認識 2.4 / 5GHz天線

若你發現新購買的 2.4GHz 或 5.7GHz 設備沒有提供你心目中預料的無線覆蓋能力,這不一定表示設備有問題,或你放置的設備位置不對,超過九成的原因是你沒有為設備配上合適的天線;即使你的 WiFi 客戶端能通過你家中的無線路由器上網,你有沒有檢查過實際的無線訊號強度,如果訊噪比 (SNR) 過低,無線傳輸速度便不能達到 54Mbps 或更高速度,當然無線干擾等亦會影響傳輸速度,但連基本的無線訊號也搞不好,便不要期望能高速上網。那麼我們應選購那一類型的天線?這不是三言兩語可以解釋清楚,選用合適天線其實是一門學問,我們必須從了解天線的基礎常識開始,下面的文章會介紹天線的原理及一些天線參數,相信能協助你選擇及安裝合適的天線,從而加強無線系統的有效覆蓋面及表現。

天線是一個無源體,即不需要提供電力或其它能源,它亦非功率放大器,不會把輸入的無線訊號放大,相反由於饋線及接頭帶來的訊號衰減,發放的無線能量會比輸入到天線接點的能量為少,其實天線只是擔當一個方向性放大器的角色,使收發能量集中於空間的某個特定區域,改變能量的發放區域到需要的地方是天線的唯一目的,若把能量發放到一些沒有無線設備的地方,或者把能量過度發放到某一個區域都是浪費,根據能量不變定律,把發放到一個方向能量加強即把其它區域的能量減少。我們可以訊號看作是一個氣球,氣球裡面的氣體體積 (能量) 是不變的,我們把氣球的外型改變,其體積不會變,但氣球 能接觸的空中距離 (天線增益) 在不同角度都不同了,當某些角度的距離遠了,另一些角度的距離必然短了。


增益

增益是一個通用的天線特性表示方法,它是指相對於以下兩種理想標準收發模式在某一個區域的強度增益,理想標準收發模式一是以輻射體的能量從一個 isotropic 天線發出 ( 如右圖 ),它是一個等方性輻射體,在空間中的任何方向放射出,所有方向都是 0dB,根據此標準作為參考計算出來的增益單位為 dBi,另一種理想標準收發模是基於一個自由空間半波長雙極子放射出來的能量作為參考,計算出來的益單位為 dBd,很明顯後者的輻射體相對於前者的輻射體已存在增益,計算所得為 2.16,即 1 dBd = 2.16 dBi ,現時大多天線都採用 dBi 為計算單位, 2.4GHz 或 5.7GHz 的典型增益由 2 dBi 到 26 dBi。


輻射分佈圖

增益只能作為選擇天線一個參考,它只能顯示能量最強方向的增益,郤沒有提供任何能量的分佈情況,輻射分佈圖便能精確顯示能量在自由空間的分佈情況,常用的為水平輻射分佈圖 ( horizontal / azimuth sweep plane ) 及垂直輻射分佈圖 ( vertical / elevation sweep plane ) 兩種,右圖為本公司出產 8dB 全向增益天線 OP2408 的水平及垂直輻射分佈圖,紅色線 ( H plane ) 為水平分佈,幻想你從天線的頂點望到訊號覆蓋情況,你會發現 8dB 全向增益天線的能量在以天線為中心的360 度四周發放;籃色線 ( E plane ) 為垂直分佈,幻想你從天線的旁邊望到訊號覆蓋情況,能量只在同水平發放出去,而訊號並不會幅射到天空或地面。


半功率波瓣寬度

由於不是所有用戶都能看得懂輻射分佈圖,於是習慣上採用另一種簡化有效的參數去描述能量的分佈情況,此乃“ 半功率波瓣寬度” ( 3dB Beamwidth or half power Beamwidth ),簡稱“波瓣寬度”,計算方法為最高功率一半的兩個發射方向之間的寬度,這我們通常稱這個幅射為 " 主波瓣 " ,波瓣寬度可細分為水平及垂直兩種,右圖為根據上圖計算出來的垂直波瓣寬度,其顯示角度為 16 度。

增益及波瓣寬度成反比,水平波瓣寬度與垂直波瓣寬度之積越低,天線增益越高,下表為典型天線波瓣的最大增益值。

 

水平波瓣(角度)
垂直波瓣(角度)
最大增益 dBi
360(全向)
8
11.6
360(全向)
15
8.8
150
15
12.6
150
30
9.6
120
30
10.6
120
60
7.6
90
15
14.9
90
30
11.9
60
30
13.6
60
60
10.6

