【WLAN培训】射频理论

WLAN培训——射频理论

无线传输与接入事业部/产品部 2010年3月

【WLAN培训】射频理论

课程提纲 无线电磁波传播基础理论 天线基础知识

WLAN射频基础知识

【WLAN培训】射频理论

无线电磁波的基本分类波段名称甚长波长波 中波 短波 超短波

频段范围3~30(KHz)30~300(KHz) 300~3000(KHz)

波长范围100~10km10~1km 1000~100m

传播方式在大地与低层的电离层间形成的 波导中进行传播 沿地表面传播(地波)和靠电离 层反射传播(天波) 沿地表面传播(地波)和靠电离 层反射传播(天波) 可沿地表面传播(地波),沿空 间以直接或绕射方式传播(空间 波)和靠电离层反射传播(天波) 主要以直射方式(即所谓的“视 距”方式)传播

3~30(MHz)

100~10m

30~300(MHz)

10~1m

分米波微波 厘米波 毫米波 丝米波

300~3000(MHz)3~30(GHz) 30~300(GHz) 300~3000(GHz)

100~10cm10~1cm 10~1mm 1~0.1mm是一种视距传播，主要在对流层 内进行

WLAN工作频段

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无线电磁波的基本传播方式

阻挡物

空间直线传播

透射

镜面反射

漫反射

反射

衍射(绕射)

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自由空间传播损耗 自由空间的概念 无任何衰减、无任何阻挡、无任何多径的传播理想介质空间。

自由空间传播损耗无线电波在自由空间传播时，其单位面积中的能量会因为扩散而减 少。这种减少称为自由空间的传播损耗,也就是我们常说的中值损耗

定理。 计算公式

LS(dB) = 92.4 + 20 log f(GHz) +20 log d(km)LS-自由空间损耗 f-电磁波频率 d-传播距离

自由空间损耗可作为实际无线工程中预估通信距离的重要参数

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无线传播的菲涅尔区dd1 d2

Hc

F1

第一菲涅尔区半径计算公式：

(所有参数单位为米)

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相对余隙和最小菲涅尔半径 相对余隙传播余隙与第一菲涅尔区半径之比

(Hc/F1)称为相对余隙。

最小菲涅尔半径接收点能得到与自由空间传播相同的信 号强度时所需要的最小菲涅尔椭球区的 半径称为最小菲涅尔半径(F0)。

工程指导实际工程中确保收发天线架设的高度要

满足使它们之间的障碍物尽可能不超过其第一菲涅尔区的20%。 相对余隙与附加损耗关系曲线 最小菲涅尔半径计算公式：

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电磁波雨雾衰落

雨量 (mm/h)

3.5GHz (dB/km)

5.8GHz (dB/km)

26GHz (dB/km)

1(小雨)4(中雨) 16(大雨) 50(暴雨)

0.000650.00307 0.01455 0.05217

0.001750.01073 0.06577 0.29194

0.124000.53977 2.34959 7.87098

雨衰系数表 工程指导 WLAN工作的2.4GHz和5.8GHz频段雨雾衰落较小，在实际工 程中可以不予考虑。

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视距与天线高度 极限直视距离WLAN设备所工作的微波波段主要通过在空间范围内沿直线方向传播的空间波来传播。由于地球

的曲率使空间波传播存在一个极限直视距离Rmax。因而，WLAN设备进行通信时，接收点应落在发射天线极限直视距离Rmax内。

计算公式考虑大气层对电波折射作用的极限视距公式：T 发射天线高度 HT

Rmax

R 接收天线高度 HR

有效直视距离由于电磁波的频率远低于光波的频率，电波传播的有效 直视距离Re约为极限直视距离Rmax的70%,即Re=0.7Rmax。

工程指导对于通讯距离在10Km以内的WLAN工程，可以不考虑极限视距的影响，但需要考虑障碍物及 菲涅尔区的影响。

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课程提纲 无线电磁波传播基础理论 天线基础知识

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天线的基本概念 天线的作用天线是电波的换能器件，用以发射和接收电波。

电磁波的辐射导线上有交变电流流动时，可发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线 的长度和形状有关。

若导线间距离很近，电场被束缚 在两导线之间，则辐射很微弱。

将两导线张开，电场即散播在 周围空间，则辐射增强。

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对称振子 振子通常我们将安装在天线中并能产生显著电磁辐射的直导线称为振子。

对称振子对称振子是一种经典的、应用最广泛的天线，单个半波对称振子可独立使 用或用作为抛物面天线的馈源，也可将多个半波对称振子组成天线阵。

1/4波长

两臂长度相等的振子叫做 对称振子。1/2波长

每臂长度为四分之一波长、1/4波长

全长为二分之一波长的振子， 称半波对称振子。

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天线的方向性和方向图 天线的方向性天线辐射电磁波是有方向性的，在天线的发送端，方向性指天线向一定方向辐射电磁 波的能力。对于接收端而言，则表示天线对来自不同方向的电磁波的接收能力。

天线的方向图通常用垂直平面及水平平面上表示不同方向辐射(或接收)电磁波功率大小的曲线来 表示天线的方向性，并称为天线辐射的方向图。水平面方向 图视角

垂直面方向 图视角全向天线立体方向图 全向天线垂直面方向图 全向天线水平面方向图

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天线方向性的变化 各种天线的形成通过对天线的内部结构做相应的改动，可以改变天线的方向性，并 由此形成不同种类及特性各异的天线。

标准半波对称振子天线 振子

振子

反射板 增加振子数量 增加反射板

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天线的波瓣宽度 波瓣宽度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。在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3dB(功率密度 降低一半)的两点间的夹角定义为波瓣宽度(又称波束宽度或主瓣宽度或半 功率角)。- 3dB点

25o

峰值方向 (最大辐射方向)

板状天线立体方向图

- 3dB点

波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。

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天线的增益

增益增益是指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。

增益与波瓣宽度的关系增益与天线波瓣宽度有密切的关系， 方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益 越高。

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上旁瓣抑制 上旁瓣抑制对于无线覆盖天线，其服务对象是地面上的无线用户，指向天空的辐射是 毫无意义的。因而人们常常要求它的垂直面方向图主瓣上方的第一旁瓣尽

可能弱一些，这就是所谓的上旁瓣抑制。

抑制前

抑制后

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前后比 前后比方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比。前后比越大，天线的后向辐射 (或接收)越小，天线受后方(或对后方)的无线干扰就越小。

全向天线的前后比为0dB,常用定向天线的前后比典型值为18~30dB。

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天线的极化 天线的极化天线向周围空间辐射电磁波是由电场和磁场构成的。人们规定：天线极化 方向就是电场的方向。E E

垂直极化

水平极化

E

E

+45° 极化

-45° 极化

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天线的极化 双极化天线把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起。或者把+45°极化 和-45°极化两种极化的天线组合在一起，就构成了双极化天线。

垂直/水平极化组合

+/-45 °极化组合

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极化损失 极化损失收、发天线的极化方式必需一致，也就是垂直(或水平)极化波要用具有垂直(或水平)极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时， 接收到的信号将会变小，也就是发生极化损失。

极化完全隔离当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线 接收垂直极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为

最大，称极化完全隔离。

工程指导在WLAN工程中使用的天线一般均为收发一体的垂直极化天线。