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天线设计增益和范围

发布日期:2019-11-09   作者:小天   来源:www.twl-link.cn   编辑:天科乐   访问量:291

天线要求增益和通信范围。随着大量无线通信应用的出现,系统设计人员可以考虑天线系统的放置和性能。建立天线要求的第一步是确定无线电系统的所需通信范围和终端特性(发射功率,最小接收器灵敏度水平)。给定这些参数,就可以使用Friis传输公式[1]确定维持通信范围所需的增益或损耗:


该关系仅对自由空间传播有效,但说明了天线增益在最大化收发功率比或系统链路增益中的重要作用。天线尺寸和间隙。

天线增益(或损耗)必须是性能与尺寸,位置和间隙(与障碍物的距离)之间的物理实现因素之间权衡研究的一部分。下面介绍的一种基本的天线关系表明,天线增益g和天线有效孔径(面积)成正比。粗略地表明天线增益与天线的物理尺寸成正比[2]


另一个基本的天线关系显示了存在近场/远场过渡区的弗劳恩霍夫或瑞利距离d。理想情况下,天线周围应存在至少d的自由空间间隙区域。天线的最大尺寸D和工作波长决定了该距离[3]


例如,如果天线的最大尺寸是波长的一半,则最小间隙区域是波长的一半。这是基本准则,但是,在许多物理实现中,此间隙区域受到损害,必须通过模拟或经验测量来确定效果。


天线增益详细信息。天线增益定义为辐射功率强度相对于各向同性(全向)辐射器的辐射功率强度的比率。功率强度是单位弧度[sr] [4]中测得的每单位立体角的辐射功率。与各向同性辐射器关联的球体的球面度为球面度,并用作天线增益的标准化参考电平。


天线增益表达式可以进一步扩展,以揭示有助于整体天线增益的其他因素。天线的辐射强度是天线效率η和方向性D的函数。天线效率是反射效率或失配损耗与天线元件导体中有限电阻和损耗引起的损耗的乘积和介电结构。失配损耗可以通过模拟或测量天线的输入阻抗或反射系数Г来确定。方向性D是对增益变化的描述,该变化是由标准球坐标系描述的链接轴角度或到达/离开角度的函数。


天线增益模式。理想情况下,天线方向图显示为3维图,如图1所示。此3D图通常由称为圆锥形切口的多个横截面构成。通过保持仰角θ恒定并在方位角φ的完整旋转中测量图案来形成典型的圆锥形切口。其次,通常针对电场或极化的每个分量(水平或垂直)进行单独绘制。圆锥形切口的示例如图2所示,一个示例是具有相同极化的全向天线,第二个示例是具有不同极化响应的定向天线。

1:以3维显示的典型天线增益模式。

2:全向(左)和定向天线(右)的锥形切口。

由于大多数天线方向图不一定是全向的,因此天线增益的描述相当复杂。为了在确定通信范围或系统增益方面为系统分析提供服务,通常,将特定切割的整个方向图上的最小,最大和平均增益用作Friis传输公式中的奇异天线增益值。

但是,考虑到全向应用中使用的定向天线的非均匀特性,可能需要确定通信范围和系统增益的分布。在那些情况下,概率密度函数(pdfs)可以与天线方向图相关联,这两个方向都是圆锥形的3D方向图[5]。即使定向天线方向图是确定性的,但其应用是全方向的,具有随机的链接轴角,这使得天线增益相对于通信范围和系统增益分析而言是随机变量。图3中显示的是与图3左侧显示的omin和非均匀模式相关的pdf,图3右侧显示的是互补累积密度函数(ccdf),

3:获得pdf(左)和相关的ccdf(右)。

请注意,对于全向天线,由于增益为单值且没有实际分布,因此pdf是一种脉冲。全向情况提供了一个有趣的阶跃函数ccdf,该函数表明,对于小于固定增益值的增益,具有至少与横坐标一样大的定向增益的概率为1

