微波与天线相关问题100问[51-75]

东北人-297391

继续我们的天线100问，由于时间的限制我整理了51-75问。还望大家谅解。

51、天线隔离度
指一个天线发射信号，通过另一个天线接收的信号与该发射天线信号的比值。天线的隔离度取决于天线辐射方向图、天线的空间距离、 天线增益等。

52、dBd 和 dBi的区别
一个天线与对称振子相比较的增益
用“dBd”表示
一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示
例如:    3dBd   =   5.17dBi

53、板状天线增益与水平波瓣宽度



54、天线增益与方向图半功率波瓣宽度的关系

55、关于传输线的几个基本概念
连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。
因此它应能将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求传输线必须屏蔽或平衡。
当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做长传输线，简称长线。

56、通信距离方程
设发射功率为PT，发射天线增益为GT，工作波长为λ。接收灵敏度为PR，接收天线增益为GR，如果收、发天线间距离为R，电波在无环境干扰时，有以下关系：

式中，L0 是传播途中的电波损耗。
举例：设PT =10mW=-20dBW ；PR=-50dBm=-80dBW GR=GT=7dBi ； λ=0.157m (f0  =1910MHz)  L0=0时，R=？
       20logR= PT - PR - 20log1/λ+ GR + GT
             =-20+80-21.98-16.08+14=35.94dB
      1.9GHz电波在穿透一层墙时，大约损失10~15dB。

57、关于三阶互调指标
互调是指非线性射频线路中，两个或多个频率混合后所产生的噪音信号。互调产生的本来并不存在“错误”信号，此信号会被系统误认为是真实的信号。互调可由有源元件（无线电设备、二极管）或无源元件（电缆、接头、天线、滤波器）引起。
具有两个载波信号的互调失真频率实例
频率A及B上的载波，产生如下互调信号：
1阶：  A，B
2阶： （A+B），（A-B）
3阶： （2A±B），（2B ±A）
4阶： （3A±B），（3B ±A），（2A±2B）
5阶： （4A±B），（4B ±A），（3A±2B），（3B ±2A）

58、互调失真如何影响系统的性能？
较高功率的发射信号通常会混合产生互调信号，最后进入接收波段。而基站天线接收的信号通常功率较低。如果互调信号与实际的接收信号具有相近或较高的功率，系统会误把互调信号视为真实信号。

59、互调是如何产生的？
构件材料
因为磁滞的关系，铁质材料是属非线性的
材料不纯
电镀问题
接触区域/电流密度
触点压力

60、对称振子的粗细对电性能的影响
根据仿真结果表明：一、振子半径的变化对于在某一个固定频点上的阻抗值变化还是非常大的。二、如果我们假设天线是纯阻性的，那么阻抗值可以变化到2倍左右，具体到底能变化到多少，现在未知。三、一般情况下是不能为纯阻性的。从图二可以看出，天线的效率也是可以提高的。四、振子的半径变化对谐振点的变化也起作用。中心频点相差将近100MHz。

61、片状振子单极天线性能
随着振子面积的缩小，天线的中心频点也在降低，同时天线的带宽比越来越小，至于长宽比为0.75时效果最好，这是因为我们用的是有限地板，而非无限地板。中心频点的漂移在到300M以上。那么，天线振子的长度又决定什么了呢？长度决定的是低频点（因为上述模型的径向长度相同），这也对单极天线的设计提出了新的思路。

