天线的原理、规格和操作了解

天线可能是RF设计中最容易被忽视的部分，但RF链路的范围，性能和合法性严重依赖它。无论如何，天线选择通常会留到设计结束，此时可能无法在所提供的空间内实现最佳天线性能。

此时的选项可能是经过多次重新设计或最终接受性能下降。这两种选择都不可取，但是基本了解各种类型天线的理论和行为，可以避免这种情况，设计人员可以更接近最佳射频性能。

为此，部分这个由两部分组成的系列中的一个侧重于天线的基本电磁场原理。然后，它通过两种类型的天线来说明这些原理，这些天线通常用于低功率手持产品：偶极子和单极鞭子。这些类型涵盖了广泛的可用天线，并且是最常见的不正确实施的天线。

本系列的第2部分更详细地介绍了偶极天线和单极天线，同时还讨论了一些天线设计受当今可穿戴设备，手持设备和紧凑型设备需求驱动的趋势。这些较新的天线包括芯片天线，如Johanson Technology 2450AT18B100E，2.4 GHz至2.5 GHz芯片RF天线，以及贴片天线，如Antenova SRF2W012-100 DROMUS，灵活的双频Wi-Fi天线。它还将讨论作为印刷电路板本身的一部分制造的天线。

天线基本原理

很容易混淆或误解天线规格的含义以及如何应用它们。例如，天线的增益与放大器的增益非常不同。然而，最常见的误解可能是单极天线数据表上的辐射方向图将是最终产品上天线的辐射方向图。

实际上，四分之一波单极天线的辐射方向图是因此，除了确定潜在的天线性能外，制造商的增益规格和辐射方向图几乎没有用处，因此严格依赖于产品的设计和布局。这就是掌握基本原理至关重要的原因。

天线是一种将电流转换为电磁波的装置，反之亦然。它可以被认为是复杂的电阻 - 电感 - 电容（RLC）网络。在某些频率，它将表现为感抗，而在其他频率则表现为容抗。在特定频率下，两个电抗的幅度相等，但影响相反，因此相互抵消。在这个特定频率下，阻抗是纯电阻性的，天线被认为是谐振的。

这是物理符合理论的地方。共振将发生在感兴趣频率的整数倍或分数处。这些频率对应于波长。该波长是所需的天线长度。该长度必须包含在最终产品中，无论是嵌入外壳内部还是外部连接到设备上。

电磁波的频率通过众所周知的公式λ= c/f与波长相关，其中f是以赫兹（Hz）为单位的频率，λ是以米（m）为单位的波长，c是光速（2.998×10 8 米/秒）。

方程清楚地表明频率越高，波长越短，天线越小。例如，433.92 MHz的波长为0.69 m（~2.3 ft。），916 MHz的波长为0.33 m（~1.0 ft。）。 433.92 MHz是远程无钥匙进入（RKE）系统（如汽车钥匙扣）的常用频率，但显然，2.3英尺的天线无法装入其中。

幸运的是每个人他们想把钥匙放在口袋里，有办法让天线变小。由于谐振将发生在基频的整数分数（1/2,1/3,1/4等），因此可以使用较短的天线来发送和恢复信号。与工程中的所有内容一样，需要权衡利弊。减小天线的尺寸会对天线的效率和阻抗产生一些影响，这会影响系统的最终性能。

半波偶极天线的长度是天线的一半。基波波长（图1）。它分为两个四分之一波长，称为元素。元件彼此成180度设置并从中间进给。这种类型的天线称为中心馈电半波偶极子，并将天线长度缩短一半。

图1a：半波偶极子天线被广泛使用，因为它将天线尺寸减小了一半，同时提供了良好的整体性能。 （图片来源：Linx Technologies）

图1b：Linx Technologies的ANT-DB1-HDP-SMA是半波偶极子的一个很好的例子天线。它采用中心馈电，覆盖三个频段，尺寸为5.2英寸，高0.8英寸。 （图像来源：Linx Technologies）

半波偶极天线的一个很好的例子是Linx Technologies的ANT-DB1-HDP-SMA（图1b）。该天线同时在824-960MHz，1.71-1.99GHz和2.401-2.483GHz的任何或所有三个频带上工作。紧凑的中心馈电半波偶极子是“平坦的”，尺寸为5.2英寸宽，0.8英寸高，厚度为0.5英寸，非常适合墙面安装。其整体9.8英尺连接电缆便于此类安装。

使偶极天线更小的方法是使用偶极子的四分之一波元件之一，并允许产品印刷电路板上的接地平面作为平衡器，从而产生另一个四分之一波元件。/p>

由于大多数设备都有电路板，因此将其用于天线的一半是节省空间的并且可以降低成本。通常，这部分天线将接地，发射器或接收器将相应地参考它。这种风格被称为四分之一波单极天线，是当今便携式设备中最常见的天线之一（图2）。

