无线天线

2024-09-26

无线天线（通用10篇）

无线天线篇1

随着无线技术的发展,无线路由器的应用也越来越多,无论是办公室还是学生宿舍都可以看到无线路由器的身影。无线路由器不仅性能齐全,还为用户解决了烦乱的网线烦恼,所以很受用户好评。

裴讯FreeRouter703采用了双天线的设计,两根3dBi天线可以有很广的网络覆盖范围和优秀的传输能力,使用也很简单。

FreeRouter703采用RT3050F一体化芯片解决方案,无线传输速度为54M,符合802.11g网络协议,为用户提供良好的网络环境。

FreeRouter703在安全性能方面也有保障,具备多重安全防护技术,拥有基于MAC地址的访问控制,支持64/128位WEP数据加密与SSID广播控制,同时还配备了防火墙功能,可以防止病毒入侵,保障网络安全。

而且裴讯FreeRouter703的售价仅仅120元,如此具备广阔网络覆盖范围、良好的传输能力还兼具安全防护功能的无线路由,可以是预购无线路由的用户很好的选择。

无线天线篇2

本稿是Anywlan.com和PConline携手共同举办的《全民DIY大赛》中另一个获奖作品，通过上篇《18db铜丝平板天线制作方法》的介绍，相信大家对天线对无线信号的增强效果有了一个明确的概念，但是还有很多朋友对怎么样制作天线，怎么样把天线振子和馈线进行焊接，怎么选择馈线等这些细节问题比较模糊。

今天我们来介绍一款13DB的双菱形天线，在此也感谢作者vodka的精彩作品，他很详细的介绍了天线馈线的选择，振子和馈线的焊接方法。独乐乐不如众乐乐。希望大家也能做出一款好的双菱天线。一、天线概述

双菱天线是最容易制作的，而且是增益较高的一种定向天线。材料也很容易收集，初学者很容易就能制作成功，而且增强的无线信号效果让人很有成就感，更能激发大家对DIY的信心和兴趣。

二、材料收集以及工具准备

型号为mil-c-17 RG-316 50Ω的镀银特氟龙高温线准备5M，估计10元/米。横截面积为2.5mm的铜线(这个可以从电力线里面剥出来，但是横截面积要符合)估计4元/米。

准备的部分材料

空调机铜管，外径9mm、内径7mm，长6CM 奶糖盒子的盖，面积280mm x 200mm x 20mm

奶糖盒盖子拿来当反射板三、制作步骤

1、首先制做天线的中心，也就是振子的部分。

铜丝按规定的长度来进行弯曲

角度要垂直

按照图示来弯曲

振子的成品展示

2、制作天线的支撑物。

用钢质螺钉在标记好的中心位置敲出一个定位点

钻个大小合适的洞, 刚好可以传过铜管

用锉刀或者电动砂轮加工铜管的一头

双菱到反射板高度在20mm左右

3、SMA接头制作方法(馈线接头的做法)

SMA 头和射频线

为什么我们要制做SMA接头，这是因为很多无线路由或AP本身提供有独立的天线接口，这样我们就不需要拆开AP或无线路由在内部焊线了，也就不就用担心设备的保修问题。先剥好射频线，芯线暴露1.7~2mm。

剥线和制做SMA头

射频馈线的中心导体只需要暴露2mm左右，刚好能放进SMA插针里面就好。给馈线的中心导体上一点锡，这样接触更紧密，导电性更好。再把SMA的的针头套上馈线的中心导体，并焊死。

装好SMA头

多余的电缆屏蔽层折上去

套上SMA套件中的铜管，用冷压钳压死

SMA接头的成品

照片上那个黑色的是热缩管。这种东西是防止水渗透到线体里影响导电性的。

万用表测试一下有没有接好, 有没有短路

做好后要测试下有没有问题，测试的时候要同时测线芯与线芯有没有断路、屏蔽层与屏蔽层有没有断路、以及线芯与屏蔽层有没有短路。 4、双菱振子与射频馈线的焊接

先将弯曲好的振子的两个头焊接到空心铜管上

在文章的开头我们已经介绍过如何将空心铜管头部打磨出一定型状的凹槽，其实这就是为了后面我们把振子固定到铜管上而准备的。先把振子的两头分别焊接到铜管上。(注意在焊接的过程不要让成型的振子又变形了)

馈线的线芯与外面包裹线芯的金属屏蔽层分别焊接在双菱的两边，再用一块小塑料片隔开中心导体和屏蔽层，避免下雨的时候两边短路。

成品的.样子

四、数据对比(都是在室外同一位置、同一AP下测试的) 测试的准备工作：

D-link 615无线路由器一部，设置无线路由器工作在802.11g模式下，把无线路由器的发射功率调到最低，信道选择4。

测试使用的是一台宏綦上网本，内置的Atheros 5006x/5007eg (Built-in)无线网卡和本本内置的双天线。

测试软件使用的是CommView Wifi Version 6与NetStumbler 0.40，这两款都是著名的无线网络信号测试软件，没有用过的网友可以在网上找到它们，并有中文版供下载。

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首先我们在这台D-LINK615无线路由器的“高级无线”功能里进行一下修改。发射功率调低、无线工作模式调成只有802.11g。

1、在笔记本电脑距离无线路由器只有1米的情况下，把无线路由器的原装天线分别换成双菱天线及5DB LINKSYS全向天线后的信号强度进行对比测试。

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D-LINK615无线路由器换上DIY的双菱天线后，本本在距离无线路由1米处使用CommView Wifi Version 6软件测量得到的信号强度，信号的最高值可以达到：-19dBm;平均值是：-22dBm;最低值是：-27dBm。

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随后我们又给无线路由器换上两条5dB的LINKSYS全向天线，本本还是在距离无线路由器1米处使用CommView Wifi Version 6软件测量得到的信号强度，信号的最高值可以达到：-28dBm;平均值是：-33dBm;最低值是：-48dBm。

2、把本本放到距离D-LINK无线路由器12米左右，中间还间隔3堵墙的情况下，无线路由器换成DIY的双菱天线及5DB LINKSYS全向天线后的信号强度进行对比测试。

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D-LINK无线路由器换成双菱天线在距离本本12米左右，中间间隔了3堵墙后，本本使用CommView Wifi Version 6软件测量得到的信号强度。信号的最高值可以达到：-75dBm;平均值是：-78dBm;最低值是：-84dBm。

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了3堵墙后，本本使用CommView Wifi Version 6软件测量得到的信号强度。信号的最高值可以达到：-82dBm;平均值是：-88dBm;最低值是：-95dBm。

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D-LINK无线路由器换成DIY的双菱天线在距离本本12米左右，间隔了3堵墙后，本本使用NetStunbler 0.4软件采集得到的信号强度条形图。

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了3堵墙后。本本使用NetStunbler 0.4软件采集得到的信号强度条形图。

通过最后两张NetStunbler 0.4信号强度条形图对比我们可以明显的看到，一个自已DIY的双菱天线确实要强过两根5dB LINKSYS的全向天线。这足以证明DIY天线是成功的，而且具有很好的效果!

五、制作过程中的常见问题、总结 1、菱形的边长到底要多少?

