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1、天線工程概論,Antenna Design Engineering,1,電子研究所 Jacky,1.天線基礎簡介 2. 天線基本原 3. 天線測原 (SISO/MIMO) 4. 天線設計實務 5. 電波傳播 6. 不同類型天線介紹 7. 天線的應用 8. 電磁波人體吸收率 SAR 9. 手機組織&研發流程 10. 智慧型手機設計&量測實務,單極天線 ( Monopole Antenna ) 偶極天線 ( Dipole Antenna ) 倒F型天線 (PIFA Antenna ) 平板天線 (Patch Antenna ) 八木天線 (Yagi Antenna ) 陣天線 (Array Ant
2、enna ) 智慧型天線 (Smart Antenna ) 超寬頻天線 (UWB Antenna ) 反射面天線 (Reflection Antenna 晶片天線 (Chip Antenna) 智慧型天線 (Smart Antenna MIMO) 旋天線 (Helix Antenna) 環形天線 (Loop Antenna),課 程 大 綱,2,天線基礎簡介,射頻RF基本概念： 頻率和波長及線纜電介常數關係 相位和波長關係 什麼是dB和dBm 回波損耗(RL)和駐波比(VSWR)關係 阻抗和衰減 互調(IM3,PIM) 天線常用指標： 極化 ( Polarisation ) 波束寬( Beam
3、width) 旁瓣抑制 (Side Lobe Suppression) 下傾角 (Down Tilt) 前後比 (Front to back Ratio) 隔離度 ( Isolation ),3,頻 率 和 波 長,頻率：波以振動方式傳輸，頻率指每秒鐘波的振動次數，單位赫茲(Hz);頻率越高，振動次數越多 波長：一個振動週期內波所傳輸的長度 電磁波不僅可在電纜裡傳輸，它可在空間任 意傳輸，甚至在真空中 在大氣中和在真空中傳輸幾乎沒有什麼不同， 傳送速率為光速 3*108 m/s 頻率和波長關係： =c/f = 波長(m) C=光速 (3*108 m/s) f=頻率 (Hz),頻率和波長成反比！
4、,天線基礎簡介,4,波長及線纜電介常數關係,真空中波的傳輸不受任何介質影響，但在 線纜傳輸中，不同傳輸介質對信號傳送速率和 波長產生影響 不同介質的電介質常數r 不同，波長和 電介常數關係如下：,= 波長(m) C=光速 (3*108 m/s) f=頻率 (Hz) r =電介質常數,除了空氣,所有介質對波長和傳送速率都有影響,天線基礎簡介,5,相 位 和 波 長 關 系,相位是對線纜電長度的另一種描述如左圖，一個波的振動週期內，隨幅度的變化，我們可以用一個圓周運動來表示，從而轉化成角度的變化 我們也常用相位穩定度和相位差來描述線纜的長度偏差，一般是隨溫度和彎曲而變化的,一個波長可用360度圓來
5、描述,天線基礎簡介,6,dB 和 dBm,什麼是dB dB描述的是一個相對值，它是對高比值(eg. 1/100, 1/10000)的一種簡易描述常用於對射頻或音量的描述 具體表述: 1/100=10lg(1/100)=10lg1*10-2= -20dB 什麼是dBm dBm是絕對值，是對功率的一種描述 dBm的參考值是1mW (0dBm=1mWatt) 具體表述: PowerdBm=10lg(PowermW) 例如: 1Watt=1*103mW=30dBm; 2Watt=10lg2+30dBm=33dBm,dB和dBm可以直接相互運算,天線基礎簡介,7,回波損耗(RL)和駐波比(VSWR)關係
