天线入门
小天線的工作環(huán)境往往很惡劣，當環(huán)境變化時，反射到天線中的電抗成分也隨之變化，從而引起天線的失諧、失配，因此在小天線設計中要考慮選擇合適的匹配電路，進行阻抗匹配。
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什么是阻抗匹配？
在天線的調試中，我們經(jīng)常聽到阻抗匹配這個名詞，但是它到底是什么，在實際中是怎么運用的？希望通過這節(jié)的講解，能讓大家有個了解。
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阻抗匹配在高頻設計中是一個常用的概念，是微波電子學里的一部分，主要用于傳輸線上，來達到所有高頻的微波信號皆能傳至負載點的目的，不會有信號反射回來源點，從而提升能源效益。
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阻抗=電阻+電抗
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阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世界中，物體對電流阻礙的作用叫做電阻，世界上所有的物質都有電阻，只是電阻值的大小差異而已。但是在交流電的領域中則除了電阻會阻礙電流以外，電容及電感也會阻礙電流的流動，這種作用就稱之為電抗，意即抵抗電流的作用。電容、電感的電抗分別稱作電容抗和電感抗，簡稱容抗和感抗。它們的計量單位與電阻一樣是歐姆，其值的大小和交流電的頻率有關系。
???????感抗：XL=ωL=2πfL
? ? ? ?當ω=0時，XL=0；電感的作用：“通直流、阻交流”或者“通低頻，阻高頻”
???????容抗：Xc＝1/ωC=1／(2πfC)
? ? ? ?當ω=0時，XL=∞；電容的作用：“通交流、阻直流”或者“通高頻，阻低頻”
? ? ? ?頻率愈高則容抗愈小感抗愈大，頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。
? ? ? ?此外電容抗和電感抗還有相位角度的問題，具有向量上的關系式，因此才會說：阻抗是電阻與電抗在向量上的和。
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阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。
在純電阻電路中，當負載電阻等于激勵源內(nèi)阻時，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。
當激勵源內(nèi)阻抗和負載阻抗含有電抗成分時，為使負載得到最大功率，負載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關系，即電阻成分相等，電抗成分只數(shù)值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。
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阻抗匹配有兩種，一種是透過改變阻抗力（lumped-circuit matching），另一種則是調整傳輸線的波長（transmission line matching）。
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高速 PCB布線時，為了防止信號的反射，要求是線路的阻抗為50歐姆。這是個大約的數(shù)字，一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆，對絞線則為100歐姆，只是取個整而已，為了匹配方便.
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什么是史密斯圓圖（Smith Chat）？
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目前有很多種阻抗匹配的方法，包括:?
???計算機仿真:?由于這類軟件是為不同功能設計的而不只是用于阻抗匹配，所以使用起來比較復雜。設計者必須熟悉用正確的格式輸入眾多的數(shù)據(jù)。設計人員還需要具有從大量的輸出結果中找到有用數(shù)據(jù)的技能。另外，除非計算機是專門為這個用途制造的，否則電路仿真軟件不可能預裝在計算機上。 ?
????手工計算:?這是一種極其繁瑣的方法，因為需要用到較長(“幾公里”)的計算公式、并且被處理的數(shù)據(jù)多為復數(shù)。 ?
????經(jīng)驗:?只有在RF領域工作過多年的人才能使用這種方法。總之，它只適合于資深的專家。 ?
史密斯圓圖:?本文要重點討論的內(nèi)容。
因為本文重點介紹使用，所以關于原理方面在這不做詳述，有興趣的同學可以自行學習。Smith圖上可以反映出如下信息： 阻抗參數(shù)Z，導納參數(shù)Y，品質因子Q，反射系數(shù)，駐波系數(shù)，Snn散射參數(shù)，噪聲系數(shù)，增益，穩(wěn)定因子，功率，效率，頻率信息等抗、駐波比、品質因數(shù)等參數(shù)。先來了解下，Smith的一些特征必須牢記的知識：
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利用矢量網(wǎng)絡分析儀調試電小天線的匹配調試，在實際操作時要注意哪些細節(jié)呢？
1.相位的校準。在制作治具時，我們會引入一段同軸線，在調試時，就需要把這段線長校準到系統(tǒng)里面去，避免線長帶來的相位誤差。
2.我們希望反射系數(shù)的絕對值小于1/2（駐波比小于3），即反射系數(shù)落入史密斯圓圖的藍色區(qū)域中（如下圖）
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3.關于帶寬。把需要匹配的點拉到中心點時，盡量避免驟降。但是緩慢降落，又會增加元器件的個數(shù)，從而增加元器件帶入的額外損耗，所以在調試時需要有取舍
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天線參數(shù)
?一副好的天線需要解決三個方面的問題：匹配、方向性和極化方向（我們常見的，匹配就是電路參數(shù)，而方向性和極化方向就是輻射參數(shù)）。
從上面我們可以看到，天線的指標參數(shù)分為兩部分：
1.電路參數(shù)，天線高效率輻射的保證，天線應用的必要條件
2.輻射參數(shù)，天線應用的本質，天線應用的充分條件
下面將每部分的參數(shù)做介紹（終端小天線大多數(shù)時候較強調電路參數(shù)）。
電路參數(shù)：
一、駐波比（Voltage Standing Wave Ratio）：全稱電壓駐波比，又名VSWR和SWR
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概念： 天線輸入端處，駐波波腹電壓幅度最大值/駐波波節(jié)電壓幅度最小值。
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?注：
1.駐波的形成：入射波的一部分能量反射回來形成反射波，入射波和反射波合成，形成駐波、
2.它是一個數(shù)值，用來表示天線和傳輸線是否匹配。
3. 取值范圍：1~∞。VSWR越大，反射越大，匹配越差； 理想比例為 1:1 （即輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗,但幾乎不可能達到，電小天線一般要求S<3） ??