答：双菱天线的谐振频率是由总长度决定的，你想设计哪个中心频率呢?如果是6频道，中心频率就是2.437 Ghz，真空中的波长就是 0.12310 米 (λ=C/f = 299792458 / 2437000000 )。我们把空气的介电常数当1。那么双菱天线的谐振频率2.437 Ghz对应的总长度就是 8λ/4=0.2462米=246.2mm，每边长30.775mm。如果选1频道，中心频率就是2.412Ghz。每边长 31.095 mm;如果选11频道，中心频率就是2.462Ghz，每边长30.34mm。因为铜在弯制的过程中会延展，所以最终还是会有误差。因此DIY就不比太深究到底要多少，6频道先取个总长度246mm就可以了。如果成品用扫频仪扫出来谐振频率往低走了，你把两个脚对称的剪短一点点就可以。 2、双菱振子到反射板要距离多少?

答：双菱到反射板的距离会影响整个天线的阻抗，因为双菱是50欧直接馈电的，按照经验就是双菱到反射板的距离由你自己来决定。你可以串一个驻波表，自己测试。10mm~50mm都可以，调整后一般固定在20mm左右。 3、中间的铜管有没有必要?

答：也是由你自己决定的，很多人把它省了也能工作，你可以根据手头上能找到的材料来取舍。我个人觉得还是有帮助的，中间的铜管起支撑的作用，还可以等效于1:1Balun，消除传输电缆屏蔽层的辐射。 4、没有 SMA 接头可以吗?

答：当然可以，而且直接焊接的效果更好。SMA头只是方便连接天线与无线路由或AP，低质量的SMA头还会导致1dB以上的衰减。 5、没有烙铁怎么办? 答：买吧。

6、RG-316电缆好么?

答：可以用，如果有条件可以选RG-142线缆。至于RG-58那就尽量避免了，那是10M细缆以太网用的。错误的选择馈线会导致信号的衰减。 7、天线反射板用哪种材料好?

智能天线开启无线新时代篇3

所谓智能天线，原名自适应天线阵列，最初主要用于雷达、声纳、抗干扰通信、定位、军事方面等，用来完成空间滤波和定位。近年来，随着移动通信的发展以及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入，自适应天线阵列开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信。移动通信研究者给应用于移动通信的自适应天线阵起了一个较吸引人的名字：智能天线。

智能天线利用数字信号处理技术，采用了先进的波束转换技术和自适应空间数字处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，零线对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。与其他日渐深入和成熟的干扰削除技术相比，智能天线技术在移动通信中的应用研究更显示出巨大潜力。

第三代移动通信技术(即3G)是我们现在最关注的移动通信技术。在3G移动通信系统中，我国SCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。作为TD－SCDMA系统中的关键技术之一的智能天线技术能够使系统在高速运动的信道环境中达到较好的性能。

智能天线采用独特的技术，利用在信号传播方向上的差别，将同频率、同时隙的信号区分开来。它可以成倍地扩展通信容量，并和其他复用技术相结合，最大限度地利用有限的频谱资源。另外在移动通信中，由于复杂的地形、建筑物结构对电波传播的影响，大量用户间的相互影响，产生时延扩散、瑞利衰落、多径、共信道干扰等，使通信质量受到严重影响。采用智能天线可以有效的解决这个问题。

用于基台的智能天线是一种由多个天线单元组成的阵列天线。它通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的天线方向图，从而抑制干扰，提高信噪比。它可自动测出用户方向，并将波束指向用户，从而实现波束随着用户走。它可提高天线增益，减少信号发射功率，延长电池寿命，减小用户设备的体积。或在不降低发射功率的前提下，大大增加基站的覆盖率。广义地说，智能天线是一种天线和传播环境与用户和基台的最佳空间匹配通信。

在手机上运用智能天线技术，可以有效地提高通信性能，降低发射功率，减少电波对人体影响。此外，由于智能天线可以从用户方向和传播时延获知用户位置，它将是一种不受建筑物阻挡的定位手段，可以为用户提供新的服务，如导航、紧急救助等。

随着社会信息交流需求的急剧增加、个人移动通信的迅速普及，频率已成为越来越宝贵的资源。智能天线技术是解决频率资源匮乏的有效途径，同时还可以提高系统容量和通信质量。在未来的通信领域内，智能天线将在未来无线网络的布局中，扮演非常重要的角色。下一代无线系统的战略、技术和趋势，将促使智能天线技术进一步发展，并在全球范围内广泛应用。

虚拟多天线无线传感器网络篇4

不同类型的传感器网络的性能限制已经引起了广泛的研究,如文献[1]。在这些研究中主要关注的是抽样和压缩问题或者是信道容量问题。本文提出的无线传感器网络,其目标是在高保真度情况下,在空间和时间基础上搜索一种物理模型。有关该方面的研究,如文献[2,3,4]。文中从多天线的物理层出发,分析了无线传感器网络的性能。由于多天线通信技术的优越特性,其已经被建议用于多个通信标准中。同传统的点到点通信系统相比,多天线通信系统在没有增加系统带宽和发射功率的情况下提高了系统的性能。另外通过以空间分集的方式使用多天线技术,能够提高系统的信道容量[5]。本文的主要目标是分析得出误比特率和传感器节点的数目、基站数目以及节点传输总功率之间的关系。

1虚拟多天线无线传感器网络模型

本文提出的虚拟多天线无线传感器网络的模型如图1所示。

在该模型中,有一个物理现象,用来产生信源比特“1”或“0”,用“S”来表示。通过节点各自的识别器,节点间的相互通信和反馈信号来形成虚拟多天线无线传感器网络,假定该网络具有精确的时间同步。还假定中间数据汇聚单元能理想地连接到基站,因而基站收集到的数据能够被中间数据汇聚单元协作地处理。下面介绍网络参数。

1.1信道特性H

定义传输天线(传感器节点)和接收天线(基站)的数目分别为t和r。在该线性模型中,接收向量Y和发送向量X之间的关系为:

Y=HX+N。 (1)

式中,,是一个r×t矩阵;N为一个均值为零独立同分布的高斯噪声。矩阵H的特性如下:

① H是一个与信道特性相关的随机矩阵;

② H是确定的并且对于发送部分和接收部分来说都是已知的;

③ H是一个随机矩阵但一旦选定则为固定的。

利用奇异值分解理论,矩阵H能够被表示为:

H=UDVT。 (2)

式中,U为r×r的酉矩阵;V为t×t的酉矩阵;D为r×t的非负对角矩阵。实际上,矩阵D对角线上的非负元素为矩阵HHT的特征值的均方根,矩阵U的列为HHT的特征向量,矩阵V的列为HTH的特征向量。可将式(1)表示为:

Y=UDVTX+N。 (3)

1.2信源信息处理

该模型中通过S将物理现象转换为比特信号s,然后通过重复器和前向编码器形成发送向量X=[x1,x2,…,xt]T,最后通过t个传感器节点将信息传输出去。

1.3信道的空间带宽B

从式(2)得到传输矩阵H有k(k≤min{t,r}) 个非零奇异值定义为:β1,β2,…,βk。每一个非零奇异值表示一个单独的空间信道。在这种情况下,矩阵的秩相应地表示信道的空间带宽,具体表示为:

B=rank(H)。

1.4传输信号向量X所需的能量

从以上分析知道,传输信号向量X能够表示为:X=VS,这里V为一个t×t的酉矩阵并且由传输矩阵H所决定。S为信源信号向量[s,s,…,s]。所以,传输信号向量X所需的能量为:

P=E(XTX)=tE(sTs)。

假定E(sTs)=E,则P=tE。

2虚拟多天线无线传感器网络性能分析

在这里将利用贝叶斯判决准则分析虚拟多天线无线传感器网络的性能。因为信息比特s为“1”或“0”,这里假定undefined表示比特“1”,undefined表示比特“0”,并且假定发送比特“0”和“1”的概率相同。

定理1:虚拟多天线无线传感器网络的误比特率为:

undefined。 (4)

式中,k为传输矩阵H的秩;λ1,λ2,…,λk为矩阵HHT特征值的均方根;E为信源比特s的能量;σ为噪声方差的均方根。

证明:由图2,基站接收信号向量Y为:

Y=HX+N=UDS+N。 (5)

所以经过接收机修正后的信号R为:

R=UTY=(λ1+λ2+…+λk)s+UTN。 (6)

式中,k为传输矩阵H的秩;λ1,λ2,…,λk为矩阵HHT特征值的均方根。

因为信源比特s可被表示为:undefined或undefined,所以得到:

undefined为比特“1 ”;

undefined为比特“-1”。

又因为

E(UTN)=0, (7)

E((UTN)T(UTN))=σ2, (8)

由式(5)～(8)得到:

又由贝叶斯判决准则:

即

这样,误比特率就可以表示为:

undefined

式中,Q函数定义为:undefined。证毕

推论1(互惠性):由于矩阵HTH和矩阵HHT有相同的非零特征值,所以相应于通信信道H和HT的系统性能相同。

例1:假如对于所有的r和t,传输信道矩阵为:Hrt=1,则H可以表示为:

这样发现在对矩阵H进行奇异值分解后,对角矩阵D将只有一个非零元素undefined。利用式(4),系统的误比特率为:

undefined。

由于Q函数Q(x)随着x的单调增加单调减小,所以同点到点无线传感器网络(其误比特率为undefined相比,多天线无线传感器网络的误比特率减少了。点到点无线传感器网络和例1中多天线无线传感器网络的误比特性能如图2所示。

3虚拟多天线无线传感器网络的能量特性

在无线传感器网络中,由于传感器节点一旦布置了,节点的电池很难更换,因而无线传感器网络中一个很重要的事情就是节约传感器节点传输信息消耗的能量。因此,将讨论如图1所示虚拟多天线无线传感器网络的能量特性。

定理2:同点到点无线传感器网络相比,在相同误比特率性能条件下,虚拟多天线无线传感网络中每个节点消耗的能量为:

EMIMO=ESISO/(λ1+λ2+…+λk)2。

式中,k为传输矩阵H的秩;λ1,λ2,…,λk为矩阵HHT特征值的均方根;ESISO为点到点无线传感器节点传输1比特信息传感器节点消耗的能量;EMIMO为虚拟多天线无线传感器网络中传输1比特信息每个传感器节点消耗的能量。

证明:由式(4)和点到点无线传感器网络的误比特率undefined,如果二者的误比特率相同,则

undefined。 (9)

从式(9)得到:

undefined

例2:取r=t=n和H=In。则有

λ1=λ2=…=λn=1。

所以,EMIMO=ESISO/n2。

由例2可以发现,多天线无线传感器网络中每个节点消耗的能量减少了,从而延长了每个节点的寿命。由于传感器网络中的每个节点的寿命被延长了,因而整个网络的寿命也同样被延长了。

4结束语

本文分析了虚拟多天线无线传感器网络的性能。结果表明,在无线传感器网络中使用多天线技术能够提高无线传感器网络的性能,同点到点的无线传感器网络相比较,在天线传输信号能量相同的情况下,虚拟多天线无线传感器网络的误比特概率(BER)更小;或者在同样误比特概率情况下,虚拟多天线无线传感器网络的天线传输信号能量更低。这些特性能够提高无线传感器网络的性能或延长无线传感器网络的使用寿命。

参考文献

[1] CHAMBERLAND J F,VEERAVALLI V V.Decentralized Detection in Sensor Networks [J].IEEE Transactions on Signal Processing,2003(51):407-416.

[2] GASTPAR M,VETTERLI M.On the Capacity of Large Gaussian Relay Networks [J].IEEE Transactions on Information Theory,2005,51(3):765-779.

[3] GASTPAR M,VETTERLI M.Source-channel Communication in Sensor Networks[C].In 2nd Int Workshop on Info Proc in Sensor Networks.New York,NY:Lecture Notes in Computer Science,Springer,2003:162-177.

[4] GASTPAR M,VETTERLI M.Power,Spatio-temporal Bandwidth,and Distaortion in Large Sensor Networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2005,23(4):745-754.

无线天线篇5

我的是TP-LINK的`108M笔记本无线网卡，呵呵呵

把上面的塑料盖打开(要小心，用巧劲)，会看到PCB上印刷的一对小天线，用小刀或是一字改锥将表面的阻焊层划开，我做的天线是用有线电视线里面的铜芯做的，大约30公分左右吧，找了一只笔缠成螺旋样，最后，上电烙铁，注意静电，我是加热后去焊的。

试了一下，很爽的，在我家阳台上收到近10个信号，有大有小，呵呵

这个天线做完后盖子不太好弄了，我就露着了，你也可以在原来上弄个孔放回去。

还有，天线多长?多少螺旋效果最好?可不可以伸出窗外?我都没有试，如果你试过了，请发上来。

大家回家试试吧。

好东西一定要分享，一般人我不告诉他(她)。

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论无线电通信中天线的作用篇6

由于当今科技的进步, 人们逐渐意识到电磁波对我们生活的改变, 进过不断的尝试以及努力, 研制出了电磁波的系统工程, 这就是我们指的无线电通信。无线电通信对于我们生活的各个层面都有所涉及, 电视电台、广播、电子导航等每个领域都需要使用到无线电通信技术。电波能量的发射以及电波能量的接收是构成无线电通信的两个方面, 这两个方面都需要天线, 所以, 天线属于无线电通信系统当中可以实现信号传播的重要组成部件。天线的工作原理采用了当今数字化信息处理技术, 天线在无线电通信系统里具有了不可动摇的地位, 它让远程传输得以实现, 让无线电远程通讯业得以实现, 由于无线电通讯体系以及天线技术的研发, 加快了社会的文明发展, 文章通过研究无线电通讯中天线的作用, 为相关人员提供一些工作上的参考。

1 天线工作的基本原理

众所周知, 天线的主要作用就是指可以进行无线电电波的发射及查收, 可是, 这个发射及查收的过程是如何形成的?就要从天线在无线电通信里的工作原理当中找出答案。

电场的改变所引起的磁场改变, 可是磁场的改变又会导致电场的改变, 这两方面的改变时相互循环的进行变化的, 导致的结果就是产生了电磁波动, 电磁波动是具有辐射型的, 可以朝着远处辐射, 而且天线可以对电磁波进行感知, 而且天线还具有非常强的方向性, 可以通过正确的定位进行电磁波的发射和查收。

2 天线在无线电通信当中的作用

(1) 天线对于辐射出来的无线电电磁波信号具备了非常强的感应作用。一旦没有天线的感应作用, 仅通过肉眼是无法辨别出无线电电磁波的, 这样也就无法将无线电电磁波运用到人们的生活当中。无线可以接收到这些电波, 之后通过感应电磁波信号里所提供的信息进行提取。天线对于信号进行信道分离的方式, 这样不但可以很好的降低信号的干扰, 还会降低信号的衰弱。并且, 通过前面两种情况的作用下, 天线让基站以及客户之间建立起无线连接。

