芯耀
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本文原創(chuàng)：硬件大熊，作者：雕塑者
本文轉自ST官網《AN4190應用筆記 天線選擇指南》，作者Placido De Vita。這篇應用筆記介紹了短距離設備應用在那個使用何種天線時要考慮的最重要參數，很有參考價值，分享給各位讀者。
由于篇幅有限，故分為4篇進行發(fā)布更新，已更新的篇章有：《AN4190應用筆記 天線選擇指南》——天線理論1
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1.3 方向性
天線的方向性定義為天線給定方向的輻射強度與在所有方向上的平均輻射強度的比。平均輻射強度等于天線輻射的總功率除以4Π。如果未指定方向，則暗指最大輻射強度的方向。
非常明顯的是，對于各向同性源，其方向性是一致的，因為其功率在所有方向上均勻輻射。對于所有其他的源，最大方向性總是大于1。它是相對“品質因數”，表示與各向同性源相比的天線方向性。
1.4 天線增益
增益可能是最廣泛使用的天線性能的描述符。但是，常用的不止一種定義或解釋。大多數天線是無源器件，因此在放大器表現出功率增益的意義上來說，它是沒有功率增益的。但是，從遠距離接收器的角度來看時，特殊的天線可以在給定方向上比各向同性天線輻射出更多的功率。因此，增益被定義為給定方向上的強度與輻射強度的比，該輻射強度是在天線接收的功率是各向同性輻射功率的情況下獲得的。對應于各向同性輻射功率的輻射強度等于天線接受（輸入）的功率除以4Π。因此，理解這一點非常重要：“無源天線的增益并不代表任何實際的功率增益”。
增益有時也被引入到假想各向同性源之外的其他源。最常見的是，增益被引入到半波線性絲狀偶極子中。如果增益參考的是各向同性源，則單位寫為“dBi”。因此，如果增益參考的是半波偶極子天線，則單位寫為“dBd”。增益dBd =增益dBi - 2.15 dB。
增益狹義定義為，局部接收器使用完全效率（無損）各向同性天線在特定位置接收到特定強度所需的輸入功率，與使用所討論天線時所需輸入功率的比。因此，在特定方向上具有3dB增益的天線要實現相同的強度，需要的功率與各向同性源相比是其一半。因此，可以看出，出于鏈路預算的目的，可以將天線增益與有源設備（如放大器）增益同樣對待。
注意，天線輻射的總功率通過稱作天線輻射效率的系數與總輸入功率關聯起來。輻射效率越高，傳輸或接收的能量越大。根據IEEE標準，增益不包括由阻抗不匹配（反射損耗）和極化失配（損耗）引起的損耗。因此，這意味著增益僅考慮同一天線的電介質和傳導系統(tǒng)的損耗。反射損耗和極化失配是非常重要的損耗，通信系統(tǒng)的鏈路計算中需要對其進行考慮，以確定接收或輻射的功率。
1.5 天線效率
如果將天線作為從源接收功率并將其輻射到空間的設備，則輻射到空間的功率與從源接收的功率的比就是效率（ hradiation），有時稱為輻射效率。它在IEEE參考文獻中定義為天線輻射的總功率與天線從所連接發(fā)射器接收的凈功率之比。天線接受但未輻射的功率以熱量的形式耗散。
總天線效率ho用來考慮輸入端和天線結構內的損耗。一般來說，總體效率可寫為：
公式1
其中：
ho = 總效率（無窮小量）
hr = 反射（失配）效率 = (1 - |G|2) （無窮小量）
hc = 傳導效率（無窮小量）
hd = 介電效率（無窮小量）
G = 天線輸入端的電壓反射系數 [G = (Zin - Zo)/(Zin + Zo)，其中Zin = 天線輸入阻抗， Zo = 傳輸線的特征阻抗]。
通常hc和hd很難估算。
在任何天線制造商的文獻中都很少會公布輻射效率。這有幾個原因：首先，輻射效率極難準確測量。其次，天線的輻射效率隱含在天線增益的完整規(guī)范中。
1.6 天線帶寬
天線的帶寬定義為天線的某些指標性能在符合某一特定標準的情況下，其正常工作的頻率范圍。帶寬可以認為是中心頻率（通常是偶極子的諧振頻率）兩側的一段頻率范圍，其中天線特性在中心頻率的可接受值范圍內。
由于天線的特性不一定以相同的方式變化或甚至會受到頻率的嚴重影響，因此沒有唯一的帶寬表征。每種情形下都設置了規(guī)范以滿足特定應用的需要。通常，方向圖和輸入阻抗變化量之間存在差異。相應地，方向圖帶寬和阻抗帶寬就用來強調這種差異。與方向圖帶寬相關的是增益、旁瓣電平和極化，而輸入阻抗和輻射效率與阻抗帶寬有關。
