功率、增益及手机天线的介绍.doc

功率及增益定义
1、功率单位mW和dBm的换算

     无线电发射机输出的射频信号，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接收下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。因此在无线网络的工程中，计算发射装置的发射功率与天线的辐射能力非常重要。
   Tx是发射（ Transmits ）的简称。无线电波的发射功率是指在给定频段范围内的能量，通常有两种衡量或测量标准：
   1、功率（ W ）: 相对 1 瓦（ Watts ）的线性水准。例如，WiFi 无线网卡的发射功率通常为 0.036W ，或者说36mW 。

   2、增益（ dBm ）:相对 1 毫瓦（ milliwatt ）的比例水准。例如 WiFi 无线网卡的发射 增益 为 15.56dBm 。

两种表达方式可以互相转换：
   1、dBm = 10 x log[ 功率 mW]
   2、mW = 10[ 增益 dBm / 10 dBm]

    在无线系统中，天线被用来把电流波转换成电磁波，在转换过程中还可以对发射和接收的信号进行“放大”，这种能量放大的度量成为 “增益（Gain）”。 天线增益的度量单位为“ dBi ”。由于无线系统中的电磁波能量是由发射设备的发射能量和天线的放大叠加作用产生，因此度量发射能量最好同一度量－增益（ dB ），例如，发射设备的功率为 100mW ，或20dBm；天线的增益为 10dBi ，则:
发射总能量＝发射功率（ dBm ）＋天线增益（ dBi ）
             ＝ 20dBm ＋ 10dBi ＝ 30dBm
      或者:  ＝ 1000mW ＝ 1W
   在“小功率”系统中（例如无线局域网络设备）每个 dB 都非常重要，特别要记住“ 3 dB 法则”。每增加或降低 3 dB ，意味着增加一倍或降低一半的功率：
-3 dB = 1/2 功率
    -6 dB = 1/4 功率
    +3 dB = 2x 功率
    +6 dB = 4x 功率
   例如， 100mW 的无线发射功率为 20dBm ，而 50mW 的无线发射功率为 17dBm ，而200mW 的发射功率为 23dBm 。
   功率/电平（dBm）：放大器的输出能力，一般单位为W、mW、dBm。dBm是取1mW作基准值，以分贝表示的绝对功率电平。

换算公式：
电平（dBm）=10lgW
5W  → 10lg5000  = 37dBm
10W → 10lg10000 = 40dBm
20W → 10lg20000 = 43dBm

从上不难看出，功率每增加一倍，电平值增加3dBm

2、dBm, dBi, dBd, dB, dBc都是什么意思，区别是什么？

  很多专业书籍的范例中都会出现计算，而往往很多计算结果的意义让我们困惑,就遇到过这种问题不知道家是否被dBm, dBi, dBd, dB, dBc这些术语的意义所困惑,天在这想简单的就我自己的理解介绍一下。

1、dBm
   dBm是一个表征功率绝对值的量，计算公式为：10lgP（功率值/1mW）。
   [例1] 如果发射功率P为1mW，折算为dBm后为0dBm。
   [例2] 对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为：
10lg（40W/1mW)=10lg（40000）=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。

2、dBi 和dBd
   dBi和dBd是表征增益的量（功率增益），两者都是一个相对值，但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线，dBd的参考基准为偶极子，所以两者略有不同。一般认为，表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2.15。
   [例3] 对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为dBi时，则为18.15dBi（一般忽略小数位，为18dBi）。
   [例4] 0dBd=2.15dBi。
   [例5] GSM900天线增益可以为13dBd（15dBi），GSM1800天线增益可以为15dBd（17dBi)。

3、dB
   dB是一个表征相对值的量，当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时，按下面计算公式：10lg（甲功率/乙功率）
   [例6] 甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是说，甲的功率比乙的功率大3dB，则功率大一倍。
   [例7] 7/8 英寸GSM900馈线的100米传输损耗约为3.9dB。
   [例8] 如果甲的功率为46dBm，乙的功率为40dBm，则可以说，甲比乙大6dB。
   [例9] 如果甲天线为12dBd，乙天线为14dBd，可以说甲比乙小2 dB。

4、dBc
   有时也会看到dBc，它也是一个表示功率相对值的单位，与dB的计算方法完全一样。一般来说，dBc 是相对于载波（Carrier）功率而言，在许多情况下，用来度量与载波功率的相对值，如用来度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等）以及耦合、杂散等的相对量值。在采用dBc的地方，原则上也可以使用dB替代。

