天線的操作特性和評估技術(shù)及設(shè)計(jì)時需考慮哪些考慮因素

本文適用于將RF納入符合Part 15標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員。它旨在讓讀者對天線的功能，操作特性和評估技術(shù)有基本的了解。它還將簡要介紹三種最常見的低功率天線樣式的設(shè)計(jì)考慮因素：鞭狀，螺旋狀和環(huán)狀跡線。

什么是天線？

RF天線被定義為便于將導(dǎo)波傳輸?shù)阶杂煽臻g和從自由空間接收的組件。在功能上，天線本質(zhì)上是將交流電轉(zhuǎn)換成電磁場的換能器，反之亦然。構(gòu)成天線結(jié)構(gòu)的物理組件稱為元素。從衣架到調(diào)諧的八木，可以使用數(shù)百種天線樣式和變體。

接收和發(fā)射天線的特性非常相似，并且在許多情況下是彼此的虛擬鏡像。然而，在許多第15部分的應(yīng)用中，為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線選擇不同的特性通常是有利的。出于這個原因，我們將分別解決每個問題。

發(fā)射器天線

發(fā)射器天線允許RF能量從輸出級有效地輻射到自由空間。在許多模塊化和離散變送器設(shè)計(jì)中，變送器的輸出功率有目的地設(shè)置為高于法定限制。這允許設(shè)計(jì)者利用低效天線來實(shí)現(xiàn)尺寸，成本或美觀目標(biāo)，并且仍然輻射最大允許輸出功率。由于在發(fā)射器處很容易實(shí)現(xiàn)增益，因此其天線通常比接收器上使用的天線效率低。

接收天線

接收天線攔截從發(fā)射天線輻射的電磁波。當(dāng)這些波撞擊接收天線時，它們會產(chǎn)生很小的電壓。該電壓導(dǎo)致弱電流流動，其包含與發(fā)射天線中的原始電流相同的頻率。

接收天線應(yīng)盡可能多地捕獲預(yù)期信號，并盡可能少地捕獲其他異頻信號。其最大性能應(yīng)該是接收機(jī)設(shè)計(jì)的頻率或頻段。接收器天線的效率對于最大化距離性能至關(guān)重要。與發(fā)射器天線不同，合法操作可能要求降低效率，接收器的天線應(yīng)盡可能地進(jìn)行優(yōu)化。

了解傳輸線

傳輸線（圖1）是包含RF能量從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方的任何介質(zhì)。很多時候，傳輸線被稱為“一段屏蔽線”或“一條同軸電纜”。雖然技術(shù)上是正確的，但是這種隨意的參考通常表明缺乏對傳輸線中存在的電阻，電容和電感的復(fù)雜相互作用的理解和尊重。

圖1：典型傳輸線。

導(dǎo)體的直徑和間距，以及導(dǎo)體周圍和分離材料的介電常數(shù)，對確定傳輸線的特性起著至關(guān)重要的作用。這些特性中最重要的特性之一稱為特征阻抗。特性阻抗是歐姆值，其中電壓 - 電流比沿傳輸線是恒定的。所有Linx模塊都適用于特性阻抗為50歐姆的傳輸線。

為了實(shí)現(xiàn)從傳輸線到天線的RF能量的最大傳輸，線路和天線在頻率上的特征阻抗應(yīng)盡可能接近。在這種情況下，傳輸線和天線被稱為匹配。當(dāng)傳輸線端接到與其特征阻抗不同的天線時，將存在不匹配。這意味著所有RF能量都不會從傳輸線傳輸?shù)教炀€中。無法傳輸?shù)教炀€的能量會反射回傳輸線。由于這種能量不會反射到太空中，因此代表了一種損失。前向波和反射波之間的比率稱為駐波比（SWR）。正向電壓之和與反射電壓之間的比率通常稱為電壓駐波比（VSWR）。

天線如何工作？

從天線輻射的電場和磁場形成電磁場（圖2）。該場負(fù)責(zé)RF能量的傳播和接收。為了正確理解天線的功能，需要對電壓，電流和磁力理論進(jìn)行深入研究。由于這不符合本文的基本性質(zhì)，因此簡單概述就足夠了。