62、关于天线负增益问题  
首先，我们回顾一下天线增益的定义：指在输入功率相同的情况下，实际天线与理想辐射单元在空间某一点处得功率密度之比。有定义可知，天线增益是一个比值，一个相对而言的概念。它的单位通常有两种：dBd（相对于对称阵子天线），dBi（相对于点源天线，在各方向上是均匀的），它们的关系是：bBi = dBb + 2.15。
      天线即是一个对空间信号收发的转换装置。接收时，以一定的分布特性聚集空间电磁波信号并转化为电信号（收集空间能量）；发射时，以一定的分布特性将电信号以电磁波的方式向空间发射（辐射能量）。那么，天线增益即是反应了这种接收与发送能量的程度。一般，我们引入天线增益也就是为了说明天线朝一个特定方向收发能量的能力。天线增益和天线方向图有密切关系，主瓣越窄，副瓣越小，增益越高（在这个方向上的收发信号能力越强）！
      就计算而言，天线增益 = 天线效率 * 天线方向性。天线方向性是恒大于1的，而天线效率可能小于1，取对数后就为负值，如果天线效率过于低就会使得天线增益为负值。从实际效果看就是相当于一个衰减器（这只是一种比方，其本质并非衰减器）。那么系统电路的增益是放大器增益与天线增益之和（dB形式）。对于像我一样的初学者可能不能理解为什么天线增益要是负值，这样不是会使得信号衰减吗？其实实际中很多地方的天线其增益都是负值（手机天线增益就是负值），这有些是天线尺寸过小导致，也有些是实际中需要用到负增益。
63、电压驻波比、反射功率、传输功率
电压驻波比 1．0    1．1   1．2   1．5   2．0    3．0
反射功率%       0       0．2   0．8   4．0   11．1   25．0
传输功率%    100     99．8  99．2  96      88．9  75．0
64、不对称天线
我们知道偶极天线每臂电气长度应为1/4波长。那么如果两臂长度不同，它的谐振波长如何计算？是否会出现两个谐振点？
如果想清了上述琴弦的例子，答案就清楚了。系统总长度不足3/4波长的偶极天线（或者以地球、地网为镜象的单臂天线）只有一个谐振频率，取决于两臂的总长度。两臂对称，相当于在阻抗最低点加以驱动，得到的是最低的阻抗。两臂长度不等，相当于把弓子偏近琴马拉弦，费的力不同，驱动点的阻抗比较高一些，但是谐振频率仍旧是一个，由两臂的总长度决定。如果偏到极端，一臂加长到1/2波长而另一臂缩短到0，驱动点阻抗增大到几乎无穷大，则成为端馈天线，称为无线电发展早期用在汽艇上的齐柏林天线和现代的1/2波长R7000垂直天线，当然这时必须增加必要的匹配电路才能连接到50欧姆的低阻抗发射机上。
偶极天线两臂不对称，或者两臂周围导电物体的影响不对称，会使谐振时的阻抗变高。但只要总电气长度保持1/2波长，不对称不是十分严重，那么虽然特性阻抗会变高，一定程度上影响VSWR，但是实际发射效果还不至于有十分明显的恶化。
65、射频中的回波损耗，反射系数，电压驻波比以及S参数的含义和关系
回波损耗，反射系数，电压驻波比, S11这几个参数在射频微波应用中经常会碰到, 他们各自的含义如下:
回波损耗(Return Loss):  入射功率/反射功率, 为dB数值
反射系数(Г):  反射电压/入射电压, 为标量
电压驻波比(Voltage Standing Wave Ration): 波腹电压/波节电压
S参数: S12为反向传输系数，也就是隔离。S21为正向传输系数，也就是增益。S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗，S22为输出反射系数，也就是输出回波损耗。
四者的关系：
VSWR=(1+Г)/(1-Г)            (1)
S11=20lg(Г)                      (2)
RL=-S11                           (3)
以上各参数的定义与测量都有一个前提，就是其它各端口都要匹配。这些参数的共同点：他们都是描述阻抗匹配好坏程度的参数。其中，S11实际上就是反射系数Г，只不过它特指一个网络1号端口的反射系数。反射系数描述的是入射电压和反射电压之间的比值，而回波损耗是从功率的角度来看待问题。而电压驻波的原始定义与传输线有关，将两个网络连接在一起，虽然我们能计算出连接之后的电压驻波比的值，但实际上如果这里没有传输线，根本不会存在驻波。我们实际上可以认为电压驻波比实际上是反射系数的另一种表达方式，至于用哪一个参数来进行描述，取决于怎样方便，以及习惯如何。
66、环形天线馈电方式