6、,回波損耗(Return Loss),理論上，信號在同阻抗傳輸鏈路中100%通過，當遇到阻抗變化時，部分信號被反射回來，這部分損耗稱為回波損耗(RL),回波損耗的計算,回波損耗有三種計算方式： 最常用計算方式是通過信號功率 RL=10 lg P(in)/P(back) dB 通過測試電壓值的變化 RL=20 lg U(in)/U(back) dB 通過阻抗值的變化 RL=20 lg |(Za+Zi)/(Za-Zi)| dB,回波損號是個比值，工程上此值越大越好 RL=0dB-信號被全部反射 RL=dB-沒有任何信號被反射 RL=3dB -50%信號被反射,天線基礎簡介,8,回波損耗(RL)和駐
7、波比(VSWR)關係,駐波比(VSWR) 和回波損耗一樣，駐波比也是對信號反射的一種描述方式,在一個傳輸鏈路中，當我們相反方向同時傳輸兩個同頻率的信號時，測試時得到的是一個疊加信號，由於兩個信號的方向相反，導致疊加信號不再沿某一方向傳輸，此時我們稱此信號為“駐波” (VSWR=Voltage Standing Wave Ratio),駐波比的計算 VSWR=Umax/Umin Umax=Uf+Ub; Umin=Uf-Ub,天線基礎簡介,9,回波損耗(RL)和駐波比(VSWR)關係,和回波損耗(RL)相反，注波比(VSWR)值越小越好 RL和VSWR關係： RL=20 lg (VSWR+1)/(
8、VSWR-1),天線基礎簡介,10,阻抗和衰減,阻抗,線纜結構對線纜阻抗的影響：,阻抗只和內外導體直徑比以及絕緣材料的電介質常數(r)有關，和工作頻率及線纜長度無關,天線基礎簡介,11,阻抗和衰減,衰減,衰減描述的是信號通過傳輸介質所損失的能量 信號能量損失通常由以下幾個原因造成： 1.阻抗；2. 回波損耗；3.通過外導體的信號洩漏 減小信號衰減的途徑： 1.加粗線徑; 2.降低阻抗；3.減小絕緣材料的電介質常數(r),天線基礎簡介,12,互調(IM3,PIM),什麼是互調IM(Intermodulation),信號通過線性設備時，輸出頻率和輸入完全相同然而，當信號通過一個非線性設備，由於非線
9、性導致輸出信號失真，對這些失真信號，我們稱為互調信號(IM);如果非線性設備為無源器件，則所產生的互調為無源互調(PIM),當輸入信號為個或多個時，則輸出的互調信號非常複雜，我們可以用下面公式來表示： IPM=n*f1 +/- m*f2 n,m =1,2,3 (互調階數),天線基礎簡介,13,互調(IM3,PIM),互調產生因素,如果輸入多個頻率的高功率信號，則任何非線性設備都將產生互調產物，這和設備的非線性程度有緊密關係 導致無源互調的主要因素有： 1.非線性的材料；2.粗糙/不潔的連接表面；3.金屬接觸面的電子通路效應；4.非磁性材料的電磁效應；5.非磁材料對磁性材料滲透導致的非線性變化,
10、問題的產生,在現代移動通訊系統中對Tx和Rx的頻段有嚴格定義，而Tx的互調產物會影響Rx頻段內的信號這意味著3階互調,5階互調甚至7階互調會遮罩掉Rx中的信號,天線基礎簡介,14,互調(IM3,PIM),三階互調(IM3),現代通訊系統中(GSM/CDMA/3G)，影響最大的是3階互調(IM3),它是互調產物中功率最高且最容易覆蓋Rx信號的,互調產物對發射通路Tx沒有影響，它影響的是接收通路RX,天線基礎簡介,15,互調(IM3,PIM),舉例：,互調的單位是dBc,描述的是發射功率和互調信號功率的差值 IM(dBc)=Pout(dBm)-Pim(dBm) 例如： 天線輸出功率：Pout=43
11、dBm (20Watt) 天線接收信號靈敏度為：Pin= -110dBm 則互調信號功率不可高於-110dBm,互調值要優於： -110dBm 43dBm = -153dBc 因此，互調參數可以描述為：-153dBc43dBm 或 -110dBm43dBm,通常，IM用負值來描述，越小互調性能越好,天線基礎簡介,16,極化 ( Polarisation ),極化所定義的是電磁波在傳輸中所運行的軌跡方向和規律常見的極化方式為線性極化和圓極化，在圓極化中我們同時引進了失量的概念,圓極化：左旋圓極化，右旋圓極化 線極化：垂直極化，水準極化 (+/- 45極化),根據波的傳輸原理，不同極化的信號在同一
