天线性能 [白皮书]

2010年9月30日 

在这个崭新的无线技术时代，控制与自动化工程师越来越多地被要求在各种环境中评估和安装无线传感和监测系统。为了充分利用无线网络提供的灵活性、可靠性和易于安装的优势，工程师必须自行熟悉新技术和新术语，特别是与无线系统中使用的天线有关的。

天线是无线网络的一个重要组成部分。合适的天线可以优化电台网络的范围和可靠性，而使用错误的天线会导致高性能无线设备出现停止工作。

该白皮书将为控制和自动化工程师提供关键性能特征的基本知识，用于分析安装环境中的天线性能。这些指标要求了解以下方面：

• 天线性能
• 增益
• 天线类型
• 视距
• 链路余量计算

天线通过将射频电流转换成电磁波来传输电台信号。天线通过将电磁波转换回射频电流来接收信号。

由于电磁波不需要介质来传播，所以天线可以在空气、太空、水下或其他液体中发挥作用，甚至在有限距离的情况下也能发挥作用。每一个天线都有特定的特征来决定信号的范围和辐射模式或形状。天线最重要的特征之一就是它的增益。

顾名思义，全向天线可在所有方向上均匀地发射和接收电台信号。由于与电台相关的物理学，全向天线的有效信号模式看起来像是环型图，而天线就位于环形图的中心。全向天线的一个很好的例子就是安装在山顶上的广播电台发射塔。用于手机或对讲机的天线也是全向天线。

在无线网络中，全向天线最适合于室内环境和位于星形拓扑网络中心的设备。对于远距离点对点通信，全向天线并非最佳选择。

请注意，缺少与天线非常接近的信号。大多数偶极全向天线具有最小距离以实现最佳信号接收。

准确的无线电传输取决于无线电天线之间的清晰路径，也即所谓的视距。如果任何障碍物（包括建筑物、树木或地形）中断天线之间的视觉路径，障碍物也将干扰无线电信号传输，导致多径衰落或信号衰减增加。

多径衰落是无线电信号通过两条或多条路径到达接收机的结果。在工业环境中，除了建筑物、设备、树木或户外地形反射的信号之外，接收到的信号可能包括视距信号。信号衰减是由于穿透（本例中为空气）介质传播导致信号强度降低。

尽管有明确的视距，但菲涅耳区的障碍物是以两根天线为焦点形成的三维椭圆体，仍然会干扰无线电信号并导致多径衰落。将天线升到足够高可以清除任何障碍物。理想情况下，即使保留了视距，菲涅耳区的任何地方也不应有障碍物。

如果无线电网络站点分布在有多个障碍物或各种地形的大范围区域，请进行现场勘测，以确定最佳天线位置、天线安装高度和建议的增益，以获得可靠的性能。

在查看无线电产品的数据表时，需要注意的两个重要规格是无线电的发射功率和接收灵敏度。

发射功率表示发射的信号强度，而接收灵敏度是指接收器能够可靠检测到的最低信号强度。这两种规格都是特定于无线电而不是天线，并以dBm或毫瓦为单位。

对于发射器，正数值越大表示发射强度越高。对于接收器，数字越小表示接收效果越好（接收器灵敏度始终为负数）。即使发射功率或接收灵敏度出现1 dBm移位，无线电范围也可能出现显着差异。

根据FCC制定的规则，对于在非授权波段工作的无线电系统，其无线电系统的功率会受到限制。任何无线电系统的总辐射功率都不会超过30 dBm（即1瓦左右）。

当两台无线电通信时，它们会建立链路。链路的质量或强度以分贝（dB）为单位。“链路余量方程式”是工程师确定无线电信号传播距离时使用的主要工具。根据无线电理论，任何大于0 dB的链路余量都属于强链路。实际上，当两个无线电之间的链路余量至少为6 dB（最好为10 dB）时，系统工程师便会感觉舒心。

链接余量使用以下方程式计算：

• 链路余量=（系统总损耗） - （接收器灵敏度）
• 系统总损耗 = 发射器增益 + 接收器增益 + 自由空间损耗

系统总损耗是负数，因为发射器和接收器的总增益是正数，而自由空间总损耗是负数。接收器灵敏度为负数。

如果得到的链路余量大于10 dBi，表明接收器应当能够可靠接收无线电信号。如果得到的链路余量小于10 dBi，则用于计算的天线可能并非适合该环境的正确天线。如果未超出FCC规定，请不妨使用具有较高增益的天线，并重新计算链路余量。 

自由空间损耗是指无线电信号在大气中传播时自然衰减，并且与天线类型或其规格无关的部分。

无线电信号范围与频率成反比。频率越低，范围越远，信号对路径损耗和干扰的敏感度就越低。自由空间损耗方程式为：

FSL_900MHz = 31.5 + 20 Log d（d的单位为米）

FSL_2.4GHz = 40 + 20 Log d（d的单位为米）

在计算发射器或接收器的总增益时，应纳入布线、连接器、任何有助于信号传播的项目的所有损耗。

所有无线电发射器、接收器、天线、布线和连接器的数据表应列出发射功率、接收灵敏度、天线增益和布线损耗。连接器对的损耗可能为0.5 dB，而避雷器的损耗可能为0.5至1.5 dB。布线损耗因制造商而异，通常按每100英尺的电缆列出。

唯一有问题的参数就是自由空间损耗。通过使用自由空间损耗方程式，系统工程师应当能够确定点对点无线电系统中的每个链路是否有足够的链路余量。

邦纳SureCross无线电设备被设计为可以使用各种各样的天线，从用于小型网络的低增益全向天线，到用于远距离视距应用的高增益八木天线，无所不包。邦纳所有天线都符合FCC要求和规定。

安装天线后，便可使用所有网关设备中包含的邦纳现场勘测功能轻松分析信号强度。进行现场勘测时，可以报告丢失的和收到的数据包数量，从而分析网关和网络内任何节点之间的无线电通信链路。现场勘测结果以收到的数据包的百分比列示，并指明接收到的信号的强度。

对于加工应用中的监测和控制领域，没有我们做不到的，只有您想不到的。从储罐液位到管线压力，从温度到电压，SureCross无线网络都能轻松可靠地部署、扩展、分析以及重新部署到大多数环境中。