《AN4190应用笔记 天线选择指南》——天线理论1

本文转自ST官网《AN4190应用笔记 天线选择指南》，作者Placido De Vita。这篇应用笔记介绍了短距离设备应用在那个使用何种天线时要考虑的最重要参数，很有参考价值，分享给各位读者——

引言
天线是通信系统非常重要的组成部分。根据定义，天线是用来将在导体上传输的射频信号转换为自由空间中的电磁波（发送模式），以及将射频电磁波转换为电信号（接收模式）的设备。
天线的选择对于发射-接收通信系统非常重要。天线必须能够有效地进行辐射或接收，这样就不会浪费所提供的电力。

本应用笔记介绍了在决定短距离设备应用中使用何种天线时要考虑的最重要参数。
本应用笔记的第一部分介绍了天线理论。讨论了主要的天线参数，如辐射方向图、增益、阻抗匹配、带宽、尺寸等。
本文档的第二部分介绍了不同的天线类型。

1 天线理论

天线性能参数和用于描述天线的语言可能会令人困惑，有时甚至会产生误导。然而总体上来说还是有很多方法可以描述清楚好的天线系统有哪些东西构成，由于天线设计本身会包含各种目标需求之间的冲突，大多数的设计或多或少地都会反映出在各种属性或参数之间所做的折衷或权衡。因此，在设计之前重新查阅下天线的规格标准是至关重要的。在此过程中个，如何使用更为完整和精确的术语变得尤为重要。多年来，为了标准化天线术语，已经做了很多努力。目前，事实上的天线术语标准是由美国电气和电子工程师协会（ IEEE）制定的。因此本文档中涉及的相关天线参数也是依照此标准实施。

1.1 天线和辐射方向图

天线辐射方向图在IEEE标准中定义为“表征由天线产生的电磁场量的空间分布”。换句话说，天线辐射方向图或天线方向图被定义为天线的辐射特性的数学函数或图形表示，作为空间坐标的函数，如图 1中所示。辐射特性包括功率通量密度、辐射强度、场强度和方向性相位或极化。

大多数情况下，辐射方向图是在远场区域中确定的，并且表示为方向坐标的函数。即是在球坐标系中，固定半径范围分布在Θ和Φ之间（参见图 1）。
由于信息的三维特性，天线辐射方向图的解释可能是有问题的。辐射方向图的三维图的复杂性有时会使细节模糊不清。实际上，辐射图的三维图在呈现定量信息方面的价值有限。因此，通常会给出辐射方向图的二维“切面”。特别是，经常给出所谓的E和H平面的切面。

1.1.1 各向同性、定向和全向方向图
各向同性辐射体定义为在所有方向上具有同等辐射的“假想的”无损天线。虽然这种天线是理想的并且在物理上是不可实现的，但它对于实际天线的方向属性的表示具有参考作用。
定向天线是指在某些方向上具有比其他方向更高电磁波辐射或接受效率的天线。
全向天线定义为在给定平面中具有基本上无方向性的方向图，而在任意正交平面中具有方向性方向图的天线。全向方向图是一种特殊类型的方向图。在x-y平面中具有全向辐射方向图的天线的示例如图 2中所示。

1.1.2 主要方向图

对于线性极化天线，其性能通常根据其主要的E和H平面方向图来描述。

E平面定义为包含电场矢量和最大辐射方向的平面。
H平面定义为包含磁场矢量和最大辐射方向的平面。
E和H平面是正交平面。通常仅检验三维辐射方向图的E和H平面切面就足够了。E和H平面辐射方向图的一个例子如图 3中所示。

1.1.3 场区域
辐射方向图的各个部分被称为波瓣，其可以被细分为主瓣、副瓣、旁瓣和后瓣。
辐射波瓣是由辐射强度相对弱的区域界定的一部分辐射方向图。图 4展示了具有多个辐射波瓣的对称三维极性方向图。
主瓣（也称为主波束）定义为包含最大辐射方向的辐射波瓣。
除了主瓣以外的任何波瓣都是副瓣。副瓣通常代表不需要的方向上的辐射，这些副瓣应该最小化。
波束宽度是主瓣的半功率（ -3dB，此时参考主瓣的峰值有效辐射功率）点之间的角度，以度表示。

1.1.4 辐射方向图波瓣
天线周围的空间通常细分为三个区域：
感应近场
辐射近场，也称为Fresnel区域
远场，也称为Fraunhofer区域

在天线的感应近场区中，非辐射场分量占主导地位。术语“感应近场”源于这样的事实：对于诸如电小偶极子等非谐振天线，感应功率在近场和场源之间，或近场和外部匹配网络之间循环，也有可能两种循环同时存在。严格的IEEE定义是“紧邻天线的近场区域部分，其中感应场占主导地位”。因此，对于类偶极子天线，该区域中的能量主要是电能或磁能。对于电小天线，感应近场取为延伸到距天线约R ~ l / 2p的距离。

在辐射近场中，辐射场占主导地位，但角视场分布取决于距天线的距离。严格的IEEE定义是“远场和近场区感应部分之间的那部分天线近场区，其中角视场分布取决于距天线的距离”。如果天线较大，则与波长相比，辐射近场的外边界取为R ~ 2D2 / l。

天线的远场区是天线周围区域中，距离天线足够远、仅辐射场分量显著的区域。换句话说，远场是指天线场区中，角视场分布基本上与到天线区域中指定点的距离无关的场区。在远场中，场分量是正交的，并且能量在电、磁储能之间均分。
图 5中，显示了三个不同区域之间的分隔。

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