天线的参数指标（一）

闰木 2023-12-23 发布于四川

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影响天线性能的临界参数有很多，通常在天线设计过程中可以进行调整，如谐振频率、阻抗、增益、孔径或辐射方向图、极化、效率和带宽等。另外，发射天线还有最大额定功率，而接收天线则有噪声抑制参数等。这里就对一些常见的对RFID影响和作用最大的一些参数进行详细介绍。

1.谐振频率（Resonance Frequency）

天线一般在某一频率调谐，并在此谐振频率为中心的一段频带上有效。但其它天线参数（尤其是辐射方向图和阻抗）随频率而变，所以天线的谐振频率可能仅与这些更重要参数的中心频率相近。“谐振频率”和“电谐振”与天线的电长度相关。电长度通常是电线物理长度除以自由空间中波传输速度与电线中速度之比。天线的电长度通常由波长来表示。

天线可以在与目标波长成分数关系的长度所对应的频率下谐振。一些天线设计有多个谐振频率，另一些则在很宽的频带上相对有效。最常见的宽带天线是对数周期天线，但它的增益相对于窄带天线则要小很多。我们经常遇到同时支持两个差异很大的频率的双频天线，如同时支持2.4GHz和900MHz的天线，其在不同频率的增益就不同。

2.天线阻抗、电压驻波比（VSWR）、回波损耗（Return Loss）

在使用天线的时候，大家经常会讨论你的天线阻抗是多少啊，你的天线VSWR是多少呢？第一个问题很好回答，一般情况下天线的阻抗是50欧（RFID阅读器天线一般都是50欧姆），而VSWR是什么呢？

VSWR翻译为电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio），一般简称驻波比，指的就是行驻波的电压波腹值与电压波节值之比，此值可以通过反射系数的模值计算：VSWR=(1+反射系数模值)/(1-反射系数模值）。从能量传输的角度考虑，理想的VSWR为1，即此时为行波传输状态，在传输线中，称为阻抗匹配；最差时VSWR无穷大，此时反射系数模为1，为纯驻波状态，称为全反射，没有能量传输。由上可知，驻波比越大反射功率越高，传输效率越低。

发射机与天线匹配的条件是两者阻抗的电阻分量相同、感抗部分互相抵消。如果发射机的阻抗不同，要求天线的阻抗也不同。在电子管时代，一方面电子管输出阻抗高，另一方面低阻抗的同轴电缆还没有得到推广，流行的是特性阻抗为几百欧的平行馈线，因此发射机的输出阻抗多为几百欧姆。而现代商品固态无线电通信机的天线标准阻抗则多为50欧姆，因此商品VSWR表也是按50欧姆设计标度的。如果你拥有一台输出阻抗为600欧姆的老电台，那就大可不必费心血用50欧姆的VSWR来修理你的天线，因为那样反而帮倒忙。只要设法调到你的天线电流最大就可以了。

当天线阻抗不是50欧姆而电缆为50欧姆时，测出的VSWR值会严重受到天线长度的影响。只有当电缆的电器长度正好为波长的整倍数、而且电缆损耗可以忽略不计时，电缆下端呈现的阻抗正好和天线的阻抗完全一样。但即便电缆长度是整倍波长，电缆有损耗（例如电缆较细、电缆的电气长度达到波长的几十倍以上），那么电缆下端测出的VSWR还是会比天线的实际VSWR低。所以，测量VSWR时，尤其在UHF以上频段，不要忽略电缆的影响。

在讲VSWR的时候经常会听到一个词回波损耗：Return Loss，回波损耗是表示信号反射性能的参数。回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源。例如，如果注入1mW（0dBm）功率给放大器，其中10%被反射（反弹）回来，回波损耗就是10dB。从数学角度看，回波损耗为10 lg [(入射功率)/(反射功率)]。驻波比VSWR与回波损耗RL之间的换算公式为：RL=20*log10[(VSWR+1)/(VSWR-1)]。在天线匹配上VSWR和Return Loss是可以互换的，只是计算方法不同，其表达的意思是基本一致的。

