天线设计工程师入门之：天线参数

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上一节，了解了什么是天线及它的工作原理，那怎么样衡量一副天线的好坏？

一副好的天线需要解决三个方面的问题：匹配、方向性和极化方向（我们常见的，匹配就是电路参数，而方向性和极化方向就是辐射参数）。

从上面我们可以看到，天线的指标参数分为两部分：
1.电路参数，天线高效率辐射的保证，天线应用的必要条件
2.辐射参数，天线应用的本质，天线应用的充分条件

下面将每部分的参数做介绍（终端小天线大多数时候较强调电路参数）。

电路参数：

一、驻波比（Voltage Standing Wave Ratio）：全称电压驻波比，又名VSWR和SWR

概念：天线输入端处，驻波波腹电压幅度最大值/驻波波节电压幅度最小值。

注：
1.驻波的形成：入射波的一部分能量反射回来形成反射波，入射波和反射波合成，形成驻波、
2.它是一个数值，用来表示天线和传输线是否匹配。

3. 取值范围：1~∞。VSWR越大，反射越大，匹配越差；理想比例为 1:1 （即输入阻抗等于传输线的特性阻抗,但几乎不可能达到，电小天线一般要求S<3）

如果 SWR =1，则表示发射传输给天线的电波没有任何反射，全部发射出去，这是最理想的情况；
如果SWR >1，则表示有一部分电波被反射回来，最终变成热量，使得馈线升温。被反射的电波在发射台输出口也可产生相当高的电压，有可能损坏发射台。
4.驻波比是由天馈系统的阻抗决定的

【小课堂：

天馈系统包括：天线、馈线、无源和有源器件（如转换头、耦合器、电桥、功率放大器）
越小的驻波比意味着越精密的设计和加工工艺，也就是更高的成本。一个适当的驻波比要在损失能量与制造成本建折中权衡，由于阻抗的不匹配噪声效率小于1。】

二、回波损耗（Return Loss）：又称为反射损耗。

概念：传输线端口的反射波功率/入射波功率。

注：
1、以对数形式来表示，单位是dB，一般是负值，其绝对值可以称为反射损耗
2、0：全反射（开路或短路），无穷为无反射（全吸收）
3、电压驻波比与回波损耗两者的关系

【小知识：
S参数:
S12为反向传输系数，即隔离度
S21为正向传输系数，即增益
S11为输入反射系数，即输入回波损耗
S22为输出反射系数，即输出回波损耗。
】

三、隔离度：指一个端口的输入功率耦合到另一个端口上的输出功率比值，这一概念是针对多端口的天线。

注：理想的隔离度应该是无穷大。
功率容量：输入天线的最大能确保天线不损坏且能正常工作的平均功率

四、无源互调：

什么是互调呢？互调指非线性射频线路中，两个或多个频率混合后所产生的噪声信号。无源互调是指接头、馈线、天线、滤波器等无源部分工作在多个频率的大功率信号条件下由于部件本身存在非线性而引起的互调效应，也称无源交调。
互调干扰的必要条件：足够强的互调信号电平+能够落入到系统接收频带

互调指标反映供应商天线产品的综合水平，特别是物料生产及装配过程的质量控制能力。

辐射参数

一、方向图(pattern)：天线辐射特性（场强振幅、相位、极化）与空间较大关系的图形。

功率方向图：与天线相同距离各点的辐射功率通量密度随空间方向分布的图形
场强方向图：与天线相同距离各点的电场强度随空间方向分布的图形。

二、增益（Gain）：

概念：天线在某一规定方向上的辐射功率通量密度与参与天线在相同输入功率时最大辐射功率通量密度的比值。

注：
1.不做特殊说明，天线增益均是指最大辐射方向的增益
2.它表征将输入给它的功率按特定方向辐射的能力。
3.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。
4.它是选择基站天线最重要的参数之一。
5.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。
6.天线的增益由振子叠加而产生。增益越高，天线长度越长。

三、极化方式：

概念：描述电磁场强矢量空间指向的一个辐射特性。

没有特殊说明，通常以电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向，且指该天线的最大辐射方向上的电场矢量。

