第2章 RF的基本觀念與天線

本章的學習重點

認識射頻(RF)的基本觀念。

了解訊號的特徵與處理方式。

了解射頻訊號傳遞的特性。

熟悉訊號強度的表示法。

了解傳輸線原理與高頻參數。

介紹天線。

無線電波傳遞隨範圍遞變的特性

建立訊號(signal)的觀念

資訊與訊號的基本類別與型式

類比（Analog）:

AF(Audio Frequency), VF(Video Freq.), RF(Radio Frequency)

數位（Digital）

訊號的組成：

振幅：訊號的強度，強度愈高所具有的能量也愈高

頻率

相位

波長：訊號在一週內移動的距離

)2sin()( ftAts

f

C (C;代表光速)

)cos(),( zwtItzi

2 wu

建立訊號(signal)的觀念

訊號增益：訊號在振幅上的增加量

主動式增益：利用RF放大器或強波器，從外部電源擷取能量

被動式增益：利用高增益天線能將訊號聚集成束，達成增加訊號的振幅

損失(loss)：訊號強度的減弱。

纜線或接頭的電阻使訊號變成熱能

纜線與接頭的阻抗不匹配使訊號反射

路徑本身的距離是減損最大的因素，空氣中灰塵、霧、雨均會造成損失

為合乎通訊法規，使用RF衰減器(attenuator)

訊號的增益(gain)與減損(loss)

訊號與雜訊的關係

時域與頻域之關係

一個週期可傳送8個位元資料

訊號的組成

傅立葉證明任何合理的週期函數都可以由一組正弦與餘弦函數組成

一般來說，較低頻率組件的振幅會比較高頻率組件的振幅為大。故移除較高頻率組件，組合的結果仍近似於數位訊號

頻寬

此組正弦訊號中最高與最低頻率差，就是此複雜訊號的頻寬(bandwidth)

同樣的，一條線路的頻寬就是在該線路上能送出最快且連續振盪的訊號頻率(最高頻率與最低頻率的差值)

媒介的頻寬不足會造成訊號的失真

光纖>同軸電纜>雙絞線

衰減與失真

在傳輸的過程中，沒有一種傳輸工具不產生能量損失的--衰減

衰減起因於傳輸媒介的物理特性限制

不同的傅立葉組件有不同程度的損耗--失真

數位訊號的準位是固定的，因此可以克服因為高頻被移除或雜訊造成的失真，4.8v5v

類比系統則無法回復數位系統較優

頻寬與資料傳輸速率

F120bps

僅取first harmonic(F1)並非數位訊號，不足以辨識資料，故合成F1, F2, F3頻率產生一近似的數位訊號。

本訊號頻寬為40Hz，攜帶了20位元的資料，若讓各頻率加倍(頻寬加倍)，則資料傳輸率也會變成兩倍

資料傳輸速率與頻寬成正比

F1=10Hz

F2=30Hz

F3=50Hz

t

t

t

v 1 0

20bps

60bps

100bps

t

t0

t0

t0

t0

Y1

Y2

Y3

Y4

Y4 = Y1 + Y2 + Y3

無線電頻譜(radio spectrum)

RF頻帶

各頻帶特性

VLF(3KHz~30KHz): 地面通訊 低衰減；大氣層雜訊(熱量與靜電)；長距離無線電導航

LF(30KHz~300KHz) 長距離無線電導航；衰減較大

MF(300KHz~3MHz):對流層訊號傳遞 距離依反射角度而定；需要LOS天線；AM廣播(535KHz~1605MHz)

HF(3MHz~30MHz): 離子層訊號傳遞 Amateur radio (Ham radio), Citizen’s band (HK CB: 26.96~27.41MHz), 國際廣播

VHF(30MHz~300MHz) VHF電視；FM廣播

UHF(300MHz~3GHz): LOS UHF電視；行動電話；微波通訊

SHF(3GHz~30GHz) LOS與太空；地面與衛星用微波；雷達通信

EHF(30GHz~300GHz): 太空訊號傳遞 雷達；衛星

大氣層 (電離層)

訊號傳遞

電波傳播路徑

直接波

大地反射波

地表波

電離層反射波

地波(ground wave)或地上波

地球上的電磁波

地面波的傳遞(ground wave propagation)

: 經地表面從一地傳至他地之電磁波 ，受反射、繞射與折射等的影響

大氣波的傳遞(sky wave propagation)

