天線的安裝對通信效果有什么影響?

上周我們介紹的天線的基礎知識,今天億佰特為大家介紹一下天線的安裝隊通信效果的影響。隨著科技的發展,無線通信越來越深入我們的工作和生活中,同時天線也變成了我們生活中最常見的物品。

雷達

天線是一種能量變換器,它把傳輸線上傳播的導行波,變換成在無界媒介中傳播的電磁波,或者進行相反的變換。頻率越低,波長越長,天線越長。一般天線都具有可逆性,即同一副天線既可用作發射天線,也可用作接收天線,同一天線作為發射或接收的基本特性參數是相同的。比如,天線應用在無線設備上,將無線設備輸出的電磁波信號傳輸出去或者將天線接收的電磁波信號傳回無線設備。那天線是如何對通信效果產生影響的呢,接下來就通過天線選型、匹配、安裝和調試這四個方面來介紹天線的安裝對通信效果產生的影響。

天線在城市中的應用

天線的選型

如果在同一款無線設備中使用,是有很多方案可以選擇的,尺寸、成本、性能這些都是非常重要的因素。以各種外置天線為例,說明如何選擇天線。            

各種不同的天線

天線的種類繁多,有 FPC 天線、短膠棒天線、長可彎折天線、吸盤天線、衛星電視接收天線以及板狀天線等。首先,根據產品的結構尺寸來選擇天線。比如說一款無線產品結構非常有限,只能考慮將天線放在殼體內,那就只能選擇 FPC 軟天線或者短的膠棒天線,甚至是直接集成天線到 PCB 板上(做成 PCB 天線);如果產品的尺寸不受限制,那可以選用增益高、尺寸大一些的吸盤天線或者膠棒天線;如果你是用在衛星電視,那可以用專用的衛星電視接收天線。當然,這個天線的選擇都是不固定的,需根據自身的需求來選型。

天線的匹配

什么叫匹配?匹配就是說饋線終端所接負載阻抗等于饋線特性阻抗,那天線應用在無線設備上,匹配就相當于無線設備的輸出阻抗與天線的輸入阻抗相匹配,或者說無線設備的輸入阻抗與天線的輸出阻抗相匹配。天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值,最佳的天線都會做成標準的50歐姆,同時無線設備的阻抗也是標準的50歐姆,這樣天線和無線設備完全匹配,保證沒有傳輸信號的流失,進而保證好的通信效果。

天線

天線匹配的優劣一般用四個參數來衡量:反射系數、行波系數、駐波比和回波損耗,通常用的較多的是駐波比和回波損耗。在了解這四個參數之前,我們先來了解一下射頻中常見的 S 參數。

S 參數就是S11、S12、S21和S22這四個系數。S12為反向傳輸系數,也就是隔離;S21為正向傳輸系數,也就是增益;S11 為輸入反射系數,也就是輸入回波損耗;S22 為輸出反射系數,也就是輸出回波損耗。

參數測試示例

反射系數(τ):描述的是反射電壓與入射電壓的比值, 是一個標量。

行波系數(K):等于電壓最小值/電壓最大值,即(入射波振幅-反射波振幅)/(反射波振幅+入射波振幅)。

駐波比:VSWR=(1+反射系數)/(1-反射系數) ,其值在1到無窮大之間。駐波比為1表示阻抗匹配;駐波比為無窮大表示全反射,完全失配。所以駐波比越大,反射功率越高。傳輸效率越低。在無線通信系統中,一般要求駐波比小于1.5。

回波損耗(Return Loss):其數值為入射功率與反射功率的比值, 以分貝 dB 值表示。回波損耗的值在0 dB的到無窮大之間,回波損耗越大表示匹配越好。0 表示全反射,無窮大表示完全匹配。回波損耗又稱為反射損耗,是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產生的反射,是一對線自身的反射。不匹配主要發生在連接器的地方,但也可能發生于電纜中特性阻抗發生變化的地方,所以施工的質量是提高回波損耗的關鍵。在移動通信系統中,一般要求回波損耗大于 14dB。