(2) 天线的导体会通过实际的运用过程产生损耗, 这样的损耗对于无线电信传播的准确性产生了变化, 导致了天线的功率无法完全转换为电磁波。此时, 天线就可以作为一个能量的转换器, 其作用是为了降低各个原因造成的损耗, 之后同馈线进行撇配, 加强辐射的电阻, 以便降低信号的损耗, 确保信号在转换以及传输的过程中是准确无误的。

(3) 天线的效率同方向系统的乘积就是为天线增益, 它是评价天线变换能量的真实效率, 判断天线方向性的关键参数, 天线增益可以描绘出天线在进行输入功率时的集中程度, 天线的层数越高, 所产生的增益就越多, 可是天线层数并不是越高越好, 由于受到了空间的限制, 所以, 一定要合理的对天线层数和增益进行设计。在无线电通信系统当中, 在输入功率一定的状况里, 无线可以很大程度的提升辐射功率, 进而构成系统的增益。

(4) 辐射阻抗同输入阻抗:通常降到的输入阻抗, 就是指通过馈电端所表现出来的阻抗, 这个阻抗的值是馈电电流以及馈电电压之间的对比。通常来讲, 这样的比值属于复数。如果将这个复数的真实值看成输入电阻, 将虚数的部分看成是电抗。当天线的回路发生匹配疑惑协调问题的时候, 就一定要通过了解输出电阻以及输入电抗的值来进行, 因此输入阻抗属于一个非常关键的参数。通过无线电通信系统, 天线的具体构成以及天线的工作频率成为了影响输入阻抗的关键因素, 此外天线的工作环境等一些原因也会对输入阻抗构成一定的影响。因此, 我们在生活中通过安装, 对天线的规格以及形状都要进行严格的控制, 要选择出合格构造的天线, 并且, 所选择的辐射电阻越大的天线, 才能有效的确保天线的输入阻抗同馈线阻抗相结合。

(5) 计划效率属于天线真正查收功率以及匹配顺利时天下在这个方位上查收功率的比值, 如果接受天线以及发射天线的两极分化的特性不合拍, 就会导致极化的损失, 所以, 为了保证接受天线可以获得更大程度的电磁波能量, 接受天线同发射天线的极化方法一定要进行方向的一致。对于某种特殊的定位而言, 在天线辐射最大的范围里, 电场矢量会由于时间的改变而让形状变成之直线, 这个天线就是线极化天线, 电场矢量由于时间的改变而产生的圆形, 就是圆极化天线, 电场矢量由于时间的改图形是椭圆的话, 这个天线就是椭圆极化天线, 由于无线电寻衅的系统里, 天线的类别原色圆极化天线, 合理的提升了通讯的可靠性, 就算客户正处于高速运转的状态, 也可以保证高品质的通讯。

(6) 天线阵。天线阵属于当今无线电通信系统里进行真实的工作时, 开发的一个可以强化电磁波辐射的强度以及方向性的办法, 属于天线在真实的无线电通信里关键的作用之一。具体的办法如下:把工作频率相同的一些天线, 用一定的规律进行分组和排列, 这就构成了通常所讲的天线阵。如果电磁波通过的时候, 由于天线阵的作用, 电磁波就会产生矢量叠加的现象。这就会有效的强化电磁波辐射的强度以及方向性, 对于整体无线电通信具有了无法评估的巨大增幅作用。

3 结束语

无线电通信技术的开发为人们生活以及工作带来了非常便利的条件, 也为企业和个人带来了非常可观的收益, 天线的使用实现了电磁波的远程发射机接收, 并且在航天和军事的各个范围都具备了非常关键的意义。对于未来的发展, 由于科技的继续进步, 无线电通信系统也会得到更好的进步, 在继续完善的过程中为人们带来丰富的经济效益和社会效益。

摘要：对于无线电通信技术来讲, 天线属于其中的重要组成部分, 天线的主要功能就是信号输出, 它属于输出信号的单位, 所有的无线电通信系统都需要经过天线来形成电磁波的远程发射, 由此可见, 一切的无线电通信系统里都无法离开天线, 天线属于至关重要的前端不见, 由于当今社会的发展, 科技的进步, 导致无线电通信技术里不断应用了智能天线, 促进了无线电通信技术朝着高效率、高品质、高容量的方向迈进。

关键词：无线电,通信技术,天线,系统

参考文献

[1]王军.第三代移动通信技术发展的若干问题[J].电子工程师.1999 (12) .

[2]童克波, 宋荣方.无限通信中软件无限点结构的职能天线技术[J].江苏通信技术.199 (906) .

[3]黄莉莉, 杨大成, 常永宇.智能天线在TD-SCDMA下行链路中的应用及性能分析[A].现代通信理论与信号处理进展——2003年通信理论与信号处理年会论文集[C].2003.

有源天线在无线通信领域的应用篇7

在移动通讯中无线通讯扮演着越来越重要的角色。无线通讯(Wireless communication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。近年来虽然全球经济受到欧洲经济危机和美国复苏脚步缓慢的不利影响,但全球的无线通信市场仍然保持着增长。而无线通信技术在信息通信领域中是发展最为迅捷,应用最为广泛的,在国内和国际都存在巨大的市场空间。

1 有源天线原理与基本特性

天线是作为信息载体的无线电波的发射或者接收装置,它同时充当了信息的入口和出口两种角色。在无线电接收系统中天线把空间中的无线电波转化为电磁波送入接收机的输入系统;在无线电发射系统中天线把发射机输出的高频电磁波转化为空间无线电波发射出去,由此实现空间中任意两点无线电信号的传输。现代通信要求天线朝小尺寸、宽频带、高效率、大容量、多功能等方向发展[1,2]。

有源天线是在无源天线的基础上接入晶体管、隧道二极管、变容二极管等有源器件。有源器件与无源天线构成了一个不可分割的整体[3],改变了天线金属导线表面电压和电流的分布状况,减少了由于电子频率变化对输入抗阻的影响,由此极大增加了带宽有源接收天线的带宽,可达上百个倍频程。

有源天线在波变换器的基础上与有源电路相结合形成一个有机的整体。由于波变换器的构造类型种类繁多,同时可以与电路形式交叉多种类型,从而极大提高了设计上的自由度,最大发挥有源天线优越性。

(1)在频率较高的波段,由于波长较短,天线可以做到小型化。但是在微波的低频段以下,有源天线可以实现小型化。

(2)有源天线提供了波变换器的方向性增益(即外部增益);同时有源电路部分也提供了电路增益(即内部增益),基于这两点增益提高了系统输出信号的电平。

(3)有源天线系统中有源电路部分是四端口网络,这样的设置在系统接入相匹配网络时,输入端和输出端可以实现有效的阻抗转换。

(4)由于天线对称性与馈线的不对称性之间会导致系统连接的不平衡性,应用有源天线可以降低这种不平衡性,提高无线电系统的电磁兼容性。

(5)有源天线可以提高收信系统的信噪比及灵敏度,降低噪声系数,使天线工作更加稳定可靠。

(6)有源天线可以提高发信天线系统的效率且易于实现对天线方向性系数的控制。

2 有源天线的构架

有源天线是无源电小天线导体与有源电路结合构成。天线单元上连接无源电小天线导体后可以减少天线阵中相邻单元之间相互耦合的影响[4],这样就可以缩小天线阵中相邻单元之间的距离[5]。通常情况下天线自由空间波数与包围辐射器最大尺寸的假想球半径乘积小于0.5时,均可视为电小天线。常用的电小天线有包括电偶极子、电短电对称阵子及电小环形天线等。

