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重点 手机天线的基本参数.doc

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手机天线的基本参数 1,VSWR 驻波比 Voltage standing wave ratio. Measures the peak to peak voltage on the input transmission line.一般高频传输线上都是行驻波。电压驻波比是指传输线线相邻的电压振幅最大值和电压振幅最小值的绝对值的比值。 行波无反射状态,VSWR=1,为最佳情况。全反射状态,VSWR为无穷大。对于天线而言,我们希望反射的能量越少越好,那么就用驻波比来表示反射的多少,尽量接近1为最佳。VSWR=(1+反射系数)/(1-反射系数)。驻波比越小越好,表示反射系数越小越好。 驻波比反映了天馈系统的匹配情况。它是以天线作为发射天线时发射出去和反射回来的能量(对于天线而言,重点强调的是能量关系,而不像传输线那样强调的是电压之间的关系)的比来衡量天线性能的。驻波比是由天馈系统的阻抗决定的。天线的阻抗与馈线的阻抗与接收机的阻抗一致,驻波比就小。驻波比高的天馈系统,信号在馈线中的损失很大。驻波比跟反射系数,也可以说的回波损耗是成正比的,回波损耗强调能量关系。来自网络,仅供参考 2,Return Loss 回波损耗 The amount of power reflected by the antenna back to the generator. 回波损耗是指某一点(对于手机天线而言是指天线的馈点处)反射波的功率与入射波的功率之比的10*log值。也就是反射系数的平方的10*log值。回波损耗=10*log(反射系数平方值)。知道了驻波比,可以求出反射系数,进而就可以求出回波损耗。单位是dB,有时候回波损耗也当成是反射系数,即20*log(反射系数),由于反射系数小于1,所以回波损耗为负数。 3,Directivity 方向系数 Ratio of the power density in the direction of maximum power to the average power. 能够定量的表示天线定向辐射能力的电参数。定义:在同一距离及相同辐射功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度和无方向性天线(点源)的辐射功率密度之比。 方向系数与辐射功率在全空间的分布状态有关。要使天线的方向系数大,不仅要求主瓣窄,而且要求全空间的副瓣电平小。这个参数重点描述天线辐射性能的方向性。 方向系数的单位是dBi,理想点源天线的方向系数为10*log(1)=0dBi。一般非理想点源天线的方向系数都是大于0dBi的。 不是所有的天线都有方向性的。便携式收音机上的拉杆天线就没有方向性。偶极天线有弱的方向性,八木等定向天线可以得到较好的方向性。好的方向性意味着能够集中收集所需方向的电波,还有一个重要的能力就是能部分地减弱本地电台信号的影响。 但是定向天线并不是什么情况下都好。当没有目标而等待的时候,定向天线就有可能使你错过天线背面的信号。所以比较合理的方式,是用一个垂直天线和一付定向天线配合使用,用垂直天线等待,听到信号后,再用定向天线转过去对准了听。 对于手机天线而言,可以观察3D和2D的方向图,要求方向系数越弱越好,因为手机天线需要尽量做成全方向性(即没有方向性)的天线,而不是要求某个方向的辐射特别强。 4,Gain 增益 Directivity scaled by the efficiency of the antenna. 增益系数表示了天线的定向收益程度。定义:在同一距离及相同的输入功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度和理想无方向性天线的辐射功率密度之比。 输入功率是指在天线馈点处的功率,并不是天线的辐射功率,天线的辐射功率等于输入功率和效率的乘积。所以,Gain=Directivity*Efficiency。它是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数。使用高增益天线可以在维持输入功率不变的条件下,增大有效辐射功率。 单位是dBi,因为是同理想点源天线的对比值。对定义中的功率比值取10*log即可。 