《AN4190應(yīng)用筆記?天線選擇指南》——天線理論2

本文轉(zhuǎn)自ST官網(wǎng)《AN4190應(yīng)用筆記 天線選擇指南》，作者Placido De Vita。這篇應(yīng)用筆記介紹了短距離設(shè)備應(yīng)用在那個(gè)使用何種天線時(shí)要考慮的最重要參數(shù)，很有參考價(jià)值，分享給各位讀者。

由于篇幅有限，故分為4篇進(jìn)行發(fā)布更新，已更新的篇章有：《AN4190應(yīng)用筆記 天線選擇指南》——天線理論1

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1.3 方向性
天線的方向性定義為天線給定方向的輻射強(qiáng)度與在所有方向上的平均輻射強(qiáng)度的比。平均輻射強(qiáng)度等于天線輻射的總功率除以4Π。如果未指定方向，則暗指最大輻射強(qiáng)度的方向。

非常明顯的是，對(duì)于各向同性源，其方向性是一致的，因?yàn)槠涔β试谒蟹较蛏暇鶆蜉椛?。?duì)于所有其他的源，最大方向性總是大于1。它是相對(duì)“品質(zhì)因數(shù)”，表示與各向同性源相比的天線方向性。

1.4 天線增益
增益可能是最廣泛使用的天線性能的描述符。但是，常用的不止一種定義或解釋。大多數(shù)天線是無(wú)源器件，因此在放大器表現(xiàn)出功率增益的意義上來(lái)說(shuō)，它是沒(méi)有功率增益的。但是，從遠(yuǎn)距離接收器的角度來(lái)看時(shí)，特殊的天線可以在給定方向上比各向同性天線輻射出更多的功率。因此，增益被定義為給定方向上的強(qiáng)度與輻射強(qiáng)度的比，該輻射強(qiáng)度是在天線接收的功率是各向同性輻射功率的情況下獲得的。對(duì)應(yīng)于各向同性輻射功率的輻射強(qiáng)度等于天線接受（輸入）的功率除以4Π。因此，理解這一點(diǎn)非常重要：“無(wú)源天線的增益并不代表任何實(shí)際的功率增益”。

增益有時(shí)也被引入到假想各向同性源之外的其他源。最常見(jiàn)的是，增益被引入到半波線性絲狀偶極子中。如果增益參考的是各向同性源，則單位寫為“dBi”。因此，如果增益參考的是半波偶極子天線，則單位寫為“dBd”。增益dBd =增益dBi - 2.15 dB。

增益狹義定義為，局部接收器使用完全效率（無(wú)損）各向同性天線在特定位置接收到特定強(qiáng)度所需的輸入功率，與使用所討論天線時(shí)所需輸入功率的比。因此，在特定方向上具有3dB增益的天線要實(shí)現(xiàn)相同的強(qiáng)度，需要的功率與各向同性源相比是其一半。因此，可以看出，出于鏈路預(yù)算的目的，可以將天線增益與有源設(shè)備（如放大器）增益同樣對(duì)待。

注意，天線輻射的總功率通過(guò)稱作天線輻射效率的系數(shù)與總輸入功率關(guān)聯(lián)起來(lái)。輻射效率越高，傳輸或接收的能量越大。根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)，增益不包括由阻抗不匹配（反射損耗）和極化失配（損耗）引起的損耗。因此，這意味著增益僅考慮同一天線的電介質(zhì)和傳導(dǎo)系統(tǒng)的損耗。反射損耗和極化失配是非常重要的損耗，通信系統(tǒng)的鏈路計(jì)算中需要對(duì)其進(jìn)行考慮，以確定接收或輻射的功率。

1.5 天線效率
如果將天線作為從源接收功率并將其輻射到空間的設(shè)備，則輻射到空間的功率與從源接收的功率的比就是效率（ hradiation），有時(shí)稱為輻射效率。它在IEEE參考文獻(xiàn)中定義為天線輻射的總功率與天線從所連接發(fā)射器接收的凈功率之比。天線接受但未輻射的功率以熱量的形式耗散。

