無線WiFi天線增益計算公式

2023年12月6日發(fā)(作者：給孩子的生日祝福)

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無線WiFi-天線增益計算公式

附1:天線口徑和2.4G頻率的增益

0.3M 15.7DBi

0.6M 21.8DBi

0.9M 25.3DBi

1.2M 27.8DBi

1.6M 30.3DBi

1.8M 31.3DBi

2.4M 33.8DBi

3.6M 37.3DBi

4.8M 39.8DBi

附2:空間損耗計算公式

Ls=92.4+20Logf+20Logd

附3:接收場強計算公式

Po-Co+Ao-92.4-20logF-20logD+Ar-Cr=Rr

其中Po為發(fā)射功率,單位為dbm.

Co為發(fā)射端天線饋線損耗.單位為db.

Ao為天線增益.單位為dbi.

F為頻率.單位為GHz.

D為距離,單位為KM.

Ar為接收天線增益.單位為dbi.

Cr為接收端天線饋線損耗.單位為db.

Rr為接收端信號電平.單位為dbm.

例如:AP發(fā)射功率為17dbm(50MW).忽略饋線損耗.天線增益為10dbi.距離為2KM.接收天線增益為10dbi.到達接收端電平為17+10-92.4-7.6-6+10=-69dbm

附4: 802.11b 接收靈敏度

22 Mbps (PBCC): -80dBm

11 Mbps (CCK): -84dBm

5.5 Mbps (CCK): -87dBm

2 Mbps (DQPSK): -90dBm

1 Mbps (DBPSK): -92dBm

(典型的測試環(huán)境：包錯誤率PER < 8% 包大小： 1024 測試溫度：25ºC + 5ºC)

附5: 802.11g 接收靈敏度

54Mbps (OFDM) -66 dBm

8Mbps (OFDM) -64 dBm

36Mbps (OFDM) -70 dBm

24Mbps (OFDM) -72 dBm

bps (OFDM) -80 dBm

2Mbps (OFDM) -84 dBm

9Mbps (OFDM) -86 dBm

6Mbps (OFDM) -88 dBm

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發(fā)一個計算拋物面半徑的公式，不少人拿到拋物面可以一下子計算不出來焦點。

r=(4*h*h+l*l)/8*h

式中r是拋物面半徑，l是拋物面開口口徑，也就是弦長，h是弦長中點到拋物面頂點的距離，拋物面的深度，也就是弦高。直徑D=2r.

對于增益天線工作原理較為通俗的說法就是:在現(xiàn)有天線周圍放置規(guī)則的金屬拋物面，使天線位于拋物面的內(nèi)反射焦點處，通過電磁波反射在焦點處形成能量集中，從而增強電磁信號的收發(fā)，實現(xiàn)在特定方向增強信號。

制作簡單的增益天線的關鍵就在于找到比較規(guī)則的金屬拋物面和計算拋物面的焦點位置。金屬拋物面并不一定要求用金屬板，也可以是網(wǎng)狀、柵欄狀金屬材料。焦點位置的確定需要根據(jù)所選拋物面的形狀來計算。

計算公式:F=D×D/16H (m)

其中，D為拋物面的直徑，H為拋物面的深度，單位為m。

考慮到存在一定誤差，因此可以用更簡單的估算公式進行計算，即F=0.3D～0.4D。

鏈路及空間無線傳播損耗計算

5.1 鏈路預算

上行和下行鏈路都有自己的發(fā)射功率損耗和路徑衰落。在蜂窩通信中，為了確定有效覆蓋范圍，必須確定最大路徑衰落、或其他限制因數(shù)。在上行鏈路，從移動臺到基站的限制因數(shù)是基站的接受靈敏度。對下行鏈路來說，從基站到移動臺的主要限制因數(shù)是基站的發(fā)射功率。通過優(yōu)化上下行之間的平衡關系，能夠使小區(qū)覆蓋半徑內(nèi)，有較好的通信質(zhì)量。

一般是通過利用基站資源，改善網(wǎng)絡中每個小區(qū)的鏈路平衡（上行或下行），從而使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。最終也可以促使切換和呼叫建立期間，移動通話性能更好。圖5-01是一基站鏈路損耗計算，可作為參考。

圖5-01

上下行鏈路平衡的計算。對于實現(xiàn)雙向通信的GSM系統(tǒng)來說，上下行鏈路平衡是十分重要的，是保證在兩個方向上具有同等的話務量和通信質(zhì)量的主要因素，也關系到小區(qū)的實際覆蓋范圍。

下行鏈路（DownLink）是指基站發(fā)，移動臺接收的鏈路。

上行鏈路（UpLink）是指移動臺發(fā)，基站接收的鏈路。

上下行鏈路平衡的算法如下：

下行鏈路（用dB值表示）：

PinMS = PoutBTS - LduplBTS - LpBTS + GaBTS + Cori + GaMS + GdMS - LslantBTS - LPdown

