一文了解天线基础

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5G通信技术下,物联网应用场景大量爆发。无线通信技术大放异彩,最前面的自然是天线。众所周知,天线是基站和手机发射信号用的。天线这个词的英文是Antenna,是触须的意思。触须就是昆虫头顶上的两根细长的丝,这东西虽然不太起眼,但是昆虫正是由这些触角发送的各种化学信号来传递各种社交信息的。与此类似,在人类世界里,无线通信也是通过天线来传递信息的,只不过传递的是承载着有用信息的电磁波。 接下来就让我们对天线有一个整体的了解。
 
极化
 
极化所定义的是电磁波在传输中所运行的轨迹方向和规律,百度定义为就是指天线辐射时形成的电场强度方向。
 
常见的极化方式为线性极化和圆极化,圆极化中我们同时引进了失量的概念。
 
线性极化:线性极化是最常见的天线极化形式,它的特点是所有辐射都在一个平面上。
 
圆极化:天线辐射的电磁波绕传播方向沿着圆形或椭圆形路径转动向前传播。
 
线极化:垂直极化,水平极化(+/- 45°极化);
 
圆极化:左旋圆极化,右旋圆极化。
 
水平极化:这种形式的天线极化具有水平元素,它拾取并辐射水平极化信号,即具有水平面电场的电磁波。
 
垂直极化:这种形式的天线以天线内的垂直元件为代表,它可以是单个垂直元素,使用垂直极化的原因之一是由单个垂直元件组成的天线可以在水平面内围绕它均匀地辐射。通常,垂直极化天线具有所谓的低辐射角,使得它们的大部分功率能够以接近地球表面的角度进行辐射,垂直极化天线也非常方便用于汽车。
 
天线基础
 
右手圆极化:在这种极化形式中,矢量以右手方式旋转。
 
左旋圆极化:在这种极化形式中,矢量以左旋方式旋转,即与右旋相反。
 
如何判断天线的极化方式:
 
水平和垂直极化比较好判定,根据上述的定义,比如以现有的基站天线为例子,是以大地做为参考面,垂直极化说明基站天线辐射单元的电流方向是垂直地面的,而水平极化的天线辐射单元的电流方向是平行地面。在仿真模型中,选择的坐标系中,观看天线辐射单元的电流方向,很容易看出极化方式。
 
圆极化判定主要的是看轴比,轴比小于3dB就可以看成是圆极化,但是这儿所说的小于3dB不是指的天线360°上都小于3dB,而是指的辐射范围内的轴比小于3dB。
 
轴比的定义是椭圆长轴和短轴之比,根据定义我们也能看出,轴比能判定是否是圆极化,但是没法判定是左旋还是右旋,也不能判定是x方向或y方向的线极化,具体想要看是哪种极化,就要用HFSS里的极化方向图去看了。
 
天线的方向图
 
天线的辐射电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形,称为方向图。完整的方向图是一个三维空间图形,习惯上采用极坐标绘制,以天线相位中心为球心(坐标原点),角度表示方向,矢径长度表示测量的辐射特性(如:场强、增益等)的大小。用辐射场强表示的称为场强方向图,用功率密度表示的称之功率方向图,用相位表示的称为相位方向图。
 
天线方向图是空间立体图形,但是通常应用的是两个互相垂直的主平面的方向图,称为平面方向图。在线性天线中,由于地面影响较大,都采用垂直面和水平面作为主平面。在面型天线中,则采用E平面和H平面作为两个主平面。归一化方向图取最大值为1。
 
在方向图中,包含所需最大辐射方向的辐射波瓣叫天线主波瓣,也称天线波束。主瓣之外的波瓣叫副瓣或旁瓣或边,与主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣,下图1是全向天线水平波瓣和垂直波瓣图,其天线外形为圆柱型;下图2是定向天线水平波瓣和垂直波瓣图,其天线外形为板状。
 
天线基础 
图 1
 
天线基础
图 2
 
1、天线方向的特征参数
 
为了方便对各种天线的方向图特性进行比较,就需要规定一些特性参数。主要包括:主瓣宽度,旁瓣电平,前后比,方向系数等。
 
1、主瓣宽度:是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。通常取天线方向图主瓣两个半功率点之间的宽度。
 