3.带宽（工作频率）

天线的带宽是指它有效工作的频率范围，通常以其谐振频率为中心。天线带宽可以通过以下多种技术增大，如使用较粗的金属线，使用金属“网笼”来近似更粗的金属线，尖端变细的天线元件（如馈电喇叭中），以及多天线集成的单一部件，使用特性阻抗来选择正确的天线。小型天线通常使用方便，但在带宽、尺寸和效率上有着不可避免的限制。

无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义：

一种是指：在驻波比VSWR ≤1.5条件下，天线的工作频带宽度；

一种是指：天线增益下降3分贝范围内的频带宽度。

在移动通信系统中，通常是按前一种定义的。具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比VSWR不超过1.5时，天线的工作频率范围。一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上,天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。

4.方向增益（Gain）、dBi、 dBd

“方向增益”指天线辐射方向图中的强度最大值与参考天线的强度之比取对数。如果参考天线是全向天线（理想孤立波源辐射），增益的单位为dBi，大家可以理解为dB(isotropic)，isotropic是全向的意思，dB是比的意思，即与全向比的增益。比如，偶极子天线（半波阵子）的增益为2.15dBi。偶极子天线也常用作参考天线（这是由于完美全向参考天线无法制造，而理论半波阵子天线与实际偶极子天线增益相似），这种情况下天线的增益以dBd为单位，理解为dB（dipole）。图2-18为理想孤立波源辐射、理论半波阵子辐射和一个四元半波对称振子辐射的天线增益图。

图2-18理想孤立波源、理论半波阵子与定向天线增益

天线增益是无源现象，天线并不增加激励，而是仅仅重新分配而使在某方向上比全向天线辐射更多的能量（与2.1.3节的射频增益不同）。如果天线在一些方向上增益为正，由于天线的能量守恒，它在其他方向上的增益则为负。因此，天线所能达到的增益要在天线的覆盖范围和它的增益之间达到平衡。比如，航天器上碟形天线的增益很大，但覆盖范围却很窄，所以它必须精确地指向地球；而广播发射天线由于需要向各个方向辐射，它的增益就很小。

碟形天线的增益与孔径（反射区）、天线反射面表面精度，以及发射、接收的频率成正比。通常来讲，孔径越大增益越大，对于相同的孔径频率越高增益也越大，但在较高频率下表面精度的误差会导致增益的极大降低。

孔径和辐射方向图与增益紧密相关。孔径是指在最高增益方向上的波束截面形状，是二维的（有时孔径表示为近似于该截面的圆的半径或该波束圆锥所呈的角）。辐射方向图则是表示增益的三维图，但通常只考虑辐射方向图的水平和垂直二维截面。高增益天线辐射方向图常伴有副瓣。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高波束）外的波束。副瓣在如雷达等系统需要判定信号方向的时候，会影响天线质量，由于功率分配副瓣还会使主瓣增益降低。

天线的方向增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。例如：需要100W的输入功率，用增益为G = 20（13dB）的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100 / 20 = 5W。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。

增益特性：

天线是无源器件，不能产生能量，天线增益只是将能量有效集中向某特定的方向辐射或接收电磁波能力。
天线增益由振子叠加而产生，增益越高，天线长度越长。
天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

5.辐射方向图（RadiationPatterns）

天线的辐射电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形，称为方向图。用辐射场强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之功率方向图，用相位表示的称为相位方向图。天线方向图是空间立体图形，但是通常应用的是两个互相垂直的主平面内的方向图，称为平面方向图。在线性天线中，由于地面影响较大，都采用垂直面和水平面作为主平面。在面型天线中，则采用E平面和H平面作为两个主平面。归一化方向图取最大值为1。

如图2-19所示为垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图又称苹果图，如图2-19（a）所示。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图2-19（b）与图2-19（c）给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图2-19（b）可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图2-19（c）可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。