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    SICK:無線射頻識別應用手記——淺談常見單位與天線篇

      2022年05月16日  

    常見單位

      dB與dBm

      首先要知道dB是分貝,定義為10lg(輸出功率/輸入功率),即取兩個功率的對數值,例如一個放大器將信號功率放大1000倍,則換算成以dB為單位,則增益為30dB。

      我們舉幾個例子:

      +6dB就是4倍放大(log4約為0.6)

      +10dB就是10倍放大

      -6dB就是減小到0.25(即1/4)

      -10dB就是減小到0.1(即1/10)

      又如,0dB指的是沒有變大和變小。

      我們常常能夠在專業資料中簡單Gain這個單詞,這也就是指增益,通常就是以這里的dB為單位。

      dBm與dBW

      回看dB這個單位,它用來表達兩個信號相差數百倍甚至上億倍的時候是很容易表達的,考慮到功率通常也用瓦W來表達,那么在射頻應用中一般用dBm來作為功率的單位。

      dBm定義:

    0dBm=1mW;

    0dBW=1W;

      因此

      由于1W=1000mW,所以我們可以得出結論:

      +30dBm=0dBW(即功率1W)

      -30dBW=0dBm(即功率1mW)

      特別提出下,RFID中常用的是dBm,我們能夠常見的換算為:

      1mW=0dBm;10mW=10dBm;

      2mW=3dBm;0.1mW=-10dBm。

      感興趣的話可以推導下-40dBm到40dBm對應的功率吧,可以先告訴兩個答案:40dBm對應功率為10W,10dBm對應功率為10mW。

      Q:為什么在天線里面看到的是dBi,dBd,甚至還有dBic,這些都什么意思啊?

      A:這些都是天線的重要參考值,我們一步步了解。

    關于天線

      首先要知道的是,天線是無源器件,它本身不產生能量,增益的概念在這里是指將能量有效集中向某些特定的方向輻射或接受電磁波的能力。天線增益由振子疊加產生,天線長度隨著增益增長而增長,增益越高說明方向性越好,即能量更集中,波瓣越收斂。

      天線的放射范圍通常包含兩個甚至更多個“瓣”,這個“瓣”可以理解為射頻的覆蓋范圍,強度最大的為主瓣,其余的均為旁瓣,如下圖示意圖:

      我們常常能夠看到天線輻射方向圖,這個圖中的強度最大值與參考天線的強度之比取對數后,指的就是方向增益,增益的單位為dBi,這里理解為db isotropic, isotropic為全向,dB為比,即全向比的增益。比如偶極子天線(半波振子)增益為2.15dBi。

      由于完美的全向參考天線無法制造,而理論半波振子天線與實際偶極子天線增益類似,因此偶極子天線也常用作參考天線,這種情況下的天線增益以dBd為單位,理解為dB dipole,dipole為偶極子。

      下圖是一個理想孤立波源輻射,理論半波振子輻射和定向天線增益示意圖:

      我們可以在西克天線中看到有一些單位為dBiC,這個單位通常用于圓極化天線,總結下為:

      線極化天線增益用dBi,釋義為相對于點圓天線的增益量;

      圓極化天線增益用dBiC,換算為dBiC = dBi + 3dB;

      偶極子天線增益用dBd,換算為dBd= dBi - 2.15。

      Q:那參數表里的“3dB孔徑”和“開啟角度”是什么意思?

      剛才我們講了天線增益是無源的,天線不額外增加能量,僅僅是重新分配而使某個方向上比全向天線輻射更多能量,這里與射頻的增益并不一樣。如果天線再一些方向上為正,那么必定在另外一些方向為負,這樣天線所能達到的增益就和它能覆蓋的范圍達到了平衡,這樣也符合物理學基本定律了。

      一般情況下,超高頻RFID用3dB(即功率密度降低一半)波瓣寬度來定義開啟角度,或者說孔徑,有時候又稱作開啟角度或半功率角,或波束寬度等。波瓣寬度越窄,方向性越好,作用距離越遠,但水平覆蓋面就越小。

    (來源:西克)

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