天线的安装对通信效果有什么影响?

上周我们介绍的天线的基础知识,今天亿佰特为大家介绍一下天线的安装队通信效果的影响。随着科技的发展,无线通信越来越深入我们的工作和生活中,同时天线也变成了我们生活中最常见的物品。

雷达

天线是一种能量变换器,它把传输线上传播的导行波,变换成在无界媒介中传播的电磁波,或者进行相反的变换。频率越低,波长越长,天线越长。一般天线都具有可逆性,即同一副天线既可用作发射天线,也可用作接收天线,同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。比如,天线应用在无线设备上,将无线设备输出的电磁波信号传输出去或者将天线接收的电磁波信号传回无线设备。那天线是如何对通信效果产生影响的呢,接下来就通过天线选型、匹配、安装和调试这四个方面来介绍天线的安装对通信效果产生的影响。

天线在城市中的应用

天线的选型

如果在同一款无线设备中使用,是有很多方案可以选择的,尺寸、成本、性能这些都是非常重要的因素。以各种外置天线为例,说明如何选择天线。            

各种不同的天线

天线的种类繁多,有 FPC 天线、短胶棒天线、长可弯折天线、吸盘天线、卫星电视接收天线以及板状天线等。首先,根据产品的结构尺寸来选择天线。比如说一款无线产品结构非常有限,只能考虑将天线放在壳体内,那就只能选择 FPC 软天线或者短的胶棒天线,甚至是直接集成天线到 PCB 板上(做成 PCB 天线);如果产品的尺寸不受限制,那可以选用增益高、尺寸大一些的吸盘天线或者胶棒天线;如果你是用在卫星电视,那可以用专用的卫星电视接收天线。当然,这个天线的选择都是不固定的,需根据自身的需求来选型。

天线的匹配

什么叫匹配?匹配就是说馈线终端所接负载阻抗等于馈线特性阻抗,那天线应用在无线设备上,匹配就相当于无线设备的输出阻抗与天线的输入阻抗相匹配,或者说无线设备的输入阻抗与天线的输出阻抗相匹配。天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值,最佳的天线都会做成标准的50欧姆,同时无线设备的阻抗也是标准的50欧姆,这样天线和无线设备完全匹配,保证没有传输信号的流失,进而保证好的通信效果。

天线

天线匹配的优劣一般用四个参数来衡量:反射系数、行波系数、驻波比和回波损耗,通常用的较多的是驻波比和回波损耗。在了解这四个参数之前,我们先来了解一下射频中常见的 S 参数。

S 参数就是S11、S12、S21和S22这四个系数。S12为反向传输系数,也就是隔离;S21为正向传输系数,也就是增益;S11 为输入反射系数,也就是输入回波损耗;S22 为输出反射系数,也就是输出回波损耗。

参数测试示例

反射系数(τ):描述的是反射电压与入射电压的比值, 是一个标量。

行波系数(K):等于电压最小值/电压最大值,即(入射波振幅-反射波振幅)/(反射波振幅+入射波振幅)。

驻波比:VSWR=(1+反射系数)/(1-反射系数) ,其值在1到无穷大之间。驻波比为1表示阻抗匹配;驻波比为无穷大表示全反射,完全失配。所以驻波比越大,反射功率越高。传输效率越低。在无线通信系统中,一般要求驻波比小于1.5。

回波损耗(Return Loss):其数值为入射功率与反射功率的比值, 以分贝 dB 值表示。回波损耗的值在0 dB的到无穷大之间,回波损耗越大表示匹配越好。0 表示全反射,无穷大表示完全匹配。回波损耗又称为反射损耗,是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射,是一对线自身的反射。不匹配主要发生在连接器的地方,但也可能发生于电缆中特性阻抗发生变化的地方,所以施工的质量是提高回波损耗的关键。在移动通信系统中,一般要求回波损耗大于 14dB。

天线的安装

首先,天线的使用与周围环境息息相关。需附近无高大建筑物阻挡,周围空间无强电磁干扰,这样才能发挥其辐射和接收远方信号的作用。现在大城市高楼林立,高楼里对讲机和地下车库等通讯就出现很多盲区。为了解决此问题,采用了中继台和室内分布天线系统,分布式吸盘天线的安装位置和安装环境就显得特别重要。事先考察并预留好安装位置,并铺设好安装环境要求。一般选址在各层楼道交叉口,开阔处或测试发现的屏蔽盲区严重处,避免安装在竖井内或电磁环境复杂处,只有这样才能提高通讯质量,减少背景噪音等不可预测的干扰现象。

车顶吸盘天线

但如果是一下这些情况:

建在平地,天线不远处就是房屋或者树林

建在楼顶,但楼顶四周均有一米多高的围墙,天线基础座没有高出围墙

建在发射塔或者微波接收塔下,相距很近甚至阴影重叠等。

这些情况接收微波射频信号,尤其数字信号都会有直接的影响,会造成接收信号质量下降受到干扰。

433M吸盘天线

以成都亿佰特的 433M 吸盘天线为例,此 433M 吸盘天线覆盖了频段 410 ~ 450 MHz,增益 3~5dBi,驻波比小于 1.5,输入阻抗为标准的 50Ω。在该频段内,波长覆盖了从米波到分米波的范围,从吸盘天线理论上考虑,垂直直立天线在理想地平面上合适单节辐射电尺寸有四分之一,二分之一,八分之五波长几种;从移动使用环境考虑,其结构应具有防酸碱腐蚀,抗风强度高,抗曲力度强等特点。该吸盘天线满足日常在山区,平原,城市等不同环境下的使用要求。比如成都亿佰特的 E22 系列带 433M 天线安装在城市交通灯上,应用在城市智能照明系统上。

E22系列无线设备加上433M吸盘天线安装在城市智能照明系统中

天线的调试

天线无论是安装在室内还是室外,都会出现各种情况。不同情况下对通信效果产生出不同深度的影响,以以下出现的情况为例。

由于结构的限制,将无线设备和天线都内置在壳体内,传输距离可能从百米变为了几十米甚至几米。这种情况在无线通信系统中都是常见的。

由于结构的限制,将无线设备和天线都内置在金属壳体内,无线设备直接不能进行信号的传输。这是由于无线信号完全被金属材质所吸收和反射,没有信号辐射出去,所以无线设备根本就不能进行通讯。

基于天线的选择,针对大功率和小功率的无线设备,大功率的无线设备由于本身增益比较高,所以需要选择增益高的天线;而小功率的设备由于本身增益没有那么高,需要选择增益小的天线,这样实现天线与无线设备的完全匹配。

如果无线设备没有加天线的话,是无法将能量传播出去的。因为天线主要是把电能量转化为电磁波能量向空间中全向散发或者定向散发出去,当无线设备没有天线后,电信号将无法很好的转化电磁波信号,没有电磁波信号,就无法实现最基本的无线通信。

关于天线

综上所述,在实际生产过程或者使用中,都不能保证天线和无线设备都是标准的50 欧姆,所以无线设备和天线不可能完全匹配。另一方面,从天线的实际测试中来讲,由于现场的实际环境不可能是绝对平坦的,如有山丘、建筑物、树木,不同程度和方式影响电波的传播。因此,在工程实施前,必须进行现场电波传播和接收场强测试(准确到多少dBm),以便根据现场环境和工作要求,确定设备的功率、天线类型、架设高度等参数,使上下行信号达到足够的抗干扰能力,才能实现有效可靠的无线数据传输。