總天線效率ho用來(lái)考慮輸入端和天線結(jié)構(gòu)內(nèi)的損耗。一般來(lái)說(shuō)，總體效率可寫為：
公式1

其中：
ho = 總效率（無(wú)窮小量）
hr = 反射（失配）效率 = (1 - |G|2) （無(wú)窮小量）
hc = 傳導(dǎo)效率（無(wú)窮小量）
hd = 介電效率（無(wú)窮小量）
G = 天線輸入端的電壓反射系數(shù) [G = (Zin - Zo)/(Zin Zo)，其中Zin = 天線輸入阻抗， Zo = 傳輸線的特征阻抗]。
通常hc和hd很難估算。

在任何天線制造商的文獻(xiàn)中都很少會(huì)公布輻射效率。這有幾個(gè)原因：首先，輻射效率極難準(zhǔn)確測(cè)量。其次，天線的輻射效率隱含在天線增益的完整規(guī)范中。

1.6 天線帶寬
天線的帶寬定義為天線的某些指標(biāo)性能在符合某一特定標(biāo)準(zhǔn)的情況下，其正常工作的頻率范圍。帶寬可以認(rèn)為是中心頻率（通常是偶極子的諧振頻率）兩側(cè)的一段頻率范圍，其中天線特性在中心頻率的可接受值范圍內(nèi)。
由于天線的特性不一定以相同的方式變化或甚至?xí)艿筋l率的嚴(yán)重影響，因此沒(méi)有唯一的帶寬表征。每種情形下都設(shè)置了規(guī)范以滿足特定應(yīng)用的需要。通常，方向圖和輸入阻抗變化量之間存在差異。相應(yīng)地，方向圖帶寬和阻抗帶寬就用來(lái)強(qiáng)調(diào)這種差異。與方向圖帶寬相關(guān)的是增益、旁瓣電平和極化，而輸入阻抗和輻射效率與阻抗帶寬有關(guān)。

1.7 天線極化

天線在給定方向上的極化被定義為由天線發(fā)射的波的極化。沒(méi)有說(shuō)明方向時(shí)，則認(rèn)為極化是最大增益方向的極化。實(shí)際上，輻射能量的極化隨著相對(duì)天線中心的方向而變化，因此方向圖的不同部分可以具有不同的極化。

輻射波的偏振定義為描述電場(chǎng)矢量的時(shí)變方向和相對(duì)幅度的電磁波特性；具體地說(shuō)，是通過(guò)空間中固定位置處的矢量末端跟隨時(shí)間變化的函數(shù)所描繪的圖形，以及沿著傳播方向所摹寫的場(chǎng)景。然后，極化是由表示瞬時(shí)電場(chǎng)的箭頭的終點(diǎn)描繪的曲線。

極化可以分為線性、圓形或橢圓形極化（參見(jiàn)圖 6）。如果描述空間某點(diǎn)處電場(chǎng)的矢量（為時(shí)間的函數(shù)）總是沿直線方向，則該場(chǎng)被稱為線性極化的（水平或垂直）。不過(guò)，通常電場(chǎng)軌跡的圖是橢圓形，這種場(chǎng)被稱為橢圓極化場(chǎng)。線性（見(jiàn)圖 6）和圓形（見(jiàn)圖 7）是橢圓極化的特殊情況，它們可以在橢圓分別成直線或圓時(shí)得到。描繪電場(chǎng)的圖形以順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蝻@示。電場(chǎng)矢量的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)指定為右旋極化，其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)指定為左旋極化。

圖6 垂直、水平、 3和橢圓極化

圖7?圓極化

如果接收天線的極化與輸入（入射）波的極化不同，則由于極化損耗，從輸入信號(hào)中獲取的功率不是最大的。使用相同極化的天線，并且以不改變其特性的方式進(jìn)行物理放置，這在通信系統(tǒng)中是非常重要的。如果天線是線性極化的，則不要將兩個(gè)天線相互正交地放置，如果天線是圓極化的，則或同時(shí)右極化地或同時(shí)左極化地使用兩個(gè)天線。