天线拓扑

天线存在许多可能的拓扑或结构。一组有趣的结构是从基本的半波偶极子演变而来的。演变如图4所示。

4:天线从半波偶极子演变(左):在地平面(中心),L天线(右)上的四分之一波单极子。

从半波偶极子开始,偶极子的下部元件可以通过上部元件在地面上的反射图像(使用电场边界条件和/或图像理论)来实现。但是,单极子可以折叠,但阻抗匹配和增益会降低。可以通过沿天线的谐振长度在不同点处馈电天线来恢复由于匹配而引起的劣化(请注意存在驻波的传输线的阻抗变化)。这导致倒置的“ F”天线。可以将这些元件从导线形式挤出到平面上,以实现阻抗和增益带宽的增加,但是增益的降低很小。这些额外的变化如图5所示。

5:通过向天线提供更有利的阻抗点(左),从L天线向“ F”形倒置天线的演变:将倒F形天线挤压成型,制成平面倒F形天线或PIFA(右图)。

天线设计与仿真

天线的初始设计可以由基于封闭形式电磁关系的一组尺寸公式得出。然而,实际上,这些天线需要一些经验调整/调谐步骤才能达到最终设计。其次,与大多数天线相关的电磁关系不是闭合形式,因此不会产生尺寸综合方程。因此,为了在制造之前设计和验证天线,使用可以预测辐射系统行为的电磁场求解器模拟天线是有益的。

一种这样的求解器CST MicrowaveStudio®[6]提供了许多可以模拟开放边界的辐射结构的求解方法。给出了一个例子,显示了仿真工具的相对实用性。图6所示为2.4 GHz套筒偶极天线的输入页面。输入页面包含执行模拟所需的尺寸和材料参数输入。

6 CST Microwave Studio模拟器中的套筒偶极子设计输入。

电磁仿真完成后,电场的辐射方向图可作为3D图和圆锥形切口使用。此外,模拟器预测输入反射系数并将其表示为散射参数(S11)。仿真器会在物理实现之前提供有关天线的所有基本信息,以便预先验证设计方法。预测的反射系数和驱动点阻抗如图7所示。

7:套筒偶极子反射系数(左)和阻抗预测。(对)。

预测的3-D辐射方向图如图8所示,相关的圆锥形切口如图9所示。

8 θ方向电场分量的套筒偶极3-D天线方向图。

9:在固定角度θ= 90的情况下,角度φθ方向电场的相关圆锥形切口

角度(左)和θ方向的电场,固定角度φ= 0时在角度θ上(右)。

天线设计验证和测量

综合并实现天线后,必须通过测量来验证设计。第一个必要的测量是测量天线输入端口或驱动点的反射系数。反射系数和相关的驱动点阻抗使用矢量网络分析仪(VNA)进行测量。在测量过程中必须小心以确保天线正在辐射并且不受周围物体的干扰。理想情况下,该测量在消声室内进行。但是,如果天线之间有足够的间隔,则不会有任何干扰物,这种测量通常可以在正常的实验室环境中进行。为了初步验证天线设计,

一旦确定天线与系统阻抗匹配,就必须测量辐射方向图以与设计验证的最后步骤竞争。通过使用已知的发射源功率激励被测天线并在固定距离处测量接收功率,接收电压或电场强度,可以在消声室内进行测量。图10显示了在3米消声室中被测天线的照片。

将天线扫过一系列圆锥形切口,以将它们与仿真结果进行比较,或构建一组切口以组装成3-D增益模式。绝对接收信号可以通过施加到天线的传导功率标准化,也可以与已知参考信号(例如半波偶极子)进行比较。两种极化情况都被测量。有了一组模式数据,就可以根据最小,最大和平均增益方面的系统要求,也可以根据增益分配要求来检查测量结果(如果适用)。

10:消声室内典型的天线方向图测量配置。

天线提供了无线电和传播环境之间的主要接口。天线在性能要求,设计约束,设计和实现方面需要特殊考虑。规范天线增益并根据范围和系统链路增益将这些要求与系统性能相关联,是天线设计目标的基础。在天线拓扑/结构选择过程中,请从尺寸,位置和可能的障碍方面考虑包装限制:准备妥协性能与包装一致性。

理想情况下,应该在实现之前使用一种仿真工具来评估天线的性能,不仅可以评估天线的基本性能,还可以检查天线压紧,障碍物和其他折衷参数的影响。输入终端反射/阻抗和天线增益的最终物理实现以及随后的测量完成了设计过程。通常,测量结果需要修改天线结构,以根据经验优化其性能。


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