天線是一個(gè)相當(dāng)龐大的話題，很難用一篇文章來(lái)描述天線的每個(gè)方面，但我會(huì)嘗試給出一些天線的各個(gè)方面的大圖片，主要用于蜂窩應(yīng)用。
天線是什么？
如何表現(xiàn)天線的性能？
輻射模型
天線增益
總輻射功率TRP
Total Isotropic Sensitivity (TIS)
Effective Isotropic Radiated Power/Equivalent Isotropic Radiated Power (EIRP)
S11
什么是天線？
眾所周知，天線是一種將電能(電信號(hào))轉(zhuǎn)換成電磁波并傳送到太空的裝置。
外面有各種類型的天線，下面是一些例子。 這些只是一些例子，還有很多其他類型。 看看有多少你熟悉的。
現(xiàn)在在大多數(shù)移動(dòng)通信設(shè)備中，天線都被嵌入到一個(gè)很小的空間里。 在一個(gè)相對(duì)久遠(yuǎn)的移動(dòng)電話，你可能已經(jīng)看到了天線顯示在左側(cè)的圖片(鞭天線)。 在大多數(shù)的移動(dòng)設(shè)備，你看到這些天，天線是嵌入的情況下，或正確的印刷電路板如下所示。 隨著移動(dòng)設(shè)備(例如智能手機(jī))在一個(gè)設(shè)備中獲得越來(lái)越多的技術(shù)(例如，帶有各種頻段 / 無(wú)線接入技術(shù)的蜂窩技術(shù)，藍(lán)牙，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等) ，設(shè)計(jì)多個(gè)天線并將其放入一個(gè)小空間變得越來(lái)越困難。
如何表現(xiàn)天線的性能？
有兩個(gè)主要的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估天線的性能，如下
(a)我應(yīng)該把電能轉(zhuǎn)換成電磁能，盡可能減少損失;
(b)希望輻射在我需要的方向上。
有幾個(gè)指標(biāo)可以代表天線的性能如下
輻射模型；
總輻射功率;
總的各向同性靈敏度。
輻射模型
了解 / 評(píng)估天線性能的第一步是檢查天線的輻射模型。 在大多數(shù)情況下，電能都是通過(guò)預(yù)先設(shè)定好的路徑流動(dòng)的，這種路徑通常建立在銅線或印刷電路板上的銅痕跡上，但是一旦電能轉(zhuǎn)化為電磁波，它幾乎就會(huì)向四面八方傳播。 根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)天線的思路，電磁波在空氣中傳播的方向是不同的。 天線在某些方向上傳輸很強(qiáng)的能量，在某些方向上傳輸少量的能量，在某些方向上傳輸中等范圍的能量等，這種能量傳輸方式被稱為“輻射方向圖”。 (更實(shí)際的輻射型態(tài)例子，請(qǐng)參閱 http://rcexplorer.se/educational/gain/gain.html )以下只是一些可能的輻射型態(tài)例子。 事實(shí)上，你可以想到幾乎無(wú)限多種不同的模式。 天線設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使它在從電能到電磁能的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，以我想要的方式傳輸能量，而不會(huì)有任何能量損失。
實(shí)際上，信號(hào)輻射到三維方向，如下圖(b)所示。 然而，在三維空間中表示能量傳播模式并不總是容易的，有時(shí)在三維空間中定量地估計(jì)能量傳播模式更加困難。 所以在許多情況下，我們沿著一個(gè)特定的2d 平面切割3d 模式，如(c)和(d)所示。
天線增益(G)
我認(rèn)為“天線增益”是一個(gè)誤導(dǎo)性的術(shù)語(yǔ)，因?yàn)?/p>
(a)當(dāng)我們聽(tīng)到“增益”這個(gè)術(shù)語(yǔ)時(shí)，我們通常認(rèn)為“這個(gè)裝置會(huì)放大信號(hào)，使其產(chǎn)生更大的能量”。 但對(duì)天線來(lái)說(shuō)不是這樣的。 大多數(shù)天線都是“無(wú)源器件” ，它不會(huì)放大任何東西。
(b)當(dāng)我們考慮增益時(shí)，增益越高，器件發(fā)出的總能量就越高。 但這可能不是真正的天線情況下。更高的天線增益可能意味著“更高的能量在一定的方向上傳輸” ，但它可能并不意味著“總能量出設(shè)備”。天線增益的定義是指在某一方向上發(fā)射的功率與某一參考點(diǎn)的比值。 這通常用 db、dbi 或 dbd 表示。這是用來(lái)表示“天線在指定方向上傳輸能量的效率”的指示器。 基本概念可以說(shuō)明如下。 (詳情請(qǐng)參閱 http://rcexplorer.se/educational/gain/gain.html )
