圖文詳解天線模式與性能及參數(shù)知識(shí)

天線是一個(gè)相當(dāng)龐大的話題，很難用一篇文章來描述天線的每個(gè)方面，但我會(huì)嘗試給出一些天線的各個(gè)方面的大圖片，主要用于蜂窩應(yīng)用。

天線是什么？

如何表現(xiàn)天線的性能？

輻射模型

天線增益

總輻射功率TRP

Total Isotropic Sensitivity （TIS）

Effective Isotropic Radiated Power/Equivalent Isotropic Radiated Power （EIRP）

S11

什么是天線？

眾所周知，天線是一種將電能（電信號(hào)）轉(zhuǎn)換成電磁波并傳送到太空的裝置。

外面有各種類型的天線，下面是一些例子。這些只是一些例子，還有很多其他類型。看看有多少你熟悉的。

現(xiàn)在在大多數(shù)移動(dòng)通信設(shè)備中，天線都被嵌入到一個(gè)很小的空間里。在一個(gè)相對(duì)久遠(yuǎn)的移動(dòng)電話，你可能已經(jīng)看到了天線顯示在左側(cè)的圖片（鞭天線）。在大多數(shù)的移動(dòng)設(shè)備，你看到這些天，天線是嵌入的情況下，或正確的印刷電路板如下所示。隨著移動(dòng)設(shè)備（例如智能手機(jī)）在一個(gè)設(shè)備中獲得越來越多的技術(shù)（例如，帶有各種頻段 / 無線接入技術(shù)的蜂窩技術(shù)，藍(lán)牙，無線網(wǎng)絡(luò)等） ，設(shè)計(jì)多個(gè)天線并將其放入一個(gè)小空間變得越來越困難。

如何表現(xiàn)天線的性能？

有兩個(gè)主要的標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估天線的性能，如下

（a）我應(yīng)該把電能轉(zhuǎn)換成電磁能，盡可能減少損失;

（b）希望輻射在我需要的方向上。

有幾個(gè)指標(biāo)可以代表天線的性能如下

輻射模型；

總輻射功率;

總的各向同性靈敏度。

輻射模型

了解 / 評(píng)估天線性能的第一步是檢查天線的輻射模型。在大多數(shù)情況下，電能都是通過預(yù)先設(shè)定好的路徑流動(dòng)的，這種路徑通常建立在銅線或印刷電路板上的銅痕跡上，但是一旦電能轉(zhuǎn)化為電磁波，它幾乎就會(huì)向四面八方傳播。根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)天線的思路，電磁波在空氣中傳播的方向是不同的。天線在某些方向上傳輸很強(qiáng)的能量，在某些方向上傳輸少量的能量，在某些方向上傳輸中等范圍的能量等，這種能量傳輸方式被稱為“輻射方向圖”。（更實(shí)際的輻射型態(tài)例子，請(qǐng)參閱 ）以下只是一些可能的輻射型態(tài)例子。事實(shí)上，你可以想到幾乎無限多種不同的模式。天線設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使它在從電能到電磁能的轉(zhuǎn)換過程中，以我想要的方式傳輸能量，而不會(huì)有任何能量損失。

實(shí)際上，信號(hào)輻射到三維方向，如下圖（b）所示。然而，在三維空間中表示能量傳播模式并不總是容易的，有時(shí)在三維空間中定量地估計(jì)能量傳播模式更加困難。所以在許多情況下，我們沿著一個(gè)特定的2d 平面切割3d 模式，如（c）和（d）所示。

天線增益（G）

我認(rèn)為“天線增益”是一個(gè)誤導(dǎo)性的術(shù)語，因?yàn)?/p>

（a）當(dāng)我們聽到“增益”這個(gè)術(shù)語時(shí)，我們通常認(rèn)為“這個(gè)裝置會(huì)放大信號(hào)，使其產(chǎn)生更大的能量”。但對(duì)天線來說不是這樣的。大多數(shù)天線都是“無源器件” ，它不會(huì)放大任何東西。

