微波射頻網(wǎng)WLAN射頻理論

微波射頻網(wǎng)WLAN射頻理論第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日課程提綱無線電磁波傳播基礎(chǔ)理論天線基礎(chǔ)知識WLAN射頻基礎(chǔ)知識第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日無線電磁波的基本分類波段名稱頻段范圍波長范圍傳播方式甚長波3～30（KHz）100～10km在大地與低層的電離層間形成的波導(dǎo)中進行傳播長波30～300（KHz）10～1km沿地表面?zhèn)鞑ィǖ夭ǎ┖涂侩婋x層反射傳播（天波）中波300～3000（KHz）1000～100m沿地表面?zhèn)鞑ィǖ夭ǎ┖涂侩婋x層反射傳播（天波）短波3～30（MHz）100～10m可沿地表面?zhèn)鞑ィǖ夭ǎ乜臻g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30～300（MHz）10～1m主要以直射方式（即所謂的“視距”方式）傳播微波分米波300～3000（MHz）100～10cm是一種視距傳播，主要在對流層內(nèi)進行厘米波3～30（GHz）10～1cm毫米波30～300（GHz）10～1mm絲米波300～3000（GHz）1～0.1mmWLAN工作頻段第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日無線電磁波的基本傳播方式空間直線傳播

鏡面反射

漫反射

反射

透射衍射（繞射）阻擋物第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日自由空間傳播損耗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(zhì)空間。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。計算公式LS(dB)=92.4+20logf(GHz)+20logd(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預(yù)估通信距離的重要參數(shù)第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日無線傳播的菲涅爾區(qū)d1d2HcF1d第一菲涅爾區(qū)半徑計算公式：（所有參數(shù)單位為米）第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日相對余隙和最小菲涅爾半徑相對余隙與附加損耗關(guān)系曲線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。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）。工程指導(dǎo)實際工程中確保收發(fā)天線架設(shè)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：第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日電磁波雨霧衰落雨量（mm/h）3.5GHz（dB/km）5.8GHz（dB/km）26GHz（dB/km）1（小雨）0.000650.001750.124004（中雨）0.003070.010730.5397716（大雨）0.014550.065772.3495950（暴雨）0.052170.291947.87098工程指導(dǎo)

WLAN工作的2.4GHz和5.8GHz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)表第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日視距與天線高度極限直視距離

WLAN設(shè)備所工作的微波波段主要通過在空間范圍內(nèi)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(shè)備進行通信時，接收點應(yīng)落在發(fā)射天線極限直視距離Rmax內(nèi)。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HTRmax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約為極限直視距離Rmax的70%，即Re=0.7Rmax。工程指導(dǎo)

對于通訊距離在10Km以內(nèi)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。第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日課程提綱無線電磁波傳播基礎(chǔ)理論天線基礎(chǔ)知識WLAN射頻基礎(chǔ)知識第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日天線的基本概念天線的作用

天線是電波的換能器件，用以發(fā)射和接收電波。電磁波的輻射

導(dǎo)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(dǎo)線的長度和形狀有關(guān)。若導(dǎo)線間距離很近，電場被束縛在兩導(dǎo)線之間，則輻射很微弱。將兩導(dǎo)線張開，電場即散播在周圍空間，則輻射增強。第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日對稱振子振子

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(dǎo)線稱為振子。對稱振子

對稱振子是一種經(jīng)典的、應(yīng)用最廣泛的天線，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。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。1/4波長

1/4波長

1/2波長

第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日天線的方向性和方向圖天線的方向性

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。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方向圖水平面方向圖視角垂直面方向圖視角

第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日天線方向性的變化各種天線的形成

通過對天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)半波對稱振子天線增加反射板反射板振子增加振子數(shù)量振子第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日天線的波瓣寬度波瓣寬度

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(cè)，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

-3dB點峰值方向（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第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日天線的增益增益

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。增益與波瓣寬度的關(guān)系

增益與天線波瓣寬度有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日上旁瓣抑制上旁瓣抑制

對于無線覆蓋天線，其服務(wù)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。抑制前抑制后第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日前后比前后比

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?qū)蠓剑┑臒o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18～30dB。第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日天線的極化天線的極化

天線向周圍空間輻射電磁波是由電場和磁場構(gòu)成的。人們規(guī)定：天線極化方向就是電場的方向。垂直極化水平極化+45°

極化-45°

極化EEEE第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日天線的極化雙極化天線

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(gòu)成了雙極化天線。垂直/水平極化組合+/-45°極化組合第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日極化損失極化損失

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(dāng)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。極化完全隔離

當(dāng)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。工程指導(dǎo)

