天线参数

来源:百度文库 编辑:神马文学网 时间:2021/09/22 01:53:36
dbm是怎么定义的?
2008年05月21日 03:02 P.M.
作为一个通信行业中的混混,我经常搞不清一些常识性的问题。故特开此版,给自己补课。
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手机参数中总会提到dbm这个单位,一直就对这些单位搞得不清不楚,此次遇到实在是被尴尬所逼,查了查资料,贴出来备忘。
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Tx是发射( Transmits )的简称。 无线电波的发射功率是指在给定频段范围内的能量,通常有两种衡量或测量标准:
功率( W ) - 相对 1 瓦( Watts )的线性水准。例如, WiFi 无线网卡的发射 功率 通常为 0.036W ,或者说 36mW 。
增益( dBm ) - 相对 1 毫瓦( milliwatt )的比例水准。例如 WiFi 无线网卡的发射 增益 为 15.56dBm 。
两种表达方式可以互相转换:
dBm = 10 x log[ 功率 mW]
mW = 10 [ 增益 dBm / 10 dBm]
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在无线系统中,天线被用来把电流波转换成电磁波,在转换过程中还可以对发射和接收的信号进行“放大”,这种能量放大的度量成为 “增益(Gain)”。 天线增益的度量单位为“ dBi ”。
由于无线系统中的电磁波能量是由发射设备的发射能量和天线的放大叠加作用产生,因此度量发射能量最好同一度量-增益( dB ),例如,发射设备的功率为 100mW ,或 20dBm ;天线的增益为 10dBi ,则:
发射总能量=发射功率( dBm )+天线增益( dBi )
= 20dBm + 10dBi
= 30dBm
或者: = 1000mW = 1W
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在“小功率”系统中(例如无线局域网络设备)每个 dB 都非常重要,特别要记住“ 3 dB 法则”。
每增加或降低 3 dB ,意味着增加一倍或降低一半的功率:
-3 dB = 1/2 功率
-6 dB = 1/4 功率
+3 dB = 2x 功率
+6 dB = 4x 功率
例如, 100mW 的无线发射功率为 20dBm ,而 50mW 的无线发射功率为 17dBm ,而 200mW 的发射功率为 23dBm 。
我们平时一般会说AP的输出功率为20dbm 或是以100mW来标称的;那么这个Dbm的全称是db-milliWatt; 既是以毫瓦特为单位的数字;比如你在测试仪器屏幕看到0dbm,那就意味着这个AP的信号输出强度为1mW;
一般无线AP发射输出的射频信号,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后,由天线接收下来(仅仅接收很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机。因此在无线网络的工程中,计算发射装置的发射功率与天线的辐射能力非常重要。
Tx是发射( Transmits )的简称。无线电波的发射功率是指在给定频段范围内的能量,通常有两种衡量或测量标准:1、功率( W ): 相对 1 瓦( Watts )的线性水准。例如,WiFi 无线网卡的发射功率通常为 0.036W ,或者说36mW 。
2、增益( dBm ):相对 1 毫瓦( milliwatt )的比例水准。例如 WiFi 无线网卡的发射 增益 为 15.56dBm 。
两种表达方式可以互相转换:
1、dBm = 10 x log[ 功率 mW]
2、mW = 10[ 增益 dBm / 10 dBm]
在无线系统中,天线被用来把电流波转换成电磁波,在转换过程中还可以对发射和接收的信号进行“放大”,这种能量放大的度量成为 “增益(Gain)”。 天线增益的度量单位为“ dBi ”。由于无线系统中的电磁波能量是由发射设备的发射能量和天线的放大叠加作用产生,因此度量发射能量最好同一度量-增益( dB ),例如,发射设备的功率为 100mW ,或20dBm;天线的增益为 10dBi ,则:
发射总能量=发射功率( dBm )+天线增益( dBi )
= 20dBm + 10dBi
= 30dBm
或者:  = 1000mW
= 1W
在“小功率”系统中(例如无线局域网络设备)每个 dB 都非常重要,特别要记住“ 3 dB 法则”。每增加或降低 3 dB ,意味着增加一倍或降低一半的功率:
-3 dB = 1/2 功率
-6 dB = 1/4 功率
+3 dB = 2x 功率
+6 dB = 4x 功率
例如, 100mW 的无线发射功率为 20dBm ,而 50mW 的无线发射功率为 17dBm ,而200mW 的发射功率为 23dBm 。
功率/电平(dBm):放大器的输出能力,一般单位为W、mW、dBm。dBm是取1mW作基准值,以分贝表示的绝对功率电平。
换算公式:
电平(dBm)=10lgW
5W  → 10lg5000  = 37dBm
10W → 10lg10000 = 40dBm
20W → 10lg20000 = 43dBm
天线增益的计算
hellocq.com    2006-9-16
增益是指:在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系,方向图主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。
可以这样来理解增益的物理含义 ------ 为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号,如果用理想的无方向性点源作为发射天线,需要 100W 的输入功率,而用增益为 G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时,输入功率只需 100 / 20 = 5W 。换言之,某天线的增益,就其最大辐射方向上的辐射效果来说,与无方向性的理想点源相比,把输入功率放大的倍数。
半波对称振子的增益为 G=2.15dBi。4 个半波对称振子沿垂线上下排列,构成一个垂直四元阵,其增益约为 G=8.15dBi( dBi 这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源 )。
如果以半波对称振子作比较对象,其增益的单位是 dBd 。
半波对称振子的增益为 G=0dBd (因为是自己跟自己比,比值为 1 ,取对数得零值。)垂直四元阵,其增益约为 G=8.15 – 2.15=6dBd 。
天线增益的若干计算公式
1)天线主瓣宽度越窄,增益越高。对于一般天线,可用下式估算其增益:
G(dBi)=10Lg{32000/(2θ3dB,E×2θ3dB,H)}
式中, 2θ3dB,E与2θ3dB,H分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度;
32000 是统计出来的经验数据。
2)对于抛物面天线,可用下式近似计算其增益:
G(dBi)=10Lg{4.5×(D/λ0)2}
式中, D 为抛物面直径;
λ0为中心工作波长;
4.5 是统计出来的经验数据。
3)对于直立全向天线,有近似计算式
G(dBi)=10Lg{2L/λ0}
式中, L 为天线长度;
λ0 为中心工作波长;
关于天线的db, dBi,dBd等单位
有些朋友往往比较容易混淆这些单位,dB取的都是以对数值为基础的。
(1)dB,这单纯是一个相对值,也就是说A比B的值的对数。常常用于说A比B高或低多少dB, 但是单独说A的增益是多少dB,是不合理的,因为我们不知道B是什么。只是我们许多同好有时为了简省就口头说多少dB了,但这样是不够确切的,不过常常也就将错就错,默认理解为dBi吧,要么您就再问问清楚。
(2)dBd,这是有标准参考值的,即B规定为自由空间的半波偶极子天线,这样A与B的值比起来就有来统一的参照物,您告诉同好这个天线10dBd,他就明白您的天线比半波偶极子天线在主辐射方向上能聚集10倍的能量,即好10倍。