:利用電離層反射彈回地表面傳送之電磁波

視線(line-of-sight)的傳遞 : 點對點直接看得到的電磁波傳送，類似光傳送方式

功率

功率的基本單位是瓦特(W, watts) ，指單位時間所作的功(電能)，一秒內移動一庫倫的電荷，使其增加一伏特電位，會消耗一瓦特的電功率，P=W/t=VQ/t=VI。

一般的無線家用閘道器的輸出功率大約是50mW，相同頻率的微波爐需要500W

FCC規定2.4 GHz點對多點的WLAN所使用的天線功率不能超過4 watts。

訊號(signal)強度的表示法

訊號(signal)的強度

dB = 10 log10 (Po/Pi)

Pin =1 mW

Power gain = 20 dB

Pout=100 mW

Power gain = 3 dB

Pout =2 mW Pin =1 mW

Amplifier

(Power gain = 100倍)

(Power gain = 2倍)

訊號(signal)的強度計算範例

dB = 10 log10 (Po/Pi)

訊號(signal)強度的計算範例

PdBm =10log( ) 1

wP

mW

訊號(signal)強度的表示法

PdBm =10log( ) 1

wP

mW

訊號(signal)強度的表示法 請練習下列問題:

4 ? dBW

20mW ? dBm

20mV, 75 ? dBmV

W

上述問題解答:

44 :10log =6 dBW

1

20mW20mW : 10log =13 dBm

1mW

20mV20mV :20log =26 dBmV

1mV

WW

W

PdBm =10log( ) 1

wP

mW

PdBW =10log( ) 1

wP

W

PdBmV =20log( ) 1

iV

mV

訊號(signal)的強度 dB = 10 log10 (Po/Pi)

Pin =1 mW

Power gain = 10 倍

Pout =1 mW*10 =10 mW

Power gain = 10 dB

Pout =0dBm+10 dB=10 dBm Pin =0 dBm

Pin =10 dBm Power gain = 3 dB Pout =?

Amplifier

範例:假設有一個FM接收端 、 且

,請計算接收機靈敏度Pin,mim(Sensitivity)

等於多少呢?

Ans:

123

in,min min

3

P 174 NF 10log B+SNR

174 8 10log100*10 10

106

in,min mAns : Sensitivity P 106 dB

in , mi minn 174(dBm) NF(dB) 10loP (dB gB SNR (dB)m) 已知

minSNR 10 dB B 100 kHz

NF 8 dB系統之

dBi

dBi代表天線增益的度量，參考的基準是理想天線(isotropic antenna)，

集總元件的阻抗匹配

Distributed circuit model

求特徵阻抗

若一條同軸纜線內導體直徑是a，外導體內直徑是b，假設無損耗，已知單位長度電容為C

，單位長度電感為L，兩者之公式如下:

r o

2, ln( ), a=1.27 mm,

ln( / ) 2

b=4.3 mm, 2.1(Teflon), =

?o

bC L

b a a

Z

若有一同軸線

兩導體間之介質 ,

求特徵阻抗

Impedance matching with a

transmission line

L 0Z Z

A line is matched when the load impedance

is equal to the characteristic impedance

阻抗不匹配:反射產生:定義反射係數

: reflection coefficient

: incident voltage wave

: reflection voltage wave

r

in

in

r

V

V

V

V

反射係數代表反射的電壓波相對於入射電壓波的比值

駐波的產生:反射與入射相同頻率

VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

(電壓駐波比)

Usual Request：VSWR2.0

Reflection Coefficient, 1/3

=(VSWR-1)/(VSWR+1)

max

min

1VSWR

1

V

V

＝

VSWR 1 ＝

: reflection coefficient

: incident voltage wave

: reflection voltage wave

r

in

in

r

V

V

V

V

VSWR: 早期利用駐波比表量測

VSWR Meter

(駐波比表)

VSWR影響訊號強度 VSWR (voltage standing wave ratio)：RF設備與訊號饋入點阻抗不匹配，造成能量被彈回輻射主體(intentional radiator)，形成能量反饋損失(return loss)與駐波(Standing wave) ，造成輸出訊號強度不穩定

理想的VSWR是1:1，代表完美的阻抗匹配，沒有額外的駐波。一般的2.4GHz天線的VSWR約為1.5:1至2.0:1 ，電壓駐波比是2:1時，大約有89%的訊號輻射出去，約有10-11%的訊號形成駐波。

駐波最後能量損耗在不必要之金屬或介質上!

