗。p 計算公式LS(dB) = 92.4 + 20 log f(GHz) +20 log d(km)LS-自由空間損耗f-電磁波頻率d-傳播距離p 同頻干擾l 及工作的頻段屬于無需授權使用的免費頻段。日常生活中存在許多在此頻段工作的設備，如其它AP設備、藍牙、微波爐、無繩電話、ZigBee產(chǎn)品等。而頻段只有3個非重疊信道，因此很容易產(chǎn)生同頻或臨頻干擾。l 及工作的頻段相比頻段要干凈，但隨著的普及應用，該頻段的信道干擾也將隨之變得嚴重。p 障礙物無線電波在傳播過程中遇到無法繞射的障礙物時，將會發(fā)生透射傳播。根據(jù)所穿透的障礙物材質及其厚度和電磁波的頻率，透射所產(chǎn)生的損耗也不一樣。典型障礙物衰減量障礙物 衰減量對2.4GHz衰減量（dB)對5GHz衰減量（dB)4.5cm厚金屬門4.5cm實木門4.5cm中空門4.5cm內部隔斷墻9cm磚塊45cm混凝土墻70cm混凝土外墻1.5cm玻璃隔斷p 多徑干擾由于信號在傳播鏈路中經(jīng)過