2、旁瓣电平:是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣的电平。
 
3、前后比:是指最大辐射方向(前向)电平与其相反方向(后向)电平之比。
 
4、方向系数:在离天线某一距离处,天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度之比。
 
2、天线方向的作图
 
天线的方向图是表征天线辐射特性(场强振幅、相位、极化)与空间角度关系的图形。完整的方向图是一个三维的空间图形,它是以天线相位中心为球心(坐标原点),在半径r足够大的球面上,逐点测定其辐射特性绘制而成。
 
天线基础
测量方向图的坐标
 
测量场强振幅,就得到场强方向图;测量功率,就得到功率方向图;测量极化,就得到极化方向图;测量相位,就得到相位方向图。三维空间方向图的测绘十分麻烦,实际工作中,一般只需测得水平面和垂直面(即XY平面和XZ平面)的方向图就行了。
 
天线方向图可以用极坐标绘制,也可以用直角坐标绘制。极坐标方向图的特点是直观、简单,从方向图可以直接看出天线辐射场强的空间分布特性。
 
天线基础
 
 方向图的表示法 (a)                            极坐标 (b)直角坐标
 
但当天线方向图的主瓣窄而副瓣电平低时,直角坐标绘制法显示出更大的优点。因为表示角度的横坐标和表示辐射强度的纵坐标均可任意选取,例如即使不到1°的主瓣宽度也能清晰地表示出来,而极坐标却无法绘制。上图所示为同一天线方向图的两种坐标表示法。
 
天线的隔离度
隔离度只用来描述双(多)极化天线,它描述的是两个极化的信号相互影响的程度,单位为dB。
 
天线基础
 
举个例子:
 
30dB的隔离度,意味着1/1000的信号从一个端口泄漏到另一个端口,
即10lg(1/1000)=-30dB。
 
天线的增益
 
天线在某一规定方向上的辐射功率通量密度与参考天线在相同输入功率时最大辐射功率通量密度的比值。需要注意以下几点:
 
1、如果不是特别标注,天线增益均是指最大辐射方向的增益;
2、 同等条件下,增益越高,方向性越好,电波传播的距离越远,即覆盖的距离增加。但是波速宽度会别压缩,波瓣越窄,从而导致覆盖的均匀性变差。
3、 天线是无源器件,不能产生能量。天线增益只是将能量有效集中向某特定方向辐射或接受电磁波的能力。
 
天线增益一般用dBi表示,i表示各向同性(isotropic),即任意的天线所发射的信号强度与各项同性天线(Isotropic Antenna)的比值。各向同性天线是一个理论天线,其在各方向上的信号强度相同。
 
天线增益和方向性系数常用dB、dBi、dBd表示;dB和dBi单位参数标准是全向天线,dBd参考标准是半波偶极子天线;dBi=dB=2.15+dBd。
 
天线的效率
 
由于天线系统中存在导体损耗、介质损耗等,所以实际辐射到空间的电磁波功率要比发射机输送到天线的功率小。天线效率就是表征天线将输入高频能量转换为无线电波能量的有效程度,定义为天线辐射功率和输入功率的比值。
 
天线的TRP、TIS、OTA、SAR
 
TRP——Total Radiated Power,全向辐射功率。
 
通过对整个辐射球面的发射功率迚行面积分取平均得到;
 
反映手机在3维空间实际工作状态下的发射功率性能;
 
跟手机在导情况下的发射功率和天线辐射性能有关。
 
TIS——Total Isotropic Sensitivity,全向接收灵敏度。
 
通过对整个辐射球面的发射灵敏度迚行面积分取平均得到;
 
反映手机在3维空间实际工作状态下的接收灵敏度性能跟手机的传导灵敏度、手机内部高频干扰以及天线的辐射性能有关。
 
OTA测试
 
手机天线测试包含无源测试和有源测试两种,无源测试就是测量驻波比、回波损耗、方向图、效率等参数;有源测试是模拟实际通话过程中测量天线的性能,具体是使用综测仪和手机保持通信连接,测量手机发射功率和灵敏度。
 
有源测试即常说的OTA测试,OTA——Over The Air。
 
SAR
 
SAR ——Specific Absorption Rate,比吸收率。
 
定义为单位质量的人体组织所吸收或消耗的电磁功率,单位为W/kg;美国标准为1.6 W/kg,欧洲标准为2.0 W/kg。
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