Antenna Theory

S参数

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端接匹配：除了被测端口对（一个端口激励，另一个端口测量）之外，所有其他端口都连接了一个阻抗完全匹配的负载（通常是50欧姆）
S11（输入匹配，S11曲线可直观显示天线在不同频率下的阻抗匹配情况，发送到设备的信号中有多少被反射回来，端口2端接匹配情况下，端口1的反射系数）
S22（输出匹配，从设备发出的信号有多少反射回来）
S21（增益/ 损耗，测量从输入到输出的信号，了解信号传输的效率）
S12（隔离度）
完美匹配就没有信号的反射

Free Space Attenuation

根据能量守恒，包围发射天线的任何封闭面上的功率密度积分必须等于发射功率。如果封闭面是以发射器 (TX) 天线为中心的半径为d的球体，TX天线不是全向的（功率密度 $\frac{P_{TX} }{4\pi d^{2} }$ 必须乘以沿接收天线方向的天线增益 $G_{TX}$），并假设所有作用在RX天线有效面积 $A_{RX}$上的能量都被RX天线收集，接受功率可以表示为：

$$P_{RX}=\frac{P_{TX} }{4\pi d^{2} } G_{TX}A_{RX}$$

而有效面积与天线增益之间存在关系：

$$G_{RX} =\frac{4\pi }{\lambda ^{2} } A_{RX}$$

两式合并，消掉 $A_{RX}$，得到Friis定律：

$$P_{RX}=P_{TX} G_{TX} G_{RX} (\frac{\lambda }{4\pi d} )^{2}$$

事实上，Friis定律的有效性仅限于天线的远场区域，即发射和接收天线之间的距离至少为一个Rayleigh距离

Reflection and Transmission

Q&A

1. Explain basic antenna definition
   传输/接收无线电波的方法

2. Explain key antenna parameters, including VSWR, reflection coefficient, antenna efficiency, total efficiency, directivity, EIRP, antenna radiation pattern, polarization, bandwidth; explain how these parameters can be measured in the lab.

   • VSWR：Voltage standing wave ratio，电压驻波比，衡量天线（负载阻抗随频率变化）与传输阻抗（传输线在高频信号作用下表现出来的特征阻抗，常数）匹配的程度，越小越匹配，跟反射系数有关
     使用矢量网络分析仪（VNA）连接天线，扫描工作频段，直接读取VSWR曲线

   • reflection coefficient：反射系数，反射电压与入射电压之比，反映阻抗失配程度
     VNA直接测量S11参数

   • antenna efficiency：辐射功率与输入功率之比
     在暗室中测量辐射功率，对比输入功率

   • total efficiency：
     包含阻抗失配损耗和辐射效率

   • directivity：最大辐射强度与各向同性天线（平均辐射强度）的比值，平均辐射强度等于天线总辐射功率除以 4Π
     在暗室中使用天线旋转台，记录不同角度的辐射强度

   • EIRP：Equivalent Isotropically Radiated Power
     远场测量

   • antenna radiation pattern
     在微波暗室中固定待测天线，旋转接收天线，记录不同角度的场强

   • polarization：
     在暗室中接收机先放水平极化天线，再放垂直极化天线，天线极化信息就有了

   • bandwidth
     VNA测量S11，看满足要求的频率范围

3. Explain antenna field regions, antenna measurement facility and its basic principle
   field regions

   • 电抗近场区（Reactive Near-Field）：电磁场以储能为主，非辐射场
   • 辐射近场区（Radiating Near-Field）：天线方向图随距离变化
   • 远场区（Far field）：天线方向图不随距离变化

   antenna measurement facility

   • 室外测试场（Outdoor Test Range）
   • 全电波暗室（Anechoic Chamber）
   • 紧缩场（Compact Antenna Test Range, CATR）
   • 平面波发生器（Plane Wave Generator）
   • 近远场转换

4. Explain basic principle of diversity, explain receiver diversity and transmit diversity, explain basic principle of Alamouti scheme.
   diversity：降低误码率，发送/接收相同信号，不同信道不相关，距离越大越好
   receiver diversity：SIMO，信道已知

   • 选择性合并：监控幅度
   • 等增益合并：监控相位
   • 最大比合并：监控幅度和相位

   transmit diversity：MISO，信道未知

   • 加反馈，信道变化不能太快
   • 不加反馈，Alamouti scheme，2x1，利用了时间

5. Explain basic principle of spatial multiplexing, explain whether spatial multiplexing works in pure LOS condition, , explain how antenna spacing, number of antenna elements and propagation environment affect beamforming performance, explain why current LTE phones utilizing spatial multiplexing is limited to few antennas in the downlink.
   spatial multiplexing：MIMO，提高数据传输速率

   • 发送端：数据序列分成M个子块，M个天线，用相同频段传
   • 接收端：放N个天线接收信号并通过算法对M个子块分离
   • M <= N,因为要实现信号分离，NXM矩阵H左乘一个MXN矩阵得到单位阵，对H做初等行变换，H必须列满秩

   在纯净的LOS环境，传输矩阵H秩为1，MIMO不工作
   antenna spacing不大于半波长，否则会有栅瓣
   number of antenna elements越大，波束越窄
   传输矩阵系数相关性低
   保证信道不相关，天线距离要远

6. Explain the main multi-antenna techniques utilized in sub-6GHz LTE and 5G mmWave mobile phones and why.
   sub-6GHz LTE：MIMO，直射线少，有多径，SNR不是问题，低频噪声能量低，信号衰减少
   5G mmWave：分集，带宽高，SNR问题，多径干净，信道不支持MIMO