Wieson教育訓(xùn)練-天線種類

1、1,天線應(yīng)用與介紹,2,天線（Antenna）的另一個(gè)名稱，叫做Aerial，所謂Aerials就是指一條條用來發(fā)射或接收無線電訊號(hào)的長(zhǎng)導(dǎo)線；當(dāng)然這是指高科技人員在還沒將它們發(fā)揚(yáng)光大，並稱它們?yōu)樘炀€之前的情況。 天線可以是任何的導(dǎo)線或者是導(dǎo)體，此一導(dǎo)線或?qū)w可以通過脈衝或者是交流訊號(hào)電流。這一電流通過導(dǎo)線或者是導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)及磁場(chǎng)，而這些電磁場(chǎng)就與通過導(dǎo)線的電流節(jié)奏一樣，假如在旁邊有另一導(dǎo)線通過這電磁場(chǎng)，便會(huì)感應(yīng)出電流，而此電流就與另一條產(chǎn)生電磁場(chǎng)的導(dǎo)線上之電流一樣，只是電流規(guī)模會(huì)小很多。,何謂天線?,3,天線的定義,1.天線是一種電子導(dǎo)體 2.在發(fā)射或接收系統(tǒng)中, 設(shè)計(jì)用來發(fā)射或接收電磁

2、波的部分 3.發(fā)射時(shí),轉(zhuǎn)換電子信號(hào)為電磁波,建立一個(gè)電磁場(chǎng) 4.接收時(shí),感應(yīng)空中電磁場(chǎng)的電磁能量,轉(zhuǎn)換為電子信號(hào) 5.引導(dǎo)電磁波對(duì)準(zhǔn)發(fā)射,接收天線,4,天線是一種可將接收到的電磁波轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)或?qū)㈦娏餍盘?hào)轉(zhuǎn)換成電磁波的裝置，一般係由單支或多支線狀導(dǎo)體組成，利用傳輸線(Transmission Line)理論中、可藉由兩介面阻抗之不匹配性導(dǎo)入電磁波信號(hào)的原理，將來自大氣或太空的無線電波耦合入接收電路、或由發(fā)射電路將無線電波傳播至大氣或太空中。 好的天線必須具有高功率傳輸效率，亦即天線的阻抗必須與其連接的傳輸線相匹配 理想的傳輸線須能將其全部的電磁能量傳遞給天線，本身不可產(chǎn)生輻射能。若以電磁學(xué)術(shù)

3、語而言，傳輸線的模式(Mode)必須和天線的模式相匹配。 由於阻抗不匹配的傳輸線容易在信號(hào)傳輸過程中產(chǎn)生駐波，意即會(huì)有能量損失、而輻射至周圍空間,天線原理概述,5,電波是如何在天線形成並輻射出去的 ?,兩個(gè)金屬體(某程度上可看作是電容器)加上電荷(即電壓)時(shí)，就會(huì)如左圖一般在兩極之間產(chǎn)生電力線而形成電場(chǎng)。 如果當(dāng)電容器之兩極間有電壓及阻抗存在時(shí)，則會(huì)有電流循著與電力線相同的方向流動(dòng)。而當(dāng)電流流動(dòng)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生磁力線而形成磁場(chǎng)。 當(dāng)所施加之電壓極性不停的在正負(fù)之間變換時(shí)，則所形成之電場(chǎng)及磁場(chǎng)之方向亦會(huì)隨之而改變。,6,當(dāng)所施加之電壓極性不停的在正負(fù)之間變換時(shí)，則所形成之電場(chǎng)及磁場(chǎng)之方向亦會(huì)隨之而改

4、變。 將電容器之兩極金屬體裝置稍稍改變?nèi)缦聢D所示時(shí)，則電場(chǎng)與磁場(chǎng)就跟著稍微出現(xiàn)於金屬體的外部空間。,電波是如何在天線形成並輻射出去的 ?,7,如是者將電容器的裝置變成一根天線的形狀時(shí)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)都會(huì)由於互斥特性而如下圖三般完全暴露於電容器之外。 這個(gè)就是無線電訊號(hào)如何由一個(gè)振盪源傳至一根天線而變成在天線附近的電磁場(chǎng)的過程。 但這還未有解說到電磁場(chǎng)是如何由這個(gè)電容器的金屬體向外輻射出去而形成電波來。,電波是如何在天線形成並輻射出去的 ?,8,原來，若果在該電容器(即天線)上所施加的電壓為一高頻電壓的話，則每一周期之正半波與及負(fù)半波所產(chǎn)生的電場(chǎng)與磁場(chǎng)都會(huì)因無法追隨振盪源之頻率而緊貼變化，導(dǎo)致這些仍

