測量天線特性的基礎(chǔ)知識

天線只是一個導(dǎo)體或?qū)w陣列，通常是金屬。但是它的位置和終止方式?jīng)Q定了它在****和/或接收電磁輻射時的行為。

讓我們從配置為傳輸?shù)奶炀€開始。施加在端子上的振蕩電壓將導(dǎo)致電流流過天線。****天線可以通過多種方式接線，但無論你怎么看，都必須有一條返回路徑讓電子流回電源。這可能令人費解，尤其是當(dāng)我們考慮接收天線時。（通常，在雙向無線電中，相同的天線用于****和接收。）已經(jīng)提出了各種模型：

? 任何為天線供電的傳輸線都有兩個導(dǎo)體，而天線實際上是從兩個導(dǎo)體分叉的地方開始的。
? ****輸出有兩個獨立的導(dǎo)體，同軸芯和同軸屏蔽。平衡天線系統(tǒng)有兩條線。
? 天線不需要返回路徑。它就像一個散熱的電阻或發(fā)光的燈。
? 鞭狀天線本身不是天線。天線是鞭子加地。天線有兩個極點，使其成為電路。

這些解釋不是 100% 兼容的，它們說的是不同的語言，或者至少是不同的方言。目前尚不清楚天線是負(fù)載還是連接到負(fù)載的導(dǎo)體。也許一個很好的看待它的方法是，****和接收器的射頻部分包括一個電路，它們之間的空間是一個內(nèi)部導(dǎo)體。穿過這個空間的能量暫時以電磁輻射的形式出現(xiàn)。

鞭狀天線（來自泰克）。

****和接收天線可以是全向的或定向的。顧名思義，全向天線在所有方向上均等地發(fā)送和接收，至少在水平面上是這樣。定向天線可以被構(gòu)造成從一個小的、遙遠(yuǎn)的目標(biāo)在一個特定的方向上****或接收。一個例子是衛(wèi)星碟形天線，用作電視廣播的接收器。對于小角度目標(biāo)，這種類型的天線具有高增益，該術(shù)語通常與放大設(shè)備相關(guān)，該放大設(shè)備在輸入端接收相對較弱的信號并從外部電源接收更高的功率。但是增益作為一個概念同樣適用于定向天線。

垂直或鞭狀天線是全向的。它由一個單獨的棒組成，通常相對于要接收或傳輸?shù)念l率長四分之一波長。由此可見，簡單的天線是按照它們要處理的頻率的四分之一波長建造的。由于尺寸限制，為低頻****或接收構(gòu)建定向天線是不經(jīng)濟(jì)的。

天線的最佳長度由它要輻射的頻率決定。任何長度都會輻射任何頻率，但是長度為波長整數(shù)倍的天線將需要更少的電壓或電流來輻射。

具體來說，共振發(fā)生在感興趣波長的正確部分（及其倍數(shù)）處。大多數(shù)諧振系統(tǒng)（包括天線）的諧振頻率范圍相對較窄。諧振導(dǎo)致天線中的電流或電壓比饋入天線的電流或電壓高得多。如果沒有這種共振，最終需要高電壓或電流才能輻射出相同的功率。

在諧振頻率附近，天線看起來是電阻性的。在天線的電阻頻率下，電壓和電流是同相的，因此有功功率被傳送到天線，然后天線進(jìn)行輻射。（另外，由于我們不會進(jìn)入的原因，天線的有效長度比它的物理長度長一點。）

偶極天線的外觀比鞭狀單極天線更復(fù)雜，但功能上卻很簡單。（嚴(yán)格來說，單極子天線是一種偶極子天線，其中地球充當(dāng)單極子的鏡像。因此，單極子加上鏡像共同構(gòu)成輻射頻率的半波長。）偶極子是第一個天線，由Heinrich Hertz 在 1886 年證明了無線電波的存在，正如幾年前 James Clerk Maxwell 在他的光電磁理論中所提出的那樣。

通用偶極子由端對端位于公共軸上的兩個導(dǎo)電金屬棒組成。將傳輸線的雙引線連接到相鄰的兩端很方便，但這些連接也可以在桿的其他點進(jìn)行。如此配置，兩個棒是諧振器，振蕩電流采用位于雙元件上的駐波形式。兩根棒的總長度是波長的二分之一，因此對于更高的頻率，組件更小。

巴倫

一種廣泛使用的天線布線配置是雙傳輸線，具有連接到兩個元件的相反極性的相等電壓。這被稱為平衡傳輸。它的優(yōu)點之一是共模抑制，這相當(dāng)于無噪聲運行。通過為偶極天線饋電或通過配備巴倫的同軸電纜從其接收可以實現(xiàn)相同的目標(biāo)。

這個奇怪的小詞來源于“平衡到不平衡”。該設(shè)備可以采用多種形式。它經(jīng)常但不總是通過變壓器和磁耦合來實現(xiàn)其目標(biāo)。它將未接地的平衡信號轉(zhuǎn)換為一側(cè)接地的不平衡信號，反之亦然。

