一文了解 天线的基础知识概括
天线的作用和地位
l发射天线：无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由
天线以电磁波形式辐射出去；
l接收天线：电磁波到达接收地点后，由天线接收下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机； l可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。
天线的分类
天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。
按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；
按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；
按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；
按外形分类，可分为线状天线、面状天线等。
移动通信天线
l基站天线：无论是GSM 还是CDMA， 板状天线是用得最为普遍的一类极为重要
的基站天线。这种天线的优点是：增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方
向图俯角控制方便、密封性能 可靠以及使用寿命长
l l手机天线：依据结构和形式可以将手机天线分为
外置式：¼波长鞭状(whip)、¼波长伸缩式(retractable)(振子、螺旋天线组合）、 螺旋(helix)
内藏式：微带贴片、微带缝隙
外置式天线的特点
外置式天线(多为伸缩式),如单极化天线和螺旋天线在手机上广泛应用
外置式天线缺点：
– 不能集成到印制电路板或设备外壳上，增加总尺寸(尤其是伸缩式) ；
– 易于折断和弯曲；
– 天线比吸收率（SAR值）高，不易屏蔽，人体对天线的性能影响较大；
– 仅有一种极化特性，在人体附近场性能较差；
– 螺旋天线加工不易达到精确控制和重复性，需要匹配电路，使成本
和损耗都增加；
– 可伸缩的外置式天线还存在天线可伸缩次数的物理极限；
– 伸缩天线在处于某一中间位置时，天线在电气上并未与电话机相连；
– 可伸缩外置式天线通常要求一个内置分集天线来解决衰减问题；
– 外置式天线通过隔离接收与发射频段来取消双工器。
结论：设计一个高效率、性能完善的双频天线不容易
内置集成微带天线的特点
优点
·内置微带天线可集成到印制电路板和外壳上，在手机内部，不额外增加尺寸
· 内置微带天线有机械刚性，不易被损坏；
· 采用屏蔽技术来屏蔽天线辐射出的对人体有影响的电磁波，SAR值非常小；
· 天线受人体的影响相对要小；
· 微带天线的输入阻抗容易做到50Ω ，不需要匹配电路或非平衡转换器，容易
实现批量生产，重复性好；
· 设计参数通过最优化手段实现体积小、成本低，并能增加带宽，同时提高对
垂直和水平极化波的接收灵敏度，实现更好的全向辐射特性；
· 容易设计出双频段的内置集成微带天线。
缺点
·工作频带窄，常规设计的相对带宽约为中心频率的（1～6）％，改进后可达
（15～20）％，仍属窄频带天线之列；
·有导体和介质损耗，影响辐射频率；
·功率容量较小
结论：减小人体和天线相互作用影响，微带天线是内置天线应用的最佳选择。
天线的预备知识
电磁波的辐射
天线，是电磁波的换能器件，用以发射和接收电磁波。它把在电路里流动的高频电流通过电磁感应转换成高频电磁波向外辐射，高频电流流过任何导体时，导体内部的电子随着高频电流振动，在导体外面空间会感应激发电磁波。天线也可以把在空间的电磁波通过感应转换成高频电流，因此，可以说天线是收发互逆的。任何天线在接收时的所有特性及参数都可以由该天线在发射状态时的已知特性及参数决定，反之亦然。简单地说，若一条天线的接收效果好，则该天线的发射效果也好。
l导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。
l当导线的长度 L 远小于波长 λ 时，辐射很微弱；导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。
l电子或磁子振动产生交变电场或磁场，交变的电场或磁场互相转换，形成电磁波以光速向外辐射。理论上使电子和磁子作高频振动能产生同样的电磁波，但由于电路里本身就是流动着高频电流，因此我们常用的是电天线——使电子作高频振动来产生电磁波。为了使天线的辐射提高，必须使流过天线导体的高频电流尽量的强。
l当电路处于串联谐振状态时，电路上的电流最大，因此，若使天线处于谐振状态，则天线的辐射最强。由传输线理论可知，当导体长度为1/4波长的整数倍时，该导体在该波长的频率上呈谐振特性，导体长度为1/4波长为串联谐振特性，导体长度为1/2波长为并联谐振特性。
l由于1/2波长的振子比1/4波长的振子长，所以1/2波长振子的辐射比1/4波长振子强，但振子超过1/2波长虽然辐射继续加强，但由于超过1/2波长的部分的辐射是反相位而对辐射有抵消的作用，因此总的辐射效果反而被打折扣，所以，通常的天线都采用1/4波长或1/2波长的振子长度单位，这种由两根长度相同的导体构成的天线就叫偶极天线。这是最简单、最基本的天线，其他的天线都可以等效成偶极天线的变形和叠加。
对称振子
偶极天线也叫做对称振子，是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地独立地使用或作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。
每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。
天线的测试参数－S-参数
衡量天线性能的参数包括
1、VSWR
2、输入阻抗&阻抗匹配
3、辐射方向图&增益
VSWR：传输线上相邻的波腹点和波谷点的电压振幅之比，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。