图2：本季度波单极天线使用电路板或其他导电表面作为其接地平面，进一步减小了整体尺寸。 （图像来源：Linx Technologies）

减小天线尺寸的另一种方法是将元件线圈化。这是将直线盘绕或缠绕在非导电基底周围以形成螺旋元件的地方（图3）。这具有缩短表观长度的优点，但它也会降低天线的带宽。像电感一样，线圈越紧密，Q越高，带宽越小。在直线天线可以具有100MHz的带宽的情况下，螺旋线可以仅具有10MHz的带宽。随着频率变低，这变得更加明显，因为线圈通常靠得更近以保持特定的总长度。

螺旋天线的代表性示例是Linx Technologies ANT-916-CW-RH- ND，中心频率为916 MHz，带宽为35 MHz，频率范围为900 - 935 MHz。这款四分之一波长天线是全向的，专为户外使用而设计，长度为2.00英寸，直径为0.33英寸。它配备SMA或符合Part 15标准的RP-SMA连接器。

图3：螺旋天线进一步缩短天线长度，如916 MHz所示（左，Linx Technologies ANT-916-C W-RH -ND）和315 MHz（右）单元，但带宽大大减少。这在许多应用中实际上可能是一个优势。 （图像来源：Linx Technologies）

天线规格

如果天线是最不了解的射频元件，则天线数据表是所有射频规格中最不了解的。例如，许多设计人员在没有真正了解他们正在研究什么或如何与他们的产品性能相关的情况下寻找辐射测试数据。因此，我们来看看最常见的天线规格。

阻抗

天线的阻抗是出现在天线端子处的实际电阻和虚电抗。由于天线具有电感和电容特性，因此它们会随频率而变化。附近的物体，如其他天线，电路板上的元件以及设备的用户也会影响阻抗。

天线会有两种类型的电阻。辐射阻力将电能转换为辐射。欧姆电阻是天线结构上的损耗，将电能转换为热能。辐射电阻应远高于欧姆电阻，尽管两者对天线的效率都很重要。通常，自由空间中偶极天线端子处的辐射电阻（与任何导电物隔离）为73Ω。单极天线将是其一半或36.5Ω。

电抗是存储在天线近场中的功率。该电抗与实际电阻相结合，构成了天线的阻抗。这两个值都受近场中物体的影响，并且会随着天线的长度而变化。其具体内容超出了本文的范围，但可以在大多数天线文献中找到。

这些电阻和电抗值很重要，因为当源和负载阻抗匹配时会发生最大功率传输。如果它们不同，称为“不匹配”，则发送到天线的一些功率将被反射回负载或作为热量丢失。这将降低系统效率，缩短范围，增加给定范围所需的功率，并缩短电池寿命。 （有关天线匹配的更多信息，请参阅TechZone文章“机箱内的天线匹配：理论和原理”。）

RF的行业惯例是阻抗为50Ω。大多数IC制造商都会匹配他们的产品至50Ω，或将提供一个设计用于匹配其产品与50Ω负载的电路。同样，天线制造商经常设计和表征50Ω的天线。

电压驻波比

电压驻波比（VSWR）衡量天线与源阻抗的匹配程度，通常为50Ω（图4）。通过测量朝向负载的电压波与电压波来计算从负载反射回来。完美匹配的VSWR为1：1。第一个数字越高，匹配越差，系统效率越低。由于无法获得完美匹配，因此性能需要设置。

在天线VSWR的情况下，这通常是2：1。此时，发射机发送到天线的88.9％的能量被辐射到自由空间，11.1％被反射回源或在天线结构上作为热量损失。在另一个方向上，天线回收的88.9％的能量被传输到接收器中。 （请注意，由于始终隐含“：1”部分，因此许多数据表将其删除并仅显示第一个数字。）

图4：典型的VSWR图表显示，正确匹配的天线在有限带宽内具有单位或接近单位的“最佳点”。它还表明VSWR在区域的任何一侧都急剧增加。 （图片来源：Linx Technologies）

VSWR通常以图形方式显示频率。图中的最低点是天线的中心频率。此时的VSWR表示天线与50Ω的接近程度。图表与指定的VSWR相交的点之间的空间通常定义天线的带宽。

测量辐射能量

真正的天线性能只能通过测量能量来确定。天线辐射到自由空间。考虑到与辐射测量相关的所有变量，这很困难。当在天线周围测量辐射功率时，出现称为辐射图的形状（图5）。这是对天线实际性能的最直接测量。

图5：四分之一波单极子，半波偶极子辐射方向图的这些例子和Yagi天线，三种常用类型，显示每种类型的不同模式。 （图像来源：Linx Technologies）

天线辐射模式可以呈现出许多有趣的形状，特别是在真实世界三维状态下以图形方式呈现时。相邻的图表显示了最流行的天线类型的典型形状。对于偶极天线，图案看起来像甜甜圈。对于地平面上的单极天线，沿着边缘将该圆环切成两半并将其设置在平面上，天线从中间伸出。可以清楚地看到八木的方向性，但是当讨论方向性，效率和增益时，该术语和这些类型的图的价值将变得更加明显。