高功率下之反射駐波會造成主動元件燒毀!

反饋損失(Return Loss)

阻抗不匹配時會產生Return Loss

阻抗匹配：大多數WLAN設備的傳送端阻抗約為50歐姆，因此最好也能選購輸入阻抗為50歐姆的天線

: reflection coefficient

: incident volt

Return Loss : ( )

age wave

: reflection volta

20l

ge wa

og

ve

r

in

in

r

V

V

V

V

RL

2

0

2

0

/

/

rr r

in in in

V ZV P

V V Z P Return Loss : ( ) 10log 10log ,

( )

inr

in r

PPRL

P P

dB

(以 為單位)

Return Loss(也稱返回損耗、回流損失)

反射係數：反射的電壓波相對於入射電壓波的比值

: reflection coefficient( )

: incident voltage wave( )

: reflection vo

Return Loss :

ltage wave ( )

( ) 20log

r

in

in

r

V

V

V

RL

V

反射係數

入射電壓波

反射電壓波

0

20

2

2

0

2

0

/

V VReturn loss=-20log -10log

V V

V /10log

V /

-10lo (dB)g 10log ,

r r

i i

Z r

i

P V Z inr

i r

Z

Z

PP

P P

移平方上去

同除

負號放入 以分貝為單位

RL

10RL

10

RL (

RLRL=10log log

10

110 B),

10

d;

in in

r r

in r

r in

P P

P P

P P

P P

貝為單位分是以

0.301

0.602

=1 0 ; 1 100% ( )

1 1= RL 3.01 ; 50% 50%

102

1 1= RL 6.02 ; 25% 25%

2 10

1 1= RL 10 ; 10% 10%

3 10

=0 RL ; 0 0% ( )

r

in

r

in

r

in

r

in

r

in

PRL dB

P

PdB

P

PdB

P

PdB

P

PdB

P

代表全反射 全部反射回去了

代表反射 的功率

代表反射

代表反射

代表無反射 全部被負載吸收

Return Loss (RL) 20log

Return Loss

9.5 W 80

ohms 50 ohms

Forward (Pi) : 10W

Reverse (Pr) : 0.5W

Return Loss=-10log(0.5/10) = 13dB

VSWR與Return loss 代表意義

2

0

2

0

/ 0.50.236

/ 10

1 1 0.236VSWR 1.576

1 1 0.236

rr r

in in in

V ZV P

V V Z P

＝ ＝

Usual Request：VSWR2.0

Reflection Coefficient：=(VSWR-1)/(VSWR+1)

Return Loss：RL=-20log or RL=-10log(Pr/Pi)

Z =80in 0

0

80 500.23

80 50

in

in

Z Z

Z Z

Return Loss : ( ) 10log 10log , ( )inr

in r

PPRL dB

P P (以 為單位)

? W 100

ohms 50 ohms

Forward(Pi) :10W

Reverse(Pr) :?W

Return Loss：-20log(1/3) = ?dB

VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

Another Example

2

0

2

0

/?

/

rr rr

in in in

V ZV PP

V V Z P Usual Request：VSWR2.0

Reflection Coefficient：=(VSWR-1)/(VSWR+1)

Return Loss： RL=-20log or RL=-10log(Pr/Pi)

max

min

1VSWR (1 )

1

V

V

＝

0

0

?in

in

Z Z

Z Z

Pin

Z =100in

1VSWR ?

1

＝ ＝

Scattering parameters

V1f：由 port 1端輸入之電壓波訊號

V2f ：由 port 2端輸入之電壓波訊號

V1b ：由 port 1端反射輸出之電壓波訊號

V2b：由 port2端反射輸出之電壓波訊號

21 fv2

bv2bv1

fv1

part 1 part 2

Scattering parameters(S-參數)

21 fv2

bv2bv1

fv1

part 1 part 2

0

1

1

11 2 fv

f

b

v

vs 0

2

222 1

fv

f

b

v

vs

0

1

221 2

fv

f

b

v

vs

0

2

112 1

fv

f

b

v

vs

Scattering parameters

21 fv2

bv2bv1

fv1

part 1 part 2

f

f

b

b

v

v

ss

ss

v

v

2

1

2221

1211

2

1

ffb vsvsv 2121111

ffb vsvsv 2221212 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

S-parameter measured by VNA

Vector network analyzer (VNA)(網路分析儀)

S-parameter measured by VNA

Vector network analyzer (VNA)(網路分析儀)

為何要用天線呢?

