測量天線(xiàn)特性的基礎知識

天線(xiàn)只是一個(gè)導體或導體陣列，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(shí)的行為。

讓我們從配置為傳輸的天線(xiàn)開(kāi)始。施加在端子上的振蕩電壓將導致電流流過(guò)天線(xiàn)。****天線(xiàn)可以通過(guò)多種方式接線(xiàn)，但無(wú)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，尤其是當我們考慮接收天線(xiàn)時(shí)。（通常，在雙向無(wú)線(xiàn)電中，相同的天線(xiàn)用于****和接收。）已經(jīng)提出了各種模型：

? 任何為天線(xiàn)供電的傳輸線(xiàn)都有兩個(gè)導體，而天線(xiàn)實(shí)際上是從兩個(gè)導體分叉的地方開(kāi)始的。
? ****輸出有兩個(gè)獨立的導體，同軸芯和同軸屏蔽。平衡天線(xiàn)系統有兩條線(xiàn)。
? 天線(xiàn)不需要返回路徑。它就像一個(gè)散熱的電阻或發(fā)光的燈。
? 鞭狀天線(xiàn)本身不是天線(xiàn)。天線(xiàn)是鞭子加地。天線(xiàn)有兩個(gè)極點(diǎn)，使其成為電路。

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

鞭狀天線(xiàn)（來(lái)自泰克）。

****和接收天線(xiàn)可以是全向的或定向的。顧名思義，全向天線(xiàn)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(xiàn)可以被構造成從一個(gè)小的、遙遠的目標在一個(gè)特定的方向上****或接收。一個(gè)例子是衛星碟形天線(xiàn)，用作電視廣播的接收器。對于小角度目標，這種類(lèi)型的天線(xiàn)具有高增益，該術(shù)語(yǔ)通常與放大設備相關(guān)，該放大設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(gè)概念同樣適用于定向天線(xiàn)。

垂直或鞭狀天線(xiàn)是全向的。它由一個(gè)單獨的棒組成，通常相對于要接收或傳輸的頻率長(cháng)四分之一波長(cháng)。由此可見(jiàn)，簡(jiǎn)單的天線(xiàn)是按照它們要處理的頻率的四分之一波長(cháng)建造的。由于尺寸限制，為低頻****或接收構建定向天線(xiàn)是不經(jīng)濟的。

天線(xiàn)的最佳長(cháng)度由它要輻射的頻率決定。任何長(cháng)度都會(huì )輻射任何頻率，但是長(cháng)度為波長(cháng)整數倍的天線(xiàn)將需要更少的電壓或電流來(lái)輻射。

具體來(lái)說(shuō)，共振發(fā)生在感興趣波長(cháng)的正確部分（及其倍數）處。大多數諧振系統（包括天線(xiàn)）的諧振頻率范圍相對較窄。諧振導致天線(xiàn)中的電流或電壓比饋入天線(xiàn)的電流或電壓高得多。如果沒(méi)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(xiàn)看起來(lái)是電阻性的。在天線(xiàn)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(xiàn)，然后天線(xiàn)進(jìn)行輻射。（另外，由于我們不會(huì )進(jìn)入的原因，天線(xiàn)的有效長(cháng)度比它的物理長(cháng)度長(cháng)一點(diǎn)。）

偶極天線(xiàn)的外觀(guān)比鞭狀單極天線(xiàn)更復雜，但功能上卻很簡(jiǎn)單。（嚴格來(lái)說(shuō)，單極子天線(xiàn)是一種偶極子天線(xiàn)，其中地球充當單極子的鏡像。因此，單極子加上鏡像共同構成輻射頻率的半波長(cháng)。）偶極子是第一個(gè)天線(xiàn)，由Heinrich Hertz 在 1886 年證明了無(wú)線(xiàn)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(gè)導電金屬棒組成。將傳輸線(xiàn)的雙引線(xiàn)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(diǎn)進(jìn)行。如此配置，兩個(gè)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(cháng)度是波長(cháng)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(xiàn)布線(xiàn)配置是雙傳輸線(xiàn)，具有連接到兩個(gè)元件的相反極性的相等電壓。這被稱(chēng)為平衡傳輸。它的優(yōu)點(diǎn)之一是共模抑制，這相當于無(wú)噪聲運行。通過(guò)為偶極天線(xiàn)饋電或通過(guò)配備巴倫的同軸電纜從其接收可以實(shí)現相同的目標。

這個(gè)奇怪的小詞來(lái)源于“平衡到不平衡”。該設備可以采用多種形式。它經(jīng)常但不總是通過(guò)變壓器和磁耦合來(lái)實(shí)現其目標。它將未接地的平衡信號轉換為一側接地的不平衡信號，反之亦然。