（b）當(dāng)我們考慮增益時(shí)，增益越高，器件發(fā)出的總能量就越高。但這可能不是真正的天線情況下。更高的天線增益可能意味著“更高的能量在一定的方向上傳輸” ，但它可能并不意味著“總能量出設(shè)備”。天線增益的定義是指在某一方向上發(fā)射的功率與某一參考點(diǎn)的比值。這通常用 db、dbi 或 dbd 表示。這是用來表示“天線在指定方向上傳輸能量的效率”的指示器?；靖拍羁梢哉f明如下。（詳情請(qǐng)參閱 ）

以下是典型增益值的經(jīng)驗(yàn)傳播模式規(guī)則。正如你所看到的，隨著天線增益的增加，傳播的方向越來越集中，這并不意味著總的傳輸能量（橢圓包圍的區(qū)域）變得更高。

如果你想知道增益的數(shù)學(xué)定義，給你。

在大多數(shù)情況下，天線增益用對(duì)數(shù)單位表示如下。

Total Radiated Power （TRP）

正如這個(gè)詞所暗示的。這是從各個(gè)方向測(cè)量的輻射功率之和。TRP 的簡(jiǎn)單定義如下所示（注意： 這里顯示的球體不是天線的輻射方向圖。這是一個(gè)三維坐標(biāo)，稱為’球面坐標(biāo)’）。我希望這是直觀的，不需要進(jìn)一步的描述就能讓你明白。

TRP有兩種，被動(dòng)TRP 和主動(dòng)TRP。這種分類來自于測(cè)量TRP 的不同方法。實(shí)際上它更多的是關(guān)于如何通過天線傳輸信號(hào)。在無源TRP 中，通常是隔離的天線，信號(hào)通過電路網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出端口（或信號(hào)發(fā)生器的輸出端口）直接饋入天線，并通過電路網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入端口或頻譜分析儀的輸入端口測(cè)量發(fā)射功率。在有源TRP中，通常是包括天線在內(nèi)的整個(gè)設(shè)備。例如，如果是為了測(cè)量移動(dòng)電話的天線，我們使用整個(gè)移動(dòng)電話作為啞彈。有源色散測(cè)量的主要目的是觀察天線在真實(shí)環(huán)境中的性能。在這種情況下，你不能使用網(wǎng)絡(luò)分析儀或信號(hào)發(fā)生器通過天線發(fā)送信號(hào)。你必須使用這個(gè)地區(qū)大多數(shù)人所說的“call box”，也就是綜測(cè)儀，它基本上是一個(gè) NS （比如，Enodeb，Nodeb，BTS模擬器）之類模擬基站的儀器。我們發(fā)送 ue （例如移動(dòng)電話）一個(gè)命令“發(fā)送功率 xx dbm 或 max power 的信號(hào)” ，并使用“綜測(cè)儀”或“頻譜分析儀”測(cè)量傳輸功率。如果您對(duì)正式表達(dá)式更感興趣，TRP 可以如下所示。

如果你喜歡正式的表達(dá)，但不熟悉這個(gè)表達(dá)的意思，下面的評(píng)論可能會(huì)對(duì)你有一點(diǎn)幫助。

現(xiàn)在你可能對(duì) trp 測(cè)量更感興趣，因?yàn)槲覀冋谶M(jìn)入5G / NR。Tr 38.817-9.1.1.1中，nr 中 trp 的定義如下。你看，這個(gè)方程和上面的幾乎一樣。你們看到新的術(shù)語，叫做EIRP。在高層次的概念，你可以采取 eirp 是一種權(quán)力（不完全相同的價(jià)值作為權(quán)力，但它可以直接從測(cè)量權(quán)力）。

在實(shí)際測(cè)量中，測(cè)量是在球面坐標(biāo)系的整個(gè)表面上的特定點(diǎn)上進(jìn)行的。所以我們需要把這個(gè)方程轉(zhuǎn)換成離散形式，從實(shí)際測(cè)量中得到 trp。如果我們用坐標(biāo)上的單位網(wǎng)格進(jìn)行測(cè)量，方程可以簡(jiǎn)單如下：