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。第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日常用天線介紹——室內(nèi)吸頂天線室內(nèi)吸頂天線室內(nèi)吸頂天線具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點。主要用于建筑物內(nèi)各區(qū)域的全向無線覆蓋。室內(nèi)吸頂天線屬于低增益天線,一般為2dBi。由于吸頂通常安裝在室內(nèi)空間的頂部，因此吸頂天線在設(shè)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。第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日常用天線介紹——室內(nèi)壁掛天線室內(nèi)壁掛天線

室內(nèi)壁掛天線具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點。主要用于對建筑物內(nèi)特定區(qū)域的某一方向進行無線覆蓋。室內(nèi)壁掛天線屬于定向天線,其增益約為7dBi。由于室內(nèi)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。第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日常用天線介紹——室外柱狀天線室外柱狀天線

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(fēng)、防潮、防腐等特點。其主要應(yīng)用于室外大面積無線覆蓋。第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日常用天線介紹——室外板狀天線室外板狀天線

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(jié)構(gòu)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(yīng)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。第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日常用天線介紹——八木定向天線八木定向天線

八木定向天線，具有增益較高、結(jié)構(gòu)輕巧、架設(shè)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6～12單元的八木定向天線，其增益可達10～15dBi。第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日常用天線介紹——高增益柵狀拋物面天線柵狀拋物面天線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。拋物面采用柵狀結(jié)構(gòu)，一是為了減輕天線的重量，二是為了減少風(fēng)的阻力。第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日課程提綱無線電磁波傳播基礎(chǔ)理論天線基礎(chǔ)知識WLAN射頻基礎(chǔ)知識第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日典型的WLAN系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)典型WLAN總體硬件原理框圖第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日典型的WLAN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型WLAN射頻系統(tǒng)原理框圖第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日常用射頻概念dB dB是一個純計數(shù)單位，本意是表示兩個量的比值大小，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。dBm dBm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(shè)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(dāng)與20dBm，500mW相當(dāng)于27dBm第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日常用射頻概念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(yīng)用中其單位通常為dBm。計算公式 EIRP=P（設(shè)備發(fā)射功率）+G（發(fā)射天線增益）-A（線路損耗）EIRP的意義 EIRP反映了設(shè)備輻射信號的強度，接收設(shè)備收到的信號強度與這個指標(biāo)有密切關(guān)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。第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日常用射頻概念SNR（信噪比）

信噪比是一個衡量系統(tǒng)解調(diào)處理能力的指標(biāo)。它是在接收機接收到信號經(jīng)各級放大、解調(diào)后的信號與噪聲的比值。對具體業(yè)務(wù)，所要求的信噪比越低，則系統(tǒng)的容量和覆蓋就比較好。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(shè)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。第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日常用射頻概念接收靈敏度

接收靈敏度是指接收機在滿足PER（錯包率）小于10％的條件下，天線口能夠接收到的最小接收信號電平，一般用dBm表示。它反映了設(shè)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。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(dǎo)致接收機飽和，誤碼率明顯升高。RSSI

RSSI(ReceiverSignalStrengthIndicator)接收信號強度指示，是指接收機處基頻信號的功率大小。第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日WLAN傳輸鏈路總增益鏈路總增益計算公式：Gl=Pt-Prs+Gt+Gr Pt為設(shè)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(shè)設(shè)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=131dB第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日WLAN傳輸鏈路總損耗鏈路總損耗計算公式：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(shè)設(shè)備工作在2.4GHz頻段，發(fā)送和接收機到天線之間的饋線

長度為2米，在2.4GHz頻率饋線損耗為0.5dB。兩設(shè)備間空間距離100 米。那么，鏈路總損耗為：

Lt=80+0.5+0.5=81dB100米距離自由空間損耗

Ls=92.4+20lg2.4+20lg0.1=80dB第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日WLAN傳輸鏈路儲備余量鏈路儲備余量

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(yīng)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(yīng)對潛在傳輸損耗的能力越強，也越容易滿足通信要求。計算公式 Margin=Gl–Lt 對于前面的例子，鏈路儲備余量為： Margin=131-81=50dB工程指導(dǎo)

由于多徑效應(yīng)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。第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日WLAN傳輸系統(tǒng)對稱性空間損耗輸出功率: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)第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日WLAN傳輸系統(tǒng)對稱性空間損耗: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:25dBm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第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日WLAN傳輸系統(tǒng)對稱性空間損耗: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:-65dBm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:26dBm第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日WLAN傳輸系統(tǒng)對稱性總結(jié)在工程實施中需綜合考慮系統(tǒng)的對稱性問題，當(dāng)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。在無線通訊中出現(xiàn)由于信號強度而導(dǎo)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。第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日影響WLAN通訊的常見因素空間損耗

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。計算公式LS(dB)=92.4+20logf(GHz)+20logd(km)LS-自由空間損耗 f-電磁波頻率 d-傳播距離第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日影響WLAN通訊的常見因素同頻干擾802.11b/g及802.11n工作的2.4GHz頻段屬于無需授權(quán)使用的免