圖2：天線周圍的E和H場。

假設(shè)片刻同軸傳輸線被剝離，屏蔽和中心導(dǎo)體彎曲成直線，如圖所示。剛剛形成了一個稱為半波偶極子的基本天線Presto，如圖3所示。

圖3：基本天線。

您可能想知道原本打算包含射頻能量的兩根導(dǎo)線現(xiàn)在能夠有效地將其輻射到自由空間嗎？由于線路現(xiàn)在在端部打開時分開，因此現(xiàn)在存在兩點(diǎn)之間的電壓差。這允許形成稱為（E）場的電場。稱為（H）場的磁場也由電流產(chǎn)生。當(dāng)RF能量被引入天線元件時，這些場交替地積累，達(dá)到峰值并崩潰。這些場一起構(gòu)成能夠輻射到自由空間并從自由空間接收的電磁波。

如何確定天線長度？

天線可以被認(rèn)為是一個復(fù)雜的RLC網(wǎng)絡(luò)。在某些頻率，它看起來像感應(yīng)電抗，而在其他頻率，如電容電抗。在特定頻率下，兩個電抗的幅度相等，但影響相反，因此相互抵消。在該特定頻率下，阻抗是純電阻的，并且天線被稱為諧振。

天線處于共振狀態(tài)時，始終可以獲得最大的天線效率。當(dāng)天線的長度不正確時，信號源將看到除諧振點(diǎn)處存在的純電阻之外的其他信號。如果天線太短，則存在容抗;如果太長，則會產(chǎn)生感應(yīng)電抗。共振指標(biāo)是VSWR曲線中的最小點(diǎn)（圖4）。在下面的例子中，天線（A）諧振太低，表明天線過長，而天線（C）諧振頻率太高，表明天線太短。然而，天線（B）是理想的。顯然，天線的長度是正確的至關(guān)重要，但這個長度是如何確定的？

圖4：共振曲線。

如何確定天線長度？

每個頻率都有一定的物理長度，它占據(jù)空間。該長度稱為波長，由兩個因素決定：1）頻率本身和2）傳播速度。工作頻率的波長決定了天線長度。由于天線的介電常數(shù)大于自由空間的介電常數(shù)，因此天線上的波速較慢。這與其他幾個因素一起導(dǎo)致天線設(shè)計(jì)人員接受以下公式，以確定所有實(shí)際目的的準(zhǔn)確度來確定1/4波天線的物理長度：

這個公式天線諧振非常適合天線長度接近，真正的問題是天線諧振。根據(jù)物理因素，例如地平面的大小和方向，附近的導(dǎo)體等，可能需要調(diào)整天線的長度以達(dá)到共振。

為了操作，天線不必是全波的物理長度。通常，考慮到尺寸和阻抗，天線將是全波長的一部分。半波天線是天線的最短諧振長度。但是，較短的波長可以諧振諧振。由于其緊湊的長度，第15部分應(yīng)用中最受歡迎的天線之一是1/4波鞭。在這種配置中，天線元件是全波長的1/4。為了有效地工作，?波必須輻射到地平面。該平面通常由PCB上的金屬殼或接地區(qū)域形成。地平面作為一個平衡器，形成另一個1/4波元件，實(shí)質(zhì)上創(chuàng)造了一個半波偶極子（圖5）。

圖5：偶極子天線操作。

天線匹配

天線諧振不應(yīng)與天線阻抗相混淆。通過考慮VSWR在其最低點(diǎn)的值，最容易理解諧振和阻抗之間的差異。 VSWR的最低點(diǎn)表示天線是諧振的，但該低點(diǎn)的值取決于天線與其所連接的傳輸線之間的匹配質(zhì)量（圖6）。這個連接點(diǎn)稱為饋點(diǎn)。在下圖中，您會注意到天線（A）和天線（B）都是諧振的，但天線（B）的VSWR要低得多。這是因?yàn)椋˙）的饋電點(diǎn)阻抗與傳輸線的阻抗更緊密地匹配。顯然，天線必須是諧振的并且匹配，以使最大的RF能量傳播到自由空間。

圖6：天線匹配質(zhì)量。

諧振點(diǎn)主要取決于天線長度，但天線阻抗如何確定？當(dāng)天線處于諧振狀態(tài)時，它呈現(xiàn)純粹的電阻負(fù)載。這種阻力由三個因素組成。首先，當(dāng)僅被視為導(dǎo)體時，通過天線元件的實(shí)際物理電阻存在損耗。這稱為歐姆電阻損耗。第二個也是最重要的損失領(lǐng)域是耐輻射性（Rr）。輻射電阻是理論電阻器的歐姆值，如果替代天線，則會消耗與天線輻射到空間中相同量的RF能量。電阻損耗的最后一個來源是介電元件的漏電阻。

