2012年07月

  1. --/--/-- スポンサーサイト
  2. 2012/07/30 【IEEE WCET】WEBOK4.3.4 Directivity, Gain and Aperture
  3. 2012/07/29 【IEEE WCET】WEBOK4.3.3 Beamwidth
  4. 2012/07/28 【IEEE WCET】WEBOK4.3.2 Antenna Parameters
  5. 2012/07/06 【IEEE WCET】WEBOK4.3.1 Background
  6. 2012/07/04 【NE】2012年04月02日号-スマホ消費電力量改善
  7. 2012/07/02 【IEEE WCET】WEBOKまとめ記事リンク集

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【IEEE WCET】WEBOK4.3.4 Directivity, Gain and Aperture

IEEE WCETのテキストWEBOKをまとめていきます。

まずは得意分野であるアンテナ・電波伝搬の分野から。


A Guide to the Wireless Engineering Body of Knowledge (WEBOK)A Guide to the Wireless Engineering Body of Knowledge (WEBOK)
(2009/04/13)
IEEE Communications Society

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4 Radio Frequency Engineering, Propagation and Antennas
4.3 Antennas
4.3.4 Directivity, Gain and Aperture 指向性,利得,実効面積


アンテナの指向性Dは放射強度とその平均との比であり、以下の式で定義される。

 4-3-4_1.gif

ここでU(θ,φ)は放射強度である。
無指向性ならば、Dは単一の値となる。

利得Gは導電性損失などを含んでいるため指向性Dよりも小さな値となる。利得GはkDとも表すことができ、kは効率(0~1)である。

等方性(isotoropic)アンテナとは、無指向性かつD=1である理論上のアンテナである。

全てのアンテナの(最大放射方向の)指向性はD≧1となる。通常、指向性の単位は[dBi](dB over isotoropic)であり、つまり等方性アンテナの利得を0[dBi]に基準した単位である。例えば半波長ダイポールの指向性はD=1.64となるが、これは2.15[dBi]に等しい。半波長ダイポールの放射パターンにおいて、E面の半値角ビーム幅は78°であるが、H面は無指向性となる。

指向性はおおよそD=40,000/(θHPφHP)となる(θHP,φHPはそれぞれE面,H面の半値角[deg])。

実効面積Aeは、アンテナが到来波エネルギーを捉えることができる範囲を意味し、アンテナの実効的な面積である。つまり実効面積はアンテナの物理的な面積とは異なり、アンテナのタイプによって物理的な面積より大きくも小さくもなる。指向性と実効面積の関係は以下の式で表さられる。

 4-3-4_2.gif

つまり、利得を上げようとするならば、アンテナの実効面積を大きくすればよく、または波長を短くする(動作周波数を高くする)とよい。


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【IEEE WCET】WEBOK4.3.3 Beamwidth

IEEE WCETのテキストWEBOKをまとめていきます。

まずは得意分野であるアンテナ・電波伝搬の分野から。


A Guide to the Wireless Engineering Body of Knowledge (WEBOK)A Guide to the Wireless Engineering Body of Knowledge (WEBOK)
(2009/04/13)
IEEE Communications Society

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4 Radio Frequency Engineering, Propagation and Antennas
4.3 Antennas
4.3.3 Beamwidth ビーム幅


指向性を持っているアンテナにおいて、ある一方向へ最も強く放射しているビームをメインローブと呼ぶ。また、メインローブ以外の弱いビームはサイドローブと呼ぶ。

ビーム幅(の角度)はメインローブの幅によって定義され、それはメインローブの方向へどれだけ強く放射しているか示すものである。例えば、ビーム幅が狭いほど、より強い方向性を持っており、アンテナの利得が高いといえる。ビーム幅は利得に反比例し、つまりアンテナサイズにも反比例することになる。アンテナサイズを固定した場合、動作周波数を高くしていくほど利得は高くなり、つまりビーム幅は狭くなる。

