天线设计工程师入门之：电小天线

随着无线电技术的迅猛发展，为了适应结构的紧凑和便携等各方面的要求，创造出了给中类型的电小天线。目前所有能看到的终端产品的内置天线都是电小天线。

那么什么是电小天线

电小天线就是指最大几何尺寸远小于波长（有定义，也有定义，从这可以看出，这方面并没有严格的界限）的天线。在实际工作中，我们把天线的尺寸小于四分之一波长的，都视为电小天线。

通过上一节的介绍，我们知道了好的天线需要满足很多的参数指标，但是电小天线受周围的环境影响较大，辐射参数更多的取决于天线安转的位置和周围环境对它的影响，所以我们更多的通过电路参数来判断。
    
本节我们重点讲解衡量电小天线的参数指标。
    
预估一个天线的性能有很多种方法。小天线用的质量指标有有效面积，有效长度，增益，品质因数，带宽，效率及噪声温度等等。

电小天线电特性分析

1.天线的辐射效率η：

  

  P_rad：辐射功率；P_L:输入功率；R_rad：辐射电阻；R_L：损耗电阻

辐射电阻它是一个等效电阻，由天线的电磁波的辐射而引起，由天线的几何结构决定。产生的能量即为辐射功率；损耗电阻通常会导致天线温度上升，主要取决于天线的材料。 产生的能量损失转换成热量。
 
由此可见，为了提高天线的效率，要么提高辐射电阻，要么降低损耗电阻。

 损耗电阻R_L=R_L1+R_L2
 R_L1：天线自身损耗电阻。由于本身的物理特征变电能为热能，所产生的耗能。所以尽可能的选择电导率低的材料，降低自身的损耗
   （小知识： 电阻的电阻值大小一般与温度、导体的形状、电导率有关。
                ，  :电导率）
 R_L2：馈线及匹配网络中的损耗电阻。
 
一般在提到天线效率时，不会考虑R_L2，但是由于很多时候，小天线需要进行阻抗匹配来与发射端匹配，就会在发射端和天线间加入匹配电路变成我们需要的阻值，然而无论是电感还是电容，他们都不是纯感性或容性，这是必然就会带来一些损耗，因此在考虑电小天线的效率时，R_L2也会被计入。因此，在元器件选择时，要注意所选元器件的参数。
 
2.输入阻抗：天线的输入电压与输入电流的比值

     
    R_A：输入电阻，表示有用分量
    X_A：输入电抗，表示无用分量
天线与传输线的连接处称为天线的输入端，呈现出来的阻抗值定义为输入阻抗。天线的输入阻抗取决于天线的额结构、工作频率以及周围环境的影响，因此大多数天线的输入阻抗在工程中采用近似计算或实验测定。在一个频带内的几个频率上测量或计算天线输入阻抗的数值，可以作出输入阻抗和频率的关系曲线，因为输入阻抗是复数，一般必须分别作出R_A~f和X_A~f两组曲线。还有一种显示阻抗轨迹曲线的方法是使用史密斯圆图工具。
   对于电小磁环天线，天线的输入阻抗电阻很小，呈感性。
   对于电小的极子天线，天线的输入阻抗电阻很小，呈容性。
 
3.工作带宽：一般以满足所需要驻波的频带范围（VSWR≦3）
 
我们需要知道关于不同带宽的计算：

    
 
4.增益系数G

  

要提高G则应提高η_A和D，首先，对电小天线来说，D≈1.5,因此G的提供主要依赖于提高η_A；其次，如果采用天线阵列可以提高D，但是这样面积会增大，很难满足“电小”的要求，还会带来效率的降低等问题。这样即使提高了D也可能不会增加G。在电小天线的参数衡量中，增益并不是一个重要的参数。
 
5.方向性特性
 
天线的方向特性与辐射体上的电流有很大的关系。对于内置天线来说，辐射体只有一个电流波腹，所以方向图只会有一个主瓣，没有副瓣，3dB波束角会很宽，这决定了电小天线的增益不会很大。天线的方向特性与天线的走线也存在一定的联系。
 