对于手机天线,我们也是希望能够得到较高的天线增益的。如果要求高增益天线,那么我可以通过调高天线的效率来实现,也可以通过提高天线的方向系数来实现,如果用方向系数来实现,肯定是不合适了?(因为手机天线要求做成全方向性天线,方向性越差越好)所以,我们都是试图通过提高天线的效率来获得较高的天线增益的。实际调试中,我们往往更关注天线的效率而不是增益本身。 一般而言,增益越高,带宽就会越窄。 其实这里的增益跟一般所说的放大倍数的概念是一样的,对于放大器而言,放大倍数的log值就是增益。天线的增益的物理意义:描述了天线与理想无方向性天线相比在最大辐射方向上将输入功率放大的倍数。如果将理想无方向性天线的放大倍数认为是1的话,那么某个天线的增益就是其在最大方向上将输入功率的放大倍数。这就可以解释,虽然天线是无源的,但是有时候也会起到放大的作用,即增益有可能是正值。增益反映了能量在空间的分配,这个方向的能量多,意味着其它方向的能量低。方向性很强的天线实现了功率的空间分配。 也可以这样来理解增益的物理含义------为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号,如果用理想的无方向性点源作为发射天线,需要100W的输入功率,而用增益为 G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时,输入功率只需 100 / 20 = 5W 。换言之,某天线的增益,就其最大辐射方向上的辐射效果来说,与无方向性的理想点源相比,把输入功率放大的倍数。 5,Efficiency 效率 Ratio of the total power radiated to the total power available at the input terminals. 天线的效率是指天线的辐射功率(Prad)与输入功率(Pin)之比,也就是天线将馈点处的输入功率辐射出去的能力。 天线效率的单位是百分比,即%。对于内置天线而言,要求效率至少在30%以上。 以手机天线为例进一步说明:手机上有一个天线开关,我们一般测得的手机输出功率是从手机开关测得的,然后这个功率经过一段微带线传输到天线馈点处,一部分能量由于电路的失配被反射回来,另一部分能量进入天线记作Pin。用TRP表示天线的空间辐射功率Pout,那么天线的效率就是Pout/Pin。这里就没有考虑到由于电路失配而导致的能量反射。对于单独的天线而言,这就是天线效率的定义。 天线的效率是不必考虑传输线和反射损耗的,Prad/Pin就是天线的效率定义值。天线的效率是很难通过计算获得的,天线本身的能量损耗主要是由于天线作为导体对信号的损耗,包括介质损耗(基板引起的和手机内磁铁引起的)和金属损耗(尽管很小),而回损和匹配电路的损耗是不应该记入的。 但是在实际的工程中,我们评估的手机天线的效率应该是将天线开关输出的功率作为Pin,这样计算得到的效率包括了反射的那部分能量,也包括了在微带传输线上的能量损耗,这个效率值应该比天线的实际效率差很多。 6,Reflection Coefficient 反射系数 定义为某点的反射波电压与入射波电压之比 7,Polarization 极化 Direction of the electric field vector in the far field. 极化是指该天线在给定方向上远区辐射场的空间取向。一般而言,特指该天线在最大辐射方向上电场的空间取向。同一个天线,在不同的辐射方向的极化可能不同。 天线的极化:在空间某一个位置上电场矢量端点随时间运动的轨迹,按其轨迹可以分为线极化、圆极化和椭圆极化。 补充:天线向周围辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定:电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的,常用到垂直极化,有时也用到水平极化天线。将两种极化方向不同的单极化天线组合在一起,就可以获得一种双极化天线。 垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收,水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收。 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时,接收到的信号就会变小,也就是说,会发生极化损失。