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1、北京华荣汇资讯有限公司天线基本知识编号HRH/执行日期2010-5-26修改次数发布研发部审核批准发放页数1参考：TI的AN003-SRDantennas天线增益：天线增益反映了天线对丁信源提供的功率在某个特定方向上的辐射能力。我们通常按照天线的最大辐射方向计算天线增益。G-D却n这里D是方向，u是效率，m是失配损耗。天线增益的单位通常是dBi或dBdo这里dBi是指被测量的方向与全向天线（各个方向辐射相同的天线）的比。而dBd是使用偶极子天线作参考。偶极子天线鬥身的增益大于全向天线，有换算关系1dBd=2.15dBi。方向性：天线的方向性描绘出天线辐射的图案。天线的接收和辐射能力在某个方向会
2、比其它方向好。在固定的点对点无线链路中，我们可以把天线辐射波束最集中的方向放在想耍的方向上，以获得最佳的通讯效果。但是对丁发射器和接收器没有固定位置的系统，全向天线是最理想的。ElRP:等效全向辐射功率（ElRP）是指将天线增益计算在内的天线等效辐射功率。管理规范中经常以ElRP作为最大输出功率的测量结果。EIRP=GP这里G是天线增益，P是发射机的输出功率。效率：效率是讨论电小天线时最重耍的一个术语。效率表示天线辐射出的功率和天线结构本身消耗功率（转化为热能）的比。效率的计算公式是n=/心+心其中Rr是辐射电阻（想要的），Rd是耗散电阻（不想耍的）。电小天线的辐射电阻小，因此任何电路的损耗将
3、带來效率的明显下降。这在小磁环天线中尤其明显。Q值Q值乂叫品质因数，用來描述天线的谐振特性。高Q值意味着谐振强烈和带宽窄。Q值得表达式是：Q天线的电抗/天线的电阻。通常我们设计电路希望使用高Q值的元件以减少电路的损耗，但是对丁天线来说我们希望天第#页共9页HRH北京华荣汇资讯有限公司工程部文档HRH2010-5-27线的Q值低，因为天线的损耗中包括了我们真正想耍的辐射损耗。一个低Q值的天线容易匹配，容易调谐，而且带宽宽。MLean描述了电小天线最小Q值极限的基本理论。如果天线被放置在一个半径为a的球体内,天线的最小Q值是这里k=这个公式表示了天线可以获得的最小Q值，遗憾的是这个理论并不能告诉我
4、们如何获得最小Q值的天线。天线的Q值可以通过加入额外的电阻來减小，但是这将降低天线的效率。Q值这个概念在考虑电小天线时非常有用。因为电小天线辐射电阻小，并且电抗高，所以天线的Q值就高。天线尺寸越小，其Q值越高，带宽越窄，并且更加难匹配，更加容易受到周围物体的影响。带宽：天线带宽和天线的Q值与天线效率的关系很接近，天线最大带宽可以表示为：这里是球型空间的半径，入是波长，n是辐射效率。这里我们看到带宽和效率成反比。在同样的天线尺寸下，天线的带宽越大，则它的效率越低。互易性：天线作为发射和作为接收它的性能是相同的，这就是天线的互易性。极化：一个电场天线（辐射和接收电场的天线类型，常见的单鞭天线和偶极
5、子天线都是这种类型的天线）垂氏放置，我们说它是垂冇极化的，因为天线辐射出的电场成分是垂氏分布的。接收天线也耍有和发射天线同样的极化方向，以获得最强的接收效果。否则，就会有极化损耗。谐振天线和小型非谐振天线电场天线和磁场天线：我们通常把天线分为电场天线和磁场天线。他们的区别是靠近天线建立的初始场（天线近场,距离天线一个波长之内）不同。电场天线建立的主要是电场，电场成分比磁场成分强很多。类似的磁场天线的近场区域磁场占主要成分。远场，即从辐射天线远离后的电磁场，无论是电场天线还是磁场天线都是相同的。在远场，电场成分和磁场成分的关系被给出，即由空间的辐射阻抗120HQ（377Q）远场近似从一个波长向外
6、延伸。偶极子、单端和短截线天线一般是电场天线，环形天线时磁场天线，螺旋天线通常是两者结n谐振天线：天线通常都是谐振结构，谐振在工作频率上，因此物理尺寸（长度或周长）是波长的整数倍。第2页共9页HRH北京华荣汇资讯有限公司工程部文档HRH2010-5-27天线的阻抗在谐振是使纯阻（没有电抗成分）。偶极子天线是谐振天线的典型例子，每个腿都是1/4波长。1/4波长的振子放置在地平而上的单端天线也是谐振天线。正常模式的螺旋天线（NWA）展现出一种H谐振特性，在轴向上的长度比谐振单端天线短很多，这种天线可以看成是1/4波长单端天线卷成线圈。电小天线：很多短距离设备的物理尺寸有严格限制。对丁严格限制物理尺
7、寸的天线的实施有一些重要问题需要考虑。电小天线是指那些最大物理尺寸是分数波长（通常1/10波长）的天线。当然,这些天线不会h谐振，但是可以通过某种加载來实现谐振，常用的方法是使用集总元件。电小天线具有低辐射电阻和大电抗。通常用匹配网络消除电抗，并用变压器网络提高阻抗。天线的电抗也可以是变压器网络的一部分。因为辐射电阻低，任何天线结构或匹配网络的损耗都将降低天线的效率。调谐中高电抗的元件将被使用。这些高电抗的元件都有明显的损耗，因此会降低天线的效率。我们比较小环形天线，短偶极子和短单端天线，当环的直径和偶极子、单端的长度相同时的辐射电阻可以按照下面公式给出：Rg=2Q茫心如严20畔皿=4元厶/.