如果測(cè)量是在坐標(biāo)系上不均勻的網(wǎng)格上進(jìn)行的，則方程式如下：

在這種情況下，比例因子可以從測(cè)量點(diǎn)處的小矩形面積推導(dǎo)出來，并可以表示如下所示。

如果你想更深入地了解這些細(xì)節(jié)，那么你需要參考你的微積分課本或者參考我關(guān)于曲面積分例子的筆記。我強(qiáng)烈建議你試著理解這個(gè)等式的細(xì)節(jié)，以及它是如何得出的。它能幫助你理解與天線理論有關(guān)的各種數(shù)學(xué)表達(dá)式。作進(jìn)一步參考。 各向同性靈敏度首先你可能會(huì)問“各向同性”是什么意思 如果你查字典或者谷歌一下，你會(huì)發(fā)現(xiàn)“所有方向都一樣”這樣的定義。這意味著“在假設(shè)天線是各向同性（輻射 / 接收在相同的強(qiáng)度在所有方向）的基礎(chǔ)上，在每個(gè)方向上的靈敏度”。事實(shí)上，沒有這樣的天線，是完全各向同性的。更實(shí)際的含義可以說明如下（注意： 這里顯示的球體不是天線的輻射方向圖。這是一個(gè)三維坐標(biāo)，稱為’球面坐標(biāo)’）。如你所見，你測(cè)量球面網(wǎng)格交叉點(diǎn)的靈敏度。你會(huì)得到不同的測(cè)量結(jié)果，在所有這些點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)中。如果你取這些測(cè)量值的平均值，你會(huì)得到一個(gè)單一的值，這表明了

這個(gè)球可以告訴你TPR是怎么測(cè)試得來的

作進(jìn)一步參考。指 有效各向同性輻射功率 / 等效各向同性輻射功率（eirp）如上文所述，大部分天線的性能參數(shù)，例如增益 / 尖端 / tis，都是基于對(duì)整個(gè)表面的測(cè)量以及隨后的一些額外處理，但 eirp 是一種僅在特定點(diǎn)顯示性能的測(cè)量（即在特定角度的測(cè)量（phi，theta）。

注意： 當(dāng)我說上面圖中的測(cè)量功率時(shí)，它并不意味著絕對(duì)功率（dbm） ，它是一種相對(duì)功率，與 istropic 功率有關(guān)。這就是為什么被稱為等效各向同性輻射功率。這是由幾個(gè)不同的參數(shù)計(jì)算出來的，這些參數(shù)可以直接測(cè)量或者直接給出。正如你在上面的圖中看到的，為了準(zhǔn)確地指定一個(gè) eirp，你需要指出具體的測(cè)量角度。然而，在許多情況下，eirp 這個(gè)術(shù)語并沒有指定任何特定的測(cè)量角度。在這種情況下，假設(shè)測(cè)量角是獲得最大 eirp 的角度。例如，如果我們說上面顯示的天線的 eirp 沒有指定任何特定的角度，它會(huì)是我在 theta 0，phy 0測(cè)量的 eirp。當(dāng)我們假設(shè) eirp 在最大值時(shí)，可以計(jì)算如下：

EIRP = Tx RF Power（dBm） + G（dB） - L（dB）

Tx RF Power ：RF power measured at RF connector of the unitG ：Antenna gainL ： Feeder loss（cable loss or any other loss）

S11

為了評(píng)估天線的性能，我們需要精確地測(cè)量以下項(xiàng)目。

I）有多少功率通過天線傳輸而不反彈回輸入端口;

II）有多少能量是按照我想要的方向傳輸?shù)模?

