天線(Antenna)原理

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■通話原理 : 依靠電磁波完成通話(圖像亦同)
1.地球空氣中存在著無數的電磁波(=語音+載波),其速度等同於光速
2.若將電磁波的頻率區隔,則可分成不同的頻段(Channel)
3.人類發現電磁波可以快速(光速)傳播聲音的方法:
即是發明一種人造電磁波=語音+載波,然後用
發射器件:把載波(用振盪電路產生高頻或低頻信號)+語音信號,
再通過天線形成電磁波發射到大氣中。
接收器件:透過天線將接收的電磁波(=語音+載波)轉成電子信號,
然後分離取出語音信號
然後就能透過相互發射接收的裝置(如手機)可完成通話。
■天線的電磁波傳輸原理
●天線是一種電感(電變磁 或磁變電)器件,用於發送或接收信號之用。
利用繩索運動當成電場的波動,則可想像與繩索垂直的繩索形狀就是磁場的波動
https://www.qsl.net/vr2ls/knowings/radiowave/radiowave.html
https://slidesplayer.com/slide/11325789/
●天線產生電場(又稱E場)及磁場(又稱H場),但信號只靠E場傳送或接收,
因為E場在反射時方向不變,但H場則180度反向
■天線的基本參數 ===================================
1.天線功率 (dB,dBm,dBi)
2.駐波比 VSWR
3.阻抗匹配 (Impedance Matching)
4.波束 (Beamforming)
5.EIRP (Euquivalent Isotropically Radiated Power)
6.天線極化(Polarization)
分別說明如下:
【1】天線功率 --------------------------------------
1.天線功率 (mW)
天線的功率以毫瓦(mW)是1/1000 瓦(0.001 Watts)為基本單位。
室內WiFi無線網路,一般是30~100mW( 最大的100mW,可傳達1哩遠)。
戶外點對點的基地台AP(Access Point),則可能超過100mW,如Mesh
Network。
手機則是相對基地台的位置做調整,GSM900最大2W,GSM1800最大1W。
2.天線增益 Gain ( db / dBm / dBi / dBd ) : 天線功率mW的放大值
(1)dB是比值,不是單位
(2)dBm = 10 log10 (P mW / 1mW)
(3) dBi : 絕對增益=相對增益+2.15dB
是給天線用的gain/loss , 是相較於等向天線(isotropicantenna)的
量測值(天線絕對增益)。
(4) dBd : 相對增益
是相較於偶極天線(dipoleantenna)的測量值(天線相對增益),
與絕對增益相差2.15dB。
【視頻】LoRa/LoRaWAN tutorial 5: Decibel, dBm, dBi, dBd
【2】電壓駐波比 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)----------------
1.駐波
一般傳輸線上的電磁波是由行波(向前傳輸的波)和反射波構成。
入射波與反射波合成後,當形成峰谷(絕對值最大)與節點(零點)位置不變,
只隨週期大小變化的波稱為駐波。
傳輸線內的電波一但形成駐波,則無法傳送電波。
形成駐波的波長,正好是天線產生或接收的電磁波的波長。
2.駐波比公式
指駐波波腹電壓與 波谷電壓幅度之比,又稱為駐波系數、駐波比。
https://www.youtube.com/watch?v=BSa051lWB_c
在匹配狀態下,高頻電磁能量全部流入負載,不存在反射。這時,沿傳輸線各個
位置上的電壓振幅相等,不存在駐波,稱為「行波狀態」。
而在失配時,由於存在反射波,反射波與正向波的疊加結果,就會線上上的各個
點的振幅,存在有規律的起伏,稱為「駐波狀態」。
3.反射係數
衡量反射大小的量稱為反射係數,常用Γ表示,為了討論簡單,我們假設負載阻抗為純電阻。反射係數Γ定義為:反射電壓波比入射電壓波。
VSWR與反射係數是相同的指標標準
實務上,量測VSWR較為簡單經濟,近期隨儀器進步也有採用反射係數作為
量測標準
【3】阻抗匹配 (Impedance Matching) -----------------------------
信號端(射頻端)與負載端(天線)之間,需要⎾阻抗匹配完全⏌的目的
1.防止產生駐波現象
如果負載和信號源阻抗不匹配,會產生反向波
部分信號就會反射回信號源,這時前向波和反向波組在一起
就形成了駐波(信號停滯無法傳送)。
因此, 駐波比為1時,表示未產生駐波,代表阻抗匹配完全也 !