天線的安裝

首先,天線的使用與周圍環境息息相關。需附近無高大建筑物阻擋,周圍空間無強電磁干擾,這樣才能發揮其輻射和接收遠方信號的作用。現在大城市高樓林立,高樓里對講機和地下車庫等通訊就出現很多盲區。為了解決此問題,采用了中繼臺和室內分布天線系統,分布式吸盤天線的安裝位置和安裝環境就顯得特別重要。事先考察并預留好安裝位置,并鋪設好安裝環境要求。一般選址在各層樓道交叉口,開闊處或測試發現的屏蔽盲區嚴重處,避免安裝在豎井內或電磁環境復雜處,只有這樣才能提高通訊質量,減少背景噪音等不可預測的干擾現象。

車頂吸盤天線

但如果是一下這些情況:

建在平地,天線不遠處就是房屋或者樹林

建在樓頂,但樓頂四周均有一米多高的圍墻,天線基礎座沒有高出圍墻

建在發射塔或者微波接收塔下,相距很近甚至陰影重疊等。

這些情況接收微波射頻信號,尤其數字信號都會有直接的影響,會造成接收信號質量下降受到干擾。

433M吸盤天線

以成都億佰特的 433M 吸盤天線為例,此 433M 吸盤天線覆蓋了頻段 410 ~ 450 MHz,增益 3~5dBi,駐波比小于 1.5,輸入阻抗為標準的 50Ω。在該頻段內,波長覆蓋了從米波到分米波的范圍,從吸盤天線理論上考慮,垂直直立天線在理想地平面上合適單節輻射電尺寸有四分之一,二分之一,八分之五波長幾種;從移動使用環境考慮,其結構應具有防酸堿腐蝕,抗風強度高,抗曲力度強等特點。該吸盤天線滿足日常在山區,平原,城市等不同環境下的使用要求。比如成都億佰特的 E22 系列帶 433M 天線安裝在城市交通燈上,應用在城市智能照明系統上。

E22系列無線設備加上433M吸盤天線安裝在城市智能照明系統中

天線的調試

天線無論是安裝在室內還是室外,都會出現各種情況。不同情況下對通信效果產生出不同深度的影響,以以下出現的情況為例。

由于結構的限制,將無線設備和天線都內置在殼體內,傳輸距離可能從百米變為了幾十米甚至幾米。這種情況在無線通信系統中都是常見的。

由于結構的限制,將無線設備和天線都內置在金屬殼體內,無線設備直接不能進行信號的傳輸。這是由于無線信號完全被金屬材質所吸收和反射,沒有信號輻射出去,所以無線設備根本就不能進行通訊。

基于天線的選擇,針對大功率和小功率的無線設備,大功率的無線設備由于本身增益比較高,所以需要選擇增益高的天線;而小功率的設備由于本身增益沒有那么高,需要選擇增益小的天線,這樣實現天線與無線設備的完全匹配。

如果無線設備沒有加天線的話,是無法將能量傳播出去的。因為天線主要是把電能量轉化為電磁波能量向空間中全向散發或者定向散發出去,當無線設備沒有天線后,電信號將無法很好的轉化電磁波信號,沒有電磁波信號,就無法實現最基本的無線通信。

關于天線

綜上所述,在實際生產過程或者使用中,都不能保證天線和無線設備都是標準的50 歐姆,所以無線設備和天線不可能完全匹配。另一方面,從天線的實際測試中來講,由于現場的實際環境不可能是絕對平坦的,如有山丘、建筑物、樹木,不同程度和方式影響電波的傳播。因此,在工程實施前,必須進行現場電波傳播和接收場強測試(準確到多少dBm),以便根據現場環境和工作要求,確定設備的功率、天線類型、架設高度等參數,使上下行信號達到足夠的抗干擾能力,才能實現有效可靠的無線數據傳輸。


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