天線的原理、規(guī)格和操作了解

天線可能是RF設(shè)計(jì)中最容易被忽視的部分，但RF鏈路的范圍，性能和合法性嚴(yán)重依賴它。無論如何，天線選擇通常會(huì)留到設(shè)計(jì)結(jié)束，此時(shí)可能無法在所提供的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳天線性能。

此時(shí)的選項(xiàng)可能是經(jīng)過多次重新設(shè)計(jì)或最終接受性能下降。這兩種選擇都不可取，但是基本了解各種類型天線的理論和行為，可以避免這種情況，設(shè)計(jì)人員可以更接近最佳射頻性能。

為此，部分這個(gè)由兩部分組成的系列中的一個(gè)側(cè)重于天線的基本電磁場原理。然后，它通過兩種類型的天線來說明這些原理，這些天線通常用于低功率手持產(chǎn)品：偶極子和單極鞭子。這些類型涵蓋了廣泛的可用天線，并且是最常見的不正確實(shí)施的天線。

本系列的第2部分更詳細(xì)地介紹了偶極天線和單極天線，同時(shí)還討論了一些天線設(shè)計(jì)受當(dāng)今可穿戴設(shè)備，手持設(shè)備和緊湊型設(shè)備需求驅(qū)動(dòng)的趨勢。這些較新的天線包括芯片天線，如Johanson Technology 2450AT18B100E，2.4 GHz至2.5 GHz芯片RF天線，以及貼片天線，如Antenova SRF2W012-100 DROMUS，靈活的雙頻Wi-Fi天線。它還將討論作為印刷電路板本身的一部分制造的天線。

天線基本原理

很容易混淆或誤解天線規(guī)格的含義以及如何應(yīng)用它們。例如，天線的增益與放大器的增益非常不同。然而，最常見的誤解可能是單極天線數(shù)據(jù)表上的輻射方向圖將是最終產(chǎn)品上天線的輻射方向圖。

實(shí)際上，四分之一波單極天線的輻射方向圖是因此，除了確定潛在的天線性能外，制造商的增益規(guī)格和輻射方向圖幾乎沒有用處，因此嚴(yán)格依賴于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和布局。這就是掌握基本原理至關(guān)重要的原因。

天線是一種將電流轉(zhuǎn)換為電磁波的裝置，反之亦然。它可以被認(rèn)為是復(fù)雜的電阻 - 電感 - 電容（RLC）網(wǎng)絡(luò)。在某些頻率，它將表現(xiàn)為感抗，而在其他頻率則表現(xiàn)為容抗。在特定頻率下，兩個(gè)電抗的幅度相等，但影響相反，因此相互抵消。在這個(gè)特定頻率下，阻抗是純電阻性的，天線被認(rèn)為是諧振的。

這是物理符合理論的地方。共振將發(fā)生在感興趣頻率的整數(shù)倍或分?jǐn)?shù)處。這些頻率對(duì)應(yīng)于波長。該波長是所需的天線長度。該長度必須包含在最終產(chǎn)品中，無論是嵌入外殼內(nèi)部還是外部連接到設(shè)備上。

電磁波的頻率通過眾所周知的公式λ= c/f與波長相關(guān)，其中f是以赫茲（Hz）為單位的頻率，λ是以米（m）為單位的波長，c是光速（2.998×10 8 米/秒）。

方程清楚地表明頻率越高，波長越短，天線越小。例如，433.92 MHz的波長為0.69 m（~2.3 ft。），916 MHz的波長為0.33 m（~1.0 ft。）。 433.92 MHz是遠(yuǎn)程無鑰匙進(jìn)入（RKE）系統(tǒng)（如汽車鑰匙扣）的常用頻率，但顯然，2.3英尺的天線無法裝入其中。