側邊幅射尾、背面幅射尾、前後比

“側邊幅射尾” ( side lobes )、”背面幅射尾” ( back lobes ) 及”前後比 ( F/B ) 為天線另一組參數,側邊/背面幅射尾是指主電波以外的少能量放射,其影響為

(1) 浪費能量
(2) 能量轉移到側面/背面干擾附近其它接收裝置
(3) 來自於其它周圍傳輸裝置的能量可能通過背面幅射尾接收信號引至系統內部成為干擾

“前後比” 是指電波頂點的功率和離開此點 180° 的某一點功率的差別,典型情況為 25 到 45 dB,高“前後比”能減少對鄰近單元覆蓋區的干擾。

天線極化

“天線極化”是指輻射波中的電場向量的方向,其中“線型極化”是指在某一平面的能量部分 (垂直,水平或相對於地球的 45° 角斜向),而“圓形極化”則是圓形旋轉 ( 左手邊LHCP、右手邊 RHCP),為消除極化不匹配引致的損失,接收天線必須與收到無線電訊號保持相同的極化方向。

電壓駐波比

天線的“電壓駐波比” ( VSWR ) 為反射功率與輸入功率之比,主要是受天線接線端輸入阻抗與傳輸線特性阻抗的匹配程度影響,匹配越高,反射波及注波比相對越細,反射波會減少傳輸到天線的能量,從而減低天線的有效增益,理想的比例為 1:1 ,即輸入阻抗相等於傳輸線的特性阻抗,但不能達到,典型為 1.5 : 1 ( 96% 功率傳遞 ),下表為“電壓駐波比”與反射功率的關係

VSWR
%反射功率
傳遞衰減
1:1
0.0
0.0
1.25:1
1.14
0.05
1.5:1
4.06
0.18
1.75:1
7.53
0.34
2:1
11.07
0.51
2.25:1
14.89
0.70
2.5:1
18.24
0.88

天線可根據使用情況分為三大類,主波瓣水平發放的全向天線、主波瓣向下的全向天線及定向天線,所謂全向天線是指幅射在水平 360度以同樣的形狀發放,我們必須根據環境需要選用合適的天線,藉以令最多的無線設備在需要的訊號強度下進行無線數據傳送。在一個大型的無線網絡中,選用合適的天線及安裝方法,不單能改善整體覆蓋表現,更可減少 AP 數量以減低成本。

主波瓣水平發放的全向天線

可以連接到無線設備或AP,如果AP 和此類全向天線安裝在很高的地方如戶外30米高燈柱,由於天線的幅射形狀類似一個水泡,信號多數在水平方向放射出去,放射距離得以增加,但在天線的下方卻會造成盲點,因此,收發雙方的天線需要在同水平。

在倉庫內,如果樓底高度在十米之內,也可採用此類全向天線,雖然部份向上的能量會浪費,但主要能量都是水平放射,所以覆蓋範圍會比其它天線大,在天線的下方,雖然可在不在波瓣寬度之內,但由於離開天線不遠,能量比較少的副波瓣都己經能提供不錯的訊號覆蓋。

主波瓣向下的全向天線

放射形狀近似於一個半球,信號同時向外和向下發射,只有微量的能量向上發放,使無線信號在覆蓋區域內均勻地放射和傳輸,最適合安裝在一些 20 米以上較高的地方,如覆蓋需要顧及同水平及地面的無線設備,此類天線是非常理想。

這類天線比主波瓣水平發放的全向天線的水平覆蓋面積為細,但後者只能顧及同水平無線設備。

在一些在十米樓底內的倉庫,不建議採用此類天線,因有過量的能量在天線下方附近發放,造成浪費,我們應改用主波瓣水平發放的全向天線,盡量把能量在水平方向放射,以增加覆蓋面積。

定向天線

幅射能量只在天線的某個指定方向發放,有不同增益、水平波瓣寬度及垂直波瓣寬度供選擇,適用於無線設備都在 AP 的某一個方向的環境,亦多使用於點對點、一點對多點的無線系統。

MIMO 天線

MIMO 天線,主要是配合 802.11n 設備使用,每一個收發組件都配合多於一條的天線 (現時最多三條),以增加接收訊號及提升傳輸速度。基於多途徑反射,從一個點發射的訊號到達另一個有多於一條接收天線的接收點,不同天線收到直接訊號及反射訊號可能會出現某程度的不同強度及不同極性,無線組件會可從中選出最好的訊號。現時的MIMO 天線除了 " 主波瓣水平發放的全向天線" 天線外,都會把三條天線安裝於同一個組件內,而定向天線內的三條天線,其中一條會與另外兩條有90 度的不同極性。

更新日期: 2015.1.25


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