ビーム幅は-3dB半値角で表されることがよくあり、電磁界の放射パターンにおいては以下の式の値になる点に挟まれる角度である。

 4-3-3_1.gif

電力の放射パターンにおいては以下の式の値になる点に挟まれる角度である。

 4-3-3_2.gif

ビーム幅はE面,H面においてそれぞれθHPφHPとして表される。ここでθHPとはzx面またはyz面において定義されるものであり、φHPとはxy面において定義されるものである。


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【IEEE WCET】WEBOK4.3.2 Antenna Parameters

IEEE WCETのテキストWEBOKをまとめていきます。

まずは得意分野であるアンテナ・電波伝搬の分野から。


A Guide to the Wireless Engineering Body of Knowledge (WEBOK)A Guide to the Wireless Engineering Body of Knowledge (WEBOK)
(2009/04/13)
IEEE Communications Society

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4 Radio Frequency Engineering, Propagation and Antennas
4.3 Antennas
4.3.2 Antenna Parameters


4.3.2.1 Input Impedance 入力インピーダンス

アンテナの入力インピーダンスは、一般的に377Ω(自由空間の特性インピーダンス)とは異なる値であり、アンテナの構造によって決まるものである。また周波数によって変化するものである。

アンテナ入力インピーダンスは、伝送線路の特性インピーダンスやRF回路のインピーダンスと整合を取る必要があるため、重要なパラメータである。整合は、インピーダンス変換器(整合回路)やバランなどを介して行う。整合が取れていない場合は、リターンロスが大きくなり、アンテナ利得やERP(Effectvie Radiated Power:放射効率)を下げることになる。


4.3.2.2 Size, Weight, and Power(SWAP)

ある無線システムにとっては、アンテナのサイズや重さ、消費電力(SWAP)が重要なパラメータとなる。それは特にモバイル機器や自動車、飛行機、衛星にアンテナを搭載する場合である。

動作周波数を固定とする場合、高い利得を得ようとするとより大きなアンテナが必要になる。
アンテナのサイズを固定とする場合、動作周波数帯の低域側では利得が低くなり、高域側では利得が高くなる。


4.3.2.3 Field and Power Pattern 放射パターン

通常、アンテナはある特定の方向に強い指向性を持っている。これのような放射パターンは3Dの球座標において、垂直方向角度θと水平方向角度φを変数として表すことができる。たとえば、正規化された電界の放射パターンは以下の2式で表される。

 4-3-2_1.gif
 4-3-2_2.gif

放射パターンはカラープロットの3Dかカット面の2Dにて表示される。2Dにおけるカット面はxy面,yz面,zx面で表されのが通常であり、xy面は特にH面と呼ばれる。

電力の放射パターンも電磁界における放射パターンと同様に表される。正規化された電力の放射パターンは以下の式で表される。

 4-3-2_3.gif

ここでSはポインティングベクトルであり、以下の式で与えられる。

 4-3-2_4.gif

放射パターンはシミュレーションまたは測定により求めることができる。


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【IEEE WCET】WEBOK4.3.1 Background

IEEE WCETのテキストWEBOKをまとめていきます。

まずは得意分野であるアンテナ・電波伝搬の分野から。


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(2009/04/13)
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4 Radio Frequency Engineering, Propagation and Antennas
4.3 Antennas
4.3.1 Background


アンテナとは信号を送信器から受信機へ伝播させるために使われるものであり、導波路,同軸ケーブル,伝送線路などを伝わってきたRF信号を電磁波に変換し空間へ放出する役割をもつ。

アンテナは可逆性を持っており、電磁波を送信すると共に受信することができる。
このような可逆性のため、デュプレクサと呼ばれる送信信号と受信信号を分離するデバイスを用いることで、アンテナは送受信用アンテナとして動作できる。

アンテナ周りには近傍界,遠方界と呼ばれる2つの領域が存在する。
近傍界とは、アンテナの近傍で、波動のインピーダンスが自由空間インピーダンスと異なる領域であり
遠方界とは、アンテナの遠方で、波動のインピーダンスが自由空間インピーダンスが一致する領域である。
近傍界と遠方界の境界は次の式で表される(諸所に異なる式は存在するが)