幸運(yùn)的是每個(gè)人他們想把鑰匙放在口袋里，有辦法讓天線變小。由于諧振將發(fā)生在基頻的整數(shù)分?jǐn)?shù)（1/2,1/3,1/4等），因此可以使用較短的天線來發(fā)送和恢復(fù)信號(hào)。與工程中的所有內(nèi)容一樣，需要權(quán)衡利弊。減小天線的尺寸會(huì)對(duì)天線的效率和阻抗產(chǎn)生一些影響，這會(huì)影響系統(tǒng)的最終性能。

半波偶極天線的長度是天線的一半?；úㄩL（圖1）。它分為兩個(gè)四分之一波長，稱為元素。元件彼此成180度設(shè)置并從中間進(jìn)給。這種類型的天線稱為中心饋電半波偶極子，并將天線長度縮短一半。

圖1a：半波偶極子天線被廣泛使用，因?yàn)樗鼘⑻炀€尺寸減小了一半，同時(shí)提供了良好的整體性能。 （圖片來源：Linx Technologies）

圖1b：Linx Technologies的ANT-DB1-HDP-SMA是半波偶極子的一個(gè)很好的例子天線。它采用中心饋電，覆蓋三個(gè)頻段，尺寸為5.2英寸，高0.8英寸。 （圖像來源：Linx Technologies）

半波偶極天線的一個(gè)很好的例子是Linx Technologies的ANT-DB1-HDP-SMA（圖1b）。該天線同時(shí)在824-960MHz，1.71-1.99GHz和2.401-2.483GHz的任何或所有三個(gè)頻帶上工作。緊湊的中心饋電半波偶極子是“平坦的”，尺寸為5.2英寸寬，0.8英寸高，厚度為0.5英寸，非常適合墻面安裝。其整體9.8英尺連接電纜便于此類安裝。

使偶極天線更小的方法是使用偶極子的四分之一波元件之一，并允許產(chǎn)品印刷電路板上的接地平面作為平衡器，從而產(chǎn)生另一個(gè)四分之一波元件。/p>

由于大多數(shù)設(shè)備都有電路板，因此將其用于天線的一半是節(jié)省空間的并且可以降低成本。通常，這部分天線將接地，發(fā)射器或接收器將相應(yīng)地參考它。這種風(fēng)格被稱為四分之一波單極天線，是當(dāng)今便攜式設(shè)備中最常見的天線之一（圖2）。

圖2：本季度波單極天線使用電路板或其他導(dǎo)電表面作為其接地平面，進(jìn)一步減小了整體尺寸。 （圖像來源：Linx Technologies）

減小天線尺寸的另一種方法是將元件線圈化。這是將直線盤繞或纏繞在非導(dǎo)電基底周圍以形成螺旋元件的地方（圖3）。這具有縮短表觀長度的優(yōu)點(diǎn)，但它也會(huì)降低天線的帶寬。像電感一樣，線圈越緊密，Q越高，帶寬越小。在直線天線可以具有100MHz的帶寬的情況下，螺旋線可以僅具有10MHz的帶寬。隨著頻率變低，這變得更加明顯，因?yàn)榫€圈通?？康酶员３痔囟ǖ目傞L度。

螺旋天線的代表性示例是Linx Technologies ANT-916-CW-RH- ND，中心頻率為916 MHz，帶寬為35 MHz，頻率范圍為900 - 935 MHz。這款四分之一波長天線是全向的，專為戶外使用而設(shè)計(jì)，長度為2.00英寸，直徑為0.33英寸。它配備SMA或符合Part 15標(biāo)準(zhǔn)的RP-SMA連接器。

圖3：螺旋天線進(jìn)一步縮短天線長度，如916 MHz所示（左，Linx Technologies ANT-916-C W-RH -ND）和315 MHz（右）單元，但帶寬大大減少。這在許多應(yīng)用中實(shí)際上可能是一個(gè)優(yōu)勢。 （圖像來源：Linx Technologies）