在无源天线耦合安装晶体管自身放大倍数以及晶体管在垂直金属导线上的安装位置决定了有源天线的尺寸大小以及固有波长,但是晶体管的参量是不能影响天线的固有波长。如果晶体管安装位置是天线垂直金属导线的输入回馈线,总体上晶体管基本不会影响天线尺寸。这种情况下晶体管只能看成为与天线连接的一个放大器或阻抗变换器。但是如果晶体管安装位置是垂直金属导线的顶端,这时晶体管的放大倍数就会对天线尺寸大小起着至关重要的作用。晶体管的放大倍数影响着天线的固有波长。天线的高度远远小于天线固有波长。有源天线上部水平导线不在参与辐射,只是改变垂直导线上的电流和电压分布。无源天线顶部加载电小天线的最为主要作用是使垂直导线顶部荷载电流达到某一数值。

值得注意的是天线的垂直导线顶部增加上一个电小天线放大器,增加了无源加载时的荷载电流。当增强了加载的作用时电小天线放大器的放大倍数越大,作用就越为明显。电小天线放大器放大倍数直接决定着有源天线的尺寸大小。因为电小天线放大器能将这个导线顶部荷载电流以几何级数放大,所以有源天线的尺寸大大地减小。[6,7]

低噪声放大器在任何有源天线系统中都置于前端位置,这是因为前端放大器的噪声系数决定了有源天线系统的噪声系列参数。该有源电路的噪声系数的单一非线性和匹配性对整个有源天线系统影响巨大。[8,9]

假设输入输出包含在信号源和负载阻抗中,则负载端与发射端的反射系数分别为:

Z0为特性阻抗,当晶体管端口2-2'接负载Z1时,可以求得输入端反射系数和与之对应的输入阻抗。当晶体管端口1-1'接负载Zs时,可以求得输出端反射系数和与之对应的输出阻抗。可以利用网络的入射功率,反射功率,输入功率来进行放大器各种功率增益的分析[10]。

放大器的工作功率增益是指放大器输出端口传送给负载的功率与放大器输入端口的功率比值。它是放大器在实际工作中提供的真实功率增益的量度,还可以通过调整资用功率增益、转换功率增益来使得放大器与网络达到相互匹配,使得有源天线达到更加好的工作状态。

电小天线是有源天线中主要的组成构件,同时对有源天线的性能、功率有着直接的影响。电小天线辐射品质因数(简称Q值)是天线电尺寸的函数,天线电大小对其Q值与天线电尺寸成正比[11]。Q值是最小值,是不能无限的降低的。Chu L J利用球型波函数和球型贝塞尔函数的循环关系确定球型TM模和TE模的波阻抗对应的集总等效电路模型。[12]

(1)用波阻抗关系计算出Q的最小值为[13]:

K:天线自由空间波数,

α:包围辐射器最大尺寸的假想球半径,

(2)考虑天线和输入端口间电阻非平衡影响和空间内存储的能量制衡。进一步改进了Q理论最小值。

图1为值和ka值的关系曲线,从图上曲线可以看出ka值减小导致天线的Q值非线性增大,反之随着Q值的增大频带宽度变得越来越窄。

电小天线的技术指标主要包括阻抗特性和辐射效率两方面。假设天线导体内电流呈余弦分布,同时认定导体表面到导体内部的电流分布密度呈指数逐步衰减的趋势。以导体直径大于0.5mm的长度为1m偶极有源天线为例。在ka=0.5处,天线辐射效率均大于90%。当ka值远小于0.5时,天线的效率则急剧下降趋于0。所以当使用电小天线的时候,为了得到较高辐射效率,则需要适当地增大天线导线的直径。当电小天线选择合适直径的导体时,有源天线可以忽略损耗电阻的影响。由于电抗为负数,则其表现为一个小电容,但电容值基本不随频率变化,当选择足够粗的导线作为电小天线的导体时,损耗电阻可以忽略。

3 有源天线网络应用

有源天线的出现使网络优化可以成为现实。有源天线将无源电波辐射器与有源射频电路发射装置有机地结合为新一代基站设备。有源天线的一体化就是将基站中射频发射部分统一集中到有源天线内部,通过多端口的射频和天线阵模块排列配合,完成射频信号的收发。有源天线的应用不仅可以大大降低系统内部辐射损耗,同时还可以提高网络覆盖面积,简化地面、塔面设备,减少大量的建设资金同时缩短了工期。

有源天线网络连接的基本结构是天线矩阵中单一天线阵子与有源天线连接,其中包含了A/D转换器、放大器,低噪声放大器,天线共用器,数字信号处理模块通过内置可编程功能模块来控制所有的微型单元,从而实现了数字信号同步功能和数字波束赋形基带(中频)信号的最佳组合或者分配。

有源天线内部的射频部件与传统的基带信号转成光信号传送,与远端放大技术相比较,主要区别是采用了大量的矩阵化、集成化微型化的无线电芯片和低噪声放大器,双工器。采用这种结构的有源天线能够进一步减少馈线之间由于相互的电磁影响而导致的功率损耗。在相同输出功率的情况下功耗更小,有源天线射频部分置于塔顶可以通过自然散热来降温,机房内空调使用率就会大大降低,从而有效降低移动网络的总体能耗。

由于有源天线矩阵中每个阵子配备了独立的接收发射单元,通过这种独立的单位控制信号幅度和波形相位,同时具备电子下倾功能,通过增加下倾角度,可以使基站扇区覆盖面积缩小,但不产生新的信号干扰,同时大大提高了机顶输出功率和接收机的灵敏度。

此外,有源天线采用分布式多通道设计结构,整个基站扇区不会因为矩阵中某些阵子的失效影响整体服务功能。当系统自检发现某些阵子损坏后,系统自身会调整剩余阵子的幅度和波形相位来补偿功率增益损失,从而实现自动补偿功能(自愈功能),大大提高了系统的可靠性。

同传统的无线基带控制和射频拉远单元相比,有源天线基站在安装上节省了更多的空间,降低了地面建筑用地。这种高度集成的产品更容易安装和替换,减少了工程时间和降低人工成本。

虽然有源天线技术优势显著,应用空间很广,但是也应该认识到有源天线的大规模应用还面临着很多挑战。(1)由于有源天线是集成电路,所有有源集成与天线模块发射单元结构都需要大量的散热片,增加了整机的重量。减重成为有源天线的首要问题。(2)有源天线中集成使用收发单元大量使用的数字处理芯片,数字处理芯片设计制造费用偏高,导致有源天线与传统无源天线基站相比费用增加很多。[14]

总之,有源天线经过近几十年的发展,已经成为天线领域的一个重要组成部分。由于其相对无源天线的众多优点,有效地解决了天线某些方面的技术限制,使得无线通信技术进入新的篇章成为可能。

摘要：介绍有源天线的原理和组成结构,分析了有源天线相比无源天线的技术优势,以及在无线通信网络中的应用。

关键词：有源天线,电小天线,放大器

参考文献

[1]聂远铮.短波宽带小型化单极子天线研究[D].电子科技大学,2007:1

[2]李高飞.短波天线的小型化研究[D].哈尔滨工业大学,2010:1-2

[3]Lindenmeier H K.Transistorized receiving antennas[C].Inter-national Symposium on Electromagnetic Waves.1981:423