由于實(shí)際和漏電阻通常可以忽略不計(jì)，我們將專注于抗輻射。如前所述，輻射電阻是一個假設(shè)的概念，它描述了虛構(gòu)的電阻，如果用天線代替天線，它會消耗與天線輻射到自由空間相同的功率。天線的輻射電阻沿著天線元件的長度變化，但我們關(guān)注的是饋電點(diǎn)處的電阻。隨著導(dǎo)體變長，輻射電阻增加。通常，四分之一波垂直的輻射電阻約為37歐姆，半波約為73歐姆。

天線調(diào)諧

這是調(diào)整天線諧振點(diǎn)的過程，如圖7所示。在大多數(shù)情況下，這是通過物理調(diào)整天線長度來實(shí)現(xiàn)的。雖然可以使用簡單的距離測試來盲目調(diào)諧天線，但網(wǎng)絡(luò)分析儀是嚴(yán)格表征的必要條件。在一些情況下，可以使用外部電感或電容組件來匹配天線并使天線諧振。這些組件會引入損失。應(yīng)該記住，匹配和共振不一定轉(zhuǎn)化為有效傳播。

圖7：天線調(diào)諧。

天線性能

除了上一節(jié)中概述的天線功能的廣泛概念外，天線性能的具體問題同樣重要。以下部分將介紹這些問題中最重要的問題。

輻射模式

輻射模式這一術(shù)語用于定義射頻能量分配或引導(dǎo)到自由空間的方式（圖8）。術(shù)語同位素天線通常用于描述具有理論上完美的輻射圖案的天線。即在所有方向上均勻地輻射電磁能量的那個。當(dāng)然，這種天線只是理論上的，并且從未實(shí)際構(gòu)建過，但同位素模型可作為概念標(biāo)準(zhǔn)，可以對比“現(xiàn)實(shí)世界”的天線。

在現(xiàn)實(shí)世界中，天線將在某些方向上有效地輻射RF能量而在其他方向上則很差。效率最高的點(diǎn)稱為峰值，而無場強(qiáng)度的區(qū)域稱為空值。天線的整體分布特性構(gòu)成輻射方向圖。在許多應(yīng)用中，使天線在所有方向上都表現(xiàn)良好是有利的。在這些情況下，設(shè)計(jì)者將選擇具有全向輻射圖案的天線樣式，因?yàn)檫@樣的特性是期望的。在需要高度定向天線特性的情況下，將選擇諸如八木的天線樣式。

圖8：天線輻射圖。

天線增益

術(shù)語增益是指天線的有效輻射功率與某些參考天線的有效輻射功率的比較。當(dāng)使用同位素模型時，增益將以dBi表示（意味著以同位素為單位的dB增益）。當(dāng)將增益與標(biāo)準(zhǔn)偶極子進(jìn)行比較時，額定值將以dBd表示（意味著增益超過偶極子）。同位素和標(biāo)準(zhǔn)偶極子之間普遍接受的變化是2.2 dB。因此，額定為具有15dBi增益的天線將表明與標(biāo)準(zhǔn)單元件偶極子相比，天線相對于同位素具有15dB的增益或12.8dB的增益。

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。

理解增益的一種簡單方法是考慮可聚焦光源，如圖9所示。假設(shè)光輸出是恒定的并且聚焦在很寬的區(qū)域上。如果光被重新聚焦到一個點(diǎn)，它會顯得更亮，因?yàn)樗械墓饽芏技性谝粋€小區(qū)域。即使整體光輸出保持不變，光在原始圖案上的焦點(diǎn)處也將具有勒克斯增益。

圖9：光增益。

以同樣的方式，將RF能量聚焦成窄光束的天線可以說在天線上獲得（在焦點(diǎn)處）增益，該天線在所有方向上均勻輻射。換句話說，天線的增益越高，天線的模式越窄，其點(diǎn)性能越好。

圖10：天線增益。

天線極化

天線的有效極化是一個重要特征。極化是指電磁場中磁通線的方向。當(dāng)天線相對于地面水平定向時，據(jù)說它是水平極化的。同樣，當(dāng)它垂直于地面時，據(jù)說它是垂直極化的。

