5 天线参数-Antenna Parameters

在为无线设备选择天线时，需要考虑的一些重要的事情有：辐射如何在天线周围的不同方向上变化、天线的效率如何、天线具有期望性能时的带宽多大以及为获得最大的功率传输时的天线如何匹配。第5.1节和第6.3节解释了如何定义这些属性以及应该如何评估它们。由于所有天线都需要PCB上的一些空间，天线的选择通常是成本、尺寸和性能之间的权衡。

5.1 辐射模型图-Radiation Patterns

天线厂会首先参考一个理想的各向同性（全向）天线来进行设计天线。这是个天线在隔离外部影响下，处于一个完美球体内的模型。大多数功率的测量都是以dBi为单位进行的，其中“i”指的是各向同性天线的条件。理论各向同性天线的功率测量采用dBi格式。偶极子天线功率与各向同性天线的关系为0 dBd = 2.14 dBi。

首先介绍一个理论模型，即一个完美球形空间，天线在正中间，内部不受外部任何影响。然后介绍了dBi这一个一全向天线为参考的功率单位。

辐射模型作为一个空间函数是天线的辐射属性的图像表示。也就是说，天线的模式描述了天线如何将能量辐射到太空（或它如何接收能量）。然而，通常用两种平面模式（ planar patterns）来描述这种三维图，称为主平面图（principal plane patterns）。这些主平面图可以通过三维图案的最大值制作两个切片或通过直接测量来获得。正是这些主要的平面图案，通常被称为天线图案（antenna patterns）。

这里比较难翻译看懂，主要是介绍了主平面图这个概念来描述3D辐射图，这种主平面图就一般称作天线图。

主平面图（Principal plane）或者叫天线图（ antenna patterns），您还将会经常遇到两个术语：方位角平面图（azimuth plane pattern）和仰角平面图（ elevation plane pattern）。方位角通常是指水平的，而仰角海拔通常是指垂直的。当用于描述天线模式时，这些术语假设天线被安装在其将被使用的方向上（或被测量）。

这里又介绍了两个用来描述空间坐标模型的概念：方位角和仰角

当测量穿过被测天线周围的整个XY平面时，测得方位角平面图。仰角平面图是一个垂直于XY平面的平面，例如YZ平面（φ = 90 deg）。仰角平面是通过测量穿过被测天线周围的整个YZ平面得到的。\(\theta\)用于仰角平面，φ用于方位角平面。天线图案（方位角和仰角图）经常以极坐标图表示。

方位角平面图案是通过切割水平平面上的三维图案而形成的，在这种情况下是XY平面。请注意，方位角平面图案是有方向性的，天线不会在方位角平面的所有方向上平均辐射其能量。

仰角平面图是通过一个垂直平面（XZ平面或YZ平面）切割三维图案而形成的。

这里翻译很绕，不过内容很简单，就是介绍方向角和仰角是什么。简单理解就是方向角图就是俯视图，仰角图就是正视图。看图会更好理解

使用3D图能够将辐射图上的不同方向与天线联系起来也很重要；XYZ坐标通常用待测天线的实物图片来确定；这是必需的，因为在微波暗室中，由于待测天线的实物大小和转臂的方位不同会导致朝向不同。这可以在图7中看到，这是来自cc-天线-dk的板6。

翻译过来有点看不懂，不过大概意思是3D坐标系要和实物对照起来。

在没测量3D辐射图能力时，一般用测量待测天线的三个正交平面XY、XZ、YZ来实现。定义这三个平面的另一种方法是使用球面坐标系。这些平面通常将由θ=90°、φ=0°和φ=90°来定义。图8显示了如何将球形符号与这三个平面联系起来。如果没有关于如何将辐射图上的方向与天线的位置联系起来的信息，0°是X方向，XY平面的朝向Y的角度增加。对于XZ平面，0°在Z方向，角度向X增加，对于yz平面，0°在Z方向，角度向Y增加。

这里还是继续介绍球形坐标系以及θ和φ的角度定义

偶极子天线将其能量辐射到地平线（垂直于天线）。由此产生的3D图案看起来像一个甜甜圈，天线坐在孔里，向外辐射能量。最强的能量是向外辐射的，垂直于XY平面上的天线。鉴于这些天线模式，你可以看到一个偶极天线应该在安装时使其垂直于地面。这导致辐射的最大能量量到预期的覆盖区域。模式中间的空白将指向上下。

和之前介绍苹果图时的内容一样

图9显示了图7中所示的PCB天线的辐射在不同方向上的变化。在解释这样的图时，了解几个参数很重要。其中一些参数在图9的右上方部分中所述。

通过图7中的待测天线坐标描述和图9中测量的辐射图，辐射图可以与待测天线实物对应。当从给定的角度辐射功率时，可以观察到峰值信号强度。这是在执行距离测试、计算链路预算和确定预期范围时进行待测天线定位的有用信息。