手机天线简介
基带部分（数字电路）
数字-模拟
模拟-数字
混频器
本振信号
功放
低噪放
滤波器
天线
模拟电路
无线通信原理框图
开关

天线简介
天线是高频电路和自由空间之间的 能量转换器，用来接收和发射电磁波。
天线是无线通信必不可少的部分，哪里有无线，哪里就有天线。
天线分类
按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；
按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；
按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；
按外形分类，可分为线状天线、面状天线等。

天线参数
天线的阻抗匹配
天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。 输入阻抗具有电阻分量 Rin 和电抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。
对于任一天线，总可通过天线阻抗调试，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近 50 欧，从而使得天线的输入阻抗为Zin = Rin = 50 欧------这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。
对天线来说，调好匹配是最基本的，但是匹配状况良好，并不代表天线性能好，特别是在添加匹配电路的情况下。匹配状况良好，只能说明天线反射损耗小，匹配带宽良好，但是天线的辐射性能不一定好。

天线的工作频率和带宽
GSM: 880MHz-960MHz; DCS: 1710MHz-1880MHz;
PCS: 1850MHz-1990MHz; 蓝 牙：2410MHz-2490MHz；
GPS: 1575MHz
天线的驻波比(回波损耗)

单极子天线的方向图
天线的增益
在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率之比。
天线的效率
:辐射功率
:输入功率

手机天线分类
按天线的安装位置可分为内置天线和外置天线
按天线的特性可分为PIFA 天线和单极子天线
外置天线
内置天线
PIFA天线下面必须有金属地,单极子天线下面不能有金属地。
按天线的材料可分为金属天线和陶瓷天线
天线一般包括塑料支架和金属片；陶瓷天线一般作为标准器件裱贴在电路板上。

影响天线性能的主要因素
天线的尺寸，主要取决于支架的可用尺寸。
一般要求尺寸为：L35mm×W10mm×H5mm。
天线周围的环境。
体现在手机天线的设计上
能利用的空间越来越小。
周围环境越来越复杂。
喇叭越来越多，最多有四个；摄像头经常有两个；导电装饰材料越来越多；FPC越来越多。
手机天线设计

手机天线的指标
在要求的工作频率内,驻波比小于3。
天线的效率应该在40%左右。
有源测试发射功率
GSM: 33±2(dBm),
DCS: 30±2(dBm)。
有源测试接收灵敏度(误码率BER<2.4%条件下)
GSM: -102(dBm),
DCS: -100(dBm)。

手机天线设计流程
天线评估
客户提供手机3D图,包括附近的器件,如摄像头,麦克风,扬声器，PCB板图,支架的高度以及天线周边的导电装饰件等,根据这些参数对天线的最终性能进行评估,如有必要会提出电路板和结构修改意见。
天线的设计
客户提供手机,一般需要一个完整的可以工作的手机,另外还要一块单独的电路板,单独的电路板用于调试天线的匹配，尽量保证有3个左右的支架;设计之前需要和客户确认天线支架，电池，外壳，扬声器等器件是否为最终量产用件，这些器件的改变都会对天线性能造成很大影响。
天线的测试
设计完天线的匹配后,需要测试天线的方向图,增益和效率等,判断天线的辐射特性是否达到要求;在辐射特性达到要求后,再进行天线有源的测试,有源测试包括天线的发射功率、接收电平和接收灵敏度等,给出测试报告;天线的设计和测试是一个反复循环的过程,最终的目标就是使天线达到所有的有源和无源指标。

天线测试设备
一. StarLab (Satimo) 天线测试系统
无源测试天线三维方向图、效率等；

有源测试天线发射功率和灵敏度。

水平面采用机械转台，垂直面采用电扫描(若干个探针)，测试速度快；

功能：
主要部件：
测试转台，圆柱形静区，标准喇叭天线，转台控制软件和近场-远场转换软件等 。

二. 矢量网络分析仪R&SZVB8
功能：
测试微波电路包括天线的散射参数。
三. 综测仪R&SCMU200
功能：
手机有源测试, 主要测试手机的发射功率，接收电平和接收灵敏度,可以选择不同的选件测试不同制式的手机,如GSM900,GSM1800/1900, CDMA等。

屏蔽外来的信号,减小内部反射， 主要部件包括金属屏蔽室和内部的吸波材料。
功能：
四. 天线暗室

容易出现的问题

对天线有影响的关键器件不停的改动，特别是支架和外壳。和客户做好沟通，如有改动，及时通知。
手机不能开机。取样机时首先要注意的。
支架高度不足，支架上可用面积不足等。
天线方向性差。手机结构本身在很大程度上决定了天线方向性。
难以处理的问题
天线接收灵敏度过低。手机系统电磁干扰较大。
手机使用中出现频率误差，相位误差和桢误差超标。手机电路设计不合理。