当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时,例如用水平极化的接收天线接收垂直极化波时,天线就完全接收不到来波的能量,这种情况下的极化损失最大,称为极化完全隔离。 但是,对于手机天线的极化,我还没有在什么资料里看到过相关说明,不过,手机天线和基站天线的极化形式应该是一致的,应该是最常用的垂直线极化波。 8,Bandwidth 带宽 The range of frequencies over which the antenna meets performance criteria. 带宽,即天线满足性能要求的工作频率范围。 天线是有一定带宽的,这意味着虽然谐振频率是一个频率点,但是在这个频率点附近一定范围内,这付天线的性能都是差不多好的。这个范围就是带宽。 我们当然希望一付天线的带宽能覆盖一定的范围,最好是我们所收听的整个FM广播波段。要不然换个台还要换天线或者调天线也太麻烦了。 天线的带宽和天线的形式、结构、材料都有关系。一般来说,振子所用管、线越粗,带宽越宽;天线增益越高,带宽越窄。 天线的带宽有两种不同的定义: 一种是指:在驻波比VSWR<=1.5条件下,天线的工作频带宽度;回波损耗<=-14dB。 一种是指:天线增益下降3dB范围内的频带宽度。 在移动通信系统中,通常是按前一种定义的,具体的说,天线的频带宽度就是天线的驻波比不超过1.5时,天线的工作频率范围。 9,Impedance 输入阻抗 Radio of the input voltage to the input current at the terminals of the antenna. 天线可以看做是一个谐振回路。一个谐振回路当然有其阻抗。我们对阻抗的要求就是匹配:和天线相连的电路必须有与天线一样的阻抗。和天线相连的是馈线,馈线的阻抗是确定的,所以我们希望天线的阻抗和馈线一样。一般生产的馈线,主要是300欧姆、75欧姆和50欧姆三种阻抗,国外过去还有450欧姆和600欧姆阻抗的馈线。 基本偶极天线的阻抗是75欧姆左右,V型偶极天线是50欧姆左右,基本垂直天线阻抗 50欧姆。其它天线一般阻抗都不是50或75欧姆,那么在把它们与馈线连接之前,需要有一定的手段来做阻抗变换。 10,Radiation Pattern 方向图 Angular variation of radiated energy distribution around the antenna. 11,Insertion Loss 插入损耗 定义为某点上的传输电压与入射电压之比。 12,TRP Total radiated power:通过对整个辐射球面的发射功率进行面积分并取平均得到。它反映手机整机的发射功率情况,跟手机在传导情况下的发射功率和天线辐射性能有关。 13,TIS Total Isotropic Sensitivity:反映在整个辐射球面手机接收灵敏度指标的情况。它反映了手机整机的接收灵敏度情况,跟手机的传导灵敏度和天线的辐射性能有关。 14,NHPIS Near Horizon Partial Isotropic Sensitivity:反映手机在H面附近天线的接收灵敏度情况的参数。 15,NHPRP Near Horizon Partial Radiated Power:反映在手机的H面附近天线的发射功率情况的参数。 16,SAR SAR是Specific Absorbtion Ratio的缩写,即“吸收比率”。就是单位时间内单位质量的物质吸收的电磁辐射能量。 通俗地讲,就是测量手机辐射对人体的影响是否符合标准。目前国际通用的标准为:以6分钟计时,每公斤脑组织吸收的电磁辐射能量不得超过2W。这一标准是国际业界的通用标准。 据中国泰尔实验室专门从事该项工作的电磁辐射测量专家介绍,只有SAR值才是衡量手机辐射量的惟一标准。 17,天线的谐振 任何天线都谐振在一定的频率上,我们要接收哪个频率的信号,就希望天线谐振在那个频率上。天线谐振是对天线最基本的要求,体现了天线对波段的选择性,天线只有在其谐振频率上才具有最佳的辐射和接收性能。 天线的谐振问题涉及到的主要数据是波长及其四分之一。计算波长的公式很简单,300/f。其中f的单位是MHz,而得到的结果的单位是米。1/4波长是称作基本振子,如偶极天线是一对基本振子,垂直天线是一根基本振子。 不过天线中的振子的长度并不正好是1/4波长,因为电波在导线中行进的速度与在真空中的不同,一般都要短一些,所以有一个缩短因子。这个因子取决于材料。 