内置天线匹配

内置天线的输入阻抗及匹配方法
一•内置天线的输入阻抗
天线的输入阻抗是指天线的馈电点呈现的阻抗值。

它直接决左了和馈电系统之间的匹配状态，从而影响了馈入到天线上的功率以及馈电系统的效率等。

天线的输入阻抗取决于天线本身的结构与尺寸，工作频率以及天线周羽物体的影响等。

一般采用近似数值计算和工程试验确世，目的就是希望天线的输入阻抗和馈电系统的特性阻抗一致。

其表示式：
Z二R+jX
R是纯电阻部分，我们希望他等于50 （系统的特性阻抗一般都是50欧）
jX是电抗部分，可以呈现感性和容性，我们希望它等于0
二. 阻抗匹配的原理
天线阻抗可能同时包含电抗与电阻成分。

大多数实际应用中，我们寻求的是纯阻性的阻抗（Z=R）,但是这种理想情况很难达到。

例如一个偶极子天线，理论上真空中达到谐振时阻抗为73欧。

但是，当送到天线上的信号频率不是谐振频率时，电抗成分（土jx）就出现了。

当高于谐振频率时，天线带感性电抗，阻抗为Z=R+jx。

类似地，当低于谐振频率时，天线带容性电抗，阻抗为Z=R-jx0此外，在靠近地表的空间中，苴阻性部分可能不是73欧, 而可能为30〜130欧的某一值。

显然，无论选用特性阻抗为多少的同轴电缆，都很有可能是不合适的。

实际无线电应用中，为了将一个复杂负载（如天线）连到一个纯阻性源上，最常见的情形是在负载与源之间构造一个匹配网络（图）。

匹配网络的阻抗必须等于负载的复阻抗的共辄°例如，如果负载阻抗为R+jx,匹配网络的阻抗就必须为R-jx：类似地，如果负载阻抗'h R-jx,匹配网络的阻抗就必须为R+jx。

三. 阻抗匹配的方法
内置天线的匹配方法大体分两种：一种是通过元器件例如电容、电感宜接补偿天线的阻抗参数，这是目前匹配电路上最常用和最直接的匹配方式，适合于整个天线系统的匹配：另一种是通过微波传输线来对天线的阻抗进行1/4波长变换或电抗补偿，这种方法适合于单天线自匹配，最常见的就是USB网卡类天线和PCB印刷天线以及电路板上的印制天线等。

例如WNA699U5N3.2U34V0.2o
第一种匹配方法的关键是合适的选择元器件的数值，补偿天线的电气参数。

一般的操作方法是通过网络分析仪测得天线的分布参数，根据分布参数的大小合理的给予电抗补偿。

有些时候也要对天线的实部进行补偿，这是因为当天线靠近金属障碍物的时候，由于电波的反
射等引起天线的阻抗变化，改变了天线的电阻，即Z二R+jX中的R的改变。

第二种匹配方法的关键是合理的选择变换段的长度，在理论上传输线只有经过1/4波长时才会引起阻抗的变换，但是由于1/4波长变换匹配是一个窄带匹配，所以变换段的长度不是标准的1/4波长，一般都小于1/4波长。

如果是单纯的电抗补偿，那就简单多了，就是给天线引入一段1/4波长的开路线，通过改变开路线的长短就可以达到电抗补偿的目的。

四. 阻抗匹配的应用
合理的应用阻抗匹配方法是非常关键的，例如无线产品中，内置天线被随意的放置在不同产品的各个角落，如果采用变换段匹配就非常不现实，因为这样会产生多个匹配段，而且匹配复杂，或者在外苣天线中采用电子元器件匹配，就会明显的降低天线系统的效率。