还是强调了下实物信息的重要性，结合图7来确认图9的的天线方向。

增益或参考电平通常是指一个各向同性的辐射天线，它是一个在所有方向上具有相同的辐射水平的理想天线。当使用该天线作为参考时，增益以dBi的形式给出或指定为有效各向同性辐射功率 Effective Isotropic Radiated Power（EIRP）[6.3]。

发射辐射功率Transmitted Radiated Power（TRP）如图9所示，为-0.43 dBm。标准的CTIA OTA报告通常根据0 dBm的输入来指定TRP。图9右上方的颜色标度符号说明了TRP的具体跨度。峰值增益为-5.16 dB，最低水平为-12.81dB。这意味着与各向同性天线相比，图7中的PCB天线在TRP记录在5.16 dB的方向上具有5.16 dB的辐射功率；这看起来像是图9的“Z”方向。

这里介绍了下TRP这个参数，主要是辐射强度的一个指标他的意义是以理想全向天线作为参考。实际天线和理想全向天线的功率好多少db

5.1.1 极化-Polarization

极化描述了电场的方向。所有在自由空间中传播的电磁波都有垂直于传播方向的电场和磁场。通常，在考虑极化时，只考虑电场矢量，由于磁场成正比垂直于电场，而忽略磁场。接收天线和发射天线应具有相同的极化，以获得最佳性能。短距离设备应用中的大多数天线在实际中会产生一个多个方向的偏振场。此外，反射也会改变电场的极化。对于经历了大量的反射的室内设备来说，极化不像在视线外运行的设备那么重要。一些天线会产生一个确定方向的电场，因此在测量辐射图时知道天线使用的极化也很重要。同样重要的是，要说明测量所用的频率。一般来说，辐射图不会在不同频率上迅速变化。因此，通常要测量将要使用天线的频带中间的辐射图。对于窄带天线，相对电平在期望频带内略有变化，但辐射图的形状基本保持不变。

极化指电场的方向，在接收和发射天线里极化的不同会影响传输效率。这个要展开了另外讲

5.1.2 地面效应-Ground Effects

地平面的大小和形状会影响辐射图。图10显示了地平面如何影响辐射图的一个示例。左上角的辐射图是用插入SmartRF04EB的小天线板测量的，而图10右上角的辐射图是用作为独立板的天线板测量的。SmartRF04EB具有坚实的基平面。通过将天线板插入其中，可以使天线看到的有效地平面增加；这将影响天线匹配，而且与单独使用天线板相比，SmartRF04EB地平面将限制排放。地平面的大小和形状的变化不仅改变了增益，而且还改变了辐射模式。由于许多短距离设备应用都是可移动式的，所以并不总是峰值增益。发射辐射功率TRP和天线效率可以更好地指示从被测天线传输的功率水平。

5.2 定向天线-Directional Antennas

高增益并不自动意味着天线具有良好的性能。通常，对于具有移动单元的系统，希望具有全方位的辐射图，以便无论单元相对指向哪个方向，性能都大致相同。

例如狭窄走廊、表计检测和两个固定设备之间的最大距离距离这样的应用环境是定向类型天线的理想应用场景。使用定向天线的一个优点是，由于在给定的距离下，两个设备之间的天线具有较高的增益，因此可以降低PA功率，从而降低电流消耗。另一个优点是，天线可以利用增益来实现两个设备之间更大的距离距离。然而，使用定向天线的一个缺点是，必须详细地了解发射机和接收机单元的位置。如果不知道这些信息，那么最好使用标准的全向天线设计，如DN007 [4]中所述。

介绍定向天线的概念

5.3 规模、成本和性能-Size, Cost and Performance

理想的天线体积无限小，成本为零，性能优异。在现实生活中，这是不可能的。因此，需要找到这些参数之间的折衷方案。通过将工作频率降低两倍，有效范围增加了一倍。因此，在设计射频应用程序时，选择在低频率下操作的原因之一往往是需要长距离操作。然而，大多数天线在低频时需要更大，才能获得更好的性能，表1。

在某些情况下，可用的板空间是有限的，一个小的和高效的高频天线可以提供相同或更好的范围比一个小的一个低效的低频天线。当寻找一个小的天线解决方案时，一个陶瓷天线是一个很好的替代方案。特别是对于频率低于433 MHz，芯片天线将提供一个比传统的PCB天线更小的解决方案。芯片天线的主要缺点是成本的增加和通常的窄带性能。

图11显示了来自控制天线组件[29]的板6（868 MHz）和板14（169 MHz）的布局。这两个板的尺寸和分配给天线的尺寸和面积是相同的。板6被调谐为868 MHz，板14被调谐为169 MHz。板6的天线效率为91%；板14的天线效率很低，为7%。为了提高板14,169 MHz天线；天线和GND尺寸必须物理增加。通过采用PCB天线上的蜿蜒布局技术，可以减小总尺寸，见表1。

介绍天线选型时考虑的因素