5、未消失掉的殘餘電場(chǎng)與及磁場(chǎng)不斷被新產(chǎn)生的電場(chǎng)與磁場(chǎng)排擠出去(如下圖所示)。,電波是如何在天線形成並輻射出去的 ?,9,如是者，每一次半周期所產(chǎn)生的新電場(chǎng)及磁場(chǎng)都會(huì)把剛剛由上一次半周期所生而仍未消失的電磁場(chǎng)向外擠壓，周而復(fù)始直至振盪源停止(即停止發(fā)射)。就好像把石頭掉落水中所引起的水波紋一樣，無線電的電磁場(chǎng)就是這樣變成電磁波而幅射開去的了。,電波是如何在天線形成並輻射出去的 ?,10,常見頻段及應(yīng)用,頻段 : GSM (GSM900) : 880960 MHz, 手機(jī)第二代行動(dòng)通訊 DCS (GSM1800) : 17101880 MHz, 手機(jī)第二代行動(dòng)通訊 PCS (PCS1900) : 1

6、8501990 MHz, 美國手機(jī)第二代行動(dòng)通訊 ISM : 2400 2500 MHz, WLAN(802.11b/g)/BT 4900 5900 MHz, WLAN(802.11a) IMT2000 : 19202170 MHz, 第三代行動(dòng)通訊 (3G) AMPS : 824964 MHz , 第三代行動(dòng)通訊 (3G),GPS (全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)) : 1575MHz,11,天線設(shè)計(jì)參數(shù),1.匹配阻抗 : Impedance Matching 2.電壓駐波比: Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) 3.反射損耗 : Return Loss 4.增益 : G

7、ain 5.場(chǎng)型圖 : Pattern (H因此,天線介面的阻抗必須以 匹配網(wǎng)路來補(bǔ)償,匹配網(wǎng)路是以主動(dòng)和/或被動(dòng)元件所組成的 網(wǎng),為匹配網(wǎng)路選擇適當(dāng)?shù)膩丫趾卧磉_(dá)到VSWR結(jié)果的最 佳化,使天線的最大潛力表現(xiàn)出來,13,電壓駐波比: Voltage Standing Wave Ratio,如果收發(fā)機(jī)的射頻阻抗、同軸電纜阻抗和天線阻抗不匹配的話，那收發(fā)機(jī)所產(chǎn)生的最大功率就無法傳送到天空中。有許多原因會(huì)造成阻抗不匹配，例如：同軸電纜毀損或連接錯(cuò)誤、天線組裝錯(cuò)誤、天線長(zhǎng)度錯(cuò)誤、以及有物體太靠近天線。 當(dāng)阻抗不匹配時(shí)，在天線和同軸電纜交接處的部份或全部的電磁波會(huì)被反射回同軸電纜，反射量是與阻抗不匹

8、配的嚴(yán)重性成正比。向天線前進(jìn)的發(fā)射信號(hào)(電磁波)會(huì)和反射信號(hào)相遇而結(jié)合，若兩個(gè)信號(hào)的相位相同，則振幅會(huì)相加；若是相位相反，則振幅會(huì)相減，這結(jié)合的結(jié)果就產(chǎn)生了佇波(standing wave)。而佇波比(Standing Wave Ratio；SWR)=反射信號(hào)/發(fā)射信號(hào)，理想的佇波比是1：1，表示阻抗完全匹配；最差的情況是無限大：1，表示信號(hào)完全被反射回來。目前全球眾多天線設(shè)計(jì)廠商都非常努力地想將SWR降到1：1，俾使最大的功率可以到達(dá)他們的天線系統(tǒng)。,14,電壓駐波比: Voltage Standing Wave Ratio,15,反射損耗 : Return Loss,Return Loss

9、 基本上和VSWR是同樣的東西,如果天線吸收了訊號(hào)的50%而另外的50%被反射回來,則天線的Return Loss 為-3db; 所以,一支好天線的Return Loss 可能是-10db(吸收90% ,反射10%),16,反射損耗 : Return Loss,VSWR與Return Loss 之換算:,17,增益 : Gain,Gain是一種指向性之測(cè)量,我們可以假設(shè)有一個(gè)理論上的完美天線(實(shí)際上並不存在), 它的各個(gè)方向的輻射都相同且效率為100%,則這天線稱為等向輻射器(Isotropic Radiator) Gain 也可以用3D來表示,此球體的半徑和天線增益是成正比的 Gain可以用

