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物联网通信模块大功率无线数传电台设备不接天增益线有何影响?

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从无线传输技术诞生以来,给人们也是带来了极大的方便,与此同时和无线设备密切和分不开的设备就是天线了。增益天线在无线设备中发挥了极大的作用。在以前的无线电台,在电影上面看过的都是很熟悉,如图1.1所示,这种无线电台的功率一般都是很大的,很明显的标志就是在其左上方会有一根长长的天线,这根天线就保证了无线电设备的正常使用。图1.2展示了早期的移动电话,可以看见在其右上角也摆脱不了天线的影子。

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那么天线的作用对于无线设备的意义究竟在哪里?首先得从天线的实际作用说起。

增益天线主要是把电信号(即能量)转化为电磁波信号(也是能量形式的一种)向空间中全向散发或者定向散发出去,这即是天线的本质作用。所以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,这也是为什么无线设备没有天线后信号都会大幅降低的原因之一。

刚刚既然说了没有天线是降低无线信号的的原因之一,肯定还有其他的原因,这里还存在一个阻抗匹配的问题,在现在的无线设备当中,基本使用的是50Ω(欧姆)的阻抗匹配,也就是说从天线接口的位置向电路板看过去,电路板里面的等效电阻要为50Ω(欧姆),这样就能达到最好的阻抗匹配,当然这也是无线高频电路设计的一部分,成都的一家亿佰特电子公司在做无线高频电路设计就还不错,拥有专用的设备来测量阻抗问题,要知道这个设备可是很贵的。

刚刚说完信号降低的原因有没有天线和阻抗问题,现在来说一说天线本身的问题。

天线也是有很多种形式的,而且每一种不同形式的天线都会有不同的性能。最简单的来说,有以下问题:

频率导致的:

天线要和无线的工作频率相匹配,2400MHz频率就的用2400MHz的天线,5.8GHz频率就得用5.8GHz的天线。如果天线频率和实际无线频率不相匹配,就会出现信号不好,传输距离短,这里还会引入一个概念叫驻波比,频率不匹配将导致驻波比增大。

频率还有物理特性决定的问题。简单来说,频率越低,其绕射性越好,频率越高,绕射性越差。这也就能解释为什么2.4G的wifi穿墙的性能比同级别的5.8G的WiFi信号好的原因。同时,频率越低,所能传输的数据量同样是越低的,这个最简单的可以通过2G,3G和4G手机来解释。2G时代也在900MHz左右,到了3G时代,手机网速提升了,频率就在2000MHz左右了,到了4G,同样还是在2000MHz左右,值得一提的是中国移动拥有2500MHz频率的TDD-LTE的基站,而且全世界也只有中国才有这个频段。所以也可以看见,4G时代的基站数量比GSM时代的基站数量要多,要密集。那么问题又来了,4G和3G都在2000MHz,为什么4G比3G网速快?这里又是天线的功劳,在4G系统中才有了MIMO技术,多发多收技术,现在手机最多可以是4天线的MIMO技术,而基站则是8MIMO技术,也就是空分多址技术,这里也可以看见天线对于无线设备的重要性。

环境因素导致的信号差:

都知道无线信号是直线传播的,而地球是球体,是一个园的,那么在亚洲的A点到美洲B点是无法传输过去的(注:这里也是为什么在相隔不远的两处进行无线通信时,天线越高,通信距离越远的主要原因之一),那么时间上无线信号还是能够正常传输过去,除去中继站的原因,还有一点就在于地球的大气层中有电离层,当无线信号发射出去后会在大气层中进行反射(关于反射还有很多,空间反射,漫反射等),经过反射过后,就能使B点能够收到信号。既然是反射,在根据无线频率的物理性质,低频率的反射效果肯定比高频率的要好。

衰落的问题:

衰落问题就涉及到自由空间衰落理论,这里有一个自由空间通信距离方程,设发射功率为PT,发射天线增益为GT,工作频率为f. 接收功率为PR,接收天线增益为GR,收、发天线间距离为R,那么电波在无环境干扰时,传播途中的电波损耗L0 有以下表达式:

L0 (dB) = 10 Lg ( PT / PR )

= 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB)

根据这个方程可以知道,无线频率,功率,天线性能和通信距离是有密不可分的关系,所以无线设备诞生就离不开天线。当然衰落还有快衰落和慢衰落,快衰落肯定是最恐怖的。还有一种衰落是由于反射的原因导致的,比如说波导效应,多径衰落。实际现象就是你在一条很长的河周围,信号其实是不好的,还有在森林之中,信号也是很不好的,树叶会导致很多的多径衰落。

增益天线本身的问题:

增益天线的问题就在于天线的种类,天线的种类有很多,八木天线,蘑菇天线,双菱天线,智能天线,吸顶天线等等。而且还有全向天线,定向天线,高增益天线。天线的波瓣问题也是无线信号的好坏原因之一,有一句很常听的话,叫“塔下黑”,这个词说的就是在天线的正下方,是基本没有无线信号的,这个就和天下对电磁的发射方式分不开了,在天线的辐射方向中,正下方并没有波瓣,导致正下方没有信号。

全向天线,即天线辐射的方向是360度的,围绕天线振子一圈的360度辐射,也就是说在天线振子的上下两端,信号是最差的。如图1.3全向天线所示:

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在来说定向天线,定向天线的电磁波辐射是具有方向性的,要分为主瓣和旁瓣以及后瓣之分,主瓣集中了大部分的能量,旁瓣和后瓣都是很小的一部分能量,这也导致了天线下班无信号的命运。如图1.4定向天线所示:

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当然无线信号的好坏还与天线的接口有关,比如说SMA口,IPX接口,PCB天线,馈线等等,这些也都是影响无线信号好坏的原因之一。

还有很多的其它原因,在这里也不在一一细说了。

说了这么多,有天线,而天线不好都会带来无法通信的后果,那么这些设备如果没有天线究竟会带来什么影响?最简单的来说,就是没有天线,无法通信,设备热,当设备为大功率设备时,根据上问所说到的天线本质来看,当有很大的能量无法及时通过天线发射出去,能量就在集中在板上,导致板子发热,最终烧坏芯片,同样,当天线阻抗严重失配时,导致天线能量大量被反射到电路中,参数体现就在驻波比增大,芯片发热,同样烧毁芯片。


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