天線方向圖如何影響通訊距離

  在通訊系統中,收發天線的方向圖直接決定了無線信號的覆蓋區域,最理想的方式是收發天線都處于其其最大的輻射面上,隨著遠離其最大的輻射面,天線的增益會逐漸下降,必須讓其互相處于其半功率波瓣寬度內,不然會嚴重影響通訊質量。

  天線的3D輻射方向圖如下:

天線的3D輻射方向圖

  圖一:是為以天線相位中心為球心(坐標原點),在半徑r足夠大的球面上,逐點測定其輻射特性繪制而成。

微波暗室實測的天線輻射方向圖

  圖二:微波暗室實測的天線輻射方向圖

  一、關于天線方向圖的參數描述

  1、方向系數D

  是用來定量描述天線方向性的強弱,其定義為天線在最大輻射方向上遠區某點的功率密度與輻射功率相同的無方向性天線在同一點的功率密度之比。如下圖:

方向系數

  圖三:方向系數

  2、波瓣寬度

  水平波瓣寬度 在天線的水平面(垂直面)方向圖上,相對于主瓣最大點功率增益下降3dB的兩點之間所張的角度,定義為天線的水平(垂直)波瓣寬度,也稱水平(垂直)波束寬度或者水平(垂直)波瓣角。天線輻射的大部分能量都集中在波瓣寬度內,波瓣寬度的大小反映了天線的輻射集中程度。

  全向天線的水平波瓣寬度為360°,而定向天線的常見水平波瓣寬度有20°、30°、65°、90°、105°、120°、180°多種(如圖一)。

水平面的波瓣寬度

  圖四:水平面的波瓣寬度

  垂直波瓣寬度 天線的垂直波瓣3dB寬度與天線的增益、水平3dB寬度密不可分。基站天線的垂直波瓣3dB寬度多在10°左右。一般來說,在采用同類的天線設計技術條件下,增益相同的天線中,水平波瓣越寬,垂直波瓣3dB越窄。較窄的垂直波瓣3dB寬度將會產生較多的覆蓋死區(盲區),如圖3所示,同樣掛高的二副無下傾天線中,垂直波瓣較寬天線產生的覆蓋死區范圍長度為OX″,小于垂直波瓣較窄天線產生的死區范圍(長度為OX)。

垂直面的波瓣寬度示意圖

  圖五:垂直面的波瓣寬度示意圖

  3、前后比

  定向天線的前后比是指主瓣的最大輻射方向(規定為0°)的功率通量密度與相反方向附近(規定為180°±20°范圍內)的最大功率通量密度之比值。

天線的前后比

  圖六:天線的前后比

  表明了天線對后瓣抑制的好壞。選用前后比低的天線,天線的后瓣有可能產生越區覆蓋,導致切換關系混亂,可能中斷通訊。一般在25-30dB之間,應優先選用前后比為30的天線。

  二、方向圖對通訊距離的影響

  如下圖,基站天線覆蓋區域。

定向天線的覆蓋區域示意圖

  圖七:定向天線的覆蓋區域示意圖

  三、如何調整

收發天線的信號覆蓋區域示意圖

  圖八:收發天線的信號覆蓋區域示意圖

  在知道傳輸距離,收發天線波瓣寬度后可以計算,以此得出發射天線架設高度,接收終端高度,保證收發天線處于最佳的位置。

  四、以433MHz,1.8米玻璃鋼天線為例

  天線波瓣寬度10°,基站天線架高2m(不考慮海拔高差),天線垂直放置,在通訊距離小于30m,信號覆蓋會很差,所以近距離通訊一般不會選擇高增益天線(垂直波瓣寬度太窄)。并且安裝高增益天線時天線與地面的夾角非常重要。

  所以,在選擇天線時候并不是一味的考慮高增益天線,需要結合實際場景,參考天線的多個參數,特別是天線的波瓣寬度、輻射方向圖等綜合考慮,才能達到理想的通訊效果。


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