Antenna

来自Jack's Lab
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1 Overview

  • CTIA: Cellular Telecommunications and Internet Association 美国无线通信与互联网协会。是一家成立于1984年的全球性非营利组织,迄今在推动无线以及互联网行业发展方面发挥了积极的作用。 该机构主办的CTIA无线通信展被认为是全球最大规模的专注于无线领域的盛会,迄今已有20余年的历史,展出内容涵盖了无线行业的网络设施、无线服务、终端用户软件、应用和附件、电力等各个方面。
    • CTIA 认证测试实验室,提供针对IEEE 1725和IEEE 1625的全面CTIA认可电池测试服务。
  • R&S TS8991 OTA Performance Test System https://www.rohde-schwarz.com/us/product/ts8996-productstartpage_63493-8177.html
    • TRP measurements (Total Radiated Power)。This measurement has been fully described and standardized for cellular/mobile and WLAN transmitters by CTIA. Specifics of the measurement, as well as derivations, uncertainty calculations, and more are described in the Over-the-Air Certification Test Plan: Method of Measurement for Radiated RF Power and Receiver Performance. Typically, this means measuring in 5 – 30° increments for every elevation and azimuthal angle. Also typically, power measurements are taken from both vertical and horizontal polarizations. All of these measurements are combined using calculations set forth by CTIA. TRP is wholly dependent on two parameters: input power and antenna efficiency.
    • TIS measurements (Total Isotropic Sensitivity) / TRS (Total Radiated Sensitivity) / EIS (Effective Isotropic Sensitivity)

(EIS)



2 常用参数

辐射方向图:

Antenna-01.jpg



3 微带天线

  • GPS L1: 1575.42+/- 1.023MHz
  • BD B1: 1561.42+/- 2.048MHz

中心频点 1.568GHz,低 1.559GHz,高 1.577GHz

KB 建滔的 A 级料,FR-4 介电常数 4.8 ~ 4.1,频率越高介电常数越小。。。


设计:

  • Patch: W = 43mm (S11 = -39.7dB @ 1.563GHz), W = 42.8mm (S11 = -51.5dB @ 1.571GHz)。W 越小,中心频率越高。从 S11 和 阻抗曲线看,W = 42.8mm 更合适
  • W1 = 4mm
  • L1 = 5.4mm
  • L2 = 3.6mm


铝板反射面厚度需要大于同轴介质长度(>2mm,即激励面陷在 GND 反射板内),才能选用同轴介质层底面(feeddie)为 'wave port' 的激励类型。否则会报错:"Port refinement. process hf3d error: Port 1 is assigned to an internal face. Only allowed with lumped ports..."

铝板反射面变小后,谐振频率无太大差别;增益变化大,原来为 5.4dB,现在为 4.4dB


4 法向模螺旋天线

螺旋天线的辐射特性主要取决于螺旋的直径和波长比值,当比值小于 0.18 时,即为法向模螺旋天线

法向螺旋天线的远场辐射方向图与经典偶极子天线方向图类似


法向模须满足: D/λ < 0.18,D 为螺旋直径

  • 433MHz, λ = 692mm
  • 470MHz, λ = 638mm

实践中, D 一般小于 0.15λ = 95mm


设计经验公式:天线工程手册 II,Page499 (p319)

  • 先定螺旋直径 D 和螺旋长度 L
  • 根据中心谐振频率算螺旋圈数 N


N, D 减小,S 增加,皆可增加谐振频率。。。


画螺旋线:


辐射边界表面距离辐射体要求不小于 1/4 波长,692/4 = 173mm


5 轴向模螺旋天线

如果螺旋的周长接近工作波长,则为轴向模螺旋天线,其远场辐射方向图和定向天线类似,最大辐射能在天线的轴向方向

0.25 < D/λ < 0.46

设计经验公式:天线工程手册 II,Page499 (p315)

分析螺旋天线的两种工作模式


6 平面螺旋天线

平面天线的有效辐射区位于 r = λ/2pi 的螺线段上,而在有效辐射区外,电流变得很小,基本没有辐射

有效辐射区与波长有关,其位置会随频率在天线上移动,由于螺线的几何形状是光滑的,因此当频率变低、有效辐射区离螺线中心较远时,其性能变化不大

  • 天线工作的高频和低频段由螺旋的最小半径 Rmin 和最大半径 Rmax 决定
  • 天线的周长 C = 2 * pi * Rmax


7 Test Note

7.1 法向螺旋天线

A2 组装款:

d = 0.5, D = 5 - 0.5, L = 30.5, N = 24, S = (30.5 - 0.5)/24 = 1.25, 镀镍

焊上 SMA 弯头

  • 裸奔 450/1.9/-10dB
  • 加壳 422/1.9/-10dB


A3 意外款:

d = 0.5, D = 4.4 - 0.5, L = 33.2, N = 29, S = (33.2-0.5)/29 = 1.1276mm, h = 12.5mm