其它参数 天线仰角 天线的仰角是指电波的仰角,而并不是天线振子本身机械上的仰角。仰角反映了天线接收哪个高度角来的电波最强。对于F层传播,我们希望仰角低,可以传播地远,对于 Es层,电波主要是从高处来,我们希望仰角高。 仰角的高低取决于天线型式和架设高度。一般来说,垂直天线具有低仰角,其它天线的仰角随架设高度变化。 天线架设高度 天线有一个架设高度。这个高度实际上是两个高度,一个高度我们考虑它的水平面高度,这个高度对于本地信号有些用,对于DX其实用处不大。第二个常常被忽略的高度是地面高度,是指天线到电气地面的高度。比如架设在钢筋水泥房顶的天线,虽然房子高有20米,但是天线距房顶只有1米,那么这付天线的高度只是1 米。 天线的高度对不同的天线有不同的影响,一般会影响天线的阻抗和仰角。通常我们认为天线的地面高度应在0.4个波长以上,才比较不受地面的影响。 天线参数相关图表引用说明 从各类文档中摘录的表格图片来加深对天线各个参数之间的关系的理解。 1,驻波比,回波损耗,输入功率和插入损耗之间的关系 表一 四个参数之间的关系表 图一 关于天线的输入功率和反射功率 PG是指信号源产生的功率,Pin是指进入到天线之中的功率。PG和Pin之间的关系式Pin=(1-R平方)*PG,R是由于天线的失配而导致的反射系数。这里的能量损耗主要是反射回去的那部分能量(回波损耗)。另外还有传输线电路的损耗,这里没有考虑,认为是无损耗传输线。 而天线的效率是不必考虑传输线和反射损耗的,Prad/Pin就是天线的效率定义值。天线的效率是很难通过计算获得的,天线本身的能量损耗主要是由于天线作为导体对信号的损耗,包括介质损耗(基板引起的和手机内磁铁引起的)和金属损耗(尽管很小),而回损和匹配电路的损耗不应该记入的。 (由驻波比等于2,可以计算出反射系数的绝对值等于1/3。回波损耗=20*log(反射系数绝对值)=20*log(1/3)=-9.5。我们希望反射系数越小越好,那么回波损耗也是越小越好,可是,驻波比达到2就已经算是好了,要求一定带宽内的回波损耗的最大值小于-9.) 表一中各个参数之间的计算关系: VSWR=2时,反射系数=1/3,Pin=1-1/3平方=0.889=88.9% VSWR=3时,反射系数=0.5,回波损耗=20*log(0.5)=-6,Pin=1-0.5*0.5=0.75=75% <本来我想通过(1-反射系数)再取平方来得到效率,可是结果不对,功率和反射系数之间是平方关系,是指反射功率和反射系数,入射功率和入射系数之间。下面的思路是正确的:反射的能量跟反射系数是平方关系,设总能量为1的话,input天线的能量就应该是(1-反射系数平方)>。 插入损耗定义为某点上的传输电压与入射电压之比,也就是指输入到天线的能量和总能量的比值。如果将总能量设为1的话,插入损耗的dB单位计算值就是10*log(Pin)。 当入射功率为0.889时,入射功率可以认为是0.889,插入损耗为10*log(0.889)=-0.51 对于上面的表格,只要知道其中任何一个值就可以求出其它三个值。 VSWR=(1+反射系数)/(1-反射系数); Return Loss=20*log(反射系数); Reflect Power=反射系数的平方; Input Power=Pin=1-反射系数的平方; Insert Loss=10*log(Pin)=20*log((1-反射系数平方)开平方); 注意:由于能量守恒定则,反射的能量和入射的能量之间的关系是和为1的关系,但是反射系数和入射系数之间没有这种关系,只能通过能量关系得到。反射入射系数是电压的关系,电压值之间没有什么守恒定则。 2,天线的回波损耗图。 回波损耗是天线的一个无源参数,可以通过网络分析仪测量到。从网分中可以看到天线的谐振频率点,带宽以及回波损耗。 3,Return Loss和VSWR的关系图 反射系数=(VSWR-1)/(VSWR+1) Return Loss=20*log(反射系数)=20*log() 由此可以得到上面的图表关系。不过上图中将Returen Loss作为正数了,应该是绝对值吧。因为我们这里谈到了Return Loss都是负数。 可以明显看出,驻波比越小越好,而回波损耗也是越小越好,这两个参数都是来自于反射系数,我们当然希望能量被反射的越少越好了。 4,手机基站天线参数表及相关说明 无论是GSM还是CDMA,板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线。