【无线技术】Wireless Technologies and Techniques—

【无线技术】Wireless Technologies and Techniques——Antenna and Propagation

一、天线基础 Introduction to Antenna

天线（Antenna）是一种设备，用于将电信号转换为无线电波进行传输，反之亦然（用于接收）。天线是所有无线系统的 “ 眼睛和耳朵 ” ，负责电磁波的发射和接收。

传输线（Transmission Line）是一种连接无线电发射机或接收机与天线的专用电缆或波导。常见的传输线包括同轴电缆 coaxial cables 、并行线 parallel lines 和波导 waveguides。传输线用于最小化损耗地传输射频信号。

二、天线参数 Antenna Parameters

辐射方向图（Radiation Pattern）是天线辐射特性的图形表示。天线的辐射在不同方向上并不均匀，这种方向选择性通过辐射方向图来表征。在大多数情况下，辐射方向图是在远场区域确定的。

场区（Field Regions）：天线周围的空间通常被细分为3个区域，近场反应区、辐射近场和远场。

近场反应区（Reactive Near-Field）：天线附近的区域，电磁场主要表现为反应性，常见于NFC、RFID等应用。
辐射近场（Fresnel）：介于近场反应区和远场区域之间的区域。
远场（Fraunhofer）：电磁波辐射最强的区域，是天线辐射的主要区域。

方向性（Directivity）描述了天线将能量集中到特定方向的能力。理想的全向天线在所有方向上均匀辐射，而实际天线通常有一定的方向性。

各向同性天线：在各个方向上辐射等量能量的天线(图上的绿地面积)。这是一个理想的概念，在现实生活中是不可能设计出来的。该参数作为评估天线性能的参考点。
全向天线：在水平面的所有方向上均匀辐射能量，但在垂直面(就像一个甜甜甜圈)的辐射非常有限；
并非所有天线在每个方向上都均匀辐射；
方向性 Directivity（D ）：一个远场参数，描述了天线将能量聚焦到特定方向(或方向)的能力；方向性越高，天线辐射的波束越集中或聚焦。

增益（Gain）是衡量天线相对于各向同性天线能将能量聚焦到特定方向的程度。增益通常以分贝衡量，相对于各向同性辐射体( dBi )或偶极子天线( dBd )；不同于方向性，增益不仅与辐射方向图相关，还与天线的效率相关。增益与方向性性有关，其表达式如下，其中所有项均表示为无量纲数

阻抗（Impedance）：天线的阻抗表示电压和电流在馈电点处的关系。天线阻抗的匹配是为了实现最大功率传输。

为了获得最大的效率，天线的阻抗应该与传输线（通常为50 Ω或75 Ω）的阻抗相匹配。现代射频器件的标准阻抗通常是50 Ω。对于大多数射频应用，这个50 Ω代表了最小化信号损耗和最大化功率传输之间的最佳平衡。为了优化系统的整体性能，所有元件的阻抗必须匹配。

反射系数与回波损耗（Reflection Coefficient & Return Loss）：反射系数用于衡量能量被反射回源头的比例，回波损耗是反射系数的对数表达，反映了系统效率。如果阻抗不匹配，功率会被反射回源或发电机，而不是被天线辐射，从而降低效率。这种反射或能量损失可以通过反射系数( $\Gamma$ )或“回波损耗”来测量。反射系数 $\Gamma$ 定义为反射电压与入射电压的比值：

为了获得最大的效率，我们的目标是匹配两个阻抗，使 $Z_{L}\approx Z_{0}$ 。这将使我们得到 $\Gamma \approx 0$ ，天线将辐射提供给它的大部分能量。当 $\Gamma$ 以dB表示时，称为回波损耗( RL )。

对于一个天线，RL至少为10 dB通常被认为是最小可接受值，这意味着大约10 %的信号功率被反射回源，90 %的功率被天线成功发射或辐射。

三、天线类型 Types of Antennas

常见天线类型包括：

单极天线、偶极天线、Yagi天线、环形天线、喇叭天线、抛物面天线、MIMO天线、微带天线等。
半波偶极天线：这是最基础且广泛使用的天线之一。长度为工作波长的一半，通常用于无线电和电信应用中。

在无线电和电信中，最基本和最广泛使用的天线类型之一。偶极子天线的长度是半波长的，也就是说天线的总长度是其预期工作频率波长的一半。因此，偶极子天线的总长度是，L = λ / 2单臂长度= L / 2或λ / 4。我们可以很容易地通过 $\lambda=\frac{c}{f}$ 找到波长，其中c =光速，f =工作频率。线偶极子天线 wire dipole antenna 的馈电间隙是指偶极子天线的两个导电单元在其中心的微小物理间隙，其中传输线或馈线是连接的。

常见的偶极子天线通过传输线在中心馈电。自由空间的馈电点阻抗约为73ohms。导线的厚度影响天线的带宽，较粗的导线通常提供更宽的带宽。半波偶极子的理想远场辐射方向图是全向的，最大方向性系数为~ 2.16 dB。

四、微带天线设计 Microstrip Antenna Design Technique

微带天线结构由辐射贴片、介电基板和接地平面组成。此天线结构简单、体积小、便于制造，广泛用于无线通信、卫星和雷达系统中。

辐射贴片：天线中辐射电磁波的部分。它通常由铜或金等导电材料制成，可以具有不同形状的(例如,矩形、圆形、三角形等)。
介质基板：将贴片放置在介质材料上。介质基板的介电常数影响天线的性能。
接地平面：导电接地平面位于介质基板的对面。它有助于反映贴片辐射的能量，以提高辐射效率。
微带馈线：微带馈线用于将信号源的能量传递给天线的辐射贴片。还用于阻抗匹配。

设计过程如下：

确定已知参数：谐振频率、基板的介电常数、基板的高度。
计算贴片宽度和长度，贴片的有效长度受到介电常数和几何形状的影响。
选择合适的馈线宽度，以实现50欧姆的特性阻抗。
计算接地平面的尺寸。

我们学习了最流行的矩形微带贴片天线的设计过程。但辐射贴片可以有许多其他不同的形状，如圆形，椭圆形，三角形，细条形(偶极子)，圆形环等，如图所示。·有许多可用于微带天线设计的基板，它们的介电常数通常在2.2≤εr≤12范围内。

低介电常数的基板非常适合天线应用，而具有高介电常数的基板非常适合电路应用。与偶极子天线不同，微带天线在各个方向上的辐射并不相等。微带天线通常表现为宽边辐射，即它们垂直于天线表面辐射，如图所示。这种行为主要是由于地平面的反射性质和其他设计因素造成的。

五、 Friis 传输方程 Friis Transmission Equation

到目前为止，已经讨论了不同的天线参数和设计技术。现在，我们将了解在一定距离上通信系统中天线的发射功率和接收功率之间的关系。天线理论中的一个基本方程是Friis传输方程，Friis传输方程用于计算从另一根天线发射时，从另一根天线接收到的功率，以距离d为间隔，并以f的频率工作。该方程假设传输发生在自由空间中，意味着没有障碍物、反射或干扰。在真实世界条件下，其他因素如障碍物、天气、干扰等都会进一步影响接收功率。Friis 传输方程用于计算在自由空间中，两个天线之间的接收功率。基本方程为：