 4-3-1(1).gif  (D:アンテナ寸法)

ただし、近傍界と遠方界の境界で急激な変化があるわけではなく、その移行は緩やかなものである。

また、
アンテナはインピーダンス変換器とも捉えることができる。というのは、伝送線路の特性インピーダンス(一般的に50Ω)を自由空間の特性インピーダンス(120π=377Ω)に変換しているといえるためである。(伝送線路と空間の間の整合素子といえる)

さらに、
アンテナは帯域通過フィルタとも捉えることができる。というのは、アンテナでは動作周波数帯域が限られているためである。そのため、アンテナの後段に周波数選択フィルタは必要なくなる。(アンテナを広帯域に設計し、後段に周波数選択フィルタやスイッチを設ける設計方法もある)


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【IEEE WCET】WEBOKまとめ記事リンク集

【NE】2012年04月02日号-スマホ消費電力量改善

今日もよーそろ、じんべえです!

LTE搭載のスマホを使ったことありますか?普通に使っているとびっくりするほど電池がなくなっていきますよね。この頃のスマートフォンは従来のフィーチャーフォンと比べ大型になっており、その電池容量も2倍程度になっているようですが、それでも消費電力の増加に追いつけていないようです。

端末メーカにおいてもそれが問題視されているようで、日経エレクトロニクス2012年4月2日号ではスマホにおけるこのような消費電力の増加の要因とその対策について特集が組まれていました。

興味深かったのでまとめておきます。


[特集]
そのスマホ、電池持ちますか


   NE20120402.jpg

 日経エレクトロニクス2012年4月2日号


第一部<総論>
電池もちの不満解消へ
あらゆる手段で電力を削る


今後のスマホでは、2次電池の容量の伸びを上回るペースで性能向上が進み見通しだ。

スマホで電力が増加する要因
・ディスプレイの大型化,高精細化
・CPU, GPUのコア数増加,動作周波数向上
・LTEなどの新しい通信方式への対応
これらを要因に、さらに
→データ量の多いWebサイトの閲覧回数の増加
→便利になるにつれて使用時間の増加

端末メーカの対策:「エコ」機能
・無線LAN,Bluetoothなどの通信機能をオフ
・ディスプレイの輝度を下げる
・ユーザによる設定変更を簡単にする
・時刻や電池残量に応じて設定を自動的に変更する
・ディスプレイ消灯時の一部のバックグラウンド機能を停止する

アプリの開発者に消費電力を意識させることも重要。「実際のアプリを分析すると、一部の特定の処理が無駄に電力を消費している例がよく見つかる」


第二部<実現技術>
細やかな制御で難局を打破
電池は新たな発想を模索


「現在のスマホでは、消費する電力量はアプリケーション処理と通信処理、表示がおおむね1/3ずつ」という。

プロセサでの対策
効率の向上と動的な制御を徹底
特性異なる回路でハイブリッド化

・半導体の微細化による電力利用効率の向上の継続
・動的な電源遮断や電圧/周波数制御の徹底
・回路のハイブリッド化

ディスプレイでの対策
大画面・高精細化で電力は増加の一途
液晶、有機EL共に半減を目指す

・液晶におけるバックライトの利用効率の向上
・有機ELにおける発光効率の向上
・MEMSディスプレイの採用

RF回路での対策
パワー・アンプの消費電力提言へ
エンベロープ・トラッキング熱視線

・エンベロープ・トラッキングの採用
→信号振幅に追従するように小刻みに電源電圧を切り替えることで、その出力時でもっとも効率の高い電源電圧を選択して送信する。
→電源電圧が高速に切り替わるため信号の歪み特性が劣化する問題がある→送信信号をあらかじめ歪ませる(プレディスとーション)ことで劣化を軽減するなど補正技術の検討が必要
・アイソレータの使用
→アイソレータは部品点数の増加を招くが、PAとフィルタとアイソレータを1パッケージにおさめたPAモジュールが登場。

