一文認識天線

№1 什么是天線？

天線就是將電信號轉(zhuǎn)換為電磁波并傳輸?shù)娇臻g的設(shè)備，當然考慮到無源器件的互異性，天線也能夠?qū)⒖臻g的電磁波轉(zhuǎn)換成電信號。

我們生活中有各種各樣的天線，有一些天線做的很小，可以嵌入到無線設(shè)備中，特別是現(xiàn)代手機上的天線，我們幾乎看不到它的存在，但是它確實就在手機里。

№2 天線要具備什么性能？

既然天線是電信號和空間電磁波的轉(zhuǎn)換接口，那么我們就需要天線能夠更高效的轉(zhuǎn)換電信號，并且能將電磁波盡可能的朝著我們需要的方向傳播。

這就要求：天線的輻射方向圖；天線的增益；天線的總輻射功率；天線的各向同性輻射功率。

這四個最基本的參數(shù)就能表征天線的性能優(yōu)劣。

2.1 什么是輻射方向圖？

它展示了天線在不同方向上的輻射特性，包括輻射強度、相位和極化等信息。輻射方向圖通常以圖形或數(shù)學函數(shù)的形式表示，是天線設(shè)計和分析中的重要工具。輻射方向圖可以分為以下幾類：

二維輻射方向圖：通常以極坐標或直角坐標的形式表示，展示天線在某一平面上的輻射強度分布。

三維輻射方向圖：以三維圖形的形式表示，展示天線在空間中各個方向上的輻射強度分布。

歸一化輻射方向圖：將輻射強度歸一化處理，使最大輻射強度為1，便于比較不同天線的輻射特性。

實際輻射方向圖：考慮了天線的實際工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)，包括天線的損耗、反射和散射等因素。

輻射方向圖的主要參數(shù)包括：

主瓣：輻射方向圖中輻射強度最大的方向，通常稱為主瓣方向。

副瓣：主瓣之外的其他輻射強度較大的方向，通常稱為副瓣。

零點：輻射強度為零的方向，通常稱為零點。

半功率波束寬度：主瓣中輻射強度下降到最大值一半的兩個方向之間的夾角，通常稱為半功率波束寬度。

前后比：主瓣方向與相反方向上的輻射強度比值，通常稱為前后比。

不同的天線，輻射方向圖也不一樣，我們可以根據(jù)需要選擇合適的天線設(shè)計，下圖給出了一些實例

2.2 天線增益

天線增益和放大器的增益不同，放大器確確實實的能夠放大信號，但是天線只能把電磁波聚集在某一個方向上，所以天線的增益表征的就是天線在某個方向上聚集電磁波的能力，天線的增益越高，表示天線在這個方向上傳輸?shù)碾姶挪芰吭礁摺?/p>

所以天線的增益是一個相對值，比如相對于理想各向同性天線（ isotropic antenna）或者相對于偶極子天線（ dipole antenna），這樣天線的增益就有了兩個定義。

如果天線的增益是相對于理想各向同性天線的，單位是dBi；如果是相對于偶極子天線的，單位就是dBd。偶極子天線容易理解，就是一個半波長偶極子天線，偶極子天線示意圖和輻射圖如下，3D圖就是一個漂亮的大蘋果。

那么理想各向同性天線是什么呢？這個是一種假想的天線，它在所有方向上均勻地輻射或接收電磁波。它的輻射方向圖應該是下圖這個大圓球，如果實際中有的話，應該是一個點源天線。

考慮到理想偶極子天線的增益為2.15dB，所以dBi就等于dBd+2.15dB。天線的增益越高，傳播方向越來越集中，這并不意味著總傳輸能量（橢圓包圍的區(qū)域）會變得更高。如下圖所示

天線增益的數(shù)學定義：天線在特定方向上的輻射強度與理想各向同性天線（isotropic antenna）在該方向上的輻射強度之比。數(shù)學公式：

其中 Pout 是天線在特定方向上的輻射功率，Pin 是輸入到天線的功率。轉(zhuǎn)換成dB形式就是：

和天線增益類似，還有兩個參量，天線方向性和天線效率。天線方向性表示天線在特定方向上的輻射強度與天線在所有方向上的平均輻射強度之比。數(shù)學公式

Pmax是天線在特定方向上的最大輻射功率，Pavg是天線在所有方向上的平均輻射功率。在實際應用中也常用dB形式

天線效率表示天線輻射的功率與輸入功率的比值。常用百分比表示。

Pradiated是指天線的輻射功率，Pin是天線的輸入功率。這三者之間相輔相成，共同構(gòu)成天線的輻射性能指標。天線的方向性越強，其在特定方向上的輻射強度越大，從而增益也越高。天線效率越高，其將輸入電能轉(zhuǎn)化為電磁波輻射出去的能力越強，從而增益也越高。這就需要天線有一個好的阻抗匹配。

2.3 天線的總輻射功率 TRP

顧名思義，TRP (Total Radiated Power) 是指天線在所有方向上輻射的總功率。它是衡量天線輻射能力的一個重要指標，通常用于無線通信系統(tǒng)中。TRP 表示天線在所有方向上的輻射功率之和，反映了天線的整體輻射效率。

計算公式如下：

式中，是天線在方向（θ，?）上的輻射功率密度；dΩ是立體角元。TRP還可以用下面公式計算

考慮到目前常用的各項同性輻射功率EIRP， TRP還可以用如下公式計算。

在實際測試中，TRP 可以通過測量天線在不同方向上的輻射功率密度，然后進行積分計算得到。TRP受天線增益，天線效率和天線方向性的影響，

天線增益：天線增益越高，TRP 通常也越高。高增益天線能夠?qū)⒏嗟哪芰考性谔囟ǚ较蛏希瑥亩岣呖傒椛涔β省?/p>

天線效率：天線效率越高，TRP 也越高。高效率天線能夠?qū)⒏嗟妮斎腚娔苻D(zhuǎn)化為電磁波輻射出去。

天線方向性：天線方向性越強，TRP 通常也越高。方向性強的天線能夠?qū)⒏嗟哪芰考性谔囟ǚ较蛏?，從而提高總輻射功率?/p>

通過合理選擇和優(yōu)化天線的 TRP，可以提高系統(tǒng)的覆蓋范圍和信號強度，優(yōu)化整體性能。

2.4 那什么是EIRP？

EIRP全稱是各項同性輻射功率，英文就是Effective Isotropic Radiated Power，表示天線在特定方向上的有效輻射功率。EIRP一般是指天線最大輻射方向上的功率。

EIRP的計算：

Pt是Tx發(fā)射功率，單位是dB；

Gt是天線的增益，單位是dB；L是傳輸損耗，單位是dB。在實際應用中，EIRP 通常用分貝瓦特（dBm）表示。例如，如果發(fā)射功率為 10 W（40 dBm），天線增益為 15 dBi，傳輸損耗為 2 dB，則：EIRP=40+15-2=53dBmEIRP 是衡量天線在特定方向上輻射能力的重要指標，它綜合考慮了發(fā)射功率、天線增益和傳輸損耗。在無線通信、雷達和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域，EIRP 是設(shè)計和優(yōu)化系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。通過合理選擇和優(yōu)化 EIRP，可以提高系統(tǒng)的覆蓋范圍和信號強度，優(yōu)化整體性能。

小結(jié)

天線是最常用的射頻器件之一，幾乎任何一個無線通信設(shè)備中都有天線，認識天線，理解天線，掌握天線。