(3)dBi,这个单位的含义相对复杂了点,但是它最能表达实际环境情况的比值单位,这里参照物B是以点源振子(实际不存在此物,可以看作是相对波长很短的一小段振子,或叫微分段吧),在标准的定义中这个点源振子应该是理想球状的全方向性辐射,这时与dBd就有一定的数学关系了, 即 1dBd=2.14dBi。 然而实际上绝大多数的天线都会受安装高度的影响,其中最重要的就是地面影响,由于地面的镜像作用,常常使波束形状改变,在某些方向常常会高出2-5dB。到这里您应该明白19dBi了吧。 许多正规的天线产家常常喜欢用dBi来标天线的增益值,他们通常都会表明安装高度或对标出数值的计算方法,或者他所生产的就是大家通常知道的安装环境,如车顶载天线,往往省略说明。
发射功率与增益
无线电发射机输出的射频信号,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后,由天线接收下来(仅仅接收很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机。因此在无线网络的工程中,计算发射装置的发射功率与天线的辐射能力非常重要。
Tx是发射(Transmits)的简称。无线电波的发射功率是指在给定频段范围内的能量,通常有两种衡量或测量标准:
功率(W) - 相对1瓦(Watts)的线性水准。
增益(dBm) - 相对1毫瓦(Milliwatt)的比例水准。
两种表达方式可以互相转换:
dBm = 10 x log[ 功率 mW]
mW = 10 [ 增益 dBm / 10 dBm]
在无线系统中,天线被用来把电流波转换成电磁波,在转换过程中还可以对发射和接收的信号进行“放大”,这种能量放大的度量成为 “增益(Gain)”。 天线增益的度量单位为“dBi”。
由于无线系统中的电磁波能量是由发射设备的发射能量和天线的放大叠加作用产生,因此度量发射能量最好同一度量-增益(dB),例如,发射设备的功率为100mW ,或 20dBm;天线的增益为10dBi,则:
发射总能量=发射功率(dBm)+天线增益(dBi)
= 20dBm + 10dBi
= 30dBm
或者:        = 1000mW
= 1W
在“小功率”系统中每个dB都非常重要,特别要记住“3dB法则”。
每增加或降低3dB,意味着增加一倍或降低一半的功率:
-3 dB = 1/2 功率
-6 dB = 1/4 功率
+3 dB = 2x 功率
+6 dB = 4x 功率
例如,100mW的无线发射功率为20dBm,而50mW的无线发射功率为17dBm,而200mW的发射功率为23dBm。
dB 就是分贝,是一个比值表述形式,与此类似的还有ppm(百万分之一),都不是单位,但工程上有以此标定物理测定量大小的习惯。
dB 有两个定义方式——1.描述能量,即 dB = 10lg(P/Po)表明功率P相对于基本功率Po的分贝数;2.描述幅度,即 dB = 20lg(A/Ao),表明幅度A相对于基本幅度Ao的分贝数。
天线增益显然可以描述成输出电压与输入感应电压之比,可以采用分贝(dB)描述,还有声强也使用分贝描述。
实际上,电路的放大倍数、衰减率、传输系数....都是使用分贝描述。
工程上一般使用db来表示较大的倍数值,因为较大的倍数值不好记忆,更不好用曲线图来表示。比如用横坐标轴表示电压,竖坐标轴表示电流,电压的变化范围为几十万伏特,而电流的变化在大多数电压值上保持较小的变化,在某个阶段上的变化很大,如果使用电压的实际数值来表示的话,那么这个变化就不是容易被观察到,使用db来对电压值进行压缩后,就可以图示出这一关系了。如电压为10000伏 就可以表示为40dB了 40dB = 10lg(10000/1)
不同的工程领域内使用db,都是一个放大倍数的意思,比如你的股票涨了100倍,20db=10lg100如果你觉得方便,你也可以说涨了20个db。呵呵,不过我相信股票上用db来表示股票上涨的程度,简直是在拿着米尺给原子量直径呢。
描述能量的时候有专门的表示 有dbW和dbmW,表示发射功率与接收功率之间的损耗功率
0dbW=10lg(1W/1W)表示无损耗
-20dbW=10lg(1W/100W),
dbW=30+dbmW.
