一文认识天线

硬件笔记本

№1 什么是天线？天线就是将电信号转换为电磁波并传输到空间的设备，当然考虑到无源器件的互异性，天线也能够将空间的电磁波转换成电信号。

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% |, g" N" _7 _3 l我们生活中有各种各样的天线，比如下图所示的一些案例，但这些只是其中的一小部分。
8 W/ e1 G7 ]7 [  U! x

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& D1 h! J9 W6 G* \8 r有一些天线做的很小，可以嵌入到无线设备中，特别是现代手机上的天线，我们几乎看不到它的存在，但是它确实就在手机里。

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№2 天线要具备什么性能？
  s9 f" r+ ]2 b5 H9 {3 a既然天线是电信号和空间电磁波的转换接口，那么我们就需要天线能够更高效的转换电信号，并且能将电磁波尽可能的朝着我们需要的方向传播。
5 q9 `4 z" s3 |+ C2 }1 y4 N这就要求：
0 Z$ R: v" L8 d5 K, i/ `+ Q4 s, G天线的辐射方向图；
天线的增益；天线的总辐射功率；天线的各向同性辐射功率。这四个最基本的参数就能表征天线的性能优劣。
) S- j4 \6 y0 y' g2.1 什么是辐射方向图？
! ]5 x- t8 M# }$ r. r它展示了天线在不同方向上的辐射特性，包括辐射强度、相位和极化等信息。辐射方向图通常以图形或数学函数的形式表示，是天线设计和分析中的重要工具。辐射方向图可以分为以下几类：

二维辐射方向图：通常以极坐标或直角坐标的形式表示，展示天线在某一平面上的辐射强度分布。

三维辐射方向图：以三维图形的形式表示，展示天线在空间中各个方向上的辐射强度分布。

归一化辐射方向图：将辐射强度归一化处理，使最大辐射强度为1，便于比较不同天线的辐射特性。

实际辐射方向图：考虑了天线的实际工作环境和结构，包括天线的损耗、反射和散射等因素。
! c+ w2 J) U# t0 r8 C& H[/ol]辐射方向图的主要参数包括：主瓣：辐射方向图中辐射强度最大的方向，通常称为主瓣方向。
. y& @, w, _* J$ o7 X. Y5 g" K9 k副瓣：主瓣之外的其他辐射强度较大的方向，通常称为副瓣。
零点：辐射强度为零的方向，通常称为零点。
1 y+ |1 X0 B8 O! K# ]半功率波束宽度：主瓣中辐射强度下降到最大值一半的两个方向之间的夹角，通常称为半功率波束宽度。
' n: S/ }' |/ R8 U' ?前后比：主瓣方向与相反方向上的辐射强度比值，通常称为前后比。
7 O! y& A: Z* W; i: J$ L[/ol]所以，一个完整的3D辐射方向图如下图所示

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3 e5 W0 C- e* t4 n不同的天线，辐射方向图也不一样，我们可以根据需要选择合适的天线设计，下图给出了一些实例

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" K( g3 W( f& E; g" C' o

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$ x$ ?7 [0 Y8 n9 `' P2 T" i* ^4 o2.2 天线增益
天线增益和放大器的增益不同，放大器确确实实的能够放大信号，但是天线只能把电磁波聚集在某一个方向上，所以天线的增益表征的就是天线在某个方向上聚集电磁波的能力，天线的增益越高，表示天线在这个方向上传输的电磁波能量越高。
' Y/ W  |+ L. B0 L' M8 _4 D3 k, O; z所以天线的增益是一个相对值，比如相对于理想各向同性天线（ isotropic antenna）或者相对于偶极子天线（ dipole antenna），这样天线的增益就有了两个定义。
如果天线的增益是相对于理想各向同性天线的，单位是dBi；如果是相对于偶极子天线的，单位就是dBd。偶极子天线容易理解，就是一个半波长偶极子天线，偶极子天线示意图和辐射图如下，3D图就是一个漂亮的大苹果。
2 a4 d" W0 s$ k6 N+ K

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那么理想各向同性天线是什么呢？这个是一种假想的天线，它在所有方向上均匀地辐射或接收电磁波。它的辐射方向图应该是下图这个大圆球，如果实际中有的话，应该是一个点源天线。

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考虑到理想偶极子天线的增益为2.15dB，所以dBi就等于dBd+2.15dB。天线的增益越高，传播方向越来越集中，这并不意味着总传输能量（椭圆包围的区域）会变得更高。如下图所示
7 q; B; Q+ L, f8 g' A, J! \. ~: w