https://www.qsl.net/bv3fg/cqm/29/29046.htm
【視頻】先搞清楚什么是阻抗匹配
2.天線阻抗匹配調整
詳見 ⎾天線設計與應用-使用ANSYS HFSS 模擬器⏌(鼎茂圖書出版) p.40-42
【4】波束(Beamforming)-------------------------------------
1.In Phase 與Out Phase
訊號的振幅在正負值之間來回振動,
當兩個訊號的振動方向相同(In Phase)時,會產生相互增強。
當兩個訊號的振動方向相反(Out Phase)時,訊號的相位差恰好是180°
則會產生相互抵消,則結果是完全的沒訊號。
只有同相位角的訊號會被相加(反向位角訊號被沖銷)形成最強的波束主瓣,這就是
陣列天線的基本原理
2.天線方向圖又稱輻射方向圖(radiation pattern)
把天線輻射的電磁場強度在空間的分布,通過數學函數圖形表達出來的圖形。
最大輻射波束通常稱為主瓣(main beam)。
主瓣旁邊的幾個小的波束叫旁瓣(side beam)。
http://www.bird-rf.com/bird-rf_Article_10389841.html
3.波束寬度 (Beamwidth)
波束寬度為天線提供了角分辨率的度量。最常見的是,波束寬度由半功率波束寬
度 (HPBW) 或主瓣的零點到零點間距 (FNBW) 定義。為了找到 HPBW,我們從
峰值向下移動 3 dB 並測量角距離,如圖
https://www.analog.com/cn/design-center/landing-pages/002/tech-articles-taiwan/phased-array-antenna-patterns-part1.html
【視頻】天線輻射參數_指向性
4. 波束控制 (Beam Steering)
在無線電和雷達系統中,可以通過切換天線元件或通過更改驅動天線元件的RF信
號的相對相位來實現波束控制。
https://www.youtube.com/watch?v=0hnWfTvETcU&t=1447s
如果RF射頻角度為θ = 30°,則陣列中的天線距離依公式計算應為d=0.015m
所以頻率f=1/0.015=10.5Hz, 故ΔΦ=94°
故陣列天線與信號源角度調成94度,則可以使兩個元件各自的訊號實現一致疊加。
這樣就可以使該方向的天線增益達到最大值。
https://www.twblogs.net/a/5e9b88ea6052e1406acf2e23
5. 線性陣列的陣列因數
為預測元件之間的較佳時間(或相位)變數來實現較大天線方向性,非常需要瞭解
和操作完整的全陣列天線增益方向圖。
●Array Factor
AF是陣列因子。陣列因子是陣列中天線的位置和使用的權重的函數。通過定制這
些參數,可以優化天線陣列的性能以實現所需的特性。例如,可以通過改變權重
來控制天線陣列(改變最大輻射或接收的方向)。
https://www.antenna-theory.com/arrays/arrayfactor.php
【視頻】What is Beamforming? ("the best explanation I’ve ever heard")
【視頻】Phased Array Beamforming: Understanding and Prototyping
【5】EIRP -------------------------------------------------
EIRP,Euquivalent Isotropically Radiated Power
1.舉例來說從基地台(Access Point)輸出100mW功率的RF信號,
經過纜線連接產生3dB 的衰減,但經過RF 天線卻又提供6dBi的增益,
所以實際上100mW可以獲得(-3dB+6dBi)= 3dB 的信號增益,
因此天線端的輸出大約是 200mW(3dB 約放大一倍)。
如果要以更精確的公式表示,亦即:
∆P = 10 x log(Pf/Pi)
→ 3 dB = 10 x log(Pf/100)
→ Pf/100 = 10^0.3
→ Pf ≒ 200
這個200mW信號就叫EIRP (Euquivalent Isotropically Radiated Power).
