【無線射頻技術(shù)】-天線分集技術(shù)的原理

1/1天線分集技術(shù)的原理最初，很多設(shè)計者可能會擔(dān)憂區(qū)域規(guī)范的簡單性問題，由于在全世界范圍內(nèi)，不同區(qū)域規(guī)范也各異。然而，只要多加討論便能了解并符合不同區(qū)域的法規(guī)，由于在每一個地區(qū)，通常都會有一個政府單位負責(zé)頒布相關(guān)文件，以說明"符合特定目的的放射端相關(guān)的規(guī)章。

無線電通信中更難于理解的部分在于無線電通信鏈路質(zhì)量與多種外部因素相關(guān)，多種可變因素交織在一起產(chǎn)生了簡單的傳輸環(huán)境，而這種傳輸環(huán)境通常很難解釋清晰。然而，把握基本概念往往有助于理解多變的無線電通信鏈接品質(zhì)，一旦理解了這些基本概念，其中很多問題可以通過一種低成本、易實現(xiàn)的被稱作天線分集(antennadiversity)的技術(shù)來實現(xiàn)。

環(huán)境因素的考慮

影響無線電通信鏈路持續(xù)穩(wěn)定的首要環(huán)境因素是被稱為多徑/衰落和天線極化/分集的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象對于鏈路質(zhì)量的影響要么是建設(shè)性的要么是破壞性的，這取決于不同的特定環(huán)境。可能發(fā)生的狀況太多了，于是，當(dāng)我們試著要了解特定的環(huán)境條件在某個時間點對無線電通信鏈接的作用，以及會造成何種鏈接質(zhì)量時，這無疑是特別困難的。

天線極化/分集

這種被稱為天線極化的現(xiàn)象是由給定天線的方向?qū)傩砸鸬?，雖然有時候把天線極化解釋為在某些無線電通信鏈路質(zhì)量上的衰減，但是一些無線電通信設(shè)計者常常利用這一特性來調(diào)成天線，通過限制收發(fā)信號在限定的方向范圍之內(nèi)達其所需。這是可行的，由于天線在各個方向上的輻射不均衡，并且利用這一特性能夠屏蔽其他（方向）來源的射頻噪聲。

簡潔的說，天線分為全向和定向兩種。全向天線收發(fā)信號時，在各個方向的強度相同，而定向天線的收發(fā)信號被限定在一個方向范圍之內(nèi)。若要打造高度穩(wěn)固的鏈接，首先就要從了解此應(yīng)用開頭。例如：假如一個鏈路上的信號僅來自于特定的方向，那么選擇定向天線獲益更多。裝有定向天線的接收器接收位于由天線方向?qū)傩源蛩愕囊暰€方向范圍之內(nèi)的放射器發(fā)出的信號，而其他位于該方向范圍之外的放射器發(fā)出的信號被屏蔽。

裝有定向天線的放射器放射它的大部分能量到預(yù)定的方向上，而不是在全部方向上放射，同時也不會減小它的掩蓋力量。

為了簡化對天線剖面的理解，天線廠商供應(yīng)了天線輻射圖。天線輻射圖有不同的格式，如E面圖(Eplaneplot)和波瓣圖(polarplot)：

圖1

如圖1。除了方向性或外形外，E面圖供應(yīng)了大量信息，但通常不如波瓣圖表述的那樣清晰明白。波瓣圖被設(shè)計成類似指南針，使得對于任意給定方向上的天線增益更易理解。

圖2

如圖2中，工程師能看到一個高級的三維視圖，指示在預(yù)定的面上天線如何運行。然而天線也傾向于在其他軸上轉(zhuǎn)變特性，但通常不供應(yīng)三維圖形數(shù)據(jù)，由于這會顯著增加圖表的簡單性。拉桿天線是一個典型的全向天線，它有一個簡潔的三維剖面。在平面圖中，拉桿天線能供應(yīng)極佳的掩蓋，但是在三維圖形中，它們在本身正上方或正下方的表現(xiàn)極差，這有助于我們能更了解天線被放在兩層的室內(nèi)環(huán)境中的狀況。

