《Antenna Selection Guide》阅读笔记（四）：天线测量

天线测量

6.1 使用频谱仪测量天线带宽

方法大概原理为通过控制射频芯片发射一个功率恒定的频段连续的扫频信号到天线，频谱仪监测从天线出来的信号频谱。通过信号的频幅衰减来确认天线带宽。方法需要射频芯片参与，不具有一般通用性，不做具体说明。

6.2 使用网络分析仪测量回波损耗、阻抗和带宽。-Measuring RL, Impedance and Bandwidth with a Network Analyzer

表征天线的最佳方法是使用网络分析仪来确定回波损耗、阻抗和带宽。这是通过将天线与射频IC或者射频电路部分断开，并在天线的馈电点上连接一根半刚性的同轴电缆来实现的。

简单来讲就是可以通过断开天线和其他电路，然后单独用一根测试线来接入天线馈点来单纯测试天线参数。

6.2.1 用过焊接一根测试线来测量S11参数-Mounting of cable for S11 measurements

常备一根半刚性同轴线在实验室来调试天线是很有用的。首先焊接屏蔽地*面，然后再焊接50欧姆阻抗连接部分。尽量减少在连接到半刚性电缆时撕裂轨道的风险。现成的半刚性电缆相当昂贵，但可以再次重复使用。半刚性同轴电缆在对原型进行测量时是很有用的。电缆外部应接地，内部导线焊接到天线的馈线。在进行测量时，天线与其他电路断开是很重要的。内部导体的未屏蔽部分应尽量短，以避免在测量时引入额外的电感，外部应焊接到尽可能靠*电缆端部。为了避免电缆的存在影响结果，电缆应放置得尽可能远离天线。

这里其实就是介绍那个测试用的延伸线。看文章会比较绕，但实际做过实验就很简单了。一般实验我们会用根SMA转IPX的转接线来做这种延伸线，剪掉IPX连接头，露出馈线接到天线，延伸线的外层屏蔽线接地。这里要点是线要短避免寄生电感。

6.2.2 校准-Calibration

在进行测量之前，校准网络分析仪是很重要的。网络分析仪应校准为一个合适的频率范围，包括天线将工作的波段。通常，网络分析器的末端有一根带有SMA连接器的电缆。校准是通过连接三个已知的、50欧姆负载、短的和开放的终端，连接到这个SMA连接器来完成的。校准后，参考*面将位于SMA连接器的连接点处。为了测量天线馈电点处的反射，可以使用一端带有SMA连接器的半刚性同轴电缆。该电缆焊接到天线的馈电点，连接器连接到网络分析仪。回波损耗只取决于反射系数的绝对值，因此不需要将参考*面移动到进给点来进行正确的测量。

网分的开路、短路、负载校准这个属于仪器基本操作。操作完后基准点就在引出了的SMA接头这里了

没加端口延伸线前参考点是在SMA接口这个可以理解，加了延伸线他说因为回波损耗只取决于反射系数的绝对值，所以不需要移动参考*面。这个应该只是针对回波损耗。

为了测量天线的阻抗，必须将参考*面从SMA连接器移动到天线的馈点。必须这样做来调整由延伸线引起的相变。在大多数网络分析仪上，可以选择一个电延迟（ electrical delay）来补偿这种相变。正确的延迟可以通过观察阻抗如何变化，在史密斯图中，当测量阻抗与开放和缩短的同轴电缆。

这里测量阻抗就要将参考*面做移动了，方法是在网分上加电延迟补偿，实际我们自己做就是简单的点个自动延伸线补偿就行。

由于同轴电缆的末端短路，电延迟应该被改变，直到阻抗在史密斯图中被视为指向左边的一个点。理论上，当电端被打开时，同样的电延迟应该在史密斯图中产生一个向右的点。如果在开路和短路情况下的最佳电延迟之间有很小的差异，则应选择其*均值。当找到正确的电延迟时，就可以进行正确的阻抗测量。