天線規(guī)格

如果天線是最不了解的射頻元件，則天線數(shù)據(jù)表是所有射頻規(guī)格中最不了解的。例如，許多設(shè)計(jì)人員在沒有真正了解他們正在研究什么或如何與他們的產(chǎn)品性能相關(guān)的情況下尋找輻射測試數(shù)據(jù)。因此，我們來看看最常見的天線規(guī)格。

阻抗

天線的阻抗是出現(xiàn)在天線端子處的實(shí)際電阻和虛電抗。由于天線具有電感和電容特性，因此它們會(huì)隨頻率而變化。附近的物體，如其他天線，電路板上的元件以及設(shè)備的用戶也會(huì)影響阻抗。

天線會(huì)有兩種類型的電阻。輻射阻力將電能轉(zhuǎn)換為輻射。歐姆電阻是天線結(jié)構(gòu)上的損耗，將電能轉(zhuǎn)換為熱能。輻射電阻應(yīng)遠(yuǎn)高于歐姆電阻，盡管兩者對(duì)天線的效率都很重要。通常，自由空間中偶極天線端子處的輻射電阻（與任何導(dǎo)電物隔離）為73Ω。單極天線將是其一半或36.5Ω。

電抗是存儲(chǔ)在天線近場中的功率。該電抗與實(shí)際電阻相結(jié)合，構(gòu)成了天線的阻抗。這兩個(gè)值都受近場中物體的影響，并且會(huì)隨著天線的長度而變化。其具體內(nèi)容超出了本文的范圍，但可以在大多數(shù)天線文獻(xiàn)中找到。

這些電阻和電抗值很重要，因?yàn)楫?dāng)源和負(fù)載阻抗匹配時(shí)會(huì)發(fā)生最大功率傳輸。如果它們不同，稱為“不匹配”，則發(fā)送到天線的一些功率將被反射回負(fù)載或作為熱量丟失。這將降低系統(tǒng)效率，縮短范圍，增加給定范圍所需的功率，并縮短電池壽命。 （有關(guān)天線匹配的更多信息，請(qǐng)參閱TechZone文章“機(jī)箱內(nèi)的天線匹配：理論和原理”。）

RF的行業(yè)慣例是阻抗為50Ω。大多數(shù)IC制造商都會(huì)匹配他們的產(chǎn)品至50Ω，或?qū)⑻峁┮粋€(gè)設(shè)計(jì)用于匹配其產(chǎn)品與50Ω負(fù)載的電路。同樣，天線制造商經(jīng)常設(shè)計(jì)和表征50Ω的天線。

電壓駐波比

電壓駐波比（VSWR）衡量天線與源阻抗的匹配程度，通常為50Ω（圖4）。通過測量朝向負(fù)載的電壓波與電壓波來計(jì)算從負(fù)載反射回來。完美匹配的VSWR為1：1。第一個(gè)數(shù)字越高，匹配越差，系統(tǒng)效率越低。由于無法獲得完美匹配，因此性能需要設(shè)置。

在天線VSWR的情況下，這通常是2：1。此時(shí)，發(fā)射機(jī)發(fā)送到天線的88.9％的能量被輻射到自由空間，11.1％被反射回源或在天線結(jié)構(gòu)上作為熱量損失。在另一個(gè)方向上，天線回收的88.9％的能量被傳輸?shù)浇邮掌髦小?（請(qǐng)注意，由于始終隱含“：1”部分，因此許多數(shù)據(jù)表將其刪除并僅顯示第一個(gè)數(shù)字。）

圖4：典型的VSWR圖表顯示，正確匹配的天線在有限帶寬內(nèi)具有單位或接近單位的“最佳點(diǎn)”。它還表明VSWR在區(qū)域的任何一側(cè)都急劇增加。 （圖片來源：Linx Technologies）

VSWR通常以圖形方式顯示頻率。圖中的最低點(diǎn)是天線的中心頻率。此時(shí)的VSWR表示天線與50Ω的接近程度。圖表與指定的VSWR相交的點(diǎn)之間的空間通常定義天線的帶寬。