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? ?如果 SWR =1，則表示發(fā)射傳輸給天線的電波沒有任何反射，全部發(fā)射出去，這是最理想的情況；
? ?如果SWR >1， 則表示有一部分電波被反射回來，最終變成熱量，使得饋線升溫。被反射的電波在發(fā)射臺輸出口也可產(chǎn)生相當高的電壓，有可能損壞發(fā)射臺。
4.駐波比是由天饋系統(tǒng)的阻抗決定的
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【小課堂：
?天饋系統(tǒng)包括：天線、饋線、無源和有源器件（如轉換頭、耦合器、電橋、功率放大器）
越小的駐波比意味著越精密的設計和加工工藝，也就是更高的成本。一個適當?shù)鸟v波比要在損失能量與制造成本建折中權衡，由于阻抗的不匹配噪聲效率小于1。】
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二、回波損耗（Return Loss）：又稱為反射損耗。
概念：傳輸線端口的反射波功率/入射波功率。
注：
1、以對數(shù)形式來表示，單位是dB，一般是負值 ，其絕對值可以稱為反射損耗 ???????????????????????????????
2、0：全反射（開路或短路），無窮為無反射（全吸收）
3、電壓駐波比與回波損耗兩者的關系
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【小知識：
S參數(shù):
??S12為反向傳輸系數(shù)，即隔離度
?S21為正向傳輸系數(shù)，即增益
?S11為輸入反射系數(shù)，即輸入回波損耗
?S22為輸出反射系數(shù)，即輸出回波損耗。
】
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三、隔離度：指一個端口的輸入功率耦合到另一個端口上的輸出功率比值，這一概念是針對多端口的天線。
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注：理想的隔離度應該是無窮大。
功率容量：輸入天線的最大能確保天線不損壞且能正常工作的平均功率
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四、無源互調：
什么是互調呢？互調指非線性射頻線路中，兩個或多個頻率混合后所產(chǎn)生的噪聲信號。無源互調是指接頭、饋線、天線、濾波器等無源部分工作在多個頻率的大功率信號條件下由于部件本身存在非線性而引起的互調效應，也稱無源交調。
互調干擾的必要條件：足夠強的互調信號電平+能夠落入到系統(tǒng)接收頻帶
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互調指標反映供應商天線產(chǎn)品的綜合水平，特別是物料生產(chǎn)及裝配過程的質量控制能力。
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輻射參數(shù)
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一、方向圖(pattern)：天線輻射特性（場強振幅、相位、極化）與空間較大關系的圖形。
?功率方向圖：與天線相同距離各點的輻射功率通量密度隨空間方向分布的圖形
?場強方向圖：與天線相同距離各點的電場強度隨空間方向分布的圖形。
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?二、增益（Gain）：
概念：天線在某一規(guī)定方向上的輻射功率通量密度與參考天線在相同輸入功率時最大輻射功率通量密度的比值。
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注：
1.不做特殊說明，天線增益均是指最大輻射方向的增益
2.它表征將輸入給它的功率按特定方向輻射的能力。
3.同等條件下，增益越高，方向性越好，電波傳播的距離越遠，即覆蓋的距離增加。但是波速寬度會別壓縮，波瓣越窄，從而導致覆蓋的均勻性變差。
4.它是選擇基站天線最重要的參數(shù)之一。
5.天線是無源器件，不能產(chǎn)生能量。天線增益只是將能量有效集中向某特定方向輻射或接受電磁波的能力。
6.天線的增益由振子疊加而產(chǎn)生。增益越高，天線長度越長。
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三、極化方式：
概念：描述電磁場強矢量空間指向的一個輻射特性。 ??