这种天线的优点是:增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能可靠以及使用寿命长。板状天线也常常被用作为直放站的用户天线,根据作用扇形区的范围大小,应选择相应的天线型号。 参考基本天线的基本技术指标以便于更深刻理解天线的相关参数应用: 可以看出基站天线是一种有方向性的天线。 对于基站天线,人们常常要求它的垂直面方向图中,主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些,因为基站的服务对象是地面上的移动电话用户,指向天空的辐射是毫无意义的。为使主波瓣指向地面,放置基站天线时需适度下倾。对于E面的方向图,是希望为全方向性的。 参考下面的H面方向图: 所以基站天线的增益需要做得很高。 手机辐射测试-OTA测试 1,OTA 测试介绍 1.1 手机的无源测试和有源测试 当前在手机射频性能测试中越来越关注整机辐射性能的测试,这种辐射性能反映了手机的最终发射和接收性能。目前主要有两种方法对手机的辐射性能进行考察:一种是从天线的辐射性能进行判定,是目前较为传统的天线测试方法,称为无源测试;另一种是在特定微波暗室内,测试手机的辐射功率和接收灵敏度,称为有源测试。OTA(Over The Air)测试就属于有源测试。 无源测试侧重从手机天线的增益、效率、方向图等天线的辐射参数方面考察手机的辐射性能。无源测试虽然考虑了整机环境(比如天线周围器件、开盖和闭盖)对天线性能的影响,但天线与整机配合之后最终的辐射发射功率和接收灵敏度如何,从无源测试数据无法直接得知,测试数据不是很直观。 有源测试则侧重从手机整机的发射功率和接收灵敏度方面考察手机的辐射性能。有源测试是在特定的微波暗室中测试整机在三维空间各个方向的发射功率和接收灵敏度,更能直接地反映手机整机的辐射性能。 CTIA(Cellular Telecommunication and Internet Association)制定了OTA(Over The Air)的相关标准。OTA 测试着重进行整机辐射性能方面的测试,并逐渐成为手机厂商重视和认可的测试项目。 1.2 OTA 测试的目的 目前只有通过FTA(Full Type Approval)认证测试的手机型号才能上市销售,在FTA 测试中,射频性能测试主要进行手机在电缆连接模式下的射频性能测试;至于手机整机的辐射发射和接收性能,在FTA 测试中没有明确的规定,而OTA测试正好弥补FTA测试在这方面测试的不足。同时,终端生产厂家必须对所生产手机的辐射性能有清楚的了解,并通过各种措施提高手机辐射的发射和接收指标。如果手机辐射性能不好,将产生手机信号不好、语音通话质量差、容易掉线等多方面的问题,这也是客户投诉比较多的问题。 在手机通话时,由于人脑靠近手机天线,将降低手机的发射和接收性能,手机整机辐射的发射和接收性能都会降低。在手机研发过程中应定量测量人脑对手机的发射和接收性能的影响,进行优化设计,使发射和接收性能降低不能太大,即减少人体和天线的电磁耦合效应。 为考察手机的辐射性能,除考察手机天线的无源性能之外,整机的有源性能也是一个重要的考察方面。当前整机有源性能越来越受到终端厂商的重视,因此在手机辐射性能的考察中应将两种辐射性能综合起来考虑。目前终端天线厂商在研发中一般都要求天线供应商提供无源和有源测试报告。 2,OTA 测试及手机其它的主要参数 2.1 OTA 测试中的主要测试参数及相关计算在OTA 测试中,辐射性能参数主要分为两类:接收参数和发射参数。 发射参数有TRP、NHPRP;接收参数有TIS、NHPIS。 TRP(Total Radiated Power):通过对整个辐射球面的发射功率进行面积分并取平均得到。它反映手机整机的发射功率情况,跟手机在传导情况下的发射功率和天线辐射性能有关。 NHPRP(Near Horizon Partial Radiated Power):反映在手机的H面附近天线的发射功率情况的参数。 TIS(Total Isotropic Sensitivity):反映在整个辐射球面手机接收灵敏度指标的情况。它反映了手机整机的接收灵敏度情况,跟手机的传导灵敏度和天线的辐射性能有关。 NHPIS(Near Horizon Partial Isotropic Sensitivity):反映手机在H面附近天线的接收灵敏度情况的参数。 对于手持终端,OTA 测试中还将考察终端在有模拟人头情况下的上述参数,比较在有无模拟人头情况下相关参数的变化情况。 