衡量电小天线两个重要参数效率和带宽，但是也是小天线存在的两个特殊问题：

1.效率低。

小天下的电尺寸很小，因此其辐射阻抗很低，加上匹配电路带来的损耗。这些问题在天线辐射电阻很小时，损耗会显得突出，从而降低天线的效率。所以小天线的效率低是一个突出的问题
 
2.工作带宽
   
小天线相当于一个电感或是电容，且电阻小，具有较高的Q值，根据公式
 
B_R:带宽；f_H:高频；f_L:低频；f_C：中心频率
可以看出Q和带宽是成反比的。天线的电尺寸越小，品质因数越高，小天线工作频带越窄，性能随着尺寸的减小恶化。因此设计电小天线需要在找带宽、增益、效率的平衡点。根据Q值理论，应尽可能在小型化基础上降低Q值。

【补充：Q:品质因数，是电学和磁学的量。表示一个储能器件（如电感线圈、电容等）、谐振电路中所储能量同每周期损耗能量之比的一种质量指标；串联谐振回路中电抗元件的Q值等于它的电抗与其等效串联电阻的比值；元件的Q值愈大，用该元件组成的电路或网络的选择性愈佳。】
 
小天线的工作环境往往很恶劣，当环境变化时，反射到天线中的电抗成分也随之变化，从而引起天线的失谐、失配，因此在小天线设计中要考虑选择合适的匹配电路   
 
减小天线尺寸的途径 

天线的小型化，便于我们设计出更精致的结构外观。站在产品设计的角度，我们也希望天线是越小越好。有哪些途径可以减小天线的尺寸呢？
   
对于无源小天线，在较小尺寸条件下提高效率的途径，主要有下面三方面：

 1.提高辐射电阻

目前常见的两种形式倒L和倒F。倒L，当直立和水平部分之和接近四分之一工作波长时，输入阻抗接近纯电阻，同时输入阻抗的电抗分量会最小，其辐射电阻随垂直部分相对长度而变化（不敢弯折的位置如何变化，实际上对辐射场起主要作用的是其垂直部分）；倒F，当在一定距离的地方加入接地点，会类似普通折合阵子，使得输入阻抗较单线时大幅度提高，从而与50欧姆的微带线有较好的匹配。
 
2.降低损耗电阻

A，降低天线本身的热耗；
B，减低匹配电路的损耗
 当天线的电尺寸较大时，天线的热损耗相对于天线的辐射而言是不大的，所以效率较高。但是当天线尺寸变小了，辐射弱了，天线本身的损耗就会相应地突出了，所以建议采用低耗元件来降低损耗，还要注意温度和工作频率对元器件带来的影响。
 
 3.减少天线周边的物体及“地”的变化对天线的影响
 
由于天线附近物体的天线或“地”的变化，会导致天线输入阻抗的变化，从而引起天线的失谐。环境一变化，就得重新调整元器件参数，给实际使用带来不便，因此匹配元件的数值必须结合实际条件来调试。
  
在采取各种措施减小天线尺寸时，必然在满足一定带宽的前提下尽可能的提供小天线的效率。电小天线在应用时，需注意当电小天线只作为接收天线，多对驻波比的要求不高，主要是通过参数的平坦度来判断【平坦度(Gain Flatness )是指在给定带宽范围内的“剧烈增加”和“快速下降”的数值】来判断。越平坦，天线接收幅度值越准确。若电小天线有发射功能，情况就有区别了。当不匹配，VSWR过大，会损坏功放。

天线设计是一个电路和场的综合设计（现成的天线器件的使用也一样）。而且，各使用领域对天线的功率、频率、带宽、方向性和封装结构尺寸等都有着完全不同的要求。
 
由此可见。天线是一门庞大且完整而不是那么好对付的学问。哎，苦逼的我还在这条路上的一条小小支路上挣扎着，想转行！