12、通路中傳輸互相不受影響,天線基礎簡介,17,極化 ( Polarisation ),根據波的傳輸原理，多極化天線中我們要保證發射和接收的極化相同，否則會出現“極化損耗(Polarisation Loss)”，請參考下表：,天線基礎簡介,18,波束寬( Beamwidth),天線輻射信號的模式,輻射模式描述了天線發射波束的特性，這些特性可以通過垂直平面，水準平面和3D顯示出來，包括旁瓣，前後比等等,天線基礎簡介,19,波束寬( Beamwidth),3dB束寬(3dB Beamwidth),3dB束寬是天線指標中一個重要參數，由於在信號的主瓣中，3dB的寬度集中了主瓣中50%的能量，因此我們常用
13、此參數來衡量一面天線,水準3dB束寬,垂直3dB束寬,天線振子增加一倍，3dB束寬減半，天線增益增加3dBi,天線基礎簡介,20,旁瓣抑制 (Side Lobe Suppression),從圖我們可以看出，天線所發出的信號波束包含一個主瓣和若干旁瓣，根據位置不同，旁瓣又可分為上旁瓣，下旁瓣和後旁瓣這些旁瓣有些是無關緊要的，但有些是十分重要的 旁瓣抑制指的是某一信號旁瓣對另一天線發出的信號的主瓣的影響 當天線以一定下傾角(Down Tilt)使上旁瓣中的第一旁瓣為水準位置，如果此旁瓣沒有足夠的抑制，則會影響到其它信號的主瓣,天線基礎簡介,21,下傾角 (Down Tilt),從信號類比圖我們可以
14、看出，主瓣的峰值與水平面形成的角度，我們稱為天線的傾斜角(Tilt),此角度可以為正(Up-tilt)，也可以為負(Down-tilt),或為零通常天線的傾斜角都是下傾角(Down-tilt).,傾斜角分類： 電器傾斜 固定電器傾角FET (Fixed Electrical Tilt) 在天線生產過程中固定的，不可變的 常見有0 , -2 ,-6 . 可調電器傾角MET(Manually adjustable Electrical Tilt) 天線內置調節器，調節範圍通常為0 -11. 機械傾斜 通過安裝角度的調節來改變天線的傾斜度,傾斜角僅僅是對波束垂直平面而定義的，和水準平面無關,天線基礎
15、簡介,22,下傾角 (Down Tilt),通過對天線傾斜角的調節，從而改變社區覆蓋面積，達到協調整個覆蓋網路的目的,天線基礎簡介,23,前後比 (Front to back Ratio),前後比定義的是信號主瓣和後旁瓣+/- 30度內能量的比值,單位是dB.,前後比值越大越好過低前後比意味著後旁瓣對相鄰天線主瓣會有影響！,天線基礎簡介,24,隔離度 ( Isolation ),隔離度只用來描述雙(多)極化天線它描述的是兩個極化的信號相互影響的程度,單位為dB.,例: -30dB的隔離度，意味著1/1000的信號從一個埠洩漏到另一個埠. 10 lg(1/1000)=-30dB,由於接收靈敏度的限制，因此必須保證足夠的隔離度 如果有過多的信號從一個通路洩漏到另一個通路，則BTS不能區分哪個是很弱的接收信號，哪個是干擾信號這將導致網路性能降低,天線基礎簡介,25,簡介-天線史, 赫茲， H.R.是天線的奠基人。18871888第一 個建最基本和最簡單的電容天線 。 1897， H.C.波克頓為細線天線建積分方程並證 明細線天線上的電接近正弦分布，天線上電波和 電荷波是以光速向前傳播的。,26,1.簡介-電磁能頻譜 (EM Spectrum),頻帶號碼 頻範圍 頻帶名稱 應用範圍 2 30 300 Hz ELF，最低頻 3 0.3