2.陣列天線的EIRP
【6】 天線極化(Polarization)---------------------------------
https://murata.eetrend.com/article/2020-02/1003306.html
極化Polarization: 天線之電場振動方向
RF電波實際上事由兩個場(filelds)所組成,一個是電場另一個是磁場,
天線的垂直或水平排列方向,產生兩種線性極化(Linear Polarization):
垂直極化(電場垂直於地球表面)和水平極化(電場平行於地球表面)。
如果天線要按依正確方向排列,產生相同的極化,才能有效的通訊。
水平極化和垂直極化的參考物可以是任何東西。絕大多數用地面當參照物。
1.水平極化Horizontal polarization
場強平行於地面稱爲水平極化。抗干擾強、地面反射波影響小、接收難度大。
廣泛用於高頻通信。
2.垂直極化Vertical polarization:場強垂直於地面稱爲垂直極化。
抗干擾弱、地面反射波影響大、接收簡單、適合移動接收。
3.斜極化Slant polarization:這是一種與水平或垂直平面成一定角度的
無線電天線極化形式。這樣,垂直和水平極化天線都能接收信號。
舉例來說,移動通信系統一般使用垂直極化方式,在移動通信以語音業務爲
主的時候,打電話的姿勢決定了終端天線是接近垂直極化的;現在也開始使
用±45° 的雙極化方式。
4.雙極化Dual Polarization:有水平和垂直兩個方向的極化,而單極化天線
僅是水平或者垂直。
5.圓形極化(Circular Polarization)
圓形極化信號由兩個垂直的電磁平面波組成,振幅相等,相位爲 90 度。
沿著電磁波的傳播方向看,電場向量總是在繞圈,並且繞的圏接近圓形。
根據信號旋轉的方向,圓形極化可分爲兩種類型:
(1)右旋圓形極化RHCP:沿着電磁波的傳播方向看是逆時針旋轉。
(2)左旋圓形極化LHCP:沿着電磁波的傳播方向看是順時針旋轉。
6.橢圓極化Elliptical Polarization:橢圓極化無線電信號由兩個不等振幅的
垂直波組成,相位相差 90°。
【視頻】 實驗室參訪 -- 先進天線研究室 陣列天線與5G
■天線設計模擬軟體 ==================================
1.ADS
2.Microwave Office
3. Dassault System- CST STUDIO SUITE全方位電磁模擬軟體
4.ANSYS HFSS 2020 R1天線設計3D電磁模擬軟體
5.Smith-Chart
6.Zeland IE3D
■天線類型 ===================================
可分為基地台與終端機兩大類型
●基地台天線
●終端機天線
1.導線天線
這是在PCB 上延長到自由空間中的一段導線,它的長度為/4,並被放置在接地
層上。這種天線是由50-Ω4 阻抗的傳輸線供電的。
通常由於尺寸和三個維度的暴露,該導線天線提供的性能和輻射範圍最好。該導
線可以是直線、螺旋或是回路的。它是3D的結構,其中天線高出PCB 4-5mm,
並伸出在機體外。
2.PCB 天線
它是PCB 上的一根PCB 走線,並且可以將其畫成直線形走線、反轉的F 形走線、
蛇形或圓形走線、或基於天線類型和空間限制的擺動曲線等。在一個PCB 天線
中,天線在PCB 的同一平面上變成二維 (2D) 結構
當裸露到空間外的3D 天線被放置到PCB 層上作為2D 的PCB 走線時,必須遵循
一定的指南。一般情況下,與導線天線相比,它需要的PCB 空間更大,效率也
低,但成本低,並且容易製造和可以給BLE 應用提供可接受的無線距離。
3.晶片天線
這是一種帶有導體的天線,天線和導體都被組裝在小型的IC 封裝中。當印刷PCB
天線的空間有限或支持3D 導線天線時,這非常有用。
下圖為帶晶片天線的Cypress EZ BLE 模組 (10 mm × 10 mm) 與1 美分硬幣的
比較。
https://www.raypcb.com/antenna-design-and-rf-layout-rules-part-i/
【視頻】Design Example: Patch Antenna
【視頻】Antenna and RF design simulation with ANSYS HFSS
https://www.books.com.tw/products/E050181592
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