天线方向图如何影响通讯距离

  在通讯系统中,收发天线的方向图直接决定了无线信号的覆盖区域,最理想的方式是收发天线都处于其其最大的辐射面上,随着远离其最大的辐射面,天线的增益会逐渐下降,必须让其互相处于其半功率波瓣宽度内,不然会严重影响通讯质量。

  天线的3D辐射方向图如下:

天线的3D辐射方向图

  图一:是为以天线相位中心为球心(坐标原点),在半径r足够大的球面上,逐点测定其辐射特性绘制而成。

微波暗室实测的天线辐射方向图

  图二:微波暗室实测的天线辐射方向图

  一、关于天线方向图的参数描述

  1、方向系数D

  是用来定量描述天线方向性的强弱,其定义为天线在最大辐射方向上远区某点的功率密度与辐射功率相同的无方向性天线在同一点的功率密度之比。如下图:

方向系数

  图三:方向系数

  2、波瓣宽度

  水平波瓣宽度 在天线的水平面(垂直面)方向图上,相对于主瓣最大点功率增益下降3dB的两点之间所张的角度,定义为天线的水平(垂直)波瓣宽度,也称水平(垂直)波束宽度或者水平(垂直)波瓣角。天线辐射的大部分能量都集中在波瓣宽度内,波瓣宽度的大小反映了天线的辐射集中程度。

  全向天线的水平波瓣宽度为360°,而定向天线的常见水平波瓣宽度有20°、30°、65°、90°、105°、120°、180°多种(如图一)。

水平面的波瓣宽度

  图四:水平面的波瓣宽度

  垂直波瓣宽度 天线的垂直波瓣3dB宽度与天线的增益、水平3dB宽度密不可分。基站天线的垂直波瓣3dB宽度多在10°左右。一般来说,在采用同类的天线设计技术条件下,增益相同的天线中,水平波瓣越宽,垂直波瓣3dB越窄。较窄的垂直波瓣3dB宽度将会产生较多的覆盖死区(盲区),如图3所示,同样挂高的二副无下倾天线中,垂直波瓣较宽天线产生的覆盖死区范围长度为OX″,小于垂直波瓣较窄天线产生的死区范围(长度为OX)。

垂直面的波瓣宽度示意图

  图五:垂直面的波瓣宽度示意图

  3、前后比

  定向天线的前后比是指主瓣的最大辐射方向(规定为0°)的功率通量密度与相反方向附近(规定为180°±20°范围内)的最大功率通量密度之比值。

天线的前后比

  图六:天线的前后比

  表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线,天线的后瓣有可能产生越区覆盖,导致切换关系混乱,可能中断通讯。一般在25-30dB之间,应优先选用前后比为30的天线。

  二、方向图对通讯距离的影响

  如下图,基站天线覆盖区域。

定向天线的覆盖区域示意图

  图七:定向天线的覆盖区域示意图

  三、如何调整

收发天线的信号覆盖区域示意图

  图八:收发天线的信号覆盖区域示意图

  在知道传输距离,收发天线波瓣宽度后可以计算,以此得出发射天线架设高度,接收终端高度,保证收发天线处于最佳的位置。

  四、以433MHz,1.8米玻璃钢天线为例

  天线波瓣宽度10°,基站天线架高2m(不考虑海拔高差),天线垂直放置,在通讯距离小于30m,信号覆盖会很差,所以近距离通讯一般不会选择高增益天线(垂直波瓣宽度太窄)。并且安装高增益天线时天线与地面的夹角非常重要。

  所以,在选择天线时候并不是一味的考虑高增益天线,需要结合实际场景,参考天线的多个参数,特别是天线的波瓣宽度、辐射方向图等综合考虑,才能达到理想的通讯效果。