巴倫有很多用途，包括通過(guò)變壓器進(jìn)行阻抗匹配。在大多數情況下，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(diǎn)：可以連接具有不同接地電位的電路，而無(wú)需擔心接地回路。在所有情況下，接地并不一定意味著(zhù)實(shí)際連接到大地。只需一個(gè)底盤(pán)接地，即參考信號的零伏點(diǎn)就足夠了。

與偶極天線(xiàn)相鄰的附加導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，但應該理解，在任何情況下，功率相對于****提供的量都不會(huì )增加。相反，輻射功率被集中到一個(gè)可用區域，這樣就不會(huì )違反能量守恒。一個(gè)例子是相控陣，其中許多天線(xiàn)元件被電連接以形成單個(gè)設備。

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

另一種外觀(guān)相似的變體是八木天線(xiàn)。在這個(gè)陣列中，只有一個(gè)元件與傳輸線(xiàn)有直接的電連接。其他元素，稱(chēng)為寄生蟲(chóng)，被放置得很近。它們影響電磁場(chǎng)，從而間接影響整個(gè)陣列的電氣性能。在又一變體中，稱(chēng)為導向器的寄生元件位于有源元件和****之間，并且一個(gè)或多個(gè)稱(chēng)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(xiàn)。

單個(gè)天線(xiàn)無(wú)論是****還是接收都具有相同的電氣質(zhì)量。這個(gè)原理被稱(chēng)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。為了應用互易性，構成天線(xiàn)和傳輸線(xiàn)的材料必須是線(xiàn)性的和互易的。

有無(wú)數類(lèi)型的天線(xiàn)和子系統。不在****或接收器內的天線(xiàn)通過(guò)傳輸線(xiàn)連接。一般來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)不要太遠，以盡量減少傳輸線(xiàn)損耗。傳輸線(xiàn)設計的一個(gè)重要方面是阻抗匹配。如果在線(xiàn)路內或線(xiàn)路的任一端存在阻抗突然變化的連接點(diǎn)，則會(huì )出現信號反射，從而導致數據沖突和損壞或噪聲。

所有天線(xiàn)都具有以下幾個(gè)性能指標：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(gè)屬性之外的所有屬性都可以在天線(xiàn)范圍或消聲室中進(jìn)行測量。消聲室是一個(gè)用來(lái)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(xiàn)范圍內進(jìn)行測試，則必須首先分析范圍內的任何反射源（例如，來(lái)自地面的反射）。然后在測試之前消除這些反射（有時(shí)在室外范圍內說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難）。

天線(xiàn)測試的一般方法是將已知的****和天線(xiàn)放置在距離被測天線(xiàn)已知距離處。被測天線(xiàn)連接到一個(gè)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(lèi)似地，連接到被測天線(xiàn)的接收器的靈敏度也是已知的?？梢杂嬎銉蓚€(gè)天線(xiàn)之間距離上的路徑損耗。

通過(guò)這種設置，在接收器處測量的信號幅度將指示被測天線(xiàn)的增益。天線(xiàn)輻射方向圖可以通過(guò)將待測天線(xiàn)放置在旋轉平臺上并隨著(zhù)平臺旋轉以增量測量接收信號的幅度來(lái)確定。

需要注意的一點(diǎn)是，在距離****天線(xiàn)較遠的地方，****波的相前形狀像一個(gè)球體。對于****和接收天線(xiàn)之間的極端分離，曲率半徑是如此之大，以至于對于所有實(shí)際目的，相位前可以被認為是在實(shí)際天線(xiàn)的孔徑上是平面的。這就是為什么發(fā)送和接收天線(xiàn)必須間隔一定距離的原因。當天線(xiàn)靠得更近時(shí)，會(huì )到達一個(gè)點(diǎn)，在該點(diǎn)處，短曲率半徑會(huì )導致波前和天線(xiàn)孔徑邊緣之間出現明顯的分離。

天線(xiàn) VSWR（電壓駐波比）是衡量發(fā)送到天線(xiàn)的能量被反射回來(lái)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(guò)將已知阻抗（通常與天線(xiàn)的目標阻抗相同的阻抗）的虛擬負載連接到輸出端來(lái)獲取基線(xiàn)讀數。記錄反射和直接信號的幅度。然后將被測天線(xiàn)連接到輸出端。連接天線(xiàn)的反射波幅度與基線(xiàn)期間的反射波的差異是感興趣的數字。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(xiàn)，還有一些其他專(zhuān)門(mén)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(shí)出現的瞬態(tài)響應。該響應是內部天線(xiàn)相互作用的函數，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(lèi)型的測量非常專(zhuān)業(yè)，通常取決于被測量天線(xiàn)的具體情況。