天线的操作特性和评估技术及设计时需考虑哪些考虑因素

本文适用于将RF纳入符合Part 15标准的设计的设计人员。它旨在让读者对天线的功能，操作特性和评估技术有基本的了解。它还将简要介绍三种最常见的低功率天线样式的设计考虑因素：鞭状，螺旋状和环状迹线。

什么是天线？

RF天线被定义为便于将导波传输到自由空间和从自由空间接收的组件。在功能上，天线本质上是将交流电转换成电磁场的换能器，反之亦然。构成天线结构的物理组件称为元素。从衣架到调谐的八木，可以使用数百种天线样式和变体。

接收和发射天线的特性非常相似，并且在许多情况下是彼此的虚拟镜像。然而，在许多第15部分的应用中，为发射机和接收机天线选择不同的特性通常是有利的。出于这个原因，我们将分别解决每个问题。

发射器天线

发射器天线允许RF能量从输出级有效地辐射到自由空间。在许多模块化和离散变送器设计中，变送器的输出功率有目的地设置为高于法定限制。这允许设计者利用低效天线来实现尺寸，成本或美观目标，并且仍然辐射最大允许输出功率。由于在发射器处很容易实现增益，因此其天线通常比接收器上使用的天线效率低。

接收天线

接收天线拦截从发射天线辐射的电磁波。当这些波撞击接收天线时，它们会产生很小的电压。该电压导致弱电流流动，其包含与发射天线中的原始电流相同的频率。

接收天线应尽可能多地捕获预期信号，并尽可能少地捕获其他异频信号。其最大性能应该是接收机设计的频率或频段。接收器天线的效率对于最大化距离性能至关重要。与发射器天线不同，合法操作可能要求降低效率，接收器的天线应尽可能地进行优化。

了解传输线

传输线（图1）是包含RF能量从一个地方传输到另一个地方的任何介质。很多时候，传输线被称为“一段屏蔽线”或“一条同轴电缆”。虽然技术上是正确的，但是这种随意的参考通常表明缺乏对传输线中存在的电阻，电容和电感的复杂相互作用的理解和尊重。

图1：典型传输线。

导体的直径和间距，以及导体周围和分离材料的介电常数，对确定传输线的特性起着至关重要的作用。这些特性中最重要的特性之一称为特征阻抗。特性阻抗是欧姆值，其中电压 - 电流比沿传输线是恒定的。所有Linx模块都适用于特性阻抗为50欧姆的传输线。

为了实现从传输线到天线的RF能量的最大传输，线路和天线在频率上的特征阻抗应尽可能接近。在这种情况下，传输线和天线被称为匹配。当传输线端接到与其特征阻抗不同的天线时，将存在不匹配。这意味着所有RF能量都不会从传输线传输到天线中。无法传输到天线的能量会反射回传输线。由于这种能量不会反射到太空中，因此代表了一种损失。前向波和反射波之间的比率称为驻波比（SWR）。正向电压之和与反射电压之间的比率通常称为电压驻波比（VSWR）。

天线如何工作？

从天线辐射的电场和磁场形成电磁场（图2）。该场负责RF能量的传播和接收。为了正确理解天线的功能，需要对电压，电流和磁力理论进行深入研究。由于这不符合本文的基本性质，因此简单概述就足够了。

图2：天线周围的E和H场。

假设片刻同轴传输线被剥离，屏蔽和中心导体弯曲成直线，如图所示。刚刚形成了一个称为半波偶极子的基本天线Presto，如图3所示。

图3：基本天线。

您可能想知道原本打算包含射频能量的两根导线现在能够有效地将其辐射到自由空间吗？由于线路现在在端部打开时分开，因此现在存在两点之间的电压差。这允许形成称为（E）场的电场。称为（H）场的磁场也由电流产生。当RF能量被引入天线元件时，这些场交替地积累，达到峰值并崩溃。这些场一起构成能够辐射到自由空间并从自由空间接收的电磁波。

如何确定天线长度？

天线可以被认为是一个复杂的RLC网络。在某些频率，它看起来像感应电抗，而在其他频率，如电容电抗。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。在该特定频率下，阻抗是纯电阻的，并且天线被称为谐振。