2.2 其它有关的天线参数 在考察天线性能的时候,还有其它需要了解的参数如:APIP、Gain、Directivity、EIRP、ERP。 Gain(dBi):在相同的输入功率下,天线在空间某点(应该是最大辐射方向上的点)的辐射功率与理想无方向性点源天线在同一点的功率的比值,该增益单位为dBi,手机天线厂家提供的天线测试报告中的增益一般以dBi 为单位。 Gain(dBd):在相同的输入功率下,天线在空间某点的辐射功率与理想半波偶极子天线最大辐射方向上功率的比值,该增益的单位为dBd。 Directivity:在相同的辐射功率下,某天线在空间某点(应该是最大辐射方向上的点)产生的功率与理想无方向点源天线在同一点产生的功率的比值。 Efficiency:天线辐射功率和天线输入功率的比值。 天线效率是天线最有效的指标,它是天线在暗室中3D测试的综合表现,反映天线是否能把能量有效的辐射出去。它是指天线辐射出去的功率(即有效地转换电磁波部分的功率)和输入到天线的有用功率之比,是恒小于1的数值。方向图和效率是天线最关键的无源指标。效率对天线的接收和发射是相同的,比如天线的效率是50%,在天线输入处的功率为33dbm,则被天线接收到的实际功率为30dbm。   APIP(Antenna Port Input Power):加入到天线口的功率大小,是PA 输出到天线口的功率大小。该功率大小主要跟手机的传导发射功率大小有关。 EIRP(Effective Isotropic Radiated Power):等效全向辐射功率是天线得到的功率与天线以dBi 表示的增益的乘积,反映天线在各个方向上辐射的功率的大小。 PEIRP(Peak Effective Isotropic Radiated Power):峰值等效全向辐射功率。 ERP(Effective Radiated Power)的概念与EIRP 相同,但ERP 是天线得到的功率与以dBd 表示的增益的乘积。 3,OTA 测试中的TRP 和SAR 指标的制约关系 TRP 反映的是天线远场的辐射性能,而SAR 反映是天线的近场辐射性能。对于OTA 中的TRP 指标,一般是希望其TRP 比较大,这样从PA 出来进入天线的功率才被有效辐射,无线接口的连接性才比较好。在SAR 测试中,则希望TRP 数值比较小,这样被人脑吸收的功率才比较小,保证能通过SAR 测试标准。因此,TRP 指标与SAR 指标是一对相互矛盾的指标,在天线设计中如何保证两个指标都达到相关的标准,满足设计需要,在天线设计的之初就得考虑。 以下是一些解决措施: (1)选用合适的天线形式,最为重要。比如内置天线中的Monopole 具有效率高但SAR 也高的特点,因此在使用之前就应该对此有所认识,即Monopole 和人脑的耦合效应较强。PIFA 天线综合性能较好,由于其靠近人脑的一侧被PCB 的地遮挡,其高频频段在人脑方向比最大辐射方向有5-6dB的衰减,因此PIFA 天线的SAR 值比较低,是内置天线中比较理想的天线形式。 (2)在天线的设计之初就考虑SAR 问题,主要在结构问题上进行设计,结合手机的结构选用合适形式的天线,保证天线性能的同时还满足通过SAR 指标,比如采取将天线放置于PCB 的底部等措施。对于外置式的螺旋天线一般应注意天线与人脑之间的距离,保证满足SAR 测试的需要。 (3)在设计后期发现SAR 测试超标,可通过调低天线性能的方式解决,如使用损耗稍大的材料等方法,这需要与天线厂家配合进行。 (4)更改天线走线方式,调整方向图等措施。 (5)在标准允许的情况下,降低PA 的输出功率。 以上方法是在满足SAR 和TRP 测试需要的情况下,取得两者的折中。 4,总结 CTIA 的OTA 测试指标直接反映了手机的辐射性能,因此越来越受到测试机构和相关厂商的重视。在手机天线指标判定时,需要将无源和有源性能指标综合考虑,对整机天线性能进行综合评价。 MORLAB的OTA天线测试暗室符合CTIA的OTA测试标准,测试系统采用的SG24的近场折算远场测量方案,是目前最准确的天线测试方法。有重复性高,准确度高,分辨率高等优点。SG24 是全球少数能完全符合CTIA 要求的测试系统。能提供CTIA 所需要的TRP/TIS 测试。测试适用范围:CTIA OTA (GSM900,DCS1800,Cellular 850,PCS1900);3D 天线场型测量、增益、天线效率、方向图、极化性能。 (以上内容来自网络) 天线的基本工作原理 应该对天线的工作原理有个简单的了解。