无线天线篇8

近年来,利用先进的计算机技术对通信系统的各个方面进行精准的刻画和模拟逐渐成为人们验证和评价新通信系统的一种重要手段。OPNET[1,2,3]作为当前业界著名的商用网络仿真软件,在国内外通信行业中应用的越来越广泛[4,5,6,7,8,9]。

OPNET提供了一套完备的无线网络仿真模块供开发人员进行无线仿真,包括移动方式建模、天线建模、无线管道阶段计算以及调制曲线等。其中无线管道阶段计算代表了OPNET对数据包在无线环境中传输过程的模拟,天线建模代表了OPNET对发送和接收天线主瓣宽度和增益等特性的模拟,这2者是无线网络建模中最为关键的环节,直接影响了仿真对无线网络的刻画是否准确。

大多参考资料都在OPNET自带的帮助文档基础上对这2个建模的基本流程和方法给予了说明,但对于各管道阶段计算时仿真时间怎样推进、当2个数据包到达收信机处发生碰撞时管道阶段怎样处理以及如何调整定向天线的指向等问题,甚少有资料提及,而这些问题都是对无线网络进行精准建模急待解决的问题。

1 OPNET 天线建模研究

OPNET为无线网络仿真提供了专门的天线模块,该模块在节点层的模型如图1所示。对天线模块进行建模包括两部分过程,一是利用OPNET的天线模式编辑器( Antenna Pattern Editor) 对天线的主瓣、旁瓣增益等特性进行编辑和配置; 二是在天线模块的属性中对该模块的指向进行设定,从而实现定向天线[10,11]调整指向的功能。

1. 1 天线模式编辑器

OPNET采用了离散化的建模方式近似模拟实际天线的连续增益,将三维的天线增益离散化为若干个二维圆锥形,通过给二维圆锥形表面赋增益的方法构造三维的天线增益,如图2所示。被分割成的若干个二维圆锥面称为分片( slice) 或层( plane) ,每个圆锥分片顶角的半角,即分片与垂直方向的夹角为φ ; 分片表面某点到投射到水平面后与水平方向的夹角为θ ,天线模式编辑器就是利用球坐标系中球面角θ和φ 图形化的创建三维天线模型,天线的增益即为关于θ和φ 的离散函数: GAIN = G( θ,φ) 。

通过将增益曲线分割为分片就可以达到在垂直方向进行离散化的目的。尽管设置越多的分片数量,就会越近似于连续的天线增益,但却增加了建模时的复杂程度,对于对天线增益的描述要求并不是十分苛刻的仿真,分片数一般取100以内的数值,例如分片数为36,那么分片间隔为5°。同样,水平方向的θ角也要进行离散化,OPNET中规定θ值的数目是分片数的2倍,如果有36个分片,那么θ就有72个值,即从0° ~ 355°,离散点间隔为5°。OPNET天线模式编辑器通过逐个为分片指定增益值的方法得到整个的天线增益,也就是在编辑器主界面中首先指定一个分片,从而将φ值固定,那么增益就是关于θ的一次函数,通过给该函数赋值从而得到该分片的天线增益曲线。图3为利用OPNET天线模式编辑器编辑的30°定向天线模型。

1. 2 定向天线建模

在搭建无线网络仿真模型时,经常会遇到利用定向天线进行传输的情况,例如智能天线网络以及雷达系统,发信或收信节点需要频繁地调整定向天线的指向,在搭建这样的节点模型时就必须能够对定向天线的指向进行动态的调整。这里涉及到2个坐标系的变换问题,一个为利用OPNET天线模式编辑器编辑的天线模型所在的球坐标系,另一个为发信节点和收信节点所在的真实的地理坐标系,该坐标系一般采用{ 纬度、经度、海拔} 这样的形式,如果要计算出发射( 或接收) 天线的增益,就需要将收发节点的连线映射到天线的球坐标系中,从而查找到映射点的天线增益,这个计算过程是在发信机第4个管道阶段( tagain model) 和收信机的第6个管道阶段( ragain model) 完成的。坐标系变换过程如下所示:

1 OPNET的内核首先将天线模型的主瓣指向旋转至一个基准点,该基准点可以通过天线模块属性中的“pointing ref. phi”和“pointing ref. theta”来设定,默认值为pointing ref. phi = 0,pointing ref. theta =180,即垂直方向;

2其次,根据天线模块属性中的“target latitude”、“target longitude”和“target altitude”调整天线主瓣的方向,这3个属性给出天线指向目标点的纬度、经度和海拔值,OPNET内核将这3个值所对应的点映射到天线模型坐标系中,将主瓣方向对准至该点;

3最后,将发信机与收信机的连接向量投影到旋转后的天线模型坐标系中,得到天线的仰角,从而查表得到该链路方向的天线增益值。

上述第1步进行坐标系旋转的目的是因为并不是所有的天线模型其主瓣都在垂直方向上,如果不首先将主瓣方向定为参考方向,那么在第2步调整方向时就不能保证主瓣指向目标方向。

如果要在进程模型中编程实现动态的调整定向天线的指向,例如实现节点的定向发送或接收,就必须清楚上述OPNET变换坐标系的过程,其实对于开发人员来讲就是要确定天线属性中的“target latitude”、“target longitude”和“target altitude”这3项的值。然而在实际研究中更多的是给出定向天线相对于自身所指向的一个角度,例如调整天线指向北偏东30°方向。这时就需要将指向角度变换为经纬度的坐标,经纬度和角度的估算公式如图4所示。假如图中的A节点要调整自身的天线指向,就需要在进程模型编辑器中的代码区中通过调用op_ima_obj_attr_get( ) 函数得到自身的经纬度以及海拔值,在估算时可以假定一个目标点B,指定一个90°范围内的A点与B点的经度差值( 或者纬度差) ,从而根据图4的三角函数公式求出B点的经纬度。B点的海拔高度与A点设置的相同即可。例如A节点要调整天线指向北偏东30°方向,即α = 30°,假定B点与A点的经度差20°,根据A的经纬度和图4的公式就可以求出B的经纬度。最后,在进程模型编辑器中的代码区中通过调用op_ima_obj_attr_set( ) 函数对A点的“target latitude”、“target longitude”和“target altitude”3个属性赋值,即完成了对A点定向天线指向的调整。

2 无线管道阶段研究

OPNET中无线管道阶段是指模拟数据包在无线环境中传输、传播特性的一系列计算过程,它共包括14个阶段,第0阶段为接收机组阶段,即在仿真计算之前将明显不在接收范围内的节点排除,从而提高仿真效率; 第1 ~ 5阶段为发信机管道阶段,包括计算发送时延、链路闭合、信道匹配、发射天线增益以及传播时延; 第6 ~ 13阶段为收信机管道阶段,包括计算接收天线增益、接收功率、背景噪声、干扰、信噪比SNR、误比特率、错误分布及纠错。这里重点讨论当单个数据包以及数据包重叠到达收信机这2种情况下管道阶段的计算过程。

2. 1 数据包无碰撞情况下管道阶段的计算

为表述方便,假设某数据包在到达发信机模块的时间为0 s,该数据包的管道计算过程如图5所示。在第0 s时该数据包的第1 bit开始发送,发送管道阶段随即开始计算。在计算第1管道阶段时,根据数据包的长度和发信机信道属性中“data rate( bps) ”项值,用两者相除得到该数据包发送时延t1,那么在t1时刻该数据包的最后1 bit离开发信机向空间传播。在计算第5管道阶段时,用收发信机2者之间的物理距离除以光速即得到该数据包在空间传播所用的时延t2。当计算完第0 ~ 5的发送管道后,由于这期间无需再进行任何计算过程,仿真时间轴将时间指针直接调整到t2时刻,即数据包经过t2s的空间传播,其第1 bit开始到达收信机。