測量輻射能量

真正的天線性能只能通過測量能量來確定。天線輻射到自由空間?？紤]到與輻射測量相關(guān)的所有變量，這很困難。當(dāng)在天線周圍測量輻射功率時(shí)，出現(xiàn)稱為輻射圖的形狀（圖5）。這是對(duì)天線實(shí)際性能的最直接測量。

圖5：四分之一波單極子，半波偶極子輻射方向圖的這些例子和Yagi天線，三種常用類型，顯示每種類型的不同模式。 （圖像來源：Linx Technologies）

天線輻射模式可以呈現(xiàn)出許多有趣的形狀，特別是在真實(shí)世界三維狀態(tài)下以圖形方式呈現(xiàn)時(shí)。相鄰的圖表顯示了最流行的天線類型的典型形狀。對(duì)于偶極天線，圖案看起來像甜甜圈。對(duì)于地平面上的單極天線，沿著邊緣將該圓環(huán)切成兩半并將其設(shè)置在平面上，天線從中間伸出?？梢郧宄乜吹桨四镜姆较蛐?，但是當(dāng)討論方向性，效率和增益時(shí)，該術(shù)語和這些類型的圖的價(jià)值將變得更加明顯。

在測量天線周圍的輻射能量之后，數(shù)據(jù)經(jīng)常變成輻射模式圖。該圖以圖形方式呈現(xiàn)了射頻能量由天線分配或引導(dǎo)到自由空間的方式。天線輻射方向圖是一個(gè)重要的工具，因?yàn)樗试S快速的視覺評(píng)估和天線比較。天線的輻射性能和相應(yīng)的曲線將受到安裝天線的測試夾具或產(chǎn)品的影響。這使得來自不同制造商的圖的比較變得困難。

此外，特定設(shè)計(jì)的圖可能與參考設(shè)計(jì)的圖不同。模式圖通常由極坐標(biāo)圖組成，但也使用笛卡爾坐標(biāo)圖。極坐標(biāo)圖更易于觀察，因?yàn)樗鼈冊诒粶y天線周圍顯示360度輻射功率（圖6）。

通常，使用對(duì)數(shù)刻度，可以方便地顯示一系列數(shù)據(jù)同樣的情節(jié)。創(chuàng)建兩個(gè)圖，一個(gè)沿水平軸，一個(gè)沿垂直軸。這些共同給出了輻射模式的三維圖像。

圖6：極坐標(biāo)圖（而不是笛卡爾坐標(biāo)）和對(duì)數(shù)刻度是可視化天線輻射方向圖的最常用方法。 （圖像來源：Linx Technologies）

天線的輻射方向圖和與之相關(guān)的規(guī)范通常需要一個(gè)比較點(diǎn)或參考點(diǎn)。最常見的是，為此目的使用稱為各向同性天線或各向同性輻射器的理論天線。術(shù)語“iso”表示相同：“tropic”表示方向。因此，各向同性描述了在所有方向上均等地輻射電磁能量的天線。各向同性天線及其完美的球形圖案僅是理論上的，但該模型可作為一種有用的概念標(biāo)準(zhǔn)，“真實(shí)世界”天線及其規(guī)格可與之比較（圖7）?，F(xiàn)在是時(shí)候仔細(xì)研究一些最重要的輻射規(guī)范及其含義。

圖7：理想化的各向同性輻射模式雖然在實(shí)踐中無法實(shí)現(xiàn)，但它是評(píng)估和比較天線性能的有用起點(diǎn)。 （圖像來源：Linx Technologies）

效率，方向性和增益

主要關(guān)注三種輻射規(guī)范：效率，方向性和增益。通常在天線發(fā)射信號(hào)的背景下討論這些術(shù)語。通過考慮輻射功率可以更容易地想象這些概念，但它們也直接應(yīng)用于接收信號(hào)。