意思是校准完后，阻抗点应该处于史密斯圆图的开路点。如果阻抗就是最右，电导就是最左，中间就是50欧姆负载。

通过执行这些步骤，在校准期间还会注意天线馈电轨道或半刚性电缆。只需使用网络分析仪校准工具包；然后，半刚性电缆将成为测量的一部分。

没什么用的废话

保持电缆方向恒定，最好使用电缆扎带将电缆包括网络分析仪电缆保持在固定位置。电缆的放置会影响测量结果，特别是当在地*面上有来回流动的强电流时。

单纯的叫你把导线固定好，因为这个导线位置动了也会有轻微影响。

扼流圈可用于减少在电缆外部运行的电流的影响。PCB的地*面尺寸是波长的一小部分，它们往往在地*面上有更大的电流。当试图测量在这些PCB天线上的反射时，这可能会导致更不稳定的结果，参见图15。扼流圈也会影响结果。因此，理解在执行这种测量时存在一定的不准确性是很重要的。

两个点，1.同轴线可以加扼流圈来减小影响。2.PCB天线用地*面当另外一个极子的天线所以地*面也会有影响。

6.2.3 放置待测设备-Placement of the Device under Test

在测量过程中，天线的放置方式将会影响测量结果。因此，天线的位置应与在测量返回损耗和阻抗时将要使用的方式相同。为了获得更高的测量精度，天线的实际性能应放置在将要使用的最终外壳内。

在进行测量时，在进行测量时，手持设备也应放置在手中。即使天线将在一个特殊的环境中使用，它在自由空间中测量天线也可能很有用。这将显示有多少身体效果，塑料外壳和其他参数对结果的影响。为了在自由空间测量天线时获得准确的结果，天线不要放置在其他物体附*。某种阻尼材料可以用来支撑天线，避免在测量过程中它直接躺在桌子上。

这里提醒的是天线容易受环境影响，如果产品带外壳，或者是手持设备。那么天线被外壳包裹阻挡或者被人体握持时的性能是不一样的，要特别注意产品的最终形态来进行天线性能调试。

6.2.4 解释测量结果-Interpreting Measurement Results

要测量在网络分析仪上连接到端口1的天线，应选择S11。测量的反射通常显示为S11/dB或VSWR [3.4]。

图16显示了在针对手持设备的PCB天线上进行的测量结果。从这些结果可以看出塑料外壳如何对性能和身体效果的影响。以S11 < -10dB为要求，该天线的带宽约为400MHz。

阻抗可以测量阻抗，以确定什么样的调谐是必要的，以提高天线的性能。图17显示了图16中所示的手持设备PCB天线的相应阻抗测量值

2.44 GHz用黄色黄点标记。红色的图显示了当天线被放置在其附*没有物体的自由空间时的反射。用塑料封装天线可以通过降低谐振频率来影响其性能。这一点如蓝色的图所示。通过将封装好的天线拿在手中，性能会受到更大的影响。这说明了为什么当天线放置在正常运行中使用的位置和环境时，进行表征和调谐是重要的。

这一节只是为了更好的解释上一节测量时的影响因素来找了些实际图形数据给读者看。

6.2.5 天线匹配-Antenna Matching

有几种方法可以调整天线以获得更好的性能。对于谐振天线，主要的因素是长度。理想情况下，反射最少的频率应该在感兴趣的频带的中间。因此，如果谐振频率较低，天线应该变短。如果谐振频率过高，则应增加天线长度。

这里回归本质，告诉你天线性能最关键的因素是长度，如果天线的谐振点高了，那么应该加长天线长度。反之亦然。一般实际调试PCB天线时候就是在那拿小刀割天线，哈哈。

即使天线以正确的频率谐振，它也可能不能很好地匹配正确的阻抗。根据天线类型的不同，有几种可能在正确的频率下获得最佳的阻抗。地*面的大小、从天线到地*面的距离、天线元件的尺寸、馈电点和塑料外壳都是可能影响阻抗的因素。因此，通过改变这些因素，就有可能改善天线的阻抗匹配。如果不可能改变这些因素，或者如果性能仍然需要改进，则可以使用谨慎的组件来优化阻抗。可以使用串联或并联的电容器和电感器来使天线匹配到所需的阻抗。图18显示了如何使用电感器和电容来改变阻抗。

