LoRa天线的垂直方向覆盖能力主要由其极化方式、增益、垂直波束宽度（Vertical Beamwidth）及部署环境共同决定。以下从技术原理、关键参数、地形影响和实测数据四个维度展开分析：
一、LoRa天线技术原理与垂直覆盖特性
1.极化方式
LoRa天线通常采用垂直极化(如中915MHz天线的极化方式)，这种设计更适应地面通信场景。垂直极化波的电场方向与地面垂直，有利于减少地面反射引起的信号衰减，尤其是在非视距(NLoS)条件下通过衍射或反射实现覆盖。
2.增益与波束宽度的权衡
增益：增益越高，天线辐射能量越集中，传输距离越远，但垂直波束宽度会变窄。例如，中9dBi的全向天线垂直波束宽度仅14°，而增益较低的偶极天线垂直波束宽度更宽(如70°以上)。
波束宽度：垂直波束宽度直接影响覆盖的垂直角度范围。窄波束(如14°)适合远距离点对点通信，而宽波束更适合多楼层或地形起伏场景的覆盖。
3.天线类型的影响
全向天线：水平方向360°覆盖，垂直方向波束较窄(如14°)，适合平坦区域的广域覆盖。
定向天线：通过压缩垂直波束(如30°)集中能量，可在特定仰角下实现更远覆盖。例如，QuPanel XR 915MHz定向天线在南极实验中实现了20公里通信。
二、关键参数对垂直覆盖的影响
1.垂直波束宽度（Vertical Beamwidth）
定义：垂直平面上信号强度下降3dB时的夹角，决定覆盖的仰角范围。
实测案例：某915MHz全向天线的垂直波束宽度为14°，在垂直方向形成锥形覆盖，适合低仰角通信;而高增益定向天线的波束更窄(如30°)，需精确调整俯仰角以对准目标。
2.天线高度与覆盖高度差
天线架设高度直接影响垂直覆盖范围。根据经验公式，天线高度每增加1米，覆盖半径增加约3-5米(视地形而定)。例如，中提到城市中LoRa基站的天线高度需优化以减少建筑物遮挡。
在高楼场景中，天线需垂直安装并远离金属障碍物，以避免信号衰减。
3.频率与垂直穿透性
低频段(如433MHz)垂直穿透能力更强，适合楼宇内多层覆盖;高频段(如915MHz)则更适合开阔区域的长距离传输。
三、地形与环境的实际影响
1.复杂地形
山区：垂直方向的山体阻挡会导致信号衰减。例如，在重庆武隆县仙女山的测试中，LoRa通过衍射和反射实现了峡谷地形的覆盖，但需调整天线俯仰角以匹配地形起伏。
城市环境：高层建筑会形成“垂直阴影区”。显示，城市中LoRa的垂直覆盖半径仅2-3公里，需通过中继或多跳网络扩展。
2.多径效应与极化损耗
垂直极化波在反射时相位偏移较小，但仍可能因多径效应导致信号叠加或抵消。例如，指出，低仰角下地面反射可能削弱信号，需通过天线高度优化减少此类干扰。
四、实测数据与典型场景
1.空旷环境
北京研究院测试中，全向天线在50米高度下实现了8.4公里的垂直覆盖，但移动终端因波束宽度限制导致丢包率较高。
2.农业与工业场景
农业监测中，定向天线以5-10公里单跳距离覆盖农田，垂直波束宽度需匹配作物高度变化。
工业厂房内，全向天线穿透四层楼仍能通信，但金属结构会显著削弱垂直覆盖能力。
3.极限测试
南极实验中，高增益定向天线在非视距条件下通过山体反射实现了20公里通信，验证了窄垂直波束的远距离潜力。
五、优化策略
1.天线选择与部署
全向天线用于广域覆盖，定向天线用于特定仰角的远距离传输。
优先选择垂直波束宽度与场景匹配的天线(如14°全向天线用于平坦区域，30°定向天线用于山区)。
2.俯仰角调整
使用倾角仪校准天线俯仰角，确保主瓣覆盖目标区域。例如，农业监测中需根据作物生长周期调整天线角度。
3.中继与Mesh组网
在垂直遮挡严重区域(如城市峡谷)，通过中继节点扩展覆盖。显示，Mesh网络可将覆盖半径从2公里扩展至10公里。
六、总结
LoRa天线的垂直方向覆盖能力是增益、波束宽度、频率和部署环境的综合体现：
- 全向天线：垂直波束窄(14°-30°)，适合低仰角广域覆盖。
- 定向天线：通过压缩垂直波束(<30°)实现远距离通信，需精确调整俯仰角。
- 地形与高度：山区需利用衍射，城市需优化天线高度减少遮挡。
- 实测极限：空旷环境下可达15公里(视距)，复杂地形下通常为2-5公里。
实际部署中需结合场景需求选择天线类型，并通过现场勘测优化安装参数，以最大化垂直覆盖效果。