訊號對噪訊比(S/N)(SNR)希望愈大愈好

環境干擾會影響無線通訊距離

為了保持基本的SNR，勢必縮短通訊距離

使用高增益天線增加訊號強度，加長通訊距離

BA

距離

訊號強度

N1

S1

S2

S1>S2

N2

BA

距離

訊號強度

N1

使用高增益天線增加訊號強度，藉以增進通訊距離A’B’> AB

B’A’

輻射主體(intentional radiator) 與EIRP

等向發射功率EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power):指實際上天線本身所輻射的功率，FCC針對輻射主體與天線本身的功率輸出都有明確的規範。

30mW

-15mW

-5mW

Pt=10mW

Gt=10dBi

EIRP=100mW

無線電訊號強度

EIRP：表示天線實際所輻射的功率

發射機輸出30mW，纜線損失15mW，連接器又損失5mW，則輻射主體的功率輸出為10mW，天線增益10dBi，整個無線通訊系統的EIRP輸出功率100 mW (10mW*10倍=100 mW)

2

2 2 (W/m ) : radiated power density

4 4

ERP (dB) = EIRP (dB)+2.15 dB

TRP : total rediation power ( )(CTIA)

TIS : total isotropic sensitivity ( )(CTIA)

t to

PGEIRPS

R R

發射訊號能愈大愈好

接受訊號能愈小愈好

EIRP: Effective isotropic radiation power

t

t

EIRP (W), P : transmitter output power

G : gain of the transmitter antenna

t tPG

3.1總輻射功率(Total Radiated Power, TRP)

總輻射功率是衡量行動終端設備發射端(Transmitter)輻射性能的一項重要的指標參數；相對於等效全向輻射功率與傳導發射功率，量測總輻射功率不僅綜合考量到行動終端與天線搭配在一起的效能，更可清楚地由量測數據中分析終端設備於特定之行動通訊環境中之三維空間輻射特性。

待測件的RF輻射性能是藉由在裝置周圍附近不同的位置，取樣待測裝置的輻射發射功率量測而得。其發射性能之3D

特性是藉由分析空間分佈量測所得之資料整併而得。在θ

和ψ軸上每隔15度量測一個資料點，這能充份完整地展現出待測件遠場輻射場型與總輻射功率的特性。在θ=0和180

度的資料點不取，這說明在每個極化方向上，總共需要執行264次的量測。所有量測到的功率值將會被整合到一張三維空間的圖形裡，此即為總輻射功率3D場型量測原理。

天線

等方性(isotropic)天線，不論水平或垂直都是360度等向發射：太陽

指向性天線(directional antenna)，對某個特定方向發射訊號，大多用於點對點應用

全向性天線 (omni-directional antenna)：在水平方向360度全方位等量發射，像偶極(dipole)天線，適用於家庭與點對多點應用 偶極天線增益愈大，輻射場形的側面便越扁平，亦即發射涵蓋範圍會隨著增益的增大而變窄(如下頁之天線)

無線電波的電場與磁場彼此垂直，通常稱與天線平行的是E(電場)平面，垂直的面是H(磁場)平面

uku@stttelkom.ac.id

One dipole Received Power：1mW

multiple dipoles

Received Power ：4 mW

GAIN= 10log(4mW/1mW) = 6 dBd=6 + 2.15 dBi = 8.15 dBi

Dipoles Dipoles and multiple dipoles

訊號強度的結論

每增加3dB就增加了一倍的功率，每減少3dB就減少了一倍的功率；每增加10dB就增加了十倍的功率，每減少10dB就減少了十倍的功率

例1：intentional radiator系統輸出為5mW，天線增益是16dBi (10+3+3)，那麼整個系統的EIRP為5*10*2*2 = 200mW

例2：LAN傳送端輸出為Pi=17dBm，天線端量得的EIRP為Pf=26dBm，因此intentional radiator的效應為26-17=9dB。若Pi=50mW，則Pf=50*2*2*2 mW

UHF RFID讀取器的輸出訊號計算

每增加3dB就增加了一倍的功率，每減少3dB就減少了一倍的功率；

Pt = 1 W Gt = 6 dBi

EIRP= Pt*Gt=4 W

Gt = 4

Pt = 30 dBm

EIRP= 30 + 6 = 36 dBm

Suppose cable loss = 0,connector loss =0)

實驗室使用之UHF RFID讀取器天線 Circular Polarization antenna, 6dBi

65 Fig. 34 Geometric configuration of the optimized PQHA.

Common UHF Reader Antennas

66

Fig. 4 A Broadband Microstrip Patch Antenna Fed

Through Vias Connected to a 3dB Quadrature Branch Line

Coupler for Worldwide UHF RFID Reader Applications [1].