III）有多少微弱的能量可以被天線接收到

如果你得到了項(xiàng)目 II）和 II） ，你不需要測(cè)量項(xiàng)目 I） ，但是為了得到項(xiàng)目 II）和 III）的精確評(píng)估，你必須執(zhí)行 trp 和 tis 測(cè)量如上所述。然而，測(cè)量 trp 和 tis 是非常昂貴和費(fèi)時(shí)的。因此，我們需要一種快速而簡(jiǎn)單的方法來評(píng)估天線的性能，這就是上面列出的第一項(xiàng)。第一項(xiàng)最常用的方法是測(cè)量 s11。由于 s11顯示了有多少能量在輸入端反彈，低 s11意味著較少的能量被反彈，這意味著較高的能量通過天線傳輸。（注意： s11只是告訴你能量傳輸?shù)拇蟾徘闆r，但是它不能告訴你能量傳輸?shù)姆较颍?/p>

動(dòng)態(tài)天線匹配

天線匹配電路的自動(dòng)調(diào)諧正在成為一個(gè)熱門話題，特別是在手機(jī)行業(yè)。如果你度娘“自動(dòng)天線調(diào)諧器” ，“動(dòng)態(tài)天線調(diào)諧”等關(guān)鍵詞，你會(huì)發(fā)現(xiàn)各種文章，論文和各種調(diào)諧技術(shù)的專利。這項(xiàng)技術(shù)的基本原理很簡(jiǎn)單。（它本身不調(diào)諧天線，而是調(diào)諧天線的匹配電路）。例如，假設(shè)我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的 π型網(wǎng)絡(luò)類型的匹配電路，如下所示。（在實(shí)際應(yīng)用中，匹配電路會(huì)更加復(fù)雜。但我想使用最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，以便于理解）。在傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，你可以像下面這樣構(gòu)建。建立一個(gè)電路如下，不斷改變每個(gè)組件的值，直到你得到最好的傳輸天線。如果幸運(yùn)的話，幾個(gè)小時(shí)就能找到正確的數(shù)值。如果你運(yùn)氣不好，你得花上幾天幾夜才能找到合適的價(jià)值。如果天線的目標(biāo)頻率改變了，你就得重復(fù)這個(gè)過程。

考慮到結(jié)構(gòu)和天線材質(zhì)的一致性，同一組匹配不一定在所有的天線樣品上都表現(xiàn)的最好。為了解決上述問題，業(yè)界提出了動(dòng)態(tài)調(diào)諧匹配電路的概念?；镜南敕ㄊ沁@樣的。假設(shè)我們用可變電感和可變電容，建立了一個(gè)匹配電路。這些可變?cè)粦?yīng)該是那些可變?cè)?，你可以從本地?zé)o線電器材公司購(gòu)買，并通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)旋鈕設(shè)置的價(jià)值。他們都應(yīng)該被設(shè)置在電子控制中，使這個(gè)電路在沒有人為干預(yù)的情況下工作?，F(xiàn)在棘手的事情是找到（或開發(fā)）可變電感和電容器。這些可變裝置應(yīng)以最小的能量（電壓、電流）消耗運(yùn)行。可變電容比可變電感好找多了。

主要由于元件的可用性和其他一些原因，在大多數(shù)自動(dòng)調(diào)諧電路中，我們使用可變電容器，如下所示。一旦你建立了一個(gè)電路，你可能需要為這些組件找到適合不同情況的正確值，并將這些值存儲(chǔ)在一個(gè)查找表中，然后根據(jù)情況（頻段或者頻率信息）由控件控制查找表中的值。在這種情況下，如何為每種情況設(shè)定正確的查找表將是一個(gè)關(guān)鍵問題。

到目前為止一切都OK了嗎？？可能是，也可能不是。上面描述的技術(shù)的一個(gè)問題是，你不能保證預(yù)定義的查找表能夠適用于所有可能的情況。情況可能會(huì)有一點(diǎn)不同于預(yù)期的變化，查找表不能做任何好的工作。對(duì)于這種情況，通常的解決方案之一是應(yīng)用一個(gè)值并檢查結(jié)果，然后將結(jié)果反饋給調(diào)優(yōu)算法，以便算法能夠進(jìn)行更多的調(diào)優(yōu)。這種方法（閉環(huán)方法）可以如下所示。

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