天线及其测量方法

现代微波与天线测量技术
第 6 讲：无源天线及其测量技术
彭宏利
博士
2008.11
微波与射频研究中心 上海交通大学－电信学院－电子工程系

第 8 节：无源天线及其测量技术
8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5. 8.6. 8.7. 能的影响 8.8. 8.9. 8.10. 8.11. 天线概述； 天线主要性能指标； Helical 外置天线； PIFA 内置天线； Monopole 内置天线； PIFA 和 Monopole 天线比较； 天线性能与环境： 其它部件对手机天线性 天线测量条件和测量参数； 天线方向图测量技术； 天线增益测量技术； 天线极化参数测量
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8.1. 天线概述
8.1.1. 天线的定义
在无线电发射和接收系统中，用来发射或接收电磁波的元件，被称为天线。
8.1.2. 天线的作用
天线的作用是转换电磁波的型态：
„ „ „ „ 发射天线将电路传输结构中的导引波转换成空间中的辐射波； 接收天线将空间中的辐射波转换成电路传输结构中的导引波； 接收和发射天线是互易的。 导引波（Guided wave） ：电磁波被局限在一般电路中，沿传输线往特定的方向前进， 分析参数为电压和电流。 „ 辐射波（Radiation wave） ：电磁波可以往空间任意方向传播，分析参数为电场和磁场。
8.1.3. 天线工作机理
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导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关。 如果两平行导线的距离很近，则两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，辐射很微弱。如果 两导线张开，则由于两导线的电流方向相同，两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射 较强。 当导线的长度ｌ远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱。当导线的长度可与波长相 比拟时，导线上的电流就大大增加，能形成较强的辐射。通常将能产生显著辐射的直导线称为 振子。
8.1.4. 天线分类 基站天线：
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终端天线：
8.2. 天线主要性能指标
8.2.1. 工作频率和带宽
3dB 增益带宽：天线增益下降 3dB 时对应的频带宽度。 驻波比带宽：在一定驻波比条件下，天线输入口的工作频带宽度。
移动通信系统中，通常使用后一种定义，即基站天线的输入驻波比≤1.5 时，天线的工作带 宽；手机天线驻波比≤2.5 时的工作带宽。
8.2.2. 驻波比
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当天线馈线和天线匹配时，高频能量全部被天线转化成辐射电磁波。其特点是，馈线上传 输的是行波，即线上没有反射波、各处的电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特 性阻抗。
当天线馈线和天线不匹配时，馈线上传播的是行驻波。可用反射系数 Γ 表示。 也可用回波损耗（Return Loss）来表示天线与馈线的匹配状况。 电压驻波比 VSWR、反射系数 Γ、回波损耗 RL 的关系式如下：
Γ=
8.2.3. 阻抗
VSWR − 1 1+ Γ ⎛ VSWR − 1 ⎞ ， VSWR = ， RL = −20 lg Γ = −20 lg⎜ ⎟ VSWR + 1 1− Γ ⎝ VSWR + 1 ⎠
天线等效阻抗Z A = ( RL + Rr ) + jX A = R A + jX A
其中：
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RL —消耗电阻，由组成的材料的导电率决定 Rr—辐射电阻，用来等效被辐射出去的能量
RA—天线电阻 jXA—天线电抗
天线的阻抗（ Z A = RA + jX A ）会随频率的不同而不同，一般希望在操作频率附近，天线的 阻抗和输入电路的阻抗相互匹配，这样可以有最大的功率输入天线中。 达到天线匹配的方式：
a)
修改天线本身结构，包括几何结构，馈电点位置，构成材料等。这样修改的的好处是天 线结构会比较简单，缺点是有时候匹配不容易做成。
b)
加入匹配网络：利用元件如电感，电容，电阻等；或者传输线变换结构等，来达到匹配 的目的。这样的修改的好处是匹配容易达成，缺点是增加的天线结构的复杂度，不利 于缩小化，并且匹配网络会消耗部分功率，同时也会让阻抗的频宽变窄。
8.2.4. 定向性（Directivity，D）
度量天线把辐射功率（Pr）传向某一特定方向的能力。
D=
U max U max 4πU max = = Pr U ave Pr 4π
其中：
Umax—最大辐射强度
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Uave—平均辐射强度
8.2.5. 匹配效率 输入功率=反射功率+进入天线功率
反射损耗（Return Loss，RL）
RL ≡
反射功率 输入功率
（无单位）
⎛ 反射功率 ⎞ RL = −10 lg⎜ ⎟ ⎝ 输入功率 ⎠
（单位：dB）和 S 参数相联系
8.2.6. 辐射效率（Radiation Efficicency， η r ） 辐射功率和输入功率的比值，是度量天线能否有效将输入能量辐射出去的指标。
ηr =
8.2.7. 增益（Gain，G）
Pr Pin
比较定向性和增益的公式，
在相同输入功率下，天线的最大辐射强度和理想点源天线的辐射强度比值。
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G=
U max 4πU max = U in ( ave ) Pin
G = ηr D
8.2.8. 辐射场型 天线附近空间中的电磁场，可分为近场和远场
近场特性：电抗性，电磁能量被存储在空间中，没有辐射出去；当天线的电流被切断时， 这些能量会退回天线中。 辐射场型是指天线的远场中辐射电场强度与接收者方向角度的关系
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