http://www.moonblinkwifi.com/dbm_to_watt_conversion.cfm
http://hi.baidu.com/baidonlin
无线增益天线介绍:
目前市场上的无线网络产品,天线的增益一般为2dBi和3dBi,为了无线信号的扩展,一些用户喜欢更换高增益的天线,比如5dBi和9dBi。(dB是个比值,不是单位;dBm是功率的单位;dBc常用互调方面,不常用;dBi是增益单位。)
无线路由器的说明书,一般都会标有天线增益和RF(射频功率)。一般来说,17dBm=10logP,p=10的1.7次方毫瓦,也就是50毫瓦。天线增益指的是它的主瓣功率比全向天线在同角度的功率高2dB(比值)。天线是无源器件,不会增加功率,不管加多大增益的天线,它发射的功率都不会比50mw更高,功率主要取决于发射热点,即无线路由器、无线AP本身,只要它们的功率符合要求,大家就可以放心更换高增益的天线。
什么是dBi、dBd、dB、dBm、dBc?
分类:通讯技术
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我们在看到相关的技术资料时候,经常遇到dB和dBm的概念。dB,就是分贝,是一个以十为底的对数概念。注意,分贝只用来评价一个物理量和另一个物理量之间的比例关系,它本身并没有物理量纲。两个量之间的比例每增加10倍,则它们的差可以表示为10个分贝。
比如说:A="100",B="10",C="5",D="1"则
A/D=20dB;B/D="10dB";C/D="7dB";B/C=3dB。
也就是说,两个量差10分贝就是差10倍,差20分贝就是差100倍,依此类推。通常还需要记住差3分贝就是两个量之间差2倍。
dBm是分贝毫瓦的意思。就是说,固定1毫瓦的功率为0dBm,用以确定系统的功率。比如我们常见的读卡器的数据功率大多是27dBm和30dBm。27dBm就是500毫瓦;30dBm就是1000毫瓦(1瓦)。别看只差3dBm,实际功率差两倍!
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问:请问dBi、dBd、dB、dBm、dBc之间的区别。
答:它们都是功率增益的单位,不同之处如下:
dBi和dBd是功率增益的单位,两者都是相对值,但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线;dBd的参考基准为偶极子。一般认为dBi和dBd表示同一个增益,用dBi表示的值比用dBd表示的要大2.15 dBi。例如:对于一增益为16 dBd的天线,其增益折算成单位为dBi时,则为18.15dBi,一般忽略小数位,为18dBi。
dB也是功率增益的单位,表示一个相对值。当计算A的功率相比于B大或小多少个dB时,可按公式10 lg A/B计算。例如:A功率比B功率大一倍,那么10 lg A/B = 10 lg 2 = 3dB。也就是说,A的功率比B的功率大3dB;如果A的功率为46dBm,B的功率为40dBm,则可以说,A比B大6dB;如果A天线为12dBd,B天线为14dBd,可以说A比B小2dB。
dBm是一个表示功率绝对值的单位,计算公式为:10lg功率值/1mW。例如:如果发射功率为1mW,按dBm单位进行折算后的值应为:10 lg 1mW/1mW = 0dBm;对于40W的功率,则10 lg(40W/1mW)=46dBm。
dBc也是一个表示功率相对值的单位,与dB的计算方法完全一样。一般来说,dBc相对于载波(Carrier)功率而言。在许多情况下,用来度量载波功率的相对值,如度量干扰(同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等)以及耦合、杂散等的相对量值。在采用dBc的地方,原则上也可以使用dB替代。