Fig. 5 A Universal UHF RFID Reader Antenna [2].

[1] E. Mireles and S. K. Sharma, “A Broadband Microstrip Patch Antenna Fed Through Vias Connected to a 3dB

Quadrature Branch Line Coupler for Worldwide UHF RFID Reader Applications,” IEEE International

Symposium on Antennas and Propagation, July 2011, pp. 529-532.

[2] Z. N. Chen and X. Qing, “A Universal UHF RFID Reader Antenna,” IEEE Transactions on Microwave Theory

and Techniques, Vol. 57, No 5, May 2009.

Resonant-type PQHA Design

Integrate PQHA with quadrature-phase feeding system

67

Fig. 34 Geometric configuration of the optimized PQHA. Fig. 35 Photograph of the manufactured PQHA.

Ground6

1.6

70

70

80

XY

Z

Unit: mm

2

6

3

Resonant-type PQHA Design Simulation and Measurements

68

0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

Frequency (GHz)

30

25

20

15

10

5

0

Re

turn

Lo

ss

(d

B)

Simulation

Measurement

0.8 0.84 0.88 0.92 0.96 1

Frequency (GHz)

0

1

2

3

4

5

6

AR

(d

B)

Simulation

Measurement

Fig. 1 The return loss of the entire system.

Fig. 2 The axial ratio of the antenna system.

Bandwidth : 700-987 MHz (34.1%)

0.8 0.84 0.88 0.92 0.96 1

Frequency (GHz)

-5

0

5

10

Ga

in (

dB

ic)

Simulation

Measurement

Fig. 2 The Peak Gain of the antenna system.

天線廣告(WIFI-Link)

Omni 12dBi Antenna : 為全向型高增益天線，室內以及戶外皆可用，傳輸方向為360度，傳輸距離約可達到1500~2000公尺。天線連接器為N type 母頭，請選用N type 公頭連接器製作連接延長線。建議使用低損耗高傳輸的Low Loss Cable。此產品可與核桃木基座一起搭配採購，相關資訊以及規範敬請參考以下的天線特性資料。

天線規格

Technical information

Frequency：2400 - 2500MHz

Gain：12 dBi

Polarization：Vertical

Beamwidth deg vertical & horizontal：Horz.360°Vert.7°

VSWR：≦1.5：1

Impedance：50 Ohm

Dimensions

Length：H1500㎜

Weight：850 g

Connector：N-type / female

場型

Beam width

主波瓣(Main beam)，旁波瓣(side lobe)

Beam width: 一般以半功率頻寬(HPBW: half

power beam width)表示

FNBW：first null bandwidth

Beam width

戶外天線牆壁固定架

全向性與指向性天線

各種天線

組合天線

指向性天線涵蓋上方120度垂直部分

全向性天線涵蓋360度水平部分

天線連接器

N-type連接器：使用比較粗的RF纜線

SMA (sub-miniature)：使用比較細的RF纜線

BNC：10Base2網路使用

TNC：類似BNC連接器

轉接頭：pigtail

N-type連接器

SMA (sub-miniature)

BNC

TNC

轉接頭(pigtail)

其它相關設備

避雷器

RF衰減器：模擬無線通訊信號在傳輸路徑上的衰減

RF分離器：將一個RF信號分流給數個RF發射信號

RF轉換器：將不同頻帶的RF訊號轉換

避雷器

天線安裝

A. 取下AP原有天線

B. 接上pigtail轉接頭

C. 接上避雷器，確實接地

D. 接上延伸用RF纜線至天線安裝處

E. 安置天線於適當地點

Reference :

(1) D.K. Cheng, “Fundamentals of Engineering Electromagnetics”

1993, Addison-Wesley Publishing Company, Inc. ,

Ch.8: Transmission line.

(2) D.K. Cheng, “Fundamentals of Engineering Electromagnetics”

1993, Addison-Wesley Publishing Company, Inc. ,

Ch.10: Antenna.