干货 | 天线知识图解

天线是一个相当庞大的话题，很难用一篇文章来描述天线的每个方面，但我会尝试给出一些天线的各个方面的大图片，主要用于蜂窝应用。

什么是天线？

众所周知，天线是一种将电能(电信号)转换成电磁波并传送到太空的装置。

外面有各种类型的天线，下面是一些例子。这些只是一些例子，还有很多其他类型。看看有多少你熟悉的。

现在在大多数移动通信设备中，天线都被嵌入到一个很小的空间里。在一个相对久远的移动电话，你可能已经看到了天线显示在左侧的图片(鞭天线)。在大多数的移动设备，你看到这些天，天线是嵌入的情况下，或正确的印刷电路板如下所示。随着移动设备(例如智能手机)在一个设备中获得越来越多的技术(例如，带有各种频段 / 无线接入技术的蜂窝技术，蓝牙，无线网络等) ，设计多个天线并将其放入一个小空间变得越来越困难。

如何表现天线的性能？

有两个主要的标准来评估天线的性能，如下

(a)我应该把电能转换成电磁能，尽可能减少损失;

(b)希望辐射在我需要的方向上。

有几个指标可以代表天线的性能如下

辐射模型；

总辐射功率;

总的各向同性灵敏度。

辐射模型

了解 / 评估天线性能的第一步是检查天线的辐射模型。在大多数情况下，电能都是通过预先设定好的路径流动的，这种路径通常建立在铜线或印刷电路板上的铜痕迹上，但是一旦电能转化为电磁波，它几乎就会向四面八方传播。根据我们设计天线的思路，电磁波在空气中传播的方向是不同的。天线在某些方向上传输很强的能量，在某些方向上传输少量的能量，在某些方向上传输中等范围的能量等，这种能量传输方式被称为“辐射方向图”。(更实际的辐射型态例子，请参阅 http://rcexplorer.se/educational/gain/gain.html )以下只是一些可能的辐射型态例子。事实上，你可以想到几乎无限多种不同的模式。天线设计的目标是使它在从电能到电磁能的转换过程中，以我想要的方式传输能量，而不会有任何能量损失。

实际上，信号辐射到三维方向，如下图(b)所示。然而，在三维空间中表示能量传播模式并不总是容易的，有时在三维空间中定量地估计能量传播模式更加困难。所以在许多情况下，我们沿着一个特定的2d 平面切割3d 模式，如(c)和(d)所示。

天线增益(G)

我认为“天线增益”是一个误导性的术语，因为

(a)当我们听到“增益”这个术语时，我们通常认为“这个装置会放大信号，使其产生更大的能量”。但对天线来说不是这样的。大多数天线都是“无源器件” ，它不会放大任何东西。

(b)当我们考虑增益时，增益越高，器件发出的总能量就越高。但这可能不是真正的天线情况下。更高的天线增益可能意味着“更高的能量在一定的方向上传输” ，但它可能并不意味着“总能量出设备”。天线增益的定义是指在某一方向上发射的功率与某一参考点的比值。这通常用 db、dbi 或 dbd 表示。这是用来表示“天线在指定方向上传输能量的效率”的指示器。基本概念可以说明如下。(详情请参阅 http://rcexplorer.se/educational/gain/gain.html )

以下是典型增益值的经验传播模式规则。正如你所看到的，随着天线增益的增加，传播的方向越来越集中，这并不意味着总的传输能量(椭圆包围的区域)变得更高。

如果你想知道增益的数学定义，给你。

在大多数情况下，天线增益用对数单位表示如下。

Total Radiated Power (TRP)

正如这个词所暗示的。这是从各个方向测量的辐射功率之和。TRP 的简单定义如下所示(注意: 这里显示的球体不是天线的辐射方向图。这是一个三维坐标，称为’球面坐标’)。我希望这是直观的，不需要进一步的描述就能让你明白。

TRP有两种，被动TRP 和主动TRP。这种分类来自于测量TRP 的不同方法。实际上它更多的是关于如何通过天线传输信号。在无源TRP 中，通常是隔离的天线，信号通过电路网络分析仪的输出端口(或信号发生器的输出端口)直接馈入天线，并通过电路网络分析仪的输入端口或频谱分析仪的输入端口测量发射功率。在有源TRP中，通常是包括天线在内的整个设备。例如，如果是为了测量移动电话的天线，我们使用整个移动电话作为哑弹。有源色散测量的主要目的是观察天线在真实环境中的性能。在这种情况下，你不能使用网络分析仪或信号发生器通过天线发送信号。你必须使用这个地区大多数人所说的“call box”,也就是综测仪，它基本上是一个 NS (比如，Enodeb，Nodeb，BTS模拟器)之类模拟基站的仪器。我们发送 ue (例如移动电话)一个命令“发送功率 xx dbm 或 max power 的信号” ，并使用“综测仪”或“频谱分析仪”测量传输功率。如果您对正式表达式更感兴趣，TRP 可以如下所示。

如果你喜欢正式的表达，但不熟悉这个表达的意思，下面的评论可能会对你有一点帮助。

现在你可能对 trp 测量更感兴趣，因为我们正在进入5G / NR。Tr 38.817-9.1.1.1中，nr 中 trp 的定义如下。你看，这个方程和上面的几乎一样。你们看到新的术语，叫做EIRP。在高层次的概念，你可以采取 eirp 是一种权力(不完全相同的价值作为权力，但它可以直接从测量权力)。

在实际测量中，测量是在球面坐标系的整个表面上的特定点上进行的。所以我们需要把这个方程转换成离散形式，从实际测量中得到 trp。如果我们用坐标上的单位网格进行测量，方程可以简单如下:

如果测量是在坐标系上不均匀的网格上进行的，则方程式如下:

在这种情况下，比例因子可以从测量点处的小矩形面积推导出来，并可以表示如下所示。

如果你想更深入地了解这些细节，那么你需要参考你的微积分课本或者参考我关于曲面积分例子的笔记。我强烈建议你试着理解这个等式的细节，以及它是如何得出的。它能帮助你理解与天线理论有关的各种数学表达式。作进一步参考。Http://www.antenna-theory.com/definitions/trp.php 各向同性灵敏度首先你可能会问“各向同性”是什么意思 如果你查字典或者谷歌一下，你会发现“所有方向都一样”这样的定义。这意味着“在假设天线是各向同性(辐射 / 接收在相同的强度在所有方向)的基础上，在每个方向上的灵敏度”。事实上，没有这样的天线，是完全各向同性的。更实际的含义可以说明如下(注意: 这里显示的球体不是天线的辐射方向图。这是一个三维坐标，称为’球面坐标’)。如你所见，你测量球面网格交叉点的灵敏度。你会得到不同的测量结果，在所有这些点在现实中。如果你取这些测量值的平均值，你会得到一个单一的值，这表明了

这个球可以告诉你TPR是怎么测试得来的

作进一步参考。指 http://www.antenna-theory.com/definitions/tis.php 有效各向同性辐射功率 / 等效各向同性辐射功率(eirp)如上文所述，大部分天线的性能参数，例如增益 / 尖端 / tis，都是基于对整个表面的测量以及随后的一些额外处理，但 eirp 是一种仅在特定点显示性能的测量(即在特定角度的测量(phi，theta)。

注意: 当我说上面图中的测量功率时，它并不意味着绝对功率(dbm) ，它是一种相对功率，与 istropic 功率有关。这就是为什么被称为等效各向同性辐射功率。这是由几个不同的参数计算出来的，这些参数可以直接测量或者直接给出。正如你在上面的图中看到的，为了准确地指定一个 eirp，你需要指出具体的测量角度。然而，在许多情况下，eirp 这个术语并没有指定任何特定的测量角度。在这种情况下，假设测量角是获得最大 eirp 的角度。例如，如果我们说上面显示的天线的 eirp 没有指定任何特定的角度，它会是我在 theta 0，phy 0测量的 eirp。当我们假设 eirp 在最大值时，可以计算如下:

EIRP = Tx RF Power(dBm) + G(dB) - L(dB)

• Tx RF Power :RF power measured at RF connector of the unitG :Antenna gainL : Feeder loss(cable loss or any other loss)
• S11
• 为了评估天线的性能，我们需要精确地测量以下项目。
• I)有多少功率通过天线传输而不反弹回输入端口;
• II)有多少能量是按照我想要的方向传输的);
• III)有多少微弱的能量可以被天线接收到
• 如果你得到了项目 II)和 II) ，你不需要测量项目 I) ，但是为了得到项目 II)和 III)的精确评估，你必须执行 trp 和 tis 测量如上所述。然而，测量 trp 和 tis 是非常昂贵和费时的。因此，我们需要一种快速而简单的方法来评估天线的性能，这就是上面列出的第一项。第一项最常用的方法是测量 s11。由于 s11显示了有多少能量在输入端反弹，低 s11意味着较少的能量被反弹，这意味着较高的能量通过天线传输。(注意: s11只是告诉你能量传输的大概情况，但是它不能告诉你能量传输的方向)
• 动态天线匹配
• 天线匹配电路的自动调谐正在成为一个热门话题，特别是在手机行业。如果你度娘“自动天线调谐器” ，“动态天线调谐”等关键词，你会发现各种文章，论文和各种调谐技术的专利。这项技术的基本原理很简单。(它本身不调谐天线，而是调谐天线的匹配电路)。例如，假设我们有一个简单的 π型网络类型的匹配电路，如下所示。(在实际应用中，匹配电路会更加复杂。但我想使用最简单的结构，以便于理解)。在传统的实现中，你可以像下面这样构建。建立一个电路如下，不断改变每个组件的值，直到你得到最好的传输天线。如果幸运的话，几个小时就能找到正确的数值。如果你运气不好，你得花上几天几夜才能找到合适的价值。如果天线的目标频率改变了，你就得重复这个过程。

考虑到结构和天线材质的一致性，同一组匹配不一定在所有的天线样品上都表现的最好。为了解决上述问题，业界提出了动态调谐匹配电路的概念。基本的想法是这样的。假设我们用可变电感和可变电容，建立了一个匹配电路。这些可变元件不应该是那些可变元件之一，你可以从本地无线电器材公司购买，并通过手动旋转旋钮设置的价值。他们都应该被设置在电子控制中，使这个电路在没有人为干预的情况下工作。现在棘手的事情是找到(或开发)可变电感和电容器。这些可变装置应以最小的能量(电压、电流)消耗运行。可变电容比可变电感好找多了。

主要由于元件的可用性和其他一些原因，在大多数自动调谐电路中，我们使用可变电容器，如下所示。一旦你建立了一个电路，你可能需要为这些组件找到适合不同情况的正确值，并将这些值存储在一个查找表中，然后根据情况（频段或者频率信息）由控件控制查找表中的值。在这种情况下，如何为每种情况设定正确的查找表将是一个关键问题。

到目前为止一切都OK了吗？？可能是，也可能不是。上面描述的技术的一个问题是，你不能保证预定义的查找表能够适用于所有可能的情况。情况可能会有一点不同于预期的变化，查找表不能做任何好的工作。对于这种情况，通常的解决方案之一是应用一个值并检查结果，然后将结果反馈给调优算法，以便算法能够进行更多的调优。这种方法(闭环方法)可以如下所示。

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