在t2时刻收信机开始接收数据包,计算接收管道阶段,当计算完第10管道后,仿真时间轴将时间指针调整到t3时刻。t3时刻是该数据包最后1 bit到达收信机的时刻,显然该时间等于数据包最后离开发信机的时间与传播时延之和。仿真内核在t3时刻开始计算剩余的第11 ~ 13收信机管道阶段,至此无线管道阶段计算完毕。总结上述过程可以看出,数据包的发送管道阶段是一次计算完毕的,而接收管道阶段是分两次计算的,当有多个数据包重叠到达收信机时,管道的计算则可以在上述过程的基础上类推出来。

2. 2 多个数据包发生碰撞时管道阶段的计算

本节主要考虑当数据包在收信机发生碰撞时接收管道的计算过程,这些数据包可能来自于同一发信机,也可能来自不同发信机,无论哪种情况,数据包都是在发信队列中排队进行发送的,不会发生冲突,因此本节略过发信管道阶段直接考察接收阶段,且以2个数据包在收信机发生碰撞为例进行分析,2个以上数据包碰撞的处理过程可以在此基础上类推得到。

2个数据包在收信机发生碰撞是指当在前一个数据包没有被收信机接收完毕时,另一个数据包也到达收信机的情况,在OPNET中这种情况就是指第1个数据包的管道阶段还没有计算完毕,第2个数据包到达收信机,引起仿真内核中断,这时既要继续完成第1个包的接收过程,又要强制响应第2个包到达所引起的中断。假设先到达收信机的数据包为“包1”,后到达的为“包2”,二者的管道过程如图6所示,图中用大写T代表包1的时间点,用小写t代表包2的时间点,用灰色阴影标出包1的处理过程以示区别。

假设在T2时刻,包1的第1 bit到达收信机开始收信机管道阶段计算,在计算到第7管道( 功率计算) 时,OPNET默认的管道阶段设置了一个用于处理碰撞情况的布尔型全局变量,即“信道锁”,并在此时将信道锁置为“真”。随后继续计算直到第10个管道阶段。假设在t2时刻,包2到达收信机,此时包1只完成了一部分的接收管道计算过程,还没有接收完毕,这时包2的到来引起了仿真内核的中断,强制仿真内核去处理包2的接收过程。包2的接收仍然是按顺序对接收管道阶段进行计算,当计算到第7管道( 接收功率计算) 时,查看信道锁,如果信道锁为真,那么将包2置为“噪声”,由此引起包1的干扰功率和SNR都要重新计算。在T3时刻,包1的最后1 bit到达收信机,仿真内核继续完成对包1第11 ~ 13管道阶段的计算过程,至此包1的接收过程已经完毕,信道锁被置为“假”。在t3时刻,包2的最后1 bit也到达接收机,由于在之前的第7管道阶段,包2已经被置为噪声,因此就无须再进行之后的背景噪声等阶段的计算过程,包2直接被丢弃。

由上述过程可以看出,无论后到达的数据包功率大小如何,OPNET默认的管道阶段都将保护首先到来的数据包,将信道上锁,将后到来的数据包置为噪声包,最后丢弃。然而在很多仿真场景可能出现这样的情况,先到达的数据包接收功率非常小,很难被收信机正确接收,而后到来的数据包是功率较大的有用数据包,由于OPNET默认的管道阶段在处理先到数据包时首先对信道上锁,后到来的包都被置为噪声,而先到的包只有在第2次管道计算时才能发现其功率过低引起误比特率过高而不能被接收,因此造成有用数据包不能被正确接收的问题。针对类似的问题,可以采用信道锁和噪声包相配合的方法修改OPNET的管道阶段来解决,例如可以在第7接收管道阶段计算接收功率时设置接收功率的门限,将低于该门限的数据包置为噪声包,并且将信道锁置为“假”,这样就可以允许后续包的接收。

3 结束语

对OPNET定向天线建模方法以及管道阶段的处理机制进行了研究,给出了定向天线调整天线角度的具体方法,以及当多个数据包在收信机发生碰撞时管道阶段的处理过程,尤其是对仿真数据包冲突、分析丢包率以及做定向天线等研究的人员提供了参考依据。

摘要：近年来,利用商用大型网络仿真软件OPNET对无线网络进行仿真验证逐渐成为研究热点,很多资料对OPNET无线网络建模的基本方法进行了讨论,但甚少提及其中的仿真原理和细节。针对这些问题,对OPNET无线网络建模进行了精细的分析和研究,给出了定向天线的建模方法,以及在多个数据包同时到达收信机发生碰撞时管道阶段的处理方法,可以为OPNET无线网络仿真开发人员提供参考,尤其是对定向天线组网以及数据包冲突分析、丢包率计算等方面的研究提供开发依据。

关键词：OPNET,无线网络仿真,定向天线,管道阶段,数据包碰撞

参考文献

[1]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004.

[2]王文博,张金文.OPNET Modeler与网络仿真[M].北京:人民邮电出版社,2003.

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[4]李洪鑫,张传富,苏锦海.基于OPNET的卫星网络路由协议仿真研究[J].计算机工程,2011,37(11):120-122.

[5]徐磊,李晓辉,方红雨.基于OPNET的Ad Hoc网络建模与仿真[J].计算机工程,2009,35(01):123-125.

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[9]王硕,李峭,熊华钢.战术通信中异构Ad-hoc网络路由策略[J].计算机工程,2010,36(15):108-110.

[10]李海涛,李燕,张建忠.微波定向天线对准实现方法[J].无线电工程,2011,41(3):44-46.

无线天线篇9

据中国无线充电行业现状调研及发展前景分析报告预测, 全球无线充电市场将在未来出现大幅增长。电动车技术发展至今已持续一段时间, 电池容量、寿命、充电时间与充电设备普及等问题与电动车行驶里程、充电时间和充电便利性密切相关。电动车无线充电技术或许是解决这些问题的办法。

电动车无线充电技术的发展, 可分为多种不同类型, 但无论哪种技术, 其传输效率是使用者最关心的参数之一, 也是无线电力传输系统最重要的议题之一, 因此课题针对共振式无线电力传输系统的共振线圈进行设计和分析, 以期实现高效率的无线充电系统。

2 天线设计

2.1 无线充电系统

一般无线充电系统架构如图1所示, 系统分为发送端与接收端两个子系统, 一般来说, 发送与接收线圈设计一致。市电经由AC/DC转换器将交流电转换为直流电, 再由DC/AC转换器将电力转换为所需电压的交流电, 其中最重要的是需与发送/接收线圈的共振频率匹配, 才能达到较好的传输效率。激励发送线圈可使其共振而产生一个共振磁场, 若接收线圈置于磁共振磁场内, 则会受到激励而产生共振, 在线圈上产生电压和电流, 从而实现无线电力传输。以一般应用来说, 无线输电系统的负载需要直流电, 所以需要整流器, 然后由DC/DC转换器将直流电转换为负载所需的电压标准, 例如一般手机充电为5V。