10、dBi 或dBd 表示; dBi 是和等向輻射器比較的增益 dBd 是和一支在自由空間的半波偶極天線比較的增益 0dBd =2.15dBi,18,增益 : Gain,假設(shè)在自由空間存在一個(gè)理想的天線，它可以將電波以球狀向外輻射，也就是說距離天線的各點(diǎn)其電波強(qiáng)度相同。如果待測(cè)天線用 1W 發(fā)射而理想天線則要發(fā)射更高的功率才能達(dá)到相同的效果（場(chǎng)強(qiáng)度），那麼這支待測(cè)天線的增益就是 天線絕對(duì)增益（dBi）= 10 * log（理想天線所需發(fā)射的功率待測(cè)天線的發(fā)射功率） 由於理想天線並不存在，實(shí)際應(yīng)用上都是用偶極天線（Dipole）代替參考天線，這樣測(cè)量出來的天線增益稱為相對(duì)增益（dBd），而偶極天線本

11、身就有 2.15dBi 的增益，所以 dBi = dBd + 2.15,19,增益 : Gain,20,增益 : Gain,21,增益 : Gain,22,增益 : Gain,23,Pattern,+5,0,-5,-10,-15,24,Pattern-Dipole,25,Pattern- 2-ELEMENT DIPOLE,26,Pattern-Yagi,27,天線的極化 -1,無線電波(radio wave)實(shí)際上是由電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成的，電場(chǎng)方向和磁場(chǎng)方向是彼此垂直的，兩者相加就成為電磁場(chǎng)。能量是在電場(chǎng)和磁場(chǎng)間交互傳送的，這好比海浪傳送能量一樣，這種現(xiàn)象稱為振盪(oscillation)。 天線

12、的極化是受電場(chǎng)的位置和方向影響，其極化方向是以地面為參考座標(biāo)來決定。天線有三種極化方向：,28,天線的極化 -2,水平極化：電場(chǎng)方向和地面平行。就短距離通訊(不能經(jīng)過大氣離子層反射)而言，水平極化天線的接收效果最好(背景雜音最小)，因?yàn)槿藶榈碾s音大多是垂直極化的。同時(shí)，這也證明了為何視線以內(nèi)(line of sight)的通訊方向最好。,29,天線的極化 -3,2.垂直極化：電場(chǎng)方向和地面垂直。這裡值得注意的是，1/2波長(zhǎng)的垂直極化雙極天線具有和1/2波長(zhǎng)的水平極化雙極天線不同的輻射模式，因此它的dBi也不會(huì)一樣。一般所說的雙極天線，若無特別聲明都是指1/2波長(zhǎng)的水平極化雙極天線。,30,天線

13、的極化 -4,3.圓形極化(Circular polarization)：無線電波行進(jìn)方向如螺旋狀一樣，不斷地旋轉(zhuǎn)(spin)並向外傳送，如圖6所示。它不維持一個(gè)固定方向，而是包括了在移動(dòng)方向上的全部相角，它可以降低信號(hào)的衰減(fade)。,31,束寬 : Beam-width,用來表示指向性天線的方向,定義為輻射主波瓣兩側(cè)兩個(gè)半功率點(diǎn)(-3dB)的夾角,32,Smith Chart,33,天線的應(yīng)用與種類,34,Notebook,Web Pad,Wireless Projector,WLAN PCI Card,Access Point,Mira Device,天線的應(yīng)用與種類,35,Dipo

14、le Antenna,Frequency: 2.400 2.4835GHz for IEEE 802.11b/g : 5.15GHz 5.875GHzGain: 1.5 dBi5dBi Omni DirectionalVSWR = 1.5:1 Connector : SMA/TNC/I-PEX Conn.,36,Embedded Antenna,PCB Antenna,Pifa Antenna,Chip Antenna,Frequency: 2.400 2.4835GHz for IEEE 802.11b/g : 5.15GHz 5.875GHzGain: 1.5 dBi5dBi Omni D

15、irectionalVSWR = 1.5:1,37,Yagi Antenna,Frequency: 2.400 2.4835MHz for IEEE 802.11b/g Gain: 12-15 dBi30 degree DirectionalVSWR = 1.5:1 Connector : N-type Female,38,Omni Directional Antenna,Frequency: 2.400 2.4835MHz for IEEE 802.11b/g Gain: 8-12 dBi360 degree Omni DirectionalVSWR = 1.5:1 Connector :

16、N-type Female,39,Outdoor Panel Antenna,Frequency: 2.400 2.4835MHz for IEEE 802.11b/g Gain: 6-20 dBi17 degree DirectionalVSWR = 1.5:1 Connector : N-type Female,40,Outdoor Dish/Grid Antenna,Frequency: 2.400 2.4835MHz for IEEE802.11b/g Gain: 24 dBi12 degree DirectionalVSWR = 2.0:1 Connector : N-type,41,Mobil