8、二A二-Radiartknrssitance010020200080110.120.U0.1O.102Oimonskmroiathxj我们可以用同样的方法画出3种天线的Q值。Q值的公式是：-OOPOpoiaSmallanlonnaOtdaGtor-039Mcrocoommnaanreiair*owawn-gxri我们看到环形天线的Q值是偶极子和单端的一半。在这方而环形更有效的利用了物理维度。这可以解释为环形结构是2维的而偶极子和单端结构只是1维的。但是我们也看到辐射电阻方面环形天线比另外两种天线结构耍低。在实际的实施过程中，大变比的阻抗变换网络很难保证不引入额外的损耗。排除天线结构H身的损耗不
9、考虑，环形天线的效率比另外两种天线低。对丁高Q的电小天线，天线结构损耗和匹配网络损耗对Q值影响很大。因此实际上环形天线的Q值和单端天线的差别并不大。当然，单端天线的效率比环形天线高，因为辐射阻抗比耗散电阻更大。如果对于433IVHZ的频率，在5*5cm的PCB上制作天线,d/X=5crrf69cm=0.07o无损的Q值环形天线是433,而偶极子/单端是743。环形、偶极子和单端天线的辐射电阻分别是0.46,0.96和1.93欧姆。单端是环形的4倍。环形天线的低辐射电阻导致低的效率。在有效的空间内，通过弯曲单端天线，单端天线振子的长度可以超过0.07入。如果充分利用空间，单端天线结构可以增加到两
10、倍的长度（0.14入），辐射电阻可以达到7.7欧姆，是环形天线的16倍。电小天线设计公式：这些是给定波长情况下的电小天线设计公式总结。短偶极子：对丁长度2h的偶极子，阻抗是:第#页共9页HRH北京华荣汇资讯有限公司工程部文档HRH2010-5-27第#页共9页HRH北京华荣汇资讯有限公司工程部文档HRH2010-5-27第#页共9页HRH北京华荣汇资讯有限公司工程部文档HRH2010-5-275是导体的半径。辐射电阻就是阻抗的实部：耗散电阻是：这里九是导体的半径，趋肤深度，。金屈电导率。Q值的表达式是：对Th/ro=1O的情况，Q值是:第#页共9页HRH北京华荣汇资讯有限公司工程部文档HRH2
11、010-5-27第#页共9页HRH北京华荣汇资讯有限公司工程部文档HRH2010-5-27短鞭或单端天线：对丁天线长度h的单端天线，阻抗是偶极子的一半:h2问=40卅声nvnopaie6Qcr这里3是导体的半径,6趋肤深度，O金属电导率。第#页共9页HRH北京华荣汇资讯有限公司工程部文档HRH2010-5-27Q值和偶极子相同:小环形天线:阻抗:Z如=320+J240亍2+0,0966第#页共9页HRH北京华荣汇资讯有限公司工程部文档HRH2010-5-27第#页共9页HRH北京华荣汇资讯有限公司工程部文档HRH2010-5-27X是导体的半径，九是环的半径。Q值表达式：第#页共9页HRH北京
12、华荣汇资讯有限公司工程部文档HRH2010-5-27+0.0966呼/二3氏忆如厂第#页共9页HRH北京华荣汇资讯有限公司工程部文档HRH2010-5-27对Th/ro=1O的情况,Q值是:第#页共9页HRH北京华荣汇资讯有限公司工程部文档HRH2010-5-27第#页共9页HRH北京华荣汇资讯有限公司工程部文档HRH2010-5-27我们也可以用环路而积表示辐射电阻:X.天线结构的耗散电阻是:第#页共9页HRH北京华荣汇资讯有限公司工程部文档HRH2010-5-27第#页共9页HRH北京华荣汇资讯有限公司工程部文档HRH2010-5-27这里3是导体的半径，九是环的半径，趋肤深度，O金屈电导
13、率。对丁小高Q天线，Q値由天线损耗Rd和匹配网络损耗决定。螺旋偶极子：对丁螺旋偶极子，长度2h：Rgz&M=1280w螺旋单端天线：长度h,阻抗是偶极子的一半:r.htiicairrmopoic64心通用方程：矩形导体的等效圆半径X是：i=0.35f+0.24w这里t是金属厚度，w是导体的宽度。自由空间的波长是：fCo是真空中的光速。如果频率使用般，波长单位是米，公式可以变形为:订300小卜7两PCB集成天线馈电和地平而相互作用:在前而的段落中我们看到了电小天线：环形、偶极子和单端天线，讨论了他们的限制并比较了他们的性能。在这一段落中我们将先给出一些通用的指导，然后再看一个特殊的设计范例。在P
14、CB实现射频电路时，应该确保另一面是地平而而且地平面全部可靠的连接在一起。这个地平面不应该延伸到天线的区域。环形天线可以采用单端或差分馈电，如果是单端馈电，环路的远端必须接地。如图(a)所示。差分馈电可以馈入一个“浮动的”环形天线，如图(b)。环形天线对邻近地平而的影响不敏感,但是在环形天线内部应该避免放置地平面或元件。偶极子天线是差分结构需要差分驱动。对丁单端放大器输出接口，需要使用平衡不平衡变换器。通常使用一个小变压器实现平衡到不平衡的变换。天线H身应该保持远离地平而和任何金属或导体，如图(C)所示。单端天线应该使用单端馈电。这种类型的天线需耍地平而才能良好工作，而且天线的“远端”应该保持远离地平面，如图(d)所示。Siaiijr-ctidri!feMpCifllril?n:ubulftedpoint1*1l-:pplanv问IMp如(A极化和辐射图形：考虑到极化和辐射图形方而的问题，应该注