電池での対策
10年後も主役はLiイオン2次電池
小技の組み合わせで700Wh/L目指す

・ラミネート型の採用→電源パックの内蔵化(電池の取り外しを不可に)
・負極材料の変更
・キャパシタとの併用
・急速充電機能や非接触充電機能による充電作業の負担を軽減


↓NE最新号の他の記事の内容はこちら。定期購読もできます


【IEEE WCET】WEBOKまとめ記事リンク集

下記はIEEE WCET(Wireless Communication Engineering technology)検定のテキストWEBOK(Wireless Engineering Body of Knowledge)のもくじです。


A Guide to the Wireless Engineering Body of Knowledge (WEBOK)A Guide to the Wireless Engineering Body of Knowledge (WEBOK)
(2009/04/13)
IEEE Communications Society

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この投稿をWEBOKのまとめ記事のリンク集にしていきます。

※ちなみに私が持っているのは2009年版です。

1 Wireless Access Technologies
 1.3 Design Fundamentals
 1.4 Mobility Management
 1.5 Wireless Access Technologies Standardization
 1.6 Digital Mobile Cellular Technology Evolution - 2G to 3G
 1.7 Local, Personal and Near-Field Communication
 1.8 Beyond 3G and Future Trends

2 Network and Service Architecture
 2.3 Circuit-Switched Cellular Network Architecture
 2.4 TCP/IP in Packet Switched Networks
 2.5 VoIP/SIP for IP Multimedia
 2.6 Packet-Switched Mobile Networks and IMS
 2.7 Alternative Network Architectures – mesh Networks
 2.8 Alternative Network Architectures – Mobile Ad Hoc Networks
 2.9 Service Enabler Evolution
 2.10 Service Framework
 2.11 Fundamentals of Traffic Engineering

3 Network Management and Security
 3.3 The Information Technology Infrastructure Library
 3.4 The Enhanced Telecom Operations Map
 3.5 The Simple Network Management Protocol (SNMP)
 3.6 Security Requirements

4 Radio Frequency Engineering, Propagation and ntennas
 4.3 Antennas
  4.3.1 Background
  4.3.2 Antenna Parameters
  4.3.3 Beamwidth
  4.3.4 Directivity, Gain, and Aperture
  4.3.5 Polarization
  4.3.6 Antenna Types
  4.3.7 Phased Arrays
  4.3.8 Beamforming and Smart Antenna
  4.3.9 Antenna Design and Measurements
  4.3.10 RF Site Surveys
  4.3.11 Diversity
  4.3.12 System Capacity and Multiple Access
  4.3.13 Base Station, Indoor, and Mobile Handset Antennas
  4.3.14 Antenna Tilt
  4.3.15 MIMO
 4.4 Propagation
  4.4.2 Free Space Loss
 4.5 FR Engineering

5 Facilities Infrastructure
 5.3 AC and DC Power Systems
 5.4 Electrical Protection
 5.5 Heating, Ventilation, and Air Conditioning
 5.6 Equipment Racks, Rack Mounting Spaces, and Related Hardware
 5.7 Waveguides and Transmission Lines
 5.8 Tower Specifications and Standards
 5.9 Distributed Antenna Systems and Base Station Hotels
 5.10 Physical Security, Alarm and Surveillance Systems
 5.11 National and International Standards and Specifications

6 Agreements, Standards, Policies, and Regulations
 6.3 Agreements
 6.4 Standards
 6.5 Policies
 6.6 Regulations

7 Fundamental Knowledge
 7.3 Electrical Engineering Basics for Wireless Communications
 7.4 Signal Processing and Communication Systems
 7.5 RF Engineering
 7.6 Instruments and Measurements [Wit02]
 7.7 Communication Networks
 7.8 Other Communication Systems
 7.9 General Engineering Management and Economics

(最終更新日:2013.09.19)

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