如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称为水平极化波。
移动通信系统通常用垂直极化，广播系统常用水平极化，卫星通信用椭圆极化。

四、前后比：天线在主瓣方向与后瓣方向信号辐射强度之比。

天线的后向180°±30°以内的副瓣最大电平与主瓣波束电平之差。

一般情况下，数值越大越好，单位了保证切换正常，在快速移动的使用场合时，不宜太大。

五、交叉极化比：极化分集效果优劣的指标。

注：它是针对单极化天线或双极化天线的一个“单极化部分”，而不是针对双极化天线

六、副瓣抑制：也称旁瓣抑制，抑制同频干扰或导频污染的辅助指标。能有效降低干扰，改善语音质量，提高系统容量。

【副瓣：天线的主平面方向图中，除了主瓣外，波主瓣小的所以辐射瓣都称副瓣；紧邻主瓣的副瓣称为第一副瓣。】

七、零点填充

【零点：又称零深，指主瓣与副瓣、副瓣与副瓣之间的凹点。】主瓣与第一副瓣之间的凹点称为第一零深。在天线设计时，由于第一个零深会影响通信，所以需要对该点进行适当填充（有限减少覆盖的盲点），就可能减少掉话率。但零点填充要适可而止，当对零点填充要求较高时，增益损失较大，得不偿失。对于低增益天线，由于波瓣较宽，应用时通常下倾角较大，下旁瓣不参与覆盖，不需要进行零点填充（多径的影响，导致近距离零点效应不明显或者消失）。

八、半功率波束宽度（half power beam width）：也叫3dB波束宽度。

在主平面（E或H面）方向图把功率下降至一半时的角域宽度。水平面的半功率波束宽度叫水平面波束宽度；垂直面的半功率波束宽度叫垂直波束宽度。

垂直波束宽度决定了距离覆盖的均匀性。在增益一定的前提下，波束越宽，覆盖越均匀。天线是一种能量集中的装置，在某个方向辐射的增强，意味着其他方向的减弱，通常可通过水平面波束宽度的缩减来增强某个方向的辐射强度来提高天线的增益。。

九、电下倾角度：天线最大辐射方向与水平法线之间的夹角。

传统的传导测试和无源测试不能满足产业发展和现实需求，需要更精密的测试理论和测试方法，于是CTIA制定了OTA（over the air）测试规范。OTA测试综合考察了终端与天线一起的性能，验证无线设备和网络的连接能力，以及使用者对辐射和接收性能的影响。其特点是多点测试，真是模拟基站和人实际使用的场景。
目前OTA测试主要是针对手机终端，测试包括TRP和TIS。

TIS&TRP
TIS:total istropic sensitivity：全向接收灵敏度
反映在整个辐射球面手机接收灵敏度指标。反映整机的接收灵敏度的情况。
注：与传导灵敏度和天线的辐射性能有关。

TRP：total radiated power:全向辐射功率
通过对整个辐射球面的发射功率进行面积分，求平均值得到。反映整机的发射功率情况。
注：与终端产品的传导情况下的发射功率和天线辐射性能有关

信息技术的飞速发展，大众在享受无线通信设备带来的各种便利之时，也日益关注无线通信终端的电磁辐射对人体健康的影响。由于FTA测试没有测试天线的性能，不能体现人头手对手机射频性能的影响，不能真实评价手机的射频性能，因此各国政府部门、电信法规机构等要求将电磁波辐射降低至一个合适的水平。于是又出现了SAR的测试
SAR（Specific Absorption Rate）:一般称为电磁波吸收比值或比吸收率。
定义：在外电磁场的作用下，人体内产生感应电磁场。单位为W/kg或mW/g
意义：单位质量的人体组织所吸收或消耗的电磁功率
注：反映天线的近场辐射性能。

① 职业照射：在每天8h工作期间内，任意连续6min按全身平均的比吸收率（SAR）应小于0.1W/kg。
② 公众照射：在一天24h内，任意连续6min按全身平均的比吸收率（SAR）应小于0.02W/kg。

HAC（Hearing Aid Compatibility）:助听器兼容性
测试目的：为了避免数字移动电话机在通信过程中其在天线周围所形成的电磁场对残障人士使用的助听器造成的影响。