其实,天线的原理很简单,但是要用公式推导或者做出性能良好的天线来并不容易。 记得高中学的物理课本里面有一个定律:交变的电场产生磁场,交变的磁场产生电场。天线的原理就是这个定律吧。 一段金属导线中的交变电流能够向空间发射交替变化的感应电场和感应磁场,这就是无线电信号的发射。相反,空间中交变的电磁场在遇到金属导线时又可以感应出交变的电流,这对应了无线信号的接收。在电台进行发射和接收时都希望导线中的交变电流能够有效的转换成为空间中的电磁波,或空间中的电磁波能够最有效的转换成导线中的交变电流。这就对用于发射和接收的导线有获取最佳转换效率的要求,满足这样要求的用于发射和接收无线电磁波信号的导线称为天线。 理论和实践证明,当天线的长度为无线电信号波长的1/4时,天线的发射和接收转换效率最高。因此,天线的长度将根据所发射和接收信号的频率即波长来决定。只要知道对应发射和接收的中心频率就可以用下面的公式算出对应的无线电信号的波长,再将算出的波长除以4就是对应的最佳天线长度。 注意:只要在金属体内有交变的电流,该金属体就要向空间辐射电磁波;反之,只要空间中有一定强度的电磁波信号,就会在该空间中的金属体上感应出交变的电流。天线与一般金属体的不同之处在于,天线强调了将金属体内交变电流最有效的转变成空间的电磁波或将空间的电磁波最有效的转变成金属体中的交变电流信号。 天线是一种用来发射或接收无线电波——或更广泛来讲——电磁波的电子器件。天线应用于广播和电视、点对点无线电通信、雷达和太空探索等系统。天线通常在空气和外层空间中工作,也可以在水下运行,甚至在某些频率下工作于土壤和岩石之中。 从物理学上讲,天线是一个或多个导体的组合,由它可因施加的交变电压和相关联交变电流而产生辐射的电磁场,或者可以将它放置在电磁场中,由于场的感应而在天线内部产生交变电流并在其终端产生交变电压。 天线作为无线通信不可缺少的一部分,其基本功能是辐射和接收无线电波。发射时,把高频电流转换为电磁波;接收时,把电滋波转换为高频电流。 天线电波 我们制作天线的目的是为了捕捉电波,因此,在考虑天线的问题之前,绝对有必要先研究一下电波的问题。 FM广播波段,频率上是从87.5MHz到108MHz,对应的波长是3.4米到2.7米,一般称做3米波段,是VHF(Very High Frequency)的一段。这个波段以下,54MHz到87.5MHz是电视广播波段,以上,108MHz到136MHz是航空通讯波段。VHF波段的电波传播,主要有三种途径: 天线直接波 这是指从发射天线到接收天线之间,不经过任何发射,直接到达,电波就象一束光一样,所以有人称它为视线传播。视线传播这个名字也表明了这种传播方式能够传播的距离不远。这有两个原因,首先是电波从发射点出发,其能量是以幂级数递减的,而接收机要能良好地解调出广播,需要一定的信号强度。所以太远的地方,信号太弱,不足以解调。如果只是这个原因,那么拼命提高发射功率或增加接收天线的增益,也许就可以扩大收听的范围了。但是,还有一个重要的问题是,地球是圆的,在地球上任何一点发出的电波,按直线前进的方向,最终将离开地球射向天空。主要是由于第二个原因,一般地讲,地面上一个发射台发出的直线波,只能传播到70km远处地面上的接收处。如果双方的高度增加,那么这个距离还可以增加,但总是有限的。所以,70km,是本地收听的极限,实际上,由于山脉、丘陵、房屋的阻挡、反射,这个距离还要大打折扣,一般可以估计的距离是35km。 电离层发射波 这是指电波通过电离层的发射达到接收方。这里面的名堂很多。电离层本身是有多个层次的,支持短波(1.8MHz到30MHz)反射的电离层是F1和F2 层。F1和F2并不是甘心反射所有的无线电波,它们能反射的最高频率是有限的,超过这个频率的电波完全得不到反射,而是穿过电离层射向太空。如果没有这个特性,那么通讯卫星就不可能存在了,通讯卫星就是在电离层外工作的。这个最高频率叫作MUF(Max Usable Frequency)。 MUF与很多因素有关,主要是和太阳黑子活跃程度以及季节有关。太阳黑子活跃,MUF就高,天气热,MUF也高。MUF最高能高到多少呢?一般在太阳黑子活跃期的夏天,MUF在20MHz到 40MHz之间,很少超过50MHz。在低的时候甚至会低到10MHz以下。但是在太阳黑子异常活跃的时候,MUF也有可能偶然达到100MHz。这时候,就有可能通过F层发射收到DX FM了。但是这不是FM DX的主要形式,FM DX主要是通过另外一个电离层E层。本来E层的出现是破坏F层,所以我们不妨记F层为Friend层,E层为Enemy层。