在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能
阻抗匹配
◆ 天线的输入阻抗是天线馈电端输入信号电压与输入信号电流的比值。
◆ 天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。
◆ 天线的阻抗匹配就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地
接近馈线的特性阻抗。
天线方向图
l l把振幅方向性函数绘制成场强随θ、 φ变化的曲线图就是天线方向图，所以
这两个名词在天线中是通用的。
l发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本
功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。
l垂直放置的半波对称振子具有平放的 “面包圈” 形的立体方向图。立体方向图
虽然立体感强，但绘制困难。
l平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。半波对称振子在轴线方向上
辐射为零，最大辐射方向在水平面上；在水平面上各个方向上的辐射一样大。
天线的波瓣宽度
l l方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。
l l在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称 波束宽度 或 主瓣宽度 或 半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。
l l还有一种波瓣宽度的定义，即 10dB波瓣宽度，是方向图中辐射强度降低 10dB （功率密度降至十分之一） 的两个点间的夹角。
天线的方向性系数D(θ,φ)
天线的方向性函数或方向图表示天线各方向辐射的相对大小，不能明确表示场在
某特定方向上集中的程度，故引进方向性系数的概念
l l发射天线在某一方向上的方向性系数：该方向上辐射功率密度与天线在各方向辐
射功率密度的平均值之比
l l方向性系数是以平均辐射功率为标准来说明辐射能量在某一方向上集中的程度的 l l对于无方向性天线，任何方向上D＝1 l l因此，也可以说，天线在某一方向的方向性系数等于它在该方向上的辐射功率密
度与具有相同辐射功率的无方向性天线的辐射功率密度之比
l l接收天线在某一方向上的方向性系数：电磁波从该方向进入时负载上的接受功率
与天线从各方向接收而送入负载的接收功率平均值之比
增益
发射天线在某方向的增益定义为：天线在该方向上的辐射功率密度与馈有相同的输入功率的无损耗、无方向性的理想天线在该方向辐射功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。
增益是一个比值，若无特别说明，实用中增益一般指最大辐射方向上的增益，常以分贝表示G（dB）＝10lgG（单位写作dBi）
天线增益有时以无损耗（ηA＝1）半波振子的增益作比较标准，称为相对增益g g＝G/1.64 g（dB）＝G（dB）－2.15（单位写作dBd）
接收天线在某方向的增益定义为：从该方向接收时负载所吸收到的功率与一个理想的（无损耗、无方向性）天线从该方向所接收的功率之比。
天线的效率
发射天线辐射到外部空间的实功率与输入到天线上的实功率之比
接收天线输入负载的最大接收功率与该天线无损耗时输入负载的最大接收功率之比
方向性系数、增益、效率的关系
G(θ,φ)=D(θ,φ)ηA
天线的极化
天线的极化是指该天线在给定空间方向上远区辐射场的极化，若无特别说明，则是指天线在其最大辐射方向上辐射场的极化。
电磁波在传播时其电场或磁场的方向是有固定的规律的，我们叫电磁波的极化，
是以电场分量的方向命名。电磁波的电场和地面垂直，称为垂直极化波；电波的
电场与地面平行，称为水平极化波。电波的极化是由发射天线决定的，因此天线
按其辐射电波的极化分为水平极化和垂直极化天线
根据天线收发互逆，接收时天线也必须采用与发射同种极化的天线才能有最好的接收效果。
天线的频带宽度
l l天线或天线系统的方向图、方向性系数（增益）、输入阻抗和极化特性等都是和工作频率有关的。 l天线的特性参数（方向图、阻抗、极化等）可以保持在规定的技术要求范围之内的频率范围，称为天线的频带宽度。
★方向图带宽——方向图的变化（如主最大方向偏离预定方向、主瓣展宽或副瓣电平增高等）不超过允许限制的频率范围
★方向性系数（增益）带宽——方向性系数或增益降到允许值（一般为预定值的50％）的频率范围
★阻抗带宽——一般指馈线上的驻波比不超过某一限额（例如ρ≤1.6或ρ≤2）的频率范围
l如果设备对天线的几个参数都提出了频带要求，则该天线的频带宽度只能取以上几种带宽中最窄的一个。
设计天线要考虑的因素
l总体思想：在使用的频率范围内，使天线的有效增益尽可能大。在保持高有效增益的前提下，还要允许缩小尺寸和减轻重量，以及提高使用寿命。高效率的天线设计可以降低手机发射功率，降低移动电话本身功耗，延长电池使用寿命。因此，为了研制小型化蜂窝移动电话，保证天线具有最大增益是非常重要的。 l移动环境中，天线性能和平均有效增益的计算 l天线设计中的人体辐射安全考虑：模拟机7W、数字机2W l天线要与RF模块连接，要解决阻抗匹配 l l需解决的关键技术问题：
– 克服人体对电波吸收和散射所引起接收特性的改变
– 多信道传播以辐射指向性造成增益下降等问题。
l对于某些手机天线，采用分集天线。它由两部分构成，外部天线为伸缩的鞭状天线，收藏在机体内，收发兼用；内藏天线为平面天线，用作接收专用天线。利用这两种天线，在接收时可供选择分集。 为了满足超小型化手机的需要，最近将内藏天线研制成平板状的反向F天线以及用微带贴片做成的小型天线，除体积进一步缩小外，并具有高增益和大宽带等优点，它是制在介质基板或PCB上，通过合理形状设计，求得特性最佳化。