实用资料——关于天线增益及其考量
在无线通讯的实际应用中,为有效提高通讯效果,减少天线输入功率,天线会做成各种带有辐射方向性的结构以集中辐射功率,由此就引申出“天线增益”的概念。简单说,天线增益就是指一个天线把输入的射频功率集中辐射的程度,显然,天线的增益与其方向图的关系很大,主瓣越窄、副瓣越小的天线其增益就越高,而不同结构的天线,其方向图的差别是很大的。
在通讯技术领域,与其它考量功率、电平等参数的量值同样,天线增益也采用相对比较并取对数的简化法来表示,具体计算方法为:在某一方向向某一位置产生相同辐射场强的时,对无损耗理想基准天线的输入功率与待考量天线的输入功率的比值取对数后乘以10 (G=10lg(基准Pin/考量Pin)),即称为该天线在该点方向的增益。常用衡量天线增益的单位是dBi和dBd。对于dBi,其基准为理想的点源天线,即一个真正意义上的“点”来作天线增益的对比基准。理想点源天线的辐射是全向的,其方向图是个理想的球,同一球面上所有点的电磁波辐射强度均相同;对于dBd,其基准则为理想的偶极子天线。因偶极子天线是带有方向性的,故二者有个固定的恒差2.15即0dBd="2".15dBi。
需要说明的是,通常所说的“全向天线”不是严格的说法,全向天线应指在三维立体空间的全向,但工程界也往往把某个平面内方向图为圆周的天线称为全向天线,如鞭状天线,它在径向的主瓣是圆,但仍有轴向的副瓣。
常见天线的增益:鞭状天线6-9dBi,GSM基站用八木天线15-17dBi,抛物面定向天线则很容易做到24dBi。
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到底GSM手机和CDMA手机辐射功率谁大谁小或相差多少、为得出实际的客观的比较结果,由一家国际著名的CDMA技术权威公司和国内某知名的GSM网络优化公司工程技术人员于2001年12月上旬沿北京市二环路全线进行了CDMA和GSM现网中手机发射功率的测试。测试结果表明,在二环路上CDMA手机平均发射功率为2.4dBm(1.72毫瓦),GSM手机平均发射功率为28.9dBm(773毫瓦),考虑GSM手机只在八分之一时间内发射,GSM手机在时间上的等效平均发射功率可减少到96.63mW(19.85dBm)。由此可见,CDMA手机的平均发射功率相当于GSM手机在时间上的等效平均发射功率的1.78%。
本文分为四部分,第一部分从CDMA和GSM的技术体制上对CDMA和GSM手机的发射功率的要求作了比较;第二部分详细介绍了路测实验的过程和结果;第三部分讨论了目前国际上普遍采用的手机辐射标准(SAR值)与手机发射功率的关系;第四部分是全文的结论。
一、CDMA和GSM系统对手机发射功率要求比较
我们先来了解一下CDMA和GSM相关技术规范对手机发射功率的要求[2,3]。目前普遍使用的GSM手机900MHz频段最大发射功率为2W(33dBm),1800MHz频段最大发射功率为1W(30dBm),同时规范要求,对于GSM900和1800频段,通信过程中手机最小发射功率分别不能低于5dBm和0dBm。CDMA IS-95A规范对手机最大发射功率要求为0.2W-1W(23dBm-30dBm),实际上目前网络上允许手机的最大发射功率为23dBm(0.2W),规范对CDMA手机最小发射功率没有要求。
在实际通信过程中,在某个时刻某个地点,手机的实际发射功率取决于环境,系统对通信质量的要求,语音激活等诸多因素,实际上就是取决于系统的链路预算。在通常的网络设计和规划中,对于基本相同的误帧率要求,GSM系统要求到达基站的手机信号的载干比通常为9dB左右,由于CDMA系统采用扩频技术,扩频增益对全速率编码的增益为21dB,(对其他低速率编码的增益更大),所以对解扩前信号的等效载干比的要求小于-14dB!(CDMA系统通常要解扩后信号的~E/N值为7dB左右,)。
我们再来比较一下GSM和CDMA手机发射功率的初始值的取定及功率控制机制。