天线处于共振状态时，始终可以获得最大的天线效率。当天线的长度不正确时，信号源将看到除谐振点处存在的纯电阻之外的其他信号。如果天线太短，则存在容抗;如果太长，则会产生感应电抗。共振指标是VSWR曲线中的最小点（图4）。在下面的例子中，天线（A）谐振太低，表明天线过长，而天线（C）谐振频率太高，表明天线太短。然而，天线（B）是理想的。显然，天线的长度是正确的至关重要，但这个长度是如何确定的？

图4：共振曲线。

如何确定天线长度？

每个频率都有一定的物理长度，它占据空间。该长度称为波长，由两个因素决定：1）频率本身和2）传播速度。工作频率的波长决定了天线长度。由于天线的介电常数大于自由空间的介电常数，因此天线上的波速较慢。这与其他几个因素一起导致天线设计人员接受以下公式，以确定所有实际目的的准确度来确定1/4波天线的物理长度：

这个公式天线谐振非常适合天线长度接近，真正的问题是天线谐振。根据物理因素，例如地平面的大小和方向，附近的导体等，可能需要调整天线的长度以达到共振。

为了操作，天线不必是全波的物理长度。通常，考虑到尺寸和阻抗，天线将是全波长的一部分。半波天线是天线的最短谐振长度。但是，较短的波长可以谐振谐振。由于其紧凑的长度，第15部分应用中最受欢迎的天线之一是1/4波鞭。在这种配置中，天线元件是全波长的1/4。为了有效地工作，¼波必须辐射到地平面。该平面通常由PCB上的金属壳或接地区域形成。地平面作为一个平衡器，形成另一个1/4波元件，实质上创造了一个半波偶极子（图5）。

图5：偶极子天线操作。

天线匹配

天线谐振不应与天线阻抗相混淆。通过考虑VSWR在其最低点的值，最容易理解谐振和阻抗之间的差异。 VSWR的最低点表示天线是谐振的，但该低点的值取决于天线与其所连接的传输线之间的匹配质量（图6）。这个连接点称为馈点。在下图中，您会注意到天线（A）和天线（B）都是谐振的，但天线（B）的VSWR要低得多。这是因为（B）的馈电点阻抗与传输线的阻抗更紧密地匹配。显然，天线必须是谐振的并且匹配，以使最大的RF能量传播到自由空间。

图6：天线匹配质量。

谐振点主要取决于天线长度，但天线阻抗如何确定？当天线处于谐振状态时，它呈现纯粹的电阻负载。这种阻力由三个因素组成。首先，当仅被视为导体时，通过天线元件的实际物理电阻存在损耗。这称为欧姆电阻损耗。第二个也是最重要的损失领域是耐辐射性（Rr）。辐射电阻是理论电阻器的欧姆值，如果替代天线，则会消耗与天线辐射到空间中相同量的RF能量。电阻损耗的最后一个来源是介电元件的漏电阻。

由于实际和漏电阻通常可以忽略不计，我们将专注于抗辐射。如前所述，辐射电阻是一个假设的概念，它描述了虚构的电阻，如果用天线代替天线，它会消耗与天线辐射到自由空间相同的功率。天线的辐射电阻沿着天线元件的长度变化，但我们关注的是馈电点处的电阻。随着导体变长，辐射电阻增加。通常，四分之一波垂直的辐射电阻约为37欧姆，半波约为73欧姆。

天线调谐

这是调整天线谐振点的过程，如图7所示。在大多数情况下，这是通过物理调整天线长度来实现的。虽然可以使用简单的距离测试来盲目调谐天线，但网络分析仪是严格表征的必要条件。在一些情况下，可以使用外部电感或电容组件来匹配天线并使天线谐振。这些组件会引入损失。应该记住，匹配和共振不一定转化为有效传播。

图7：天线调谐。

天线性能

除了上一节中概述的天线功能的广泛概念外，天线性能的具体问题同样重要。以下部分将介绍这些问题中最重要的问题。

辐射模式

辐射模式这一术语用于定义射频能量分配或引导到自由空间的方式（图8）。术语同位素天线通常用于描述具有理论上完美的辐射图案的天线。即在所有方向上均匀地辐射电磁能量的那个。当然，这种天线只是理论上的，并且从未实际构建过，但同位素模型可作为概念标准，可以对比“现实世界”的天线。

