《AN4190应用笔记 天线选择指南》——天线理论2

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。

由于篇幅有限，故分为4篇进行发布更新，已更新的篇章有：《AN4190应用笔记 天线选择指南》——天线理论1

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1.3 方向性
天线的方向性定义为天线给定方向的辐射强度与在所有方向上的平均辐射强度的比。平均辐射强度等于天线辐射的总功率除以4Π。如果未指定方向，则暗指最大辐射强度的方向。

非常明显的是，对于各向同性源，其方向性是一致的，因为其功率在所有方向上均匀辐射。对于所有其他的源，最大方向性总是大于1。它是相对“品质因数”，表示与各向同性源相比的天线方向性。

1.4 天线增益
增益可能是最广泛使用的天线性能的描述符。但是，常用的不止一种定义或解释。大多数天线是无源器件，因此在放大器表现出功率增益的意义上来说，它是没有功率增益的。但是，从远距离接收器的角度来看时，特殊的天线可以在给定方向上比各向同性天线辐射出更多的功率。因此，增益被定义为给定方向上的强度与辐射强度的比，该辐射强度是在天线接收的功率是各向同性辐射功率的情况下获得的。对应于各向同性辐射功率的辐射强度等于天线接受（输入）的功率除以4Π。因此，理解这一点非常重要：“无源天线的增益并不代表任何实际的功率增益”。

增益有时也被引入到假想各向同性源之外的其他源。最常见的是，增益被引入到半波线性丝状偶极子中。如果增益参考的是各向同性源，则单位写为“dBi”。因此，如果增益参考的是半波偶极子天线，则单位写为“dBd”。增益dBd =增益dBi - 2.15 dB。

增益狭义定义为，局部接收器使用完全效率（无损）各向同性天线在特定位置接收到特定强度所需的输入功率，与使用所讨论天线时所需输入功率的比。因此，在特定方向上具有3dB增益的天线要实现相同的强度，需要的功率与各向同性源相比是其一半。因此，可以看出，出于链路预算的目的，可以将天线增益与有源设备（如放大器）增益同样对待。

注意，天线辐射的总功率通过称作天线辐射效率的系数与总输入功率关联起来。辐射效率越高，传输或接收的能量越大。根据IEEE标准，增益不包括由阻抗不匹配（反射损耗）和极化失配（损耗）引起的损耗。因此，这意味着增益仅考虑同一天线的电介质和传导系统的损耗。反射损耗和极化失配是非常重要的损耗，通信系统的链路计算中需要对其进行考虑，以确定接收或辐射的功率。

1.5 天线效率
如果将天线作为从源接收功率并将其辐射到空间的设备，则辐射到空间的功率与从源接收的功率的比就是效率（ hradiation），有时称为辐射效率。它在IEEE参考文献中定义为天线辐射的总功率与天线从所连接发射器接收的净功率之比。天线接受但未辐射的功率以热量的形式耗散。

总天线效率ho用来考虑输入端和天线结构内的损耗。一般来说，总体效率可写为：
公式1

其中：
ho = 总效率（无穷小量）
hr = 反射（失配）效率 = (1 - |G|2) （无穷小量）
hc = 传导效率（无穷小量）
hd = 介电效率（无穷小量）
G = 天线输入端的电压反射系数 [G = (Zin - Zo)/(Zin Zo)，其中Zin = 天线输入阻抗， Zo = 传输线的特征阻抗]。
通常hc和hd很难估算。

在任何天线制造商的文献中都很少会公布辐射效率。这有几个原因：首先，辐射效率极难准确测量。其次，天线的辐射效率隐含在天线增益的完整规范中。

1.6 天线带宽
天线的带宽定义为天线的某些指标性能在符合某一特定标准的情况下，其正常工作的频率范围。带宽可以认为是中心频率（通常是偶极子的谐振频率）两侧的一段频率范围，其中天线特性在中心频率的可接受值范围内。
由于天线的特性不一定以相同的方式变化或甚至会受到频率的严重影响，因此没有唯一的带宽表征。每种情形下都设置了规范以满足特定应用的需要。通常，方向图和输入阻抗变化量之间存在差异。相应地，方向图带宽和阻抗带宽就用来强调这种差异。与方向图带宽相关的是增益、旁瓣电平和极化，而输入阻抗和辐射效率与阻抗带宽有关。