以下是典型增益值的經(jīng)驗(yàn)傳播模式規(guī)則。 正如你所看到的，隨著天線增益的增加，傳播的方向越來(lái)越集中，這并不意味著總的傳輸能量(橢圓包圍的區(qū)域)變得更高。
如果你想知道增益的數(shù)學(xué)定義，給你。
在大多數(shù)情況下，天線增益用對(duì)數(shù)單位表示如下。
Total Radiated Power (TRP)
正如這個(gè)詞所暗示的。 這是從各個(gè)方向測(cè)量的輻射功率之和。 TRP 的簡(jiǎn)單定義如下所示(注意: 這里顯示的球體不是天線的輻射方向圖。 這是一個(gè)三維坐標(biāo)，稱為’球面坐標(biāo)’)。 我希望這是直觀的，不需要進(jìn)一步的描述就能讓你明白。
TRP有兩種，被動(dòng)TRP 和主動(dòng)TRP。 這種分類來(lái)自于測(cè)量TRP 的不同方法。 實(shí)際上它更多的是關(guān)于如何通過(guò)天線傳輸信號(hào)。 在無(wú)源TRP 中，通常是隔離的天線，信號(hào)通過(guò)電路網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出端口(或信號(hào)發(fā)生器的輸出端口)直接饋入天線，并通過(guò)電路網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入端口或頻譜分析儀的輸入端口測(cè)量發(fā)射功率。 在有源TRP中，通常是包括天線在內(nèi)的整個(gè)設(shè)備。 例如，如果是為了測(cè)量移動(dòng)電話的天線，我們使用整個(gè)移動(dòng)電話作為啞彈。 有源色散測(cè)量的主要目的是觀察天線在真實(shí)環(huán)境中的性能。 在這種情況下，你不能使用網(wǎng)絡(luò)分析儀或信號(hào)發(fā)生器通過(guò)天線發(fā)送信號(hào)。 你必須使用這個(gè)地區(qū)大多數(shù)人所說(shuō)的“call box”,也就是綜測(cè)儀，它基本上是一個(gè) NS (比如，Enodeb，Nodeb，BTS模擬器)之類模擬基站的儀器。 我們發(fā)送 ue (例如移動(dòng)電話)一個(gè)命令“發(fā)送功率 xx dbm 或 max power 的信號(hào)” ，并使用“綜測(cè)儀”或“頻譜分析儀”測(cè)量傳輸功率。 如果您對(duì)正式表達(dá)式更感興趣，TRP 可以如下所示。
如果你喜歡正式的表達(dá)，但不熟悉這個(gè)表達(dá)的意思，下面的評(píng)論可能會(huì)對(duì)你有一點(diǎn)幫助。
現(xiàn)在你可能對(duì) trp 測(cè)量更感興趣，因?yàn)槲覀冋谶M(jìn)入5G / NR。 Tr 38.817-9.1.1.1中，nr 中 trp 的定義如下。 你看，這個(gè)方程和上面的幾乎一樣。 你們看到新的術(shù)語(yǔ)，叫做EIRP。 在高層次的概念，你可以采取 eirp 是一種權(quán)力(不完全相同的價(jià)值作為權(quán)力，但它可以直接從測(cè)量權(quán)力)。
在實(shí)際測(cè)量中，測(cè)量是在球面坐標(biāo)系的整個(gè)表面上的特定點(diǎn)上進(jìn)行的。 所以我們需要把這個(gè)方程轉(zhuǎn)換成離散形式，從實(shí)際測(cè)量中得到 trp。 如果我們用坐標(biāo)上的單位網(wǎng)格進(jìn)行測(cè)量，方程可以簡(jiǎn)單如下:
如果測(cè)量是在坐標(biāo)系上不均勻的網(wǎng)格上進(jìn)行的，則方程式如下:
在這種情況下，比例因子可以從測(cè)量點(diǎn)處的小矩形面積推導(dǎo)出來(lái)，并可以表示如下所示。
如果你想更深入地了解這些細(xì)節(jié)，那么你需要參考你的微積分課本或者參考我關(guān)于曲面積分例子的筆記。 我強(qiáng)烈建議你試著理解這個(gè)等式的細(xì)節(jié)，以及它是如何得出的。 它能幫助你理解與天線理論有關(guān)的各種數(shù)學(xué)表達(dá)式。 作進(jìn)一步參考。 Http://www.antenna-theory.com/definitions/trp.php 各向同性靈敏度首先你可能會(huì)問(wèn)“各向同性”是什么意思 如果你查字典或者谷歌一下，你會(huì)發(fā)現(xiàn)“所有方向都一樣”這樣的定義。 