式中：

PinMS 為移動臺接收到的功率；

PoutBTS為BTS的輸出功率；

LduplBTS為合路器、雙工器等的損耗；

LpBTS為BTS的天線的饋纜、跳線、接頭等損耗；

GaBTS為基站發(fā)射天線的增益；

Cori為基站天線的方向系數(shù)；

GaMS為移動臺接收天線的增益；

GdMS為移動臺接收天線的分集增益；

LslantBTS為雙極化天線的極化損耗；

LPdown為下行路徑損耗；

上行鏈路（用dB值表示）：

PinBTS = PoutMS - LduplBTS - LpBTS + GaBTS + Cori + GaMS + GdBTS -LPup +[Gta]

式中：

PinBTS為基站接收到的功率；

PoutMS為移動臺的輸出功率；

LduplBTS為合路器、雙工器等的損耗；

LpBTS為BTS的天線的饋纜、跳線、接頭等損耗；

GaBTS為基站接收天線的增益；

Cori 為基站天線的方向系數(shù)；

GaMS為移動臺發(fā)射天線的增益；

GdBTS為基站接收天線的分集增益；

Gta為使用塔放的情況下，由此帶來的增益；

LPup為上行路徑損耗。

根據(jù)互易定理，即對于任一移動臺位置，上行路損等于下行路損，即：

LPdown = LPup 設系統(tǒng)余量為DL ，移動臺的惡化量儲備為DNMS ，基站的惡化量儲備為DNBTS，移動臺的接收機靈敏度為MSn，基站的接收機靈敏度為BTSn， Lother為其它損耗，如建筑物貫穿損耗、車內(nèi)損耗、人體損耗等。于是，對于覆蓋區(qū)內(nèi)任一點，應滿足：

PinMS - DL - DNMS - Lother >= MSn

PinBTS - DL - DNMS - Lother >= BTSn

上下行鏈路平衡的目的是調(diào)整基站的發(fā)射功率，使得覆蓋區(qū)邊界上的點（離基站最遠的點）滿足：

PinMS - DL - DNMS - Lother = MSn

于是，得到了基站的最大發(fā)射功率的計算公式：

PoutBTS <= MSn - BTSn + PoutMS + GdBTS - GdMS + LslantBTS - Gta + DNMS -

DNBTS

5.2 各類損耗的確定

◆ 建筑物的貫穿損耗

建筑物的貫穿損耗是指電波通過建筑物的外層結構時所受到的衰減，它等于建筑物外與建筑物內(nèi)的場強中值之差。

建筑物的貫穿損耗與建筑物的結構、門窗的種類和大小、樓層有很大關系。貫穿損耗隨樓層高度的變化，一般為-2dB/層，因此，一般都考慮一層（底層）的貫穿損耗。

下面是一組針對900MHz頻段，綜合國外測試結果的數(shù)據(jù)：

--- 中等城市市區(qū)一般鋼筋混凝土框架建筑物，貫穿損耗中值為10dB，標準偏差7.3dB；郊區(qū)同類建筑物，貫穿損耗中值為5.8dB，標準偏差8.7dB。

--- 大城市市區(qū)一般鋼筋混凝土框架建筑物，貫穿損耗中值為18dB，標準偏差7.7dB；郊區(qū)同類建筑物，貫穿損耗中值為13.1dB，標準偏差9.5dB。

--- 大城市市區(qū)一金屬殼體結構或特殊金屬框架結構的建筑物，貫穿損耗中值為27dB。

由于我國的城市環(huán)境與國外有很大的不同，一般比國外同類名稱要高8---10dB。

對于1800MHz，雖然其波長比900MHz短，貫穿能力更大，但繞射損耗更大。因此，實際上，1800MHz

的建筑物的貫穿損耗比900MHz的要大。GSM規(guī)范3.30中提到，城市環(huán)境中的建筑物的貫穿損耗一般為15dB，農(nóng)村為10dB。一般取比同類地區(qū)900MHz的貫穿損耗大5---10dB。

◆ 人體損耗

對于手持機，當位于使用者的腰部和肩部時，接收的信號場強比天線離開人體幾個波長時將分別降低4---7dB和1---2dB。 一般人體損耗設為3dB。

◆ 車內(nèi)損耗

金屬結構的汽車帶來的車內(nèi)損耗不能忽視。尤其在經(jīng)濟發(fā)達的城市，人的一部分時間是在汽車中度過的。

一般車內(nèi)損耗為8---10dB。

◆ 饋線損耗

在GSM900中經(jīng)常使用的是7/8″的饋線，在1000MHz的情況下，每100米的損耗是4.3dB；在2000MHz的情況下，每100米的損耗則為6.46dB，多了2.16個dB。

5.3 無線傳播特性

移動通信的傳播如圖5-02中的曲線所示，總體平均值隨距離減弱，但信號電平經(jīng)歷快慢衰落的影響。慢衰落是由接受點周圍地形地物對信號反射，使得信號電平在幾十米范圍內(nèi)有大幅度的變化，若移動臺在沒有任何障礙物的環(huán)境下移動，則信號電平只與發(fā)射機的距離有關。所以通常某點信號電平是指幾十米范圍內(nèi)的平均信號電平。這個信號的變化呈正態(tài)分布。標準偏差對不同地形地物是不一樣的，通常在6－8dB左右。快衰落是疊加在慢衰落信號上的。這個衰落的速度很快，每秒可達幾十次。除與地形地物有關，還與移動臺的速度和信號的波長有關，并且幅度很大，可幾十個dB，信號的變化呈瑞利分布。快衰落往往會降低話音質(zhì)量，所以要留快衰落的儲備。