手机与系统的通信可分为两个阶段,一是接入阶段,二是话务通信阶段。
对于GSM系统,手机在随机接入阶段没有进入专用模式以前,是没有功率控制的,为保证接入成功,手机以系统能允许的最大功率发射(通常是手机的最大发射功率)[4]。在分配专用信道(SDCCH或TCH)后,手机会根据基站的指令调整手机的发射功率,调整的步长通常为2dB。调整的频率为60ms一次。
对于CDMA系统,在随机接入状态下,手机会根据接收到的基站信号电平估计一个较小的值作为手机的初始发射功率,发送第一个Access Probe,如果在规定的时间内还没有得到基站的应答信息,手机会再加大发射功率。这个过程重复下去,直到收到基站的应答或者到达设定的最多尝试次数为止。在通话状态下,每1.25ms基站会向手机发送一个功率控制命令信息,命令手机增大或减少发射功率,步长为1dB。
由上面的比较可以看出,总体而言,考虑到CDMA系统其他独有的技术,如软切换,RAKE接收机对多径的分集作用,强有力的前向纠错算法对对上行链路预算的改善,CDMA系统对手机的发射功率的要求比GSM系统对手机发射功的要求要小得多,而且GSM手机在接入过程中以最大的功率发射,在通话过程中功率控制速度较慢,所以手机以大功率发射的机率较大;而CDMA手机独特的随机接入机制和快速的反向控制,可以使手机平均发射功率维持在一个较低的水平。上述的定性分析结论在后面的实际测量中得到了验证。
二、路测试验描述和结果分析
路测实验进行了CDMA和GSM手机在实际通信过程中发射功率的测试。CDMA测试手机和GSM测试手机同时拨打1861,汽车内收音机调整到适当音量,模拟双向通话。车速40km左右。GSM手机每480ms抽样一次,CDMA手机每20ms抽样一次。试验测得的GSM手机和CDMA手机的发射功率的统计分布如图所示。
CDMA手机的线性平均发射功率为2.4dBm(1.72毫瓦),以最大功率(23dBm,0.2瓦)发射的概率为0.2%;GSM手机的线性平均发射功率为28.9dBm(773毫瓦),以最大功率(2瓦)发射的概率为21.8%。值得注意的是目前北京市区的北京移动GSM网络已相当成熟,基站间距较小,GSM手机可以较小功率发射;而CDMA网络处于发展阶段,网络优化后,对CDMA手机发功率的要求会更小。
三、手机安全辐射标准与手机发射功率
手机辐射对人体的影响尚在不断的观察与研究之中,国外有大量相互矛盾的研究报告,目前尚未有全面的科学的结论。目前国际上(包括美国FCC,NCRP,欧洲的CENEIEC)普遍采用的标准是SAR值(SPECIFIC ABSORPTIOM RATE)[5],它指的是人体单位质量吸收的射频功率,可表示为:
其中~是人体组织的电导率, ~为人体组织的密度,.珽为人体组织内因受电磁辐射产生的场强。这三个参数都是人体位置的函数。如果要求某一器官吸收的射频功率,则可由积分关系户 ~ 得出,M 是器官的质量,该器官也可指整个人体。
由于手机在通话时靠近人的的脑部(不带耳机),手机辐射天线与人脑的距离通常小于15CM。人脑处于天线辐射的近场,由于人体组织结构的复杂性,理论上计算天线辐射功率与人体内场强分布的关系非常困难。但根据电磁场理论,有一点是可以肯定的,在天线结构以及手机和人体相对位置一定的情况下,天线输入功率越大,在人体内形成的电场强度越高,人体吸收的射频辐射功率越大。目前测量SAR值一个重要方法是使用人体组织等效模型,利用探头来测量受射频辐射的人体内的实际场强值。
对SAR要求较严的是FCC标准,对30MHZ-15GHZ频段推荐了两类辐射标准[5]:
受控制的辐射极限:
0.4mw/g(人体平均值),峰值8mw/g(对任何1克人体组织平均),平均时间6分钟;
非控制的辐射极限
0.08mw/g(人体平均值),峰值1.6mw/g(对任何1克人体组织平均),平均时间30分钟.
手机辐射属于人不能控制射频源的非控制辐射。