  • 带壳中心频率 433MHz,VSWR = 1.17,S11 = -19.8dB (435/1.2/-21,433/1.2/-21,470/5.3/-3.3)
  • 裸奔中心频率 458MHz,VSWR = 1.07,S11 = -25.5dB (432/4.4/-3.9,433/4.2/-4.2, 470/1.7/-11.3)
  • 去除弯头 SMA:454/1.2/-23dB, 433/3.0/-6dB, 470/2.1/-8.9dB


A4 超细款:

  • 裸奔中心频率 471MHz/1.49/-14dB,433MHz/10.68/-1.6dB
  • 焊弯头 SMA(深陷弯头套),中心频率 482MHz/2.4/-7.7dB, 470/3.1/-5.8dB, 433/14.6/-1.2dB
  • h+8mm 延长:465/1.5/-14dB, 470/1.6/-12dB, 433/6.3/-2.8dB
  • h+8mm 延长,焊弯头 SMA: 465/1.8/-11dB, 470/1.8/-11dB, 433/7.5/-2.3dB


A5 赠送款:

d = 0.8, D = 5.5 - 0.8, L = 30, N = 23.5, S = (30-0.8)/23.5 = 1.2426, h = 6mm

  • 弯焊头压直:445/1.9/-9.5dB, 470/6.1/-2.7dB, 433/3.1/-5.4dB
  • 焊入 QuarkV1.0 PCB,加 SMA 同轴线,修剪之将中心频率调到 433: 433/1.9/-10dB, 470/3.3/-5.5dB


A6 CAMO 款:

d = 0., D = .5 - 0., L = , N = 23.5, S = (30-0.8)/23.5 = 1.2426, h = 6mm

  • 435/1.3/-17dB, 470/8.4/-2dB, 433/1.4/-16dB


A7 桨叶款:

  • 450/1.2/-20dB, 470/1.5/-15dB, 433/1.9/-10dB


白河峡谷:

  • 普及版基站 432.026MHz
  • 节点 Node mode 11, 20dBm (100mW)
  • 普及版基站在室内,朝南紧靠窗

覆盖范围基本是个 500m 半径的圆,北向沿公路到西北直线距离 545m (高老庄乡村酒店),东向往捧河湾方向直线距离 520m,山体阻挡就没戏了,南向最远到云蒙山天池,直线距离 715m(窗户较水泥墙吸收小)

总体 RSSI 最低 -107dBm,最大 -45dBm(院子里)


市区:

  • 普及版基站放客厅
  • 节点 Node mode 11, 20dBm (100mW)


  • 信道频率 432.026MHz,基站 A3 带壳,节点 A5:覆盖范围 300-400m 左右,部分刁钻的区域 300m 都不到。RSSI 最低 -107dBm,一楼后门 -76dBm,一楼后门草坪 -66dBm,最大 -40dBm (室内)


  • 信道频率 470.6MHz,基站 A3 带壳,节点 A5:室内平均 -51dBm
  • 信道频率 470.6MHz,基站 A3 带壳,节点 A4 :室内平均 -46dBm(最小 -49dBm,最大 -42dBm)
  • 信道频率 470.6MHz,基站 A3 不带壳,节点 A4:室内平均 -41dBm(最小-43dBm,最大 -39dBm)
  • 信道频率 470.6MHz,基站 A2 不带壳(中心 450)调整中心为 471MHz/1.8/-10dB,节点 A4:室内平均 -39dBm(最小 -40dBm,最大 -37dBm)
  • 信道频率 470MHz,基站 A7 桨叶,节点 A4: -32dBm(最小 -34dBm,最大 -30dBm)
  • 信道频率 470MHz,基站 A7 桨叶,节点 修剪后的 A5: -35dBm(最小 -36dBm,最大 -34dBm)
  • 信道频率 470MHz,基站 A7 桨叶,节点 修剪后的 A3-(h=12.5): -32dBm(最小 -34dBm,最大 -31dBm)
  • 信道频率 470MHz,基站 A7 桨叶,节点 修剪后的 A3-(h=4.5): -33dBm(最小 -38dBm,最大 -31dBm)
  • 信道频率 470MHz,470 匹配,基站 A7 桨叶,节点 A4: -30dBm(最小 -33dBm,最大 -28dBm)
  • 信道频率 470MHz,470 匹配,基站 A7 桨叶,节点 修剪后的 A5:
  • 信道频率 470MHz,470 匹配,基站 A7 桨叶,节点 修剪后的 A3-(h=4.5):