天線的極化通常與有源天線元件平行;因此，水平天線輻射并最好地接收具有水平偏振的場，而垂直天線最好具有垂直偏振場。如果發(fā)射器和接收器的天線沒有以相同的極化方向定向，則會丟失一定量的功率。在許多應(yīng)用中，幾乎無法控制天線方向;然而，為了達(dá)到最大范圍，天線應(yīng)盡可能以相同的極化方向定向。在VHF和UHF頻譜中，水平極化通常比垂直極化提供更好的抗噪聲性和更少的衰落。

圖11：天線極化。

天線效率

并非所有傳輸?shù)教炀€元件的功率都會輻射到太空中。一些功率由天線消散，一些功能立即被周圍材料吸收。請參閱下面用于確定天線效率的術(shù)語：

正向功率 - 最初應(yīng)用于天線輸入的功率。

反射功率 - 一部分正向功率反射回到天線輸入。由于天線端口不匹配導(dǎo)致的放大器。

凈功率 - 實(shí)際轉(zhuǎn)換到自由空間的天線功率稱為凈功率或有效輻射功率。凈功率通常通過查找實(shí)際正向和反射功率值之間的差異來計(jì)算。

多徑效應(yīng)

圖12：多路徑。

多徑衰落是一種由不同階段到達(dá)接收天線的信號引起的衰落形式。這種效應(yīng)是由于信號在到達(dá)天線之前可能經(jīng)過許多不同的路徑。原始信號的某些部分可以通過直接自由空間路徑傳播到接收器的天線。已經(jīng)反映出來的其他人在到達(dá)之前會走更長的路。反射波所采用的較長路徑將稍微延遲其到達(dá)時間與自由空間波的到達(dá)時間。這在兩個信號之間產(chǎn)生了異相關(guān)系。施加在接收天線上的所得電壓將根據(jù)到達(dá)天線的所有信號的相位關(guān)系而變化。雖然這種影響是環(huán)境的，并且與天線沒有直接關(guān)系，但了解多路徑在理論天線性能與實(shí)現(xiàn)天線性能方面可能發(fā)揮的作用仍然很重要。

第15部分設(shè)計(jì)的天線

為FCC第15部分產(chǎn)品指定天線的設(shè)計(jì)人員面臨著許多挑戰(zhàn)。由于為符合第15部分而設(shè)計(jì)的許多產(chǎn)品都是緊湊和便攜的，因此設(shè)計(jì)人員可能必須平衡天線性能與包裝和化妝品等問題。第15部分也對天線設(shè)計(jì)施加了物理限制。最值得注意的是要求天線永久連接或使用獨(dú)特的專有連接器。這旨在防止最終用戶進(jìn)行可能會改變產(chǎn)品性能特征的修改。

如果您已經(jīng)考慮到了這一點(diǎn)，希望能夠發(fā)現(xiàn)如何設(shè)計(jì)沒有經(jīng)驗(yàn)或測試設(shè)備的低成本，高性能天線，我們很遺憾不得不讓您失望。

天線的性能與應(yīng)用變量密切相關(guān)，例如地平面，與其他組件的接近程度以及材料屬性。為了正確設(shè)計(jì)和評估天線的性能，需要使用多種工具。其中最重要的是網(wǎng)絡(luò)分析儀，頻譜分析儀和頻率源。網(wǎng)絡(luò)分析儀特別有價值，因?yàn)樗梢跃_測量天線的諧振點(diǎn)，特征阻抗和SWR。如果不能獲得這些資源，天線設(shè)計(jì)就會減少到命中與失敗的主張。

如果您的應(yīng)用程序沒有要求最大范圍性能，并且您可以使用可以輕松計(jì)算的天線樣式這樣的鞭子，您可以通過反復(fù)試驗(yàn)方法獲得滿意的性能。然而，對于更復(fù)雜的天線設(shè)計(jì)，最好使用專業(yè)制造的天線，例如Linx制造的天線，或者在設(shè)計(jì)階段租用一些基本水平的測試設(shè)備。

對于那些擁有足夠設(shè)備和測量專業(yè)知識的人來說，下面是三種最流行的天線樣式的設(shè)計(jì)考慮因素的簡要設(shè)計(jì)概要。

流行的天線樣式

鞭狀樣式

鞭狀天線提供卓越的性能和穩(wěn)定性。直鞭帶寬寬，易于設(shè)計(jì)和集成。許多設(shè)計(jì)師選擇專業(yè)制造天線的可靠性能和外觀吸引力，例如Linx的鞭狀天線。這些“現(xiàn)成的”鞭狀設(shè)計(jì)通常由封裝在橡膠或塑料外殼中的電線或電纜制成。也可以通過將一根線或桿切割成適當(dāng)?shù)拈L度來制造鞭子。由于全波鞭通常很長并且其阻抗很高，因此大多數(shù)鞭是?或?波。使用“如何確定天線長度？”一節(jié)中的公式可以找到正確的長度？