在现实世界中，天线将在某些方向上有效地辐射RF能量而在其他方向上则很差。效率最高的点称为峰值，而无场强度的区域称为空值。天线的整体分布特性构成辐射方向图。在许多应用中，使天线在所有方向上都表现良好是有利的。在这些情况下，设计者将选择具有全向辐射图案的天线样式，因为这样的特性是期望的。在需要高度定向天线特性的情况下，将选择诸如八木的天线样式。

图8：天线辐射图。

天线增益

术语增益是指天线的有效辐射功率与某些参考天线的有效辐射功率的比较。当使用同位素模型时，增益将以dBi表示（意味着以同位素为单位的dB增益）。当将增益与标准偶极子进行比较时，额定值将以dBd表示（意味着增益超过偶极子）。同位素和标准偶极子之间普遍接受的变化是2.2 dB。因此，额定为具有15dBi增益的天线将表明与标准单元件偶极子相比，天线相对于同位素具有15dB的增益或12.8dB的增益。

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。

理解增益的一种简单方法是考虑可聚焦光源，如图9所示。假设光输出是恒定的并且聚焦在很宽的区域上。如果光被重新聚焦到一个点，它会显得更亮，因为所有的光能都集中在一个小区域。即使整体光输出保持不变，光在原始图案上的焦点处也将具有勒克斯增益。

图9：光增益。

以同样的方式，将RF能量聚焦成窄光束的天线可以说在天线上获得（在焦点处）增益，该天线在所有方向上均匀辐射。换句话说，天线的增益越高，天线的模式越窄，其点性能越好。

图10：天线增益。

天线极化

天线的有效极化是一个重要特征。极化是指电磁场中磁通线的方向。当天线相对于地面水平定向时，据说它是水平极化的。同样，当它垂直于地面时，据说它是垂直极化的。

天线的极化通常与有源天线元件平行;因此，水平天线辐射并最好地接收具有水平偏振的场，而垂直天线最好具有垂直偏振场。如果发射器和接收器的天线没有以相同的极化方向定向，则会丢失一定量的功率。在许多应用中，几乎无法控制天线方向;然而，为了达到最大范围，天线应尽可能以相同的极化方向定向。在VHF和UHF频谱中，水平极化通常比垂直极化提供更好的抗噪声性和更少的衰落。

图11：天线极化。

天线效率

并非所有传输到天线元件的功率都会辐射到太空中。一些功率由天线消散，一些功能立即被周围材料吸收。请参阅下面用于确定天线效率的术语：

正向功率 - 最初应用于天线输入的功率。

反射功率 - 一部分正向功率反射回到天线输入。由于天线端口不匹配导致的放大器。

净功率 - 实际转换到自由空间的天线功率称为净功率或有效辐射功率。净功率通常通过查找实际正向和反射功率值之间的差异来计算。

多径效应

图12：多路径。

多径衰落是一种由不同阶段到达接收天线的信号引起的衰落形式。这种效应是由于信号在到达天线之前可能经过许多不同的路径。原始信号的某些部分可以通过直接自由空间路径传播到接收器的天线。已经反映出来的其他人在到达之前会走更长的路。反射波所采用的较长路径将稍微延迟其到达时间与自由空间波的到达时间。这在两个信号之间产生了异相关系。施加在接收天线上的所得电压将根据到达天线的所有信号的相位关系而变化。虽然这种影响是环境的，并且与天线没有直接关系，但了解多路径在理论天线性能与实现天线性能方面可能发挥的作用仍然很重要。

第15部分设计的天线

为FCC第15部分产品指定天线的设计人员面临着许多挑战。由于为符合第15部分而设计的许多产品都是紧凑和便携的，因此设计人员可能必须平衡天线性能与包装和化妆品等问题。第15部分也对天线设计施加了物理限制。最值得注意的是要求天线永久连接或使用独特的专有连接器。这旨在防止最终用户进行可能会改变产品性能特征的修改。

如果您已经考虑到了这一点，希望能够发现如何设计没有经验或测试设备的低成本，高性能天线，我们很遗憾不得不让您失望。

天线的性能与应用变量密切相关，例如地平面，与其他组件的接近程度以及材料属性。为了正确设计和评估天线的性能，需要使用多种工具。其中最重要的是网络分析仪，频谱分析仪和频率源。网络分析仪特别有价值，因为它可以精确测量天线的谐振点，特征阻抗和SWR。如果不能获得这些资源，天线设计就会减少到命中与失败的主张。