沒有特殊說明，通常以電場矢量的空間指向作為電磁波的極化方向，且指該天線的最大輻射方向上的電場矢量。
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如果電波的電場方向垂直于地面，我們就稱它為垂直極化波。如果電波的電場方向與地面平行，則稱為水平極化波。
移動通信系統(tǒng)通常用垂直極化，廣播系統(tǒng)常用水平極化，衛(wèi)星通信用橢圓極化。
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四、前后比：天線在主瓣方向與后瓣方向信號輻射強度之比。
天線的后向180°±30°以內(nèi)的副瓣最大電平與主瓣波束電平之差。
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一般情況下，數(shù)值越大越好，單位了保證切換正常，在快速移動的使用場合時，不宜太大。
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五、交叉極化比：極化分集效果優(yōu)劣的指標。
注：它是針對單極化天線或雙極化天線的一個“單極化部分”，而不是針對雙極化天線
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六、副瓣抑制：也稱旁瓣抑制，抑制同頻干擾或導頻污染的輔助指標。能有效降低干擾，改善語音質量，提高系統(tǒng)容量。
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【副瓣：天線的主平面方向圖中，除了主瓣外，波主瓣小的所以輻射瓣都稱副瓣；緊鄰主瓣的副瓣稱為第一副瓣。】 ????
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七、零點填充
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【零點：又稱零深，指主瓣與副瓣、副瓣與副瓣之間的凹點。】主瓣與第一副瓣之間的凹點稱為第一零深。在天線設計時，由于第一個零深會影響通信，所以需要對該點進行適當填充（有限減少覆蓋的盲點），就可能減少掉話率。但零點填充要適可而止，當對零點填充要求較高時，增益損失較大，得不償失。對于低增益天線，由于波瓣較寬，應用時通常下傾角較大，下旁瓣不參與覆蓋，不需要進行零點填充（多徑的影響，導致近距離零點效應不明顯或者消失）。
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八、半功率波束寬度（half power beam width）：也叫3dB波束寬度。
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在主平面（E或H面）方向圖把功率下降至一半時的角域寬度。水平面的半功率波束寬度叫水平面波束寬度；垂直面的半功率波束寬度叫垂直波束寬度。
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垂直波束寬度決定了距離覆蓋的均勻性。在增益一定的前提下，波束越寬，覆蓋越均勻。天線是一種能量集中的裝置，在某個方向輻射的增強，意味著其他方向的減弱，通常可通過水平面波束寬度的縮減來增強某個方向的輻射強度來提高天線的增益。。
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九、電下傾角度：天線最大輻射方向與水平法線之間的夾角。
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傳統(tǒng)的傳導測試和無源測試不能滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展和現(xiàn)實需求，需要更精密的測試理論和測試方法，于是CTIA制定了OTA（over the air）測試規(guī)范。OTA測試綜合考察了終端與天線一起的性能，驗證無線設備和網(wǎng)絡的連接能力 ，以及使用者對輻射和接收性能的影響。其特點是多點測試，真是模擬基站和人實際使用的場景。
目前OTA測試主要是針對手機終端，測試包括TRP和TIS。
TIS&TRP
TIS:total istropic sensitivity：全向接收靈敏度
反映在整個輻射球面手機接收靈敏度指標。反映整機的接收靈敏度的情況。
注：與傳導靈敏度和天線的輻射性能有關。
TRP：total radiated power:全向輻射功率
通過對整個輻射球面的發(fā)射功率進行面積分，求平均值得到。反映整機的發(fā)射功率情況。
注：與終端產(chǎn)品的傳導情況下的發(fā)射功率和天線輻射性能有關
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信息技術的飛速發(fā)展，大眾在享受無線通信設備帶來的各種便利之時，也日益關注無線通信終端的電磁輻射對人體健康的影響。由于FTA測試沒有測試天線的性能，不能體現(xiàn)人頭手對手機射頻性能的影響，不能真實評價手機的射頻性能，因此各國政府部門、電信法規(guī)機構等要求將電磁波輻射降低至一個合適的水平。于是又出現(xiàn)了SAR的測試
SAR（Specific Absorption Rate）:一般稱為電磁波吸收比值或比吸收率。
定義：在外電磁場的作用下，人體內(nèi)產(chǎn)生感應電磁場。單位為W/kg或mW/g
意義：單位質量的人體組織所吸收或消耗的電磁功率
注：反映天線的近場輻射性能。
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①?職業(yè)照射：在每天8h工作期間內(nèi)，任意連續(xù)6min按全身平均的比吸收率（SAR）應小于0.1W/kg。
② 公眾照射：在一天24h內(nèi)，任意連續(xù)6min按全身平均的比吸收率（SAR）應小于0.02W/kg。
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HAC（Hearing Aid Compatibility）:助聽器兼容性
測試目的：為了避免數(shù)字移動電話機在通信過程中其在天線周圍所形成的電磁場對殘障人士使用的助聽器造成的影響。
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聯(lián)邦通信委員會（FCC）的規(guī)定，每個廠商所生產(chǎn)的大部分手機都必須符合HAC兼容（M3-4和T3-4）
總結
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