  • 信道频率 433,基站 A3 带壳,节点 A5:室内平均 -40dBm
  • 信道频率 433,基站 A6,节点 A5:室内平均 -41dBm
  • 信道频率 433,基站 A6,节点 修剪后的 A5:室内平均 -49dBm
  • 信道频率 433,基站 A3 带壳,节点 修剪后的 A5:室内平均 -50dBm
  • 信道频率 433,基站 A7 桨叶,节点 修剪后的 A5:室内平均 -46dBm
  • 信道频率 433,基站 A7 桨叶,节点 A5:室内平均 -34dBm
  • 信道频率 433,基站 A7 桨叶,节点 A3 去除弯头 SMA 带壳:室内平均 -36dBm
  • 信道频率 433,基站 A7 桨叶,节点 A3 去除弯头 SMA 不带壳:室内平均 -43dBm
  • 信道频率 433,基站 A7 桨叶,节点 A3 去除弯头 SMA 不带壳,改个向:室内平均 -53dBm


7.2 铜棒天线

  • 普及版基站在室外, 432.026MHz,架高,PoE
  • Node mode 11, 20dBm (100mW)
  • 地点:白河峡谷

覆盖范围核心是个 1000m 半径的圆,北向穿村快出村口直线距离 1000m (村委往北快出村的红房子),东向往捧河湾方向围着山体的公路基本都有信号,最远直线距离 900m(捧河沿村委),继续顺时针往第一瀑方向,部分地区有信号,最远直线距离 1.9km

总体 RSSI 最低 -105dBm,最大 -42dBm(院子里)


8 Tools

HFSS, CST, FEKO, Sonnet, XFDTD ..


CST: 个人认为CST的主要卖点就是他们独有的时域算法FIT,有限时域积分,可以用来算中型的电大尺寸天线,尤其是可以用来评估宽带天线的时域特性,分析宽带天线的发射接收波形。

FEKO: MOM和快算多极子起家,集成了PO、UTD等散射及绕射算法,最近加入了FDTD算法。主要拿来算大尺寸天线,尤其是反射面天线。


HFSS:

  • HFSS 有完善的帮助文档体系,你碰到的问题基本都能通过按 F1 来解决
  • HFSS 有非常完善的后处理功能和异常强大的场计算器,可以获得求解域内任意点的场解
  • HFSS的脚本支持完善,尤其是支持Python以后,复杂的数据处理变得非常简单
  • HFSS基本覆盖了所有需求解的场景

HFSS应该是最好用的天线仿真软件,尤其适用于电小尺寸天线和口径面积在2个波长以内的天线。CST适用于电尺寸稍大的天线,尤其是宽带天线,CST中集成的时域算法可以用对天线进行时域分析,宽带天线的时域分析是特别重要的一点。FEKO一般用来仿电大尺寸天线,尤其是发射面天线。

根据个人经验,分别介绍一下:

HFSS: HFSS基于FEM算法也就是有限元,是一种频域分析算法,常用于电小尺寸复杂结构天线的设计,尤其是谐振天线,比如我最近在设计植入在人体中的窄带天线,在HFSS中仿真设计很方便,很容易就找到谐振点,但是应用基于时域算法的CST,天线就很难找到谐振点。




9 Circular Spiral Antenna

9.1 法向

文献综述:



9.2 轴向


9.3 平面


10 Tesing Record

10.1 433 3dbi



10.2 433 鞭状天线

  • 频率范围: 433 ± 5 MHz
  • 增益: 15 dBi
  • 驻波比: ≤ 1.5 VSWR
  • 输入阻抗: 50 Ω
  • 功率容量: 50 W
  • 天线长度: 22 CM
  • 接口标准: SMA-J
--- rxlora. dst=0 type=0x00 src=0 seq=0 len=11 SNR=9 RSSIpkt=-49 BW=125 CR=4/5 SF=12
^p0,0,0,0,11,9,-49
^r125,5,12,434300
^t2019-05-10T06:04:43.473
noduino.org
--- rxlora. dst=0 type=0x00 src=0 seq=0 len=11 SNR=9 RSSIpkt=-50 BW=125 CR=4/5 SF=12
^p0,0,0,0,11,9,-50
^r125,5,12,434300
^t2019-05-10T06:04:48.482
noduino.org
--- rxlora. dst=0 type=0x00 src=0 seq=0 len=11 SNR=9 RSSIpkt=-49 BW=125 CR=4/5 SF=12
^p0,0,0,0,11,9,-49
^r125,5,12,434300
^t2019-05-10T06:04:53.491
noduino.org