如果您的应用程序没有要求最大范围性能，并且您可以使用可以轻松计算的天线样式这样的鞭子，您可以通过反复试验方法获得满意的性能。然而，对于更复杂的天线设计，最好使用专业制造的天线，例如Linx制造的天线，或者在设计阶段租用一些基本水平的测试设备。

对于那些拥有足够设备和测量专业知识的人来说，下面是三种最流行的天线样式的设计考虑因素的简要设计概要。

流行的天线样式

鞭状样式

鞭状天线提供卓越的性能和稳定性。直鞭带宽宽，易于设计和集成。许多设计师选择专业制造天线的可靠性能和外观吸引力，例如Linx的鞭状天线。这些“现成的”鞭状设计通常由封装在橡胶或塑料外壳中的电线或电缆制成。也可以通过将一根线或杆切割成适当的长度来制造鞭子。由于全波鞭通常很长并且其阻抗很高，因此大多数鞭是¼或½波。使用“如何确定天线长度？”一节中的公式可以找到正确的长度？

图13：鞭状天线。

螺旋式

螺旋元件是一种通常由钢，铜或黄铜缠绕而成的线圈。通过缠绕元件，可以大大减小其整体物理长度。元件可以封闭在天线外壳内或暴露在内部以便内部安装。螺旋天线显着减小了天线的物理尺寸。然而，这种减少并非没有代价。因为螺旋线具有高Q因子，所以其带宽非常窄并且线圈的间隔对天线性能具有显着影响。天线易于快速失谐，特别是在物体附近。精心设计的螺旋线可以在保持紧凑尺寸的同时实现卓越的性能。

图14：螺旋天线。

螺旋天线设计比直线天线稍微复杂一些。一旦知道直径，材料类型和线圈间距，就可以计算出螺旋的长度。然而，在大多数情况下，通过采用过长的线圈并通过削波进行调谐直到它以所需频率谐振来经验地获得设计同样容易。然后可以通过匝数和半径值计算长度，或者简单地通过拉直线圈并测量它来计算长度。

循环跟踪样式

我们将讨论的最后一种天线是循环跟踪。这种风格在低成本应用中很受欢迎，因为它易于隐藏，并且几乎不会增加整体产品成本。该元件通常直接印刷在产品的PCB上，可以与分立元件自谐振或外部谐振。实际布局通常是产品特定的。

图15：PCB天线。

尽管具有成本优势，但PCB天线样式通常效率低下，仅适用于短距离应用。环路可能非常难以调谐和匹配，对布局或衬底介电常数的变化敏感。这可能会在生产过程中引入一致性问题。此外，印刷样式难以设计，需要使用昂贵的设备，包括网络分析仪。设计不当的环路将在所需频率处具有高SWR，这可能引入不稳定性。由于这些原因，回路通常仅限于低成本的变送器设备，例如车库门开启器，汽车报警器等。

图16：PCB安装天线。

Linx为经常出问题的“印刷”天线提供了几种低成本的平面和芯片天线替代品。这些微型天线直接安装在产品的PCB上，并且考虑到其紧凑的尺寸，可提供出色的性能。

衰减输出功率

为了满足第15部分的要求，许多设计人员试图通过缩短或加长天线来衰减其基本输出功率，从而将谐振效率的点从基频上移开。出于两个原因，这通常不是一个好主意。首先，通过提高SWR并降低天线在预期基频上的效率，可以提高谐波输出效率。其次，通过产生这种不匹配，RF级可能变得不稳定。一些Linx产品允许通过编程或外部电阻调节功率水平。在其他情况下，应使用Linx应用笔记00150中所述的衰减Tpad。

将所有内容放在一起

在设计过程中，天线应被视为系统性能的关键组成部分。在阅读本文之后，我们希望您能够更好地了解实现最佳天线功能所需的基本注意事项。在Linx，我们的业务是使RF科学变得简单明了，这样您就可以专注于将产品推向市场。为了实现这一目标，Linx提供了越来越多的优化天线产品。在Digi-Key网站上查看。