天线的主要参数介绍

一、输入阻抗和匹配 天线的输入阻抗是指天线在馈电端口表现出的阻抗。一般将天线输入阻抗设计为50欧。当馈线与天线阻抗匹配时，馈电端口的反射最小，馈线上的能量才能有效传输至天线。因此，馈线需要与天线达到阻抗匹配，即馈线特性阻抗值设计为50 欧。因此，硬件PCB 上连接天线的微带线特性阻抗应为50 欧。为了方便调整阻抗匹配，内置天线机型一般需要在馈电点附近预留一个π形匹配网络的位置。外置天线一般输入阻抗都比较接近50 欧，根据实际需要预留匹配网络。 二、回波损耗、反射系数与驻波比 回波损耗计算公式： 回波损耗 = 入射功率 反射功率 = （功率反射率 ） − 1 回波损耗=\frac{入射功率}{反射功率}=（功率反射率）^{-1} 回波损耗=反射功率入射功率​=（功率反射率）−1 当馈线和天线共轭匹配时，能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。 当天线和馈线不匹配时，也就是天线输入阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载只能吸收部分能量。 入射波的一部分能量反射回来形成反射波。 图2.1 天线的能量转换 如上图所示，当馈线与天线失配时，假设天线无损耗，输入10W 的功率有9.5W 通过天线辐射出去，0.5W 的功率反射回来。这里的回波损耗RL=-10log(0.5/10)=13dB 。 在不匹配的情况下，馈线上同时存在入射波和反射波。反射波和入射波电压幅度之比叫作反射系数。 反射系数 Γ = 反射电压 入射电压 反射系数\Gamma =\frac{反射电压}{入射电压} 反射系数Γ=入射电压反射电压​ 在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比(VSWR)。 驻波比 V S W R = 波腹电压 波节电压 驻波比VSWR=\frac{波腹电压}{波节电压} 驻波比VSWR=波节电压波腹电压​ 终端负载阻抗和馈线特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越接近于１，匹配也就越好。 天线基本要求：驻波比 VSWR ≤2；即：回波损耗RL ≥9.6dB 。（注：VSWR=2 时，RL=9.54dB 近似为9.6 dB，反射功率/入射功率=11.11%） 三、效率 天线效率是指天线辐射功率与输入功率的比值，计算公式： 天线效率 η = 辐射功率 输入功率 天线效率\eta =\frac{辐射功率}{输入功率} 天线效率η=输入功率辐射功率​ 外置天线效率一般为70%-85%，内置天线效率一般为50-80% 。 没有辐射出去的能量一部分反射回去，一部分是天线自身的损耗。如下图所示，辐射效率=9W/10W=90% 。 四、方向性和增益 天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不 同方向传来的电波所具有不同的接收能力。天线的方向性通常用方向图来表示。方向图可用来说明天 线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。一个单一的对称振子具有“面包圈” 形的 方向图： 图4.1 对称振子方向图 增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元（点源天线）在空间同一点处所 产生的场强的平方之比，即功率之比。 常用的全向天线一般是指水平面（垂直于天线轴线的面）全向的天线。其方向图在水平面是一个圆形，表示各向增益相当。而定向天线是指天线能量集中在某一个方向的天线。 上图：全向天线（左）与定向天线（右）方向图 天线增益的大小反映了天线辐射出去的能量的集中程度。增益越大，能量越集中。根据能量守恒，在某一个方向上分布的能量越多，其他方向分布的能量自然就越少。定向天线最大增益较大，但其垂直面覆盖的范围就较小。 上图：不同增益天线方向图对比 五、带宽 天线带宽是天线的某个或某些电性能符合要求的工作频率范围。通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小。简单来说：驻波小于2为工作频带宽度就是带宽。 六、极化 当无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极 化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。 通常，如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面 平行，则称它为水平极化波。相应的天线称为垂直极化天线和水平极化天线。 除了垂直极化和水平极化，还有圆极化、椭圆极化等极化方式。圆极化根据旋向不同又可分为左 旋圆极化和右旋圆极化。 如下图所示，如果将垂直于传输方向的截面上的电场强度分解为x 分量和y 分量，即： E x = E 1 s i n ( w t − β z ) E_{x}=E_{1}sin(wt-\beta z) Ex​=E1​sin(wt−βz) E x = E 1 s i n ( w t − β z + δ ) E_{x}=E_{1}sin(wt-\beta z+\delta ) Ex​=E1​sin(wt−βz+δ) 上图：极化示意图 当Ex 与Ey 相位差 为0 或180 度时，极化方式为线极化。 当E1=E2，且Ex 与Ey 相位差 为90 度时，极化方式为圆极化。 当E1≠E2，且Ex 与Ey 相位差 不为0 度或180 度时，极化方式为椭圆极化。 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生3分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量。 当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称发射天线与接收天线是极化隔离的。