10.3 433 吸盘天线

纯铜棒

  • 频率范围:433 MHz
  • 增益:35dbi
  • 驻波比:<= 1.5
  • 最大功率: 50W
  • 极化方式:垂直极化
  • 线材:RG58
--- rxlora. dst=0 type=0x00 src=0 seq=0 len=11 SNR=7 RSSIpkt=-32 BW=125 CR=4/5 SF=12
^p0,0,0,0,11,7,-32
^r125,5,12,434300
^t2019-05-10T06:29:57.390
noduino.org
--- rxlora. dst=0 type=0x00 src=0 seq=0 len=11 SNR=7 RSSIpkt=-33 BW=125 CR=4/5 SF=12
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^r125,5,12,434300
^t2019-05-10T06:30:02.399
noduino.org


11 天调



12 Balun


13 压制无人机

无人机遥控信号主要工作在 2.4GHz 和 5.8GHz 的 ISM 频段,频率范围: 2400MHz~2483MHz 和 5725MHz~5850MHz。主要采用的方式有以下几种:

  • 使用跳频扩频 (FHSS) 链路控制无人机,测控距离:1~5km
  • 使用 Wi-Fi 控制无人机,测控距离:100~2000m
  • 使用蓝牙控制无人机,测控距离:60~80m

以大疆精灵3为代表进行对象分析,大疆精灵3 遥控信号工作在 2.4GHz,采用了扩频—调频相结合的技术体制,遥控器配对之后,在工作带宽内以 10ms 的间隔快速跳频,频点范围涵盖整个 2.4GHz ISM频段。将频谱仪频率范围设置在 2.4GHz~2.5GHz 之间,可以在频谱仪上看到快速扫描的信号,打开 maxhold 功能,经过一段时间的累积,就能清楚的看到遥控信号的频率分布范围:以 2.44GHz 为中心,共占据了 78MHz 的带宽。几乎所有的消费级无人机都使用 GPS 来获取位置信息,部分型号支持 GLONASS、BD2 等导航信号,信号频段主要覆盖 1560MHz~1610MHz。

可以通过对低空旋翼无人机的遥控链路和卫星导航进行干扰,进入失控状态,触发无人机自身的保护机制,使之迫降或返航。假设遥控信号的频率范围是 2400~2485MHz,干扰者不知道跳频信号参数,就只能用噪声覆盖全部调频带宽,即黄色区域。而遥控信号带宽较窄,功率集中,功率电平比干扰信号总功率小的时候,依然不受干扰影响,如红色区域。对于采用跳频的遥控器,窄带干扰效果不好,只能使用宽带噪声干扰信号,覆盖整个跳频带宽。遥控链路包括 2.4GHz 和 5.8GHz 两个频率点

以大疆精灵3 无人机为例,其 2.4GHz 遥控频段发射功率为 23dBm。遥控器配置普通发射天线,增益约 3dB,无人机接收天线增益也为 3dB,设遥控器距离飞机 100m,则 2.4GHz 接收器收到的功率电平最大为:23(遥控器发射功率)+6(收发天线增益)-(32.45+20×lg(0.1*2400))(电磁波自由空间衰减)= -51dBm

以遥控接收器抗干扰门限 JSR=12dB 为例计算干扰功率:接收器接收的最大功率电平:Ps=-51dBm,信号频率:f=2400MHz,接收天线增益:G=3dB,干扰距离 R=1Km,干扰起效时,干扰等效辐射功率需满足 J-[32.45+20×lg(f×R)]+G-JSR≥Ps 计算可得,干扰距离 1Km 时,2.4G 遥控链路干扰等效辐射功率需满足:J≥55dBm (316.3W)

验证结果:

  • 干扰遥控信号时,无人机上指示灯由绿色闪烁变为黄色闪烁,几秒钟后,无人机返回起飞点。
  • 干扰导航信号时,无人机上指示灯由绿色闪烁变为红色闪烁,无人机能操控,不能稳定悬停。
  • 干扰遥控信号和导航信号时,无人机上指示灯由绿色闪烁变为红色闪烁,无人机不能操控,不能稳定悬停。



14 Reference










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