1.7 天线极化

天线在给定方向上的极化被定义为由天线发射的波的极化。没有说明方向时，则认为极化是最大增益方向的极化。实际上，辐射能量的极化随着相对天线中心的方向而变化，因此方向图的不同部分可以具有不同的极化。

辐射波的偏振定义为描述电场矢量的时变方向和相对幅度的电磁波特性；具体地说，是通过空间中固定位置处的矢量末端跟随时间变化的函数所描绘的图形，以及沿着传播方向所摹写的场景。然后，极化是由表示瞬时电场的箭头的终点描绘的曲线。

极化可以分为线性、圆形或椭圆形极化（参见图 6）。如果描述空间某点处电场的矢量（为时间的函数）总是沿直线方向，则该场被称为线性极化的（水平或垂直）。不过，通常电场轨迹的图是椭圆形，这种场被称为椭圆极化场。线性（见图 6）和圆形（见图 7）是椭圆极化的特殊情况，它们可以在椭圆分别成直线或圆时得到。描绘电场的图形以顺时针或逆时针方向显示。电场矢量的顺时针旋转指定为右旋极化，其逆时针旋转指定为左旋极化。

图6 垂直、水平、 3和椭圆极化

图7 圆极化

如果接收天线的极化与输入（入射）波的极化不同，则由于极化损耗，从输入信号中获取的功率不是最大的。使用相同极化的天线，并且以不改变其特性的方式进行物理放置，这在通信系统中是非常重要的。如果天线是线性极化的，则不要将两个天线相互正交地放置，如果天线是圆极化的，则或同时右极化地或同时左极化地使用两个天线。

表 1中显示了，将接收器天线接收的功率与发射天线发射的最大功率之比作为极化的函数。如果天线相同，则可以接收到全部发射功率，如果天线相反，例如TX中垂直而RX中水平，则接收的功率为零。

表1 接收功率与最大功率之比

1.8 输入阻抗
天线从源接收功率的能力取决于天线的输入阻抗。为实现最大功率传输，输入阻抗应与源的输出阻抗完全匹配。严格来说，为了实现最大功率传输，天线的输入阻抗必须是源输出阻抗的复共轭。基本上，所有射频源都呈现出其真实的输出阻抗，绝大多数射频源的输出阻抗为50Ω。标准的同轴电缆的阻抗也是50Ω， 代表了一个很好的兼顾传输功率和损耗的折衷方案。另一方面，在一个宽频段上，天线的复输入阻抗与50Ω相差很大。
天线输入端的复反射系数为：
公式2

其中：
Zinput = 天线的复输入阻抗
Z0 = 源/系统阻抗
反射功率等于入射（前向）功率乘以复输入反射系数的幅度的平方。反射功率是提供给天线返回负载的总功率的一部分

天线输入阻抗匹配的质量通常由两个参数之一来规定：回波损耗或驻波比（ SWR），有时称为电压驻波比（ VSWR）。回波损耗表示有多少入射功率没有被反射或没有从负载返回。它是反射系数大小的平方，通常以对数形式表示为：
公式3

例如， -3.0103 dB的回波损耗表示反射了一半的入射功率。通常，对于良好匹配来说，低于-10 dB的回波损耗都是可接受的，这种情况下，反射的信号少于1％。
驻波比定义为输入传输线上的电压最小值与最大值之比。它定义为：

公式4

VSWR描述输入匹配的一个效用是，当反射系数的大小以对数形式表示为从0到负无穷的范围时， VSWR的大小可以线性形式表示为从1到无穷大。所以，当匹配不是很好时， VSWR对于描述输入匹配特别有用。VSWR为5.83对应-3.01dB的回波损耗。良好匹配的天线，其VSWR低于2。

1.9 有效各向同性辐射功率
有效全向辐射功率（ EIRP），也称为等效全向辐射功率，是在单一方向上测量的辐射功率量（即，针对固定的Θ和Θ）。通常，对于天线辐射方向图测量，如果给出了单个EIRP值，那么这会是所有测量角度上最大的EIRP值。EIRP也可以认为是完美的各向同性天线为得到测量值而需要辐射出去的功率量。EIRP可能与无线电（ Pt）传输的功率、网络和失配损耗（ L）以及天线增益（ G）相关：
公式5

在构建场的区域中，规范可能会限制发射器的EIRP，以防止人员暴露在高功率电磁场中；不过， EIRP通常被限制为对相似频率上的服务产生的干扰最小。