Wieson教育训练-天线种类

1、1,天線應用與介紹,2,天線（Antenna）的另一個名稱，叫做Aerial，所謂Aerials就是指一條條用來發射或接收無線電訊號的長導線；當然這是指高科技人員在還沒將它們發揚光大，並稱它們為天線之前的情況。 天線可以是任何的導線或者是導體，此一導線或導體可以通過脈衝或者是交流訊號電流。這一電流通過導線或者是導體時，會產生電場及磁場，而這些電磁場就與通過導線的電流節奏一樣，假如在旁邊有另一導線通過這電磁場，便會感應出電流，而此電流就與另一條產生電磁場的導線上之電流一樣，只是電流規模會小很多。,何謂天線?,3,天線的定義,1.天線是一種電子導體 2.在發射或接收系統中, 設計用來發射或接收電磁

2、波的部分 3.發射時,轉換電子信號為電磁波,建立一個電磁場 4.接收時,感應空中電磁場的電磁能量,轉換為電子信號 5.引導電磁波對準發射,接收天線,4,天線是一種可將接收到的電磁波轉換成電流信號或將電流信號轉換成電磁波的裝置，一般係由單支或多支線狀導體組成，利用傳輸線(Transmission Line)理論中、可藉由兩介面阻抗之不匹配性導入電磁波信號的原理，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，本身不可產生輻射能。若以電磁學術

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傳輸過程中產生駐波，意即會有能量損失、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 ?,兩個金屬體(某程度上可看作是電容器)加上電荷(即電壓)時，就會如左圖一般在兩極之間產生電力線而形成電場。 如果當電容器之兩極間有電壓及阻抗存在時，則會有電流循著與電力線相同的方向流動。而當電流流動時，將會產生磁力線而形成磁場。 當所施加之電壓極性不停的在正負之間變換時，則所形成之電場及磁場之方向亦會隨之而改變。,6,當所施加之電壓極性不停的在正負之間變換時，則所形成之電場及磁場之方向亦會隨之而改

4、變。 將電容器之兩極金屬體裝置稍稍改變如下圖所示時，則電場與磁場就跟著稍微出現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，電場與磁場都會由於互斥特性而如下圖三般完全暴露於電容器之外。 這個就是無線電訊號如何由一個振盪源傳至一根天線而變成在天線附近的電磁場的過程。 但這還未有解說到電磁場是如何由這個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半波所產生的電場與磁場都會因無法追隨振盪源之頻率而緊貼變化，導致這些仍

5、未消失掉的殘餘電場與及磁場不斷被新產生的電場與磁場排擠出去(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，每一次半周期所產生的新電場及磁場都會把剛剛由上一次半周期所生而仍未消失的電磁場向外擠壓，周而復始直至振盪源停止(即停止發射)。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,常見頻段及應用,頻段 : GSM (GSM900) : 880960 MHz, 手機第二代行動通訊 DCS (GSM1800) : 17101880 MHz, 手機第二代行動通訊 PCS (PCS1900) : 1

6、8501990 MHz, 美國手機第二代行動通訊 ISM : 2400 2500 MHz, WLAN(802.11b/g)/BT 4900 5900 MHz, WLAN(802.11a) IMT2000 : 19202170 MHz, 第三代行動通訊 (3G) AMPS : 824964 MHz , 第三代行動通訊 (3G),GPS (全球衛星定位系統) : 1575MHz,11,天線設計參數,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.場型圖 : Pattern (H因此,天線介面的阻抗必須以 匹配網路來補償,匹配網路是以主動和/或被動元件所組成的 網,為匹配網路選擇適當的佈局何元件來達到VSWR結果的最 佳化,使天線的最大潛力表現出來,13,電壓駐波比: Voltage Standing Wave Ratio,如果收發機的射頻阻抗、同軸電纜阻抗和天線阻抗不匹配的話，那收發機所產生的最大功率就無法傳送到天空中。有許多原因會造成阻抗不匹配，例如：同軸電纜毀損或連接錯誤、天線組裝錯誤、天線長度錯誤、以及有物體太靠近天線。 當阻抗不匹配時，在天線和同軸電纜交接處的部份或全部的電磁波會被反射回同軸電纜，反射量是與阻抗不匹

8、配的嚴重性成正比。向天線前進的發射信號(電磁波)會和反射信號相遇而結合，若兩個信號的相位相同，則振幅會相加；若是相位相反，則振幅會相減，這結合的結果就產生了佇波(standing wave)。而佇波比(Standing Wave Ratio；SWR)=反射信號/發射信號，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，表示信號完全被反射回來。目前全球眾多天線設計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他們的天線系統。,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是一種指向性之測量,我們可以假設有一個理論上的完美天線(實際上並不存在), 它的各個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,假設在自由空間存在一個理想的天線，它可以將電波以球狀向外輻射，也就是說距離天線的各點其電波強度相同。如果待測天線用 1W 發射而理想天線則要發射更高的功率才能達到相同的效果（場強度），那麼這支待測天線的增益就是 天線絕對增益（dBi）= 10 * log（理想天線所需發射的功率待測天線的發射功率） 由於理想天線並不存在，實際應用上都是用偶極天線（Dipole）代替參考天線，這樣測量出來的天線增益稱為相對增益（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)實際上是由電場和磁場組成的，電場方向和磁場方向是彼此垂直的，兩者相加就成為電磁場。能量是在電場和磁場間交互傳送的，這好比海浪傳送能量一樣，這種現象稱為振盪(oscillation)。 天線

12、的極化是受電場的位置和方向影響，其極化方向是以地面為參考座標來決定。天線有三種極化方向：,28,天線的極化 -2,水平極化：電場方向和地面平行。就短距離通訊(不能經過大氣離子層反射)而言，水平極化天線的接收效果最好(背景雜音最小)，因為人為的雜音大多是垂直極化的。同時，這也證明了為何視線以內(line of sight)的通訊方向最好。,29,天線的極化 -3,2.垂直極化：電場方向和地面垂直。這裡值得注意的是，1/2波長的垂直極化雙極天線具有和1/2波長的水平極化雙極天線不同的輻射模式，因此它的dBi也不會一樣。一般所說的雙極天線，若無特別聲明都是指1/2波長的水平極化雙極天線。,30,天線

13、的極化 -4,3.圓形極化(Circular polarization)：無線電波行進方向如螺旋狀一樣，不斷地旋轉(spin)並向外傳送，如圖6所示。它不維持一個固定方向，而是包括了在移動方向上的全部相角，它可以降低信號的衰減(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兩個半功率點(-3dB)的夾角,32,Smith Chart,33,天線的應用與種類,34,Notebook,Web Pad,Wireless Projector,WLAN PCI Card,Access Point,Mira Device,天線的應用與種類,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