2.2 等效电路分析

无线充电系统的等效电路如图2所示, 磁共振耦合由LC共振产生、经由电磁耦合进行电力传输, 没有辐射电磁波, 因此, 磁耦合与电耦合可分别以互感和互容代表。

图中L与C分别为线圈的自感值与电容值, 由系统的分布参数决定, 两线圈的耦合以互感 (Lm) 表示, Z0表示特性阻抗, 线圈的电阻损失与辐射损失以R表示。传输系数S21如式 (1) 所示, 其中w为系统工作的角频率, 由于线圈的R值相对较小故可忽略不计, Z0为系统的特性阻抗, 其值为50Ω, 因此S21可被表

在共振条件下, 即等效电路的电抗为零, 则:

系统的共振频率可由式 (2) 求得, 分别为:

其中, ω0为系统的操作频率, 亦即为直流/交流转换器的输出频率。耦合系数k可由式 (2) 和式 (3) 求得, 为:

传输效率可由等效电路计算而得。电力反射率和电力传输率可分别由式 (6) 和式 (7) 表示为:

2.3 仿真结果

本文论述的磁耦合无线充电系统天线如图3所示, 振线圈构型为螺旋形, 且为开路型式。线圈所使用的导线线径为3.2mm, 线径大可以降低内阻, 提高传输效率。线圈的半径为150mm。

按预设参数使用Ansoft HFSS13进行系统仿真, 图4至图8显示了仿真结果。图4显示, 当收发天线间距离为150mm时, 正如公式 (3) 和 (4) , 天线有两个谐振频率。而图5至图7显示, 收发天线间距离为180mm时, 系统谐振频率19.3 MHz, S21约-1.396d B, 传输效率为72.6%;距离为200mm时, 系统谐振频率19.3 MHz, S21约-1.53d B, 传输效率为70.6%;距离为260mm时, 系统谐振频率19.3 MHz, S21约-3.39d B, 传输效率为45.8%。结果表明, 随着收发天线间距离的增加, 两个谐振频率逐渐靠近最后合为一个工作频率, 传输效率也是先增大后减小。

2.4 实测结果

按预定参数制成的线圈如图8所示, 线圈的特性用向量网路分析仪进行测量, 实测图如图9所示, 经实测发送线圈和接收线圈的容抗和感抗在共振频率时值非常接近。线圈实测的传输距离与效率之间的关系如图10所示。传输距离18cm时, 线圈间的最大传输效率为72.6%, 当传输距离增加至26cm, 传输效率降至45.6%。另外, 当传输距离小于或大于18cm, 系统传输效率都会渐渐减少, 此为磁共振充电系统的特性。

进行电力传输实测的无线充电平台如图11所示, 功率放大器使用射频放大器, 最大输出功率为1kw, 输出阻抗为50Ω, 用5个60W的灯泡作为负载, 以明示无线电力传输效果。

3 结论

本文通过共振的方式提高了无线充电系统的效率, 提高了传输距离, 通过多次实验和理论分析得出, 即使相同的电路接法, 在不同频率的电路中, 传输效率和传输距离差异也比较大, 只有当频率接近且发生共振时无线输电效率才比较高。

摘要：该文介绍了一种采用磁耦合共振方式进行无线能量传输的螺旋天线, 该天线的谐振频率为19.3MHz, 在传输距离为18cm时, 具有70%以上的传输效率, 证明了该天线用于强磁耦合无线能量传输时具有较远的传输距离和较高的传输效率。

关键词：磁耦合,共振系统,螺旋线圈,传输效率

参考文献

[1]傅文珍.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计[J].中国电机工程学报, 2009 (6) .

[2]李阳.无线电能传输系统中影响传输功率和效率的因素分析[J].电工电能新技术, 2012 (7) .

[3]Wireless Charging Infrastructure for Electric Vehicles (Techni-cal nsights) [C].Frost&Sullivan, 2012.

无线天线篇10

无线网络规划在进行覆盖设计时,主要从两个方面考虑覆盖解决方案:一是完善网络结构,设计合理的基站布局;二是对基站射频和天馈产品的充分应用。本文主要介绍了无线覆盖规划中各种天线产品的因地制宜的充分应用,提供解决覆盖问题的各种方法。特别是对网络建设前期的规划阶段、天线选型在无线覆盖网络规划方案给出指导,以城市、郊区、农村、公路四个覆盖场景来阐述,天线选型在无线覆盖中的重要性及影响,给出了无线覆盖中天线的选型建议及具体应用。

1 各种无线覆盖环境下的天线选型

无线覆盖网络规划中,天线的选择是一个很重要的部分,应根据网络的覆盖要求、话务量、干扰和网络服务质量等实际情况来选择天线。天线选择得当,可以增大覆盖面积,减少干扰,改善服务质量。由于天线的选型是同覆盖要求紧密相关的。根据地形或话务量的分布可以把天线使用的环境分为4种类型:城区、郊区、农村和公路。

1.1 城区无线覆盖环境天线选型

(1)天线增益的选择,建议选用中等增益的天线,这样天线垂直面波束可以变宽,可以增强覆盖区内的覆盖效果。(2)天线水平面半功率波束宽度的选择,由于市区基站分布数量一般较多,重叠覆盖和频率干扰成为网络中一个很严重的问题,为了减小相邻扇区的重叠区,并降低基站之间可能的干扰,天线水平面的半功率波束宽度应该小一些,通常选用水平面半功率波束宽度为65°的天线。一般不采用90°以上天线。(3)对于城市边缘的基站,如果要求覆盖距离较远,可选择较高增益的天线,如17dBi、18dBi。原则上,在城区设计基站覆盖时,应当选择具有固定电下倾角的天线,下倾角的大小根据具体的情况而定(建议选6-9°)。在城市内,为了提高频率复用率,减小越区干扰,改善D/U值(有用信号与无用信号电平之比),也可以选择上第一副瓣抑制,下第一零点填充的赋形技术天线,但是这种天线通常无固定电下倾角(暂无)。所以,一般建议选用双极化天线。

1.2 郊区无线覆盖环境天线选型

一般可遵循以下几个基本原则:可以根据情况选择水平面半功率波束宽度为65°的天线或选择半功率波束宽度为90°的天线。当周围的基站比较少时,应该优先采用水平面半功率波束宽度为90°的天线。若周围基站分布很密,则其天线选择原则参考城区基站的天线选择。

1.3 农村无线覆盖环境天线选型

对于农村环境,由于存在小话务量,广覆盖的要求,如果要求基站覆盖周围的区域,且没有明显的方向性,基站周围话务分布比较分散,此时建议采用全向基站覆盖。

如果局方对基站的覆盖距离有更远的覆盖要求,则需要用三个定向天线来实现。

对于山区的高站,一般应当选用具有零点填充功能的天线。

1.4 公路无线覆盖环境天线选型

对于公路覆盖地区,天线的选用原则如下:在以覆盖铁路、公路沿线为目标的基站,可以采用窄波束的定向天线。如果覆盖目标为公路及周围零星分布的村庄,可以考虑采用全向天线。

如果覆盖目标仅为高速公路等,可以考虑用8字型天线来解决。这样可以节约基站的数量,实现高速公路的覆盖。

如果是对公路和公路一侧的城镇的覆盖,可以根据情况考虑用水平面半功率波束宽度为210°的天线来进行覆盖。建议在进行高速公路的覆盖上优先考虑8字型天线和210°天线。

2 基站天线选型一览表

3 结束语