圖5-02

無線電波在自由空間的傳播是電波傳播研究中最基本、最簡單的一種。自由空間是滿足下述條件的一種理想空間：1. 均勻無損耗的無限大空間，2. 各項同性，3. 電導率為零。應用電磁場理論可以推出，在自由空間傳播條件下，傳輸損耗Ls的表達式為：

Ls＝32.45+20lgf+20lgd

自由空間基本傳輸損耗Ls僅與頻率f和距離d有關。當f 和d擴大一倍時，Ls均增加6dB，由此我們可知GSM1800基站傳播損耗在自由空間就比GSM900基站大6個dB，如圖5-03所示。 圖5-03

陸地移動信道的主要特征是多徑傳播，實際多徑傳播環(huán)境是十分復雜的，在研究傳播問題時往往將其簡化，并且是從最簡單的情況入手。僅考慮從基站至移動臺的直射波以及地面反射波的兩徑模型是最簡單的傳播模型。兩徑模型如圖5-04所示，應用電磁場理論可以推出，傳輸損耗Lp的表達式為：Lp=20lg(d2/(h1*h2))

圖5-04

5.4 常用的兩種電波傳播模型

◆ Okumura電波傳播衰減計算模式

GSM900MHz主要采用CCIR推薦的Okumura電波傳播衰減計算模式。該模式是以準平坦地形大城市區(qū)的中值場強或路徑損耗作為參考，對其他傳播環(huán)境和地形條件等因素分別以校正因子的形式進行修正。不同地形上的基本傳輸損耗按下列公式分別預測。

L(市區(qū)）＝69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)-s(a)

L(郊區(qū))=64.15+26.16lgf-2[lg(f/28)]2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)

L(鄉(xiāng)村公路)=46.38+35.33lgf-[lg(f/28)]2-2.39(lgf)2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)

L(開闊區(qū))=28.61+44.49lgf-4.87(lgf)2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)

L(林區(qū))=69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2) 其中：

f----工作頻率，MHz

h1---基站天線高度，m

h2---移動臺天線高度，m

d----到基站的距離，km

a(h2)---移動臺天線高度增益因子，dB

a(h2)=(1.1lgf-0.7)h2-1.56lgf+0.8(中，小城市)

=3.2[lg(11.75h2)]2-4.97(大城市)

s(a)---市區(qū)建筑物密度修正因子，dB;

s(a)=30-25lga (5%

=20+0.19lga-15.6(lga)2 (1%

=20 (a≤1%)

◆ Cost-231-Walfish-Ikegami電波傳播衰減計算模式

GSM 1800 MHz主要采用歐洲電信科學技術研究聯(lián)合推薦的"Cost- 2-Walfish-Ikegami"電波傳播衰減計算模式。該模式的特點是：從對眾多城市的電波實測中得出的一種小區(qū)域覆蓋范圍內(nèi)的電波損耗模式。

分視距和非視距兩種情況：

(1) 視距情況

基本傳輸損耗采用下式計算

L＝42.6+26lgd+20lgf

(2) 非視距情況

基本傳輸損耗由三項組成:

L＝Lo+Lmsd+Lrts

Lo=32.4+20lgd+20lgf

a)Lo代表自由空間損耗

b)Lmsd是多重屏蔽的繞射損耗

c)Lrts是屋頂至街道的繞射及散射損耗。

不管是用哪一種模式來預測無線覆蓋范圍，只是基于理論和測試結果統(tǒng)計的近似計算由于實際地理環(huán)境千差萬別，很難用一種數(shù)學模型來精確地描述，特別是城區(qū)街道中各種密集的、下規(guī)則的建筑物反射、繞射及阻擋，給數(shù)學模型預測帶來很大困難。因此。有一定精度的預測雖可起到指導網(wǎng)絡基站選點及布點的初步設什，但是通過數(shù)學模型預測與實際信號場強值總是存在差別。由于移動環(huán)境的復雜性和多變性，要對接受信號中值進行準確計算是相當困難的。無線通信工程上的做法是，在大量場強測試的基礎上，經(jīng)過對數(shù)據(jù)的分析與統(tǒng)計處理，找出各種地形地物下的傳播損耗（或接受信號場強）與距離、頻率以及天線高度的關系，給出傳播特性的各種圖表和計算公式，建立傳播預測模型，從而能用較簡單的方法預測接受信號的中值。

5.5 參考覆蓋標準

大城市繁華市區(qū)室內(nèi)覆蓋電平：-70dBm

一般市區(qū)室內(nèi)覆蓋電平：-80 dBm 市區(qū)室外覆蓋電平：-90 dBm

鄉(xiāng)村：-94 dBm

附件一：雙極化90°定向天線 附件二：全向天線

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