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$ n; k7 |: |- _' q( V+ C天线增益的数学定义：天线在特定方向上的辐射强度与理想各向同性天线（isotropic antenna）在该方向上的辐射强度之比。数学公式：

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其中 Pout 是天线在特定方向上的辐射功率，Pin 是输入到天线的功率。
转换成dB形式就是：
1 U0 U/ c9 d& ~% |# H7 l& {- D

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2 p: L) {* y; l9 u和天线增益类似，还有两个参量，天线方向性和天线效率。天线方向性表示天线在特定方向上的辐射强度与天线在所有方向上的平均辐射强度之比。数学公式
. x( P. T! L  S3 H& K9 L: X

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, m& X- P; s% N  J: O$ JPmax是天线在特定方向上的最大辐射功率，Pavg是天线在所有方向上的平均辐射功率。
在实际应用中也常用dB形式

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9 G) I' P0 Y, k3 _天线效率表示天线辐射的功率与输入功率的比值。常用百分比表示。
% q6 H6 t$ D6 c' f

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Pradiated是指天线的辐射功率，Pin是天线的输入功率。这三者之间相辅相成，共同构成天线的辐射性能指标。天线的方向性越强，其在特定方向上的辐射强度越大，从而增益也越高。天线效率越高，其将输入电能转化为电磁波辐射出去的能力越强，从而增益也越高。这就需要天线有一个好的阻抗匹配。2.3 天线的总辐射功率 TRP
, V0 B* l' Q: A$ A1 I" Y顾名思义，TRP (Total Radiated Power) 是指天线在所有方向上辐射的总功率。它是衡量天线辐射能力的一个重要指标，通常用于无线通信系统中。TRP 表示天线在所有方向上的辐射功率之和，反映了天线的整体辐射效率。
+ S& V: w) C4 x/ I) I% F3 ^1 [

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计算公式如下：
/ L+ ?+ x0 E- f$ C3 J- B3 b6 n

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式中，是天线在方向（θ，?）上的辐射功率密度；dΩ是立体角元。TRP还可以用下面公式计算

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  z. I+ C) T- ~+ a: k8 f/ R考虑到目前常用的各项同性辐射功率EIRP， TRP还可以用如下公式计算。
# c3 d% v5 C" }6 i

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在实际测试中，TRP 可以通过测量天线在不同方向上的辐射功率密度，然后进行积分计算得到。TRP受天线增益，天线效率和天线方向性的影响，
天线增益：天线增益越高，TRP 通常也越高。高增益天线能够将更多的能量集中在特定方向上，从而提高总辐射功率。
+ I9 t% T2 m9 G" ]天线效率：天线效率越高，TRP 也越高。高效率天线能够将更多的输入电能转化为电磁波辐射出去。
: }0 _! |6 }* d; v- J+ v% k3 M天线方向性：天线方向性越强，TRP 通常也越高。方向性强的天线能够将更多的能量集中在特定方向上，从而提高总辐射功率。
# P( x$ h  M$ _+ Q* j通过合理选择和优化天线的 TRP，可以提高系统的覆盖范围和信号强度，优化整体性能。
[/ol]2.4 那什么是EIRP？
- ~! P, X/ c! r. N* z3 GEIRP全称是各项同性辐射功率，英文就是Effective Isotropic Radiated Power，表示天线在特定方向上的有效辐射功率。EIRP一般是指天线最大辐射方向上的功率。

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EIRP的计算：
  y$ Z7 ~' b1 O0 h
Pt是Tx发射功率，单位是dB；
% I$ N: n: [/ c/ a$ T# R( o* a0 \Gt是天线的增益，单位是dB；L是传输损耗，单位是dB。
) l' n& u- y! v, W6 Y' p6 }在实际应用中，EIRP 通常用分贝瓦特（dBm）表示。例如，如果发射功率为 10 W（40 dBm），天线增益为 15 dBi，传输损耗为 2 dB，则：EIRP=40+15-2=53dBmEIRP 是衡量天线在特定方向上辐射能力的重要指标，它综合考虑了发射功率、天线增益和传输损耗。在无线通信、雷达和卫星通信等领域，EIRP 是设计和优化系统的关键参数。通过合理选择和优化 EIRP，可以提高系统的覆盖范围和信号强度，优化整体性能。小结天线是最常用的射频器件之一，几乎任何一个无线通信设备中都有天线，认识天线，理解天线，掌握天线。
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1 Z* w+ A( O/ K5 z& F2 y& l本文转载自射频学堂公众号
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