表 1中顯示了，將接收器天線接收的功率與發(fā)射天線發(fā)射的最大功率之比作為極化的函數(shù)。如果天線相同，則可以接收到全部發(fā)射功率，如果天線相反，例如TX中垂直而RX中水平，則接收的功率為零。

表1?接收功率與最大功率之比

1.8 輸入阻抗
天線從源接收功率的能力取決于天線的輸入阻抗。為實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，輸入阻抗應(yīng)與源的輸出阻抗完全匹配。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，為了實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，天線的輸入阻抗必須是源輸出阻抗的復(fù)共軛?；旧?，所有射頻源都呈現(xiàn)出其真實(shí)的輸出阻抗，絕大多數(shù)射頻源的輸出阻抗為50?。標(biāo)準(zhǔn)的同軸電纜的阻抗也是50?， 代表了一個(gè)很好的兼顧傳輸功率和損耗的折衷方案。另一方面，在一個(gè)寬頻段上，天線的復(fù)輸入阻抗與50?相差很大。
天線輸入端的復(fù)反射系數(shù)為：
公式2

其中：
Zinput = 天線的復(fù)輸入阻抗
Z0 = 源/系統(tǒng)阻抗
反射功率等于入射（前向）功率乘以復(fù)輸入反射系數(shù)的幅度的平方。反射功率是提供給天線返回負(fù)載的總功率的一部分

天線輸入阻抗匹配的質(zhì)量通常由兩個(gè)參數(shù)之一來(lái)規(guī)定：回波損耗或駐波比（ SWR），有時(shí)稱為電壓駐波比（ VSWR）。回波損耗表示有多少入射功率沒(méi)有被反射或沒(méi)有從負(fù)載返回。它是反射系數(shù)大小的平方，通常以對(duì)數(shù)形式表示為：
公式3

例如， -3.0103 dB的回波損耗表示反射了一半的入射功率。通常，對(duì)于良好匹配來(lái)說(shuō)，低于-10 dB的回波損耗都是可接受的，這種情況下，反射的信號(hào)少于1％。
駐波比定義為輸入傳輸線上的電壓最小值與最大值之比。它定義為：

公式4

VSWR描述輸入匹配的一個(gè)效用是，當(dāng)反射系數(shù)的大小以對(duì)數(shù)形式表示為從0到負(fù)無(wú)窮的范圍時(shí)， VSWR的大小可以線性形式表示為從1到無(wú)窮大。所以，當(dāng)匹配不是很好時(shí)， VSWR對(duì)于描述輸入匹配特別有用。VSWR為5.83對(duì)應(yīng)-3.01dB的回波損耗。良好匹配的天線，其VSWR低于2。

1.9 有效各向同性輻射功率
有效全向輻射功率（ EIRP），也稱為等效全向輻射功率，是在單一方向上測(cè)量的輻射功率量（即，針對(duì)固定的Θ和Θ）。通常，對(duì)于天線輻射方向圖測(cè)量，如果給出了單個(gè)EIRP值，那么這會(huì)是所有測(cè)量角度上最大的EIRP值。EIRP也可以認(rèn)為是完美的各向同性天線為得到測(cè)量值而需要輻射出去的功率量。EIRP可能與無(wú)線電（ Pt）傳輸?shù)墓β?、網(wǎng)絡(luò)和失配損耗（ L）以及天線增益（ G）相關(guān)：
公式5

在構(gòu)建場(chǎng)的區(qū)域中，規(guī)范可能會(huì)限制發(fā)射器的EIRP，以防止人員暴露在高功率電磁場(chǎng)中；不過(guò)， EIRP通常被限制為對(duì)相似頻率上的服務(wù)產(chǎn)生的干擾最小。