圖13：鞭狀天線。

螺旋式

螺旋元件是一種通常由鋼，銅或黃銅纏繞而成的線圈。通過纏繞元件，可以大大減小其整體物理長度。元件可以封閉在天線外殼內(nèi)或暴露在內(nèi)部以便內(nèi)部安裝。螺旋天線顯著減小了天線的物理尺寸。然而，這種減少并非沒有代價。因?yàn)槁菪€具有高Q因子，所以其帶寬非常窄并且線圈的間隔對天線性能具有顯著影響。天線易于快速失諧，特別是在物體附近。精心設(shè)計(jì)的螺旋線可以在保持緊湊尺寸的同時實(shí)現(xiàn)卓越的性能。

圖14：螺旋天線。

螺旋天線設(shè)計(jì)比直線天線稍微復(fù)雜一些。一旦知道直徑，材料類型和線圈間距，就可以計(jì)算出螺旋的長度。然而，在大多數(shù)情況下，通過采用過長的線圈并通過削波進(jìn)行調(diào)諧直到它以所需頻率諧振來經(jīng)驗(yàn)地獲得設(shè)計(jì)同樣容易。然后可以通過匝數(shù)和半徑值計(jì)算長度，或者簡單地通過拉直線圈并測量它來計(jì)算長度。

循環(huán)跟蹤樣式

我們將討論的最后一種天線是循環(huán)跟蹤。這種風(fēng)格在低成本應(yīng)用中很受歡迎，因?yàn)樗子陔[藏，并且?guī)缀醪粫黾诱w產(chǎn)品成本。該元件通常直接印刷在產(chǎn)品的PCB上，可以與分立元件自諧振或外部諧振。實(shí)際布局通常是產(chǎn)品特定的。

圖15：PCB天線。

盡管具有成本優(yōu)勢，但PCB天線樣式通常效率低下，僅適用于短距離應(yīng)用。環(huán)路可能非常難以調(diào)諧和匹配，對布局或襯底介電常數(shù)的變化敏感。這可能會在生產(chǎn)過程中引入一致性問題。此外，印刷樣式難以設(shè)計(jì)，需要使用昂貴的設(shè)備，包括網(wǎng)絡(luò)分析儀。設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)沫h(huán)路將在所需頻率處具有高SWR，這可能引入不穩(wěn)定性。由于這些原因，回路通常僅限于低成本的變送器設(shè)備，例如車庫門開啟器，汽車報警器等。

圖16：PCB安裝天線。

Linx為經(jīng)常出問題的“印刷”天線提供了幾種低成本的平面和芯片天線替代品。這些微型天線直接安裝在產(chǎn)品的PCB上，并且考慮到其緊湊的尺寸，可提供出色的性能。

衰減輸出功率

為了滿足第15部分的要求，許多設(shè)計(jì)人員試圖通過縮短或加長天線來衰減其基本輸出功率，從而將諧振效率的點(diǎn)從基頻上移開。出于兩個原因，這通常不是一個好主意。首先，通過提高SWR并降低天線在預(yù)期基頻上的效率，可以提高諧波輸出效率。其次，通過產(chǎn)生這種不匹配，RF級可能變得不穩(wěn)定。一些Linx產(chǎn)品允許通過編程或外部電阻調(diào)節(jié)功率水平。在其他情況下，應(yīng)使用Linx應(yīng)用筆記00150中所述的衰減Tpad。

將所有內(nèi)容放在一起

在設(shè)計(jì)過程中，天線應(yīng)被視為系統(tǒng)性能的關(guān)鍵組成部分。在閱讀本文之后，我們希望您能夠更好地了解實(shí)現(xiàn)最佳天線功能所需的基本注意事項(xiàng)。在Linx，我們的業(yè)務(wù)是使RF科學(xué)變得簡單明了，這樣您就可以專注于將產(chǎn)品推向市場。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Linx提供了越來越多的優(yōu)化天線產(chǎn)品。在Digi-Key網(wǎng)站上查看。