巴倫有很多用途，包括通過變壓器進(jìn)行阻抗匹配。在大多數(shù)情況下，所涉及的微小信號電流允許使用較小的組件尺寸。具有電氣分離繞組的隔離變壓器巴倫具有以下優(yōu)點：可以連接具有不同接地電位的電路，而無需擔(dān)心接地回路。在所有情況下，接地并不一定意味著實際連接到大地。只需一個底盤接地，即參考信號的零伏點就足夠了。

與偶極天線相鄰的附加導(dǎo)電元件可以使其更具方向性并提供更多增益。盡管增益以這種方式增加，但應(yīng)該理解，在任何情況下，功率相對于****提供的量都不會增加。相反，輻射功率被集中到一個可用區(qū)域，這樣就不會違反能量守恒。一個例子是相控陣，其中許多天線元件被電連接以形成單個設(shè)備。

一種變體是對數(shù)周期性偶極子陣列。這種配置涉及不同長度的偶極子元件。最終產(chǎn)品的特點是方向性適中，帶寬寬。在衛(wèi)星天線電視出現(xiàn)之前，這些陣列在農(nóng)村地區(qū)的屋頂上很顯眼。偶極子元件都是有源的，因為它們彼此電連接并與傳輸線電連接。

另一種外觀相似的變體是八木天線。在這個陣列中，只有一個元件與傳輸線有直接的電連接。其他元素，稱為寄生蟲，被放置得很近。它們影響電磁場，從而間接影響整個陣列的電氣性能。在又一變體中，稱為導(dǎo)向器的寄生元件位于有源元件和****之間，并且一個或多個稱為反射器的寄生元件位于背面。再次，只有有源元件電連接到傳輸線。

單個天線無論是****還是接收都具有相同的電氣質(zhì)量。這個原理被稱為互易性，指的是阻抗、帶寬、增益、輻射方向圖、諧振頻率和極化。為了應(yīng)用互易性，構(gòu)成天線和傳輸線的材料必須是線性的和互易的。

有無數(shù)類型的天線和子系統(tǒng)。不在****或接收器內(nèi)的天線通過傳輸線連接。一般來說，天線不要太遠(yuǎn)，以盡量減少傳輸線損耗。傳輸線設(shè)計的一個重要方面是阻抗匹配。如果在線路內(nèi)或線路的任一端存在阻抗突然變化的連接點，則會出現(xiàn)信號反射，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)沖突和損壞或噪聲。

所有天線都具有以下幾個性能指標(biāo)：輸入阻抗、極化、方向性、增益、輻射效率和輻射方向圖。除了第一個屬性之外的所有屬性都可以在天線范圍或消聲室中進(jìn)行測量。消聲室是一個用來消除感興趣頻率的所有反射的房間。如果在非消聲室的天線范圍內(nèi)進(jìn)行測試，則必須首先分析范圍內(nèi)的任何反射源（例如，來自地面的反射）。然后在測試之前消除這些反射（有時在室外范圍內(nèi)說起來容易做起來難）。

天線測試的一般方法是將已知的****和天線放置在距離被測天線已知距離處。被測天線連接到一個已知的接收器。****輸出的幅度是已知的，任何電纜的損耗也是如此。類似地，連接到被測天線的接收器的靈敏度也是已知的?？梢杂嬎銉蓚€天線之間距離上的路徑損耗。

通過這種設(shè)置，在接收器處測量的信號幅度將指示被測天線的增益。天線輻射方向圖可以通過將待測天線放置在旋轉(zhuǎn)平臺上并隨著平臺旋轉(zhuǎn)以增量測量接收信號的幅度來確定。

需要注意的一點是，在距離****天線較遠(yuǎn)的地方，****波的相前形狀像一個球體。對于****和接收天線之間的極端分離，曲率半徑是如此之大，以至于對于所有實際目的，相位前可以被認(rèn)為是在實際天線的孔徑上是平面的。這就是為什么發(fā)送和接收天線必須間隔一定距離的原因。當(dāng)天線靠得更近時，會到達(dá)一個點，在該點處，短曲率半徑會導(dǎo)致波前和天線孔徑邊緣之間出現(xiàn)明顯的分離。

天線 VSWR（電壓駐波比）是衡量發(fā)送到天線的能量被反射回來的量度。其測量通常涉及定向耦合器、信號發(fā)生器和示波器的頻譜分析儀模式。信號發(fā)生器將已知信號輸出到耦合器，然后饋送到耦合器輸出端口。通過將已知阻抗（通常與天線的目標(biāo)阻抗相同的阻抗）的虛擬負(fù)載連接到輸出端來獲取基線讀數(shù)。記錄反射和直接信號的幅度。然后將被測天線連接到輸出端。連接天線的反射波幅度與基線期間的反射波的差異是感興趣的數(shù)字。它通常表示為輸入幅度與反射幅度之比。

最后，對于更奇特的天線，還有一些其他專門的測量方法。例如，有源
相控陣具有在波束方向之間切換以及頻率之間切換時出現(xiàn)的瞬態(tài)響應(yīng)。該響應(yīng)是內(nèi)部天線相互作用的函數(shù)，例如耦合和 VSWR、有源電路以及移相器和衰減器等組件。這些類型的測量非常專業(yè)，通常取決于被測量天線的具體情況。