这里总结的其他调试点就是包括参考地的大小、天线到地的距离、天线大小、外壳之类的参数。但实际这些都不好调，所以我们一般其实都是在天线前端加 $π$ 型网络来调节。然后通过调节 $π$ 网络里面电容电感来调节天线阻抗。

当天线被放置在将要使用天线的环境中时，对天线进行调整是很重要的。如图16所示，天线周围的环境对性能的影响很大。这意味着，当天线没有放置在正确的环境中时，优化天线可能会导致性能下降

又一次强调了下调天线时最好在天线直接的工作环境里调试。

6.3 空中测试-Over-The-Air (OTA) Measurements

为了精确地测量天线辐射图，重要的是能够只测量来自被测天线的直射波，并避免任何反射波影响结果。因此，常见的方法是在微波暗室里进行测试。另一个要求是测量的信号必须是天线远场的*面波。远场距离（ $R_{f}$ ）由天线的波长( $λ$ )和最大维数(D)决定，见式7。由于微波暗室的尺寸有限，通常在室外范围内测量大型和低频天线。

式7.Far Field Distance ：

R_{f} = \frac{2 D^{2}}{λ}

OTA测试为无线设备提供了更准确的测试，以便能够确定最终产品的天线特性。传统上，天线辐射图在XY、XZ和YZ*面为水*和垂直极化，如图8所示。这些信息仍然很有用，但对于大多数无线设备来说，极化和位置通常是未知的，这使得比较天线变得困难。

测试在暗室中进行，通过一个双偏振天线测量发射功率。被测天线固定在转向台上的转向臂上。旋转台从0度旋转到180度，旋转臂旋转360度，通过一个三维辐射图说明空间分布。

这里解释测试的方法是一个固定的接收天线来测量被测天线的发射能量，然后被测天线通过一个转台来进行360度的旋转移动，最后得到一个球体辐射图。

测试系统的硬件仪器部分基于R&S TS8991，软件为EMC32。在EMC32程序中，会生成一个标准的CTIA OTA报告，里面包含：

总辐射功率-Total Radiated Power, TRP (dBm)
峰值有效各向同性辐射功率（dBm）-Peak EIRP (dBm)
方向性-Directivity (dBi)
效率-Efficiency (%)
增益-Gain (dBi)
*地*线的部分辐射功率-NHPRP

看不懂，需要再找相关解释

图19显示了CTIA OTA测量报告中指定的典型格式和参数。拥有一个标准的测量套件的优点是，可以以一种更容易的方式来比较和记录两个天线。

总辐射功率（TRP）是通过对被测天线完全旋转时的测量的整体功率进行累加来计算的。
有效各向同性辐射功率（EIRP）是理论上的各向同性（全向）天线用来产生在最大值方向上观察到的峰值功率密度所发射的功率，以dBm中表示。
增益通常是一个各向同性的天线进行对比，并被命名为dBi。方向性和增益是与角度相关的函数。参照图19，方向性为与峰值EIRP和TRP的差值；增益是效率和方向性的和，见公式9。
天线元件中的电阻损耗和天线馈电点处的反射决定了效率。着重需要强调的是，天线增益不像放大器增益，放大器增益更多的是产生功率。天线增益只是天线方向性的一个测量值，天线只能辐射传递到天线本身的功率。
效率(η)是TRP（ $P_{r a d}$ ）和传递到待测天线的输入功率（ $P_{i n}$ ）之间的关系，见公式8。该数据以dB和百分比表示。效率也可以用增益（ $G a i n_{m a x}$ ）和方向性之间的关系来表示
NHPRP是*地*线局部辐射功率Near Horizon Partial Radiated Power ，它被指定为距离地*线45度（NHPRP45）、30度（NHPRP30）和22.5度（NHPRP22.5）。

这些术语真是晦涩的不行，看原文更好一点理解。后面还是再开一个专题来细细研究吧。