效率是衡量投入天線的能量實(shí)際輻射到多少自由空間，而不是作為天線結(jié)構(gòu)上的熱量損失或反射回源。天線的阻抗和中心頻率的VSWR在此測量中起著重要作用。

方向性是將被測天線的輻射方向圖與參考輻射方向圖的形狀進(jìn)行比較。最常見的是，參考將是前面描述的各向同性模型的完美球形圖案。該測量的單位是相對(duì)于各向同性的分貝，或dBi。偶極天線有時(shí)也用作參考，在這種情況下，單位以dBd表示（意味著相對(duì)于偶極子的分貝）。偶極子的各向同性增益為2.15 dB，dBi = dBd + 2.15 dB。比較增益時(shí)，重要的是要注意增益是以dBd還是dBi表示，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換。

增益可能是一個(gè)令人困惑的規(guī)范。放大器的增益與天線的增益之間存在顯著差異。放大器將能量輸入系統(tǒng)，使其成為有源設(shè)備。天線不能將能量輸入系統(tǒng)，因此它是一種無源設(shè)備。增益通常被誤解為輸出功率增加超過1。當(dāng)然，這是不可能的，因?yàn)檩椛涔β蕦⒋笥谝胩炀€的原始功率。

方向性和增益密切相關(guān)（圖8）。增益是天線的方向性因天線上的損耗而減小，例如介電，電阻和VSWR。換句話說，它是方向性和效率的產(chǎn)物。增益是對(duì)天線實(shí)際性能的最直接測量。因此，它是最重要的規(guī)范之一。

圖8：方向性和增益是兩個(gè)密切相關(guān)的天線參數(shù)，后者是一個(gè)非常重要的品質(zhì)因數(shù)。 （圖像來源：Linx Technologies）

理解方向性或增益的一種簡單方法是考慮可聚焦光源（圖9）。假設(shè)光輸出是恒定的并且聚焦在廣泛的區(qū)域上。如果光被重新聚焦到一個(gè)點(diǎn)，它看起來更亮，因?yàn)樗械墓饽芏技性谝粋€(gè)小區(qū)域。盡管整體光輸出保持不變，但與寬光源相比，集中光源將在聚焦光斑處產(chǎn)生勒克斯增加。以相同的方式，將RF能量聚焦成窄光束的天線可以說比在所有方向上均等地輻射的天線具有更高的方向性（在焦點(diǎn)處）。換句話說，天線的方向性越高，天線的模式越窄，其點(diǎn)性能就越好。

圖9：天線增益是與電子放大器增益不相似;相反，它意味著“收緊”輻射光束的傳播，類似于從手電筒聚焦光束。 （圖像來源：Linx Technologies）

結(jié)論

了解天線選擇和權(quán)衡需要精煉電磁場理論，物理實(shí)現(xiàn)考慮因素和現(xiàn)實(shí)世界屬性的復(fù)雜組合。許多這些真實(shí)世界屬性是鄰近效應(yīng)，安裝和方向的結(jié)果。

雖然幾乎所有天線都基于偶極子和單極子等基本結(jié)構(gòu)，但設(shè)計(jì)出越來越復(fù)雜的天線設(shè)計(jì)利用這些基本要素。這一進(jìn)展大部分歸功于先進(jìn)的基于計(jì)算機(jī)的建模工具，這些工具用于預(yù)測理論特性和實(shí)際現(xiàn)場性能。

雖然天線正在改進(jìn)，但設(shè)計(jì)人員仍需要了解其核心原理。天線的操作和實(shí)現(xiàn)，以充分優(yōu)化其RF連接。

擴(kuò)展此處概述的原則，第2部分更詳細(xì)地探討了基本的，廣泛使用的單極和偶極配置。它還討論了新的天線結(jié)構(gòu)，如芯片，貼片和印刷電路板走線，非常適合智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備等便攜式設(shè)備。