通常，由于RF信號會被墻壁和其他室內(nèi)物體反射，因此不易觀看到天線極化的效果，然而，仍可以觀看到其它對RF信號可能是建設(shè)性或破壞性的作用，此作用被稱為多徑/衰減。當(dāng)放射器或接收器有些小移動，且對鏈接質(zhì)量造成極大差異時，通常便會觀看到此種衰減現(xiàn)象。當(dāng)天線在接收和傳送信號的波峰時便會發(fā)生此狀況。

多重路徑則是此概念的延長。當(dāng)無線電通信電波被傳送時，它們被接收器接收的路徑可能不只一條，由于其他物體(例如墻壁和樹木)的反射形成多重路徑，信號可能來自多個路徑。接收這些來源的信號，其到達的時間可能會有些微小差距，這就意味可能會發(fā)生稍微的相位偏移。當(dāng)這些信號結(jié)合在一起，它們可能會導(dǎo)致"衰減這種消逝的形式。最差的狀況之一，是兩個信號以相差180o的相位到達接收器，接收器將無法看到任何數(shù)據(jù)，造成100%的信號衰減。在大部分的狀況中，接收器不太可能會接收到相位偏移達180o的兩個信號，但是當(dāng)多重路徑的環(huán)境消失時，某些相位偏移還是有可能發(fā)生的，在這些狀況下，便會發(fā)生某些信號衰減。

天線分集

天線分集是一種被用以恢復(fù)信號完整度的技術(shù)。在產(chǎn)品中實現(xiàn)天線分集的天線，與另一個天線有一個呈90o的天線架，如此極化/定向性的影響將不會降低潛在無線電通信鏈接的質(zhì)量。除此之外，實現(xiàn)天線分集的產(chǎn)品中的各個天線，其天線架的位置皆會維持至少1/4波長的距離，如此能確保至少有一個天線是在波形的波峰中。

雖然天線分集對于恢復(fù)信號完整度，以及維持鏈接邊界免受環(huán)境影響等頗有好處，但是必需在其它方面做出很大的犧牲，意味著微掌握器(MCU)整體成本的增加，由于微掌握器必需長時間待命，以時時評估天線信號。增加的微掌握器功能將會導(dǎo)致需要規(guī)格更高和更貴的微掌握器，而微掌握器必需"隨時待命，也造成電池壽命縮短。在其他狀況中，采納兩個天線的解決方案將增加額外的空間需求，或是需要其它的編碼專業(yè)技能，這些都限制設(shè)計人員只能采納單一天線設(shè)計。

編碼一個天線分集系統(tǒng)將會增加設(shè)計上的編碼負擔(dān)。很多天線分集系統(tǒng)會經(jīng)過最佳化，以同步方式運作。接收器上的微掌握器具有定時功能，讓接收器知道何時要開頭接收數(shù)據(jù)，在這些狀況下，微掌握器可立即開頭評估兩個天線的信號。為評估此信號，微掌握器會切換各個天線并評估接收信號強度指示(RSSI，ReceivedSignalStrengthIndication)水平。在接收器并未采納定時器的其它產(chǎn)品中，無線電通信必需去偵測一個打包的開頭，由于前導(dǎo)信號可能會被誤判為噪聲(或反之亦然)，不幸的是，特定天線中的劇烈噪聲可能會導(dǎo)致打包的開頭被錯過。

為確認此天線切換的頻率足以捕獲天線之一的打包，每當(dāng)此算法進入"測量SQ功能時，便會啟動一個定時器。

最少切換時間

其中：TPL為在特定信號部分中可被容許用來選擇天線的最長時間(例如打包的前導(dǎo)信號)N是分集接收器所采納的天線數(shù)目。

在"MeasureSQ功能工作期間，會針對信號質(zhì)量(SQ)進行測量，若SQ低于信號質(zhì)量門坎，或是定時器時間結(jié)束，則天線會被切換，且會再次啟動"測量SQ狀態(tài)。另一方面，若測量到的SQ高于SQ門坎，則接收器會持續(xù)使用被選擇到的天線，進行剩余打包的接收。

可能的狀況是，