1.7 天線極化
天線在給定方向上的極化被定義為由天線發(fā)射的波的極化。沒有說明方向時，則認為極化是最大增益方向的極化。實際上，輻射能量的極化隨著相對天線中心的方向而變化，因此方向圖的不同部分可以具有不同的極化。
輻射波的偏振定義為描述電場矢量的時變方向和相對幅度的電磁波特性；具體地說，是通過空間中固定位置處的矢量末端跟隨時間變化的函數所描繪的圖形，以及沿著傳播方向所摹寫的場景。然后，極化是由表示瞬時電場的箭頭的終點描繪的曲線。
極化可以分為線性、圓形或橢圓形極化（參見圖 6）。如果描述空間某點處電場的矢量（為時間的函數）總是沿直線方向，則該場被稱為線性極化的（水平或垂直）。不過，通常電場軌跡的圖是橢圓形，這種場被稱為橢圓極化場。線性（見圖 6）和圓形（見圖 7）是橢圓極化的特殊情況，它們可以在橢圓分別成直線或圓時得到。描繪電場的圖形以順時針或逆時針方向顯示。電場矢量的順時針旋轉指定為右旋極化，其逆時針旋轉指定為左旋極化。
圖6 垂直、水平、 3和橢圓極化
圖7?圓極化
如果接收天線的極化與輸入（入射）波的極化不同，則由于極化損耗，從輸入信號中獲取的功率不是最大的。使用相同極化的天線，并且以不改變其特性的方式進行物理放置，這在通信系統(tǒng)中是非常重要的。如果天線是線性極化的，則不要將兩個天線相互正交地放置，如果天線是圓極化的，則或同時右極化地或同時左極化地使用兩個天線。
表 1中顯示了，將接收器天線接收的功率與發(fā)射天線發(fā)射的最大功率之比作為極化的函數。如果天線相同，則可以接收到全部發(fā)射功率，如果天線相反，例如TX中垂直而RX中水平，則接收的功率為零。
表1?接收功率與最大功率之比
1.8 輸入阻抗
天線從源接收功率的能力取決于天線的輸入阻抗。為實現最大功率傳輸，輸入阻抗應與源的輸出阻抗完全匹配。嚴格來說，為了實現最大功率傳輸，天線的輸入阻抗必須是源輸出阻抗的復共軛?；旧希?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%B0%84%E9%A2%91/">射頻源都呈現出其真實的輸出阻抗，絕大多數射頻源的輸出阻抗為50?。標準的同軸電纜的阻抗也是50?， 代表了一個很好的兼顧傳輸功率和損耗的折衷方案。另一方面，在一個寬頻段上，天線的復輸入阻抗與50?相差很大。
天線輸入端的復反射系數為：
公式2
其中：
Zinput = 天線的復輸入阻抗
Z0 = 源/系統(tǒng)阻抗
反射功率等于入射（前向）功率乘以復輸入反射系數的幅度的平方。反射功率是提供給天線返回負載的總功率的一部分
天線輸入阻抗匹配的質量通常由兩個參數之一來規(guī)定：回波損耗或駐波比（ SWR），有時稱為電壓駐波比（ VSWR）。回波損耗表示有多少入射功率沒有被反射或沒有從負載返回。它是反射系數大小的平方，通常以對數形式表示為：
公式3
例如， -3.0103 dB的回波損耗表示反射了一半的入射功率。通常，對于良好匹配來說，低于-10 dB的回波損耗都是可接受的，這種情況下，反射的信號少于1％。
駐波比定義為輸入傳輸線上的電壓最小值與最大值之比。它定義為：
公式4
VSWR描述輸入匹配的一個效用是，當反射系數的大小以對數形式表示為從0到負無窮的范圍時， VSWR的大小可以線性形式表示為從1到無窮大。所以，當匹配不是很好時， VSWR對于描述輸入匹配特別有用。VSWR為5.83對應-3.01dB的回波損耗。良好匹配的天線，其VSWR低于2。
1.9 有效各向同性輻射功率
有效全向輻射功率（ EIRP），也稱為等效全向輻射功率，是在單一方向上測量的輻射功率量（即，針對固定的Θ和Θ）。通常，對于天線輻射方向圖測量，如果給出了單個EIRP值，那么這會是所有測量角度上最大的EIRP值。EIRP也可以認為是完美的各向同性天線為得到測量值而需要輻射出去的功率量。EIRP可能與無線電（ Pt）傳輸的功率、網絡和失配損耗（ L）以及天線增益（ G）相關：
公式5
在構建場的區(qū)域中，規(guī)范可能會限制發(fā)射器的EIRP，以防止人員暴露在高功率電磁場中；不過， EIRP通常被限制為對相似頻率上的服務產生的干擾最小。