但是Es层的出现,却会形成一个短期内密度极高的反射层。反射层的密度高,意味着能更好地反射电波。所以Es层开通的时候,DX电台的信号会异常地强。在6米和10米业余波段工作的业余电台都知道, Es层开通的时候,很小的功率,甚至5W,也有可能做DX联络。Es的开通,主要是提供了 800km以内电波的传播路径。由于信号很强,其实很多时候并不需要很好的设备就可以接收,需要的是耐心和运气。除了这两种反射,FM DX还有可能通过对流层反射和流星余迹到达你的接收机。 地波和大气波导 本来来说,理论上VHF是不存在地波的。但是无数的实践表明,VHF 也存在着某种程度的地波传播。所以我们能稳定地接收200km左右电台的信号。江苏和安徽两省的业余电台,每年国庆的时候都进行全省VHF移动通讯实验,也证明了VHF电波可以在200km左右的距离得到传播。大气波导是另外一种可能传播VHF电波的手段,不过人们研究得还不够多。 既然存在着这些可能,那么如何知道我收到的信号是以什么方式来的呢?一般来说,如果收到的信号来自70km以内的电台,基本上可以认为是直接波;如果是 200km以内,而且信号稳定(不一定强),那么大概是地波;如果是800km以内,信号很强,但是极不稳定,而且偶尔才出现,多半是Es层传播;如果距离更远,信号很弱,大概是F层或其它形式的电离层传播了。 知道这些有什么用呢?用处在于帮助我们选择对天线的要求。比如,F层的传播有一个特点是越距,大约500km以内的电台是不可能通过F层的传播来的,这个距离内的电台信号只能以Es层来。就象在杭州想要接收台湾的FM电台信号,只能PNP(Plug and pray),等 Es层,那么天线就要考虑适合Es层的特点。 还有一个很重要的因素是极化方式,这是很容易被很多爱好者忽略的问题。电波的极化方式有三种:水平极化、垂直极化和圆极化。不管理论上怎么计算,简单的判断方法,就是看振子的方向,振子是水平放的就是水平极化,垂直的就是垂直极化,圆极化不用在 FM广播,可以不管。极化方式之所以重要,是因为要求发射方与接收方的极化方式必须一致,才能有好的接收效果。我国广播的极化方式是水平极化,所以,接收天线也应水平架设。如果极化方式不一致,会有10dB到20dB的损失。可是,经过电离层的反射过来的电波,早就被反射得七荤八素、颠三倒四,说不定是什么极化方式了。所以,接收DX信号,其实垂直极化也不错,附带的一个好处,就是可以削弱本地电台的影响。 手机天线的SAR值 SAR是Specific Absorbtion Ratio的缩写,即“吸收比率”。就是单位时间内单位质量的物质吸收的电磁辐射能量。 通俗地讲,就是测量手机辐射对人体的影响是否符合标准。目前国际通用的标准为:以6分钟计时,每公斤脑组织吸收的电磁辐射能量不得超过2W。这一标准是国际业界的通用标准。 据中国泰尔实验室专门从事该项工作的电磁辐射测量专家介绍,只有SAR值才是衡量手机辐射量的惟一标准。 1,什么是手机辐射,手机辐射的分类 当人们使用手机时,手机会向发射基站传送无线电波,而任何一种无线电波或多或少的被人体吸收,这种无线电波就称为手机辐射。 手机辐射可分为两种: 1-手机机身辐射 2-基站辐射 其实,手机辐射大小,主要取决于其天线、外观设计等因素,也就是说,是和手机本身的设计紧密相关的,不同的设计会导致不同手机的辐射大小有一定区别。但是,有一点可以肯定,就是不管怎么设计,手机的辐射肯定在国际标准允许的范围之内,不会超过这个标准。 不过,所谓手机的天线和外观,是指对这两点的全面考虑。有的用户认为手机把天线放在机身里面,会加大辐射量,还有的用户以为塑料壳的手机比金属壳的辐射要大,这也是不正确的。 手机辐射量的大小只与天线的材料及尺寸有关,只要它们的尺寸没有改变,手机本身的形状比较小,不会使得它的辐射量有任何的增加。至于塑料壳的手机,内部也会涂一层金属涂层,其实与金属壳没有什么区别,都会对电磁波产生屏蔽。信号不好时,辐射确实会增加,这时应该拉出天线,可改善通话质量,减少辐射。 手机辐射的大小还和手机与基站之间的距离、使用者周围的地理环境、基站的设置情况等因素有关。一般来讲,手机离基站越近,辐射就会越小,手机只要较小的功率就可以和基站取得联系。由于城市里建筑物比较多,而钢筋混凝土结构的建筑会对电磁波产生很大的影响,迫使手机加大功率来和基站取得联系,但如果基站建设的时候考虑得比
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