這意味著“在假設(shè)天線是各向同性(輻射 / 接收在相同的強(qiáng)度在所有方向)的基礎(chǔ)上，在每個(gè)方向上的靈敏度”。 事實(shí)上，沒(méi)有這樣的天線，是完全各向同性的。 更實(shí)際的含義可以說(shuō)明如下(注意: 這里顯示的球體不是天線的輻射方向圖。 這是一個(gè)三維坐標(biāo)，稱為’球面坐標(biāo)’)。 如你所見(jiàn)，你測(cè)量球面網(wǎng)格交叉點(diǎn)的靈敏度。 你會(huì)得到不同的測(cè)量結(jié)果，在所有這些點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)中。 如果你取這些測(cè)量值的平均值，你會(huì)得到一個(gè)單一的值，這表明了
這個(gè)球可以告訴你TPR是怎么測(cè)試得來(lái)的
作進(jìn)一步參考。 指 http://www.antenna-theory.com/definitions/tis.php 有效各向同性輻射功率 / 等效各向同性輻射功率(eirp)如上文所述，大部分天線的性能參數(shù)，例如增益 / 尖端 / tis，都是基于對(duì)整個(gè)表面的測(cè)量以及隨后的一些額外處理，但 eirp 是一種僅在特定點(diǎn)顯示性能的測(cè)量(即在特定角度的測(cè)量(phi，theta)。
注意: 當(dāng)我說(shuō)上面圖中的測(cè)量功率時(shí)，它并不意味著絕對(duì)功率(dbm) ，它是一種相對(duì)功率，與 istropic 功率有關(guān)。 這就是為什么被稱為等效各向同性輻射功率。 這是由幾個(gè)不同的參數(shù)計(jì)算出來(lái)的，這些參數(shù)可以直接測(cè)量或者直接給出。 正如你在上面的圖中看到的，為了準(zhǔn)確地指定一個(gè) eirp，你需要指出具體的測(cè)量角度。 然而，在許多情況下，eirp 這個(gè)術(shù)語(yǔ)并沒(méi)有指定任何特定的測(cè)量角度。 在這種情況下，假設(shè)測(cè)量角是獲得最大 eirp 的角度。 例如，如果我們說(shuō)上面顯示的天線的 eirp 沒(méi)有指定任何特定的角度，它會(huì)是我在 theta 0，phy 0測(cè)量的 eirp。 當(dāng)我們假設(shè) eirp 在最大值時(shí)，可以計(jì)算如下:
EIRP = Tx RF Power(dBm) + G(dB) - L(dB)
考慮到結(jié)構(gòu)和天線材質(zhì)的一致性，同一組匹配不一定在所有的天線樣品上都表現(xiàn)的最好。為了解決上述問(wèn)題，業(yè)界提出了動(dòng)態(tài)調(diào)諧匹配電路的概念?；镜南敕ㄊ沁@樣的。 假設(shè)我們用可變電感和可變電容，建立了一個(gè)匹配電路。 這些可變?cè)粦?yīng)該是那些可變?cè)唬憧梢詮谋镜責(zé)o線電器材公司購(gòu)買(mǎi)，并通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)旋鈕設(shè)置的價(jià)值。 他們都應(yīng)該被設(shè)置在電子控制中，使這個(gè)電路在沒(méi)有人為干預(yù)的情況下工作。 現(xiàn)在棘手的事情是找到(或開(kāi)發(fā))可變電感和電容器。 這些可變裝置應(yīng)以最小的能量(電壓、電流)消耗運(yùn)行?？勺冸娙荼瓤勺冸姼泻谜叶嗔恕?/p>
主要由于元件的可用性和其他一些原因，在大多數(shù)自動(dòng)調(diào)諧電路中，我們使用可變電容器，如下所示。 一旦你建立了一個(gè)電路，你可能需要為這些組件找到適合不同情況的正確值，并將這些值存儲(chǔ)在一個(gè)查找表中，然后根據(jù)情況（頻段或者頻率信息）由控件控制查找表中的值。 在這種情況下，如何為每種情況設(shè)定正確的查找表將是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
到目前為止一切都OK了嗎？？ 可能是，也可能不是。 上面描述的技術(shù)的一個(gè)問(wèn)題是，你不能保證預(yù)定義的查找表能夠適用于所有可能的情況。 情況可能會(huì)有一點(diǎn)不同于預(yù)期的變化，查找表不能做任何好的工作。 對(duì)于這種情況，通常的解決方案之一是應(yīng)用一個(gè)值并檢查結(jié)果，然后將結(jié)果反饋給調(diào)優(yōu)算法，以便算法能夠進(jìn)行更多的調(diào)優(yōu)。 這種方法(閉環(huán)方法)可以如下所示。
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