在测量天线周围的辐射能量之后，数据经常变成辐射模式图。该图以图形方式呈现了射频能量由天线分配或引导到自由空间的方式。天线辐射方向图是一个重要的工具，因为它允许快速的视觉评估和天线比较。天线的辐射性能和相应的曲线将受到安装天线的测试夹具或产品的影响。这使得来自不同制造商的图的比较变得困难。

此外，特定设计的图可能与参考设计的图不同。模式图通常由极坐标图组成，但也使用笛卡尔坐标图。极坐标图更易于观察，因为它们在被测天线周围显示360度辐射功率（图6）。

通常，使用对数刻度，可以方便地显示一系列数据同样的情节。创建两个图，一个沿水平轴，一个沿垂直轴。这些共同给出了辐射模式的三维图像。

图6：极坐标图（而不是笛卡尔坐标）和对数刻度是可视化天线辐射方向图的最常用方法。 （图像来源：Linx Technologies）

天线的辐射方向图和与之相关的规范通常需要一个比较点或参考点。最常见的是，为此目的使用称为各向同性天线或各向同性辐射器的理论天线。术语“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辐射电磁能量的天线。各向同性天线及其完美的球形图案仅是理论上的，但该模型可作为一种有用的概念标准，“真实世界”天线及其规格可与之比较（图7）。现在是时候仔细研究一些最重要的辐射规范及其含义。

图7：理想化的各向同性辐射模式虽然在实践中无法实现，但它是评估和比较天线性能的有用起点。 （图像来源：Linx Technologies）

效率，方向性和增益

主要关注三种辐射规范：效率，方向性和增益。通常在天线发射信号的背景下讨论这些术语。通过考虑辐射功率可以更容易地想象这些概念，但它们也直接应用于接收信号。

效率是衡量投入天线的能量实际辐射到多少自由空间，而不是作为天线结构上的热量损失或反射回源。天线的阻抗和中心频率的VSWR在此测量中起着重要作用。

方向性是将被测天线的辐射方向图与参考辐射方向图的形状进行比较。最常见的是，参考将是前面描述的各向同性模型的完美球形图案。该测量的单位是相对于各向同性的分贝，或dBi。偶极天线有时也用作参考，在这种情况下，单位以dBd表示（意味着相对于偶极子的分贝）。偶极子的各向同性增益为2.15 dB，dBi = dBd + 2.15 dB。比较增益时，重要的是要注意增益是以dBd还是dBi表示，并进行适当的转换。

增益可能是一个令人困惑的规范。放大器的增益与天线的增益之间存在显着差异。放大器将能量输入系统，使其成为有源设备。天线不能将能量输入系统，因此它是一种无源设备。增益通常被误解为输出功率增加超过1。当然，这是不可能的，因为辐射功率将大于引入天线的原始功率。

方向性和增益密切相关（图8）。增益是天线的方向性因天线上的损耗而减小，例如介电，电阻和VSWR。换句话说，它是方向性和效率的产物。增益是对天线实际性能的最直接测量。因此，它是最重要的规范之一。

图8：方向性和增益是两个密切相关的天线参数，后者是一个非常重要的品质因数。 （图像来源：Linx Technologies）

理解方向性或增益的一种简单方法是考虑可聚焦光源（图9）。假设光输出是恒定的并且聚焦在广泛的区域上。如果光被重新聚焦到一个点，它看起来更亮，因为所有的光能都集中在一个小区域。尽管整体光输出保持不变，但与宽光源相比，集中光源将在聚焦光斑处产生勒克斯增加。以相同的方式，将RF能量聚焦成窄光束的天线可以说比在所有方向上均等地辐射的天线具有更高的方向性（在焦点处）。换句话说，天线的方向性越高，天线的模式越窄，其点性能就越好。

图9：天线增益是与电子放大器增益不相似;相反，它意味着“收紧”辐射光束的传播，类似于从手电筒聚焦光束。 （图像来源：Linx Technologies）

结论

了解天线选择和权衡需要精炼电磁场理论，物理实现考虑因素和现实世界属性的复杂组合。许多这些真实世界属性是邻近效应，安装和方向的结果。

虽然几乎所有天线都基于偶极子和单极子等基本结构，但设计出越来越复杂的天线设计利用这些基本要素。这一进展大部分归功于先进的基于计算机的建模工具，这些工具用于预测理论特性和实际现场性能。

虽然天线正在改进，但设计人员仍需要了解其核心原理。天线的操作和实现，以充分优化其RF连接。

扩展此处概述的原则，第2部分更详细地探讨了基本的，广泛使用的单极和偶极配置。它还讨论了新的天线结构，如芯片，贴片和印刷电路板走线，非常适合智能手机和可穿戴设备等便携式设备。