下而给出天线匹配的应用实例。

1.天线匹配方法的模型：
a).天线自匹配模型
汝长开路线，电杭补偿
b).LC电路阻抗匹配模型
”4渡长开路
线
2•内置天线通过LC元件匹配的实例分析
天线匹配是借助于在simth圆图上的阻抗坐标点，经过汁算，得到该点阻抗数值，从而进行电抗补偿和阻抗变化，达到天线匹配的目的。

下而以一个实例讲述天线匹配的过程: 已知工作在2.4G频段的一发射机的输出阻抗为Zt=75,有一个输入阻抗Za=15-j7.5的天线与其相连，请设计一个匹配网络使得天线上能得到最大功率。

解：给出天线匹配的图示：
发射机与天统之间刖匹§1屈络
由匹配网络图可知，天线的匹配网络为一n型电路，只要合适的调节LC的数值即可达到天线匹配的目的。

为了能形象地说明天线匹配的过程，我们将天线的阻抗圆图和反射系数圆图叠加起来。

现在我们对天线的单个频点进行匹配，通过网络分析仪直接在simth圆图上读岀天线系统的匹配阻抗。

具体步骤：首先将天线的输入阻抗利用网络分析仪的记忆功能记录在simth 圆图上，再测经过LC匹配后的天线的阻抗。

通过反复的改变LC的值，让其靠近圆图中的特性阻抗点，或让其靠近反射系数的圆心（距圆心越近表示越匹配）。

在使用网络分析仪时，可以根据不同的需要选择不同的模式。

阻抗圆图
上图中的黑色圈为反射系数圆，中心的黑点表示反射系数为「=0,归一化阻抗Z L=Zo=l,从图中数值的变换可以淸楚的看到匹配的过程：可以看到天线的输入阻抗（归一化阻抗）Z L=0.2-J0.1（此时天线的输入阻抗Za等于天线系统的阻抗，即Za= Z D,和Z（=l+jO 比较，天线的电阻偏小，电抗偏容性，SWR=5.O5 （发射系数的另一种表示）。

通过改变L 和C的大小，天线系统的阻抗ZL=1.5+j0.5,天线系统的电阻变大，电抗由容性变为感性，SWR=1.77O但是和Z L=1比较，天线系统仍然没有匹配，再改变L和C数值，Z L=0.97^Z O=1天线系统的电抗消失，电阻接近特性阻抗，SWR=1.03,达到匹配的目的。

工程中天线匹配只要达到相关的标准就可以了，例如WIFI产品当天线系统的反射系数r W0.33就认为是匹配的。

下而用一个实际产品分析天线的匹配情况：
反射系数（F）圆图
从反射系数（r ）的圆图可以看到，天线的3个频点都在r =0.26即VSWE=1.7的圆内，如果我们把r=0.26这个圆定义为基准圆，那么曲线落在圆内认为是匹配的，否则未匹配。

从反射曲线的3个频点可以看出，在2.5GHZ的频点上，天线的F最大，r•的实部为-15dB. 虚部引起的相位为117.56°在r =0.26的圆内，所以我们认为天线和发射机的特性阻抗匹配的。

如果天线的反射曲线重合为一个点，并且落在圆心时，我们称天线和发射机完全匹配, 这时天线上可以得到最大功率，不过这在工程上是不能实现的。

阻抗圆图是天线匹配的基础，从图上我们可以淸楚的看到，天线的ZL=R+jx的实部R 和虚部x的值。

以2.5GHZ的点为例：R=43.658 j=876.84PH Zjx=l3.773，从这3个
数值上可以得到的信息是：1•天线的输入阻抗小于发射机的输岀阻抗，2.天线呈现为感抗。

即天线的阻抗还没有完全匹配，但在工程中，天线不可能完全匹配，只要满足相关标准（F
W0.33）我就认为它是匹配的。

总结：通过上而的实例分析，我们知道天线的匹配是个复杂的过程，他不仅涉及到传输线理论，也涉及到了匹配电路，所以在进行天线阻抗匹配时，要采用近似数值汁算和工程试验等确定天线的匹配网络。