67、天线输入阻抗和辐射效率
天线输入阻抗是天线输入端口电压和电流的比值，它不仅仅由天线自身的形状和尺寸决定，而且与天线使用环境有关，例如，天线附近是否由其他天线和引起反射的障碍物等等。在阵列天线中相邻天线之间存在互耦作用，障碍物的反射要改变天线驻波比。天线测量中总是假定天线是在理想环境中，既没有相邻天线，也没有引起反射的障碍物。天线输入阻抗一般有两部分：输入电阻和输入电抗

输入电阻表示能量损耗，它由两部分组成，其一是辐射到自由空间去的能量；其二是欧姆损耗，包括金属损耗，介质损耗和加载电路损耗，这部分损耗转变为热能。对于电小天线来说，欧姆损耗有可能远大于辐射能量，这使得天线辐射效率很低。
68、对称振子
对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子 。另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子。
69、天线方向性增强
若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈”，把信号进一步集中到在水平面方向上。 也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向，平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用------反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源。
70、上旁瓣抑制
对于基站天线，人们常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向图中，主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些。这就是所谓的上旁瓣抑制。基站的服务对象是地面上的移动电话用户，指向天空的辐射是毫无意义的。
71、天线的工作频率范围（频带宽度）
无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义------
一种是指：在驻波比SWR ≤1.5 条件下，天线的工作频带宽度；
一种是指：天线增益下降3 分贝范围内的频带宽度。
在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR不超过1.5 时，天线的工作频率范围。
一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上， 天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。
72、 有损耗传输线与天线匹配
有耗线中，能量有衰减。
沿线的反射系数、驻波比均不一样。

73、Chu极限定理
Chu极限定理认为，电小尺寸天线的Q值取值范围由以下公式表达：

式中k为波数，r为天线最大方向上的尺寸。
根据Chu极限定理，我们可以得到如下重要概念：由于Q值与带宽成反比，与天线最大尺寸的三次方也成反比，而天线尺寸的三次方又反映天线占用的空间大小。因此电小天线所能达到的最大带宽与天线占用的空间成正比。因此，对电小天线设计而言，要获得大的带宽，必须保证为电小天线预留足够的空间。
74、降低天线和匹配电路的损耗电阻
当天线的电尺寸较大时，天线的热耗相对天线的辐射而言不大，因为其效率高，但当天线尺寸减小时，其辐射较弱，天线本身的损耗也就相应突出。当然，可以设法使用低耗元件（如电容）来降低其损耗。
手机设计时降低匹配电路损耗电阻的措施有：尽量不使用匹配元件或使用低耗匹配元件；尽量使RF模块靠近天线馈点，缩短馈线的长度；尽量使用PCB阻抗线而不要使用同轴电缆等。
75、电小天线常用的分析方法
1． 集总参数分析法
这种分析方法的基本思想是，将天线看作终端开路的传输线，并用集总电感或电容等效传输线的分布参数。这种分析方法不很严格，并且对复杂形状的天线往往较难于分析，但是较为直观，可以帮助我们作出定性的判断。当天线的尺寸小于弧度长 时，天线就相当于一个电容或电感，忽略热损耗，则等效阻抗中的实部就表示天线的辐射。匹配带宽正比于谐振带宽。
2． 模式分析法
即将天线辐射看作TM传输模，求解麦克斯韦方程。这种分析方法较复杂，需要求解较为烦杂的积分方程。
3． 电流分布分析法
即将天线上的电流划分为若干条细小的线电流，分别求解每条线产生的阻抗然后求解积分方程，这也是一种近似方法，计算也比较复杂。

      
（本文内容为东北人原创，不经允许，谢绝任何形式的转载）

主讲人简介：
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网名：东北人。从事天线设计十余载，在RF社区和大家共同探讨天线仿真，主要使用软件是CST，希望分享个人经验与君共勉，其中不足之处希望和广大工程师朋友一起讨论，共同进步。人生格言“健康工作，快乐生活”，每天坚持跑步5千米！

其它讲解请参照：听东北人讲天线，每周一个实例，个个经典！>>
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