测量天线特性的基础知识

天线只是一个导体或导体阵列，通常是金属。但是它的位置和终止方式决定了它在****和/或接收电磁辐射时的行为。

让我们从配置为传输的天线开始。施加在端子上的振荡电压将导致电流流过天线。****天线可以通过多种方式接线，但无论你怎么看，都必须有一条返回路径让电子流回电源。这可能令人费解，尤其是当我们考虑接收天线时。（通常，在双向无线电中，相同的天线用于****和接收。）已经提出了各种模型：

• 任何为天线供电的传输线都有两个导体，而天线实际上是从两个导体分叉的地方开始的。
• ****输出有两个独立的导体，同轴芯和同轴屏蔽。平衡天线系统有两条线。
• 天线不需要返回路径。它就像一个散热的电阻或发光的灯。
• 鞭状天线本身不是天线。天线是鞭子加地。天线有两个极点，使其成为电路。

这些解释不是 100% 兼容的，它们说的是不同的语言，或者至少是不同的方言。目前尚不清楚天线是负载还是连接到负载的导体。也许一个很好的看待它的方法是，****和接收器的射频部分包括一个电路，它们之间的空间是一个内部导体。穿过这个空间的能量暂时以电磁辐射的形式出现。

鞭状天线（来自泰克）。

****和接收天线可以是全向的或定向的。顾名思义，全向天线在所有方向上均等地发送和接收，至少在水平面上是这样。定向天线可以被构造成从一个小的、遥远的目标在一个特定的方向上****或接收。一个例子是卫星碟形天线，用作电视广播的接收器。对于小角度目标，这种类型的天线具有高增益，该术语通常与放大设备相关，该放大设备在输入端接收相对较弱的信号并从外部电源接收更高的功率。但是增益作为一个概念同样适用于定向天线。

垂直或鞭状天线是全向的。它由一个单独的棒组成，通常相对于要接收或传输的频率长四分之一波长。由此可见，简单的天线是按照它们要处理的频率的四分之一波长建造的。由于尺寸限制，为低频****或接收构建定向天线是不经济的。

天线的最佳长度由它要辐射的频率决定。任何长度都会辐射任何频率，但是长度为波长整数倍的天线将需要更少的电压或电流来辐射。

具体来说，共振发生在感兴趣波长的正确部分（及其倍数）处。大多数谐振系统（包括天线）的谐振频率范围相对较窄。谐振导致天线中的电流或电压比馈入天线的电流或电压高得多。如果没有这种共振，最终需要高电压或电流才能辐射出相同的功率。

在谐振频率附近，天线看起来是电阻性的。在天线的电阻频率下，电压和电流是同相的，因此有功功率被传送到天线，然后天线进行辐射。（另外，由于我们不会进入的原因，天线的有效长度比它的物理长度长一点。）

偶极天线的外观比鞭状单极天线更复杂，但功能上却很简单。（严格来说，单极子天线是一种偶极子天线，其中地球充当单极子的镜像。因此，单极子加上镜像共同构成辐射频率的半波长。）偶极子是第一个天线，由Heinrich Hertz 在 1886 年证明了无线电波的存在，正如几年前 James Clerk Maxwell 在他的光电磁理论中所提出的那样。

通用偶极子由端对端位于公共轴上的两个导电金属棒组成。将传输线的双引线连接到相邻的两端很方便，但这些连接也可以在杆的其他点进行。如此配置，两个棒是谐振器，振荡电流采用位于双元件上的驻波形式。两根棒的总长度是波长的二分之一，因此对于更高的频率，组件更小。

巴伦

一种广泛使用的天线布线配置是双传输线，具有连接到两个元件的相反极性的相等电压。这被称为平衡传输。它的优点之一是共模抑制，这相当于无噪声运行。通过为偶极天线馈电或通过配备巴伦的同轴电缆从其接收可以实现相同的目标。

这个奇怪的小词来源于“平衡到不平衡”。该设备可以采用多种形式。它经常但不总是通过变压器和磁耦合来实现其目标。它将未接地的平衡信号转换为一侧接地的不平衡信号，反之亦然。

巴伦有很多用途，包括通过变压器进行阻抗匹配。在大多数情况下，所涉及的微小信号电流允许使用较小的组件尺寸。具有电气分离绕组的隔离变压器巴伦具有以下优点：可以连接具有不同接地电位的电路，而无需担心接地回路。在所有情况下，接地并不一定意味着实际连接到大地。只需一个底盘接地，即参考信号的零伏点就足够了。

与偶极天线相邻的附加导电元件可以使其更具方向性并提供更多增益。尽管增益以这种方式增加，但应该理解，在任何情况下，功率相对于****提供的量都不会增加。相反，辐射功率被集中到一个可用区域，这样就不会违反能量守恒。一个例子是相控阵，其中许多天线元件被电连接以形成单个设备。

一种变体是对数周期性偶极子阵列。这种配置涉及不同长度的偶极子元件。最终产品的特点是方向性适中，带宽宽。在卫星天线电视出现之前，这些阵列在农村地区的屋顶上很显眼。偶极子元件都是有源的，因为它们彼此电连接并与传输线电连接。

另一种外观相似的变体是八木天线。在这个阵列中，只有一个元件与传输线有直接的电连接。其他元素，称为寄生虫，被放置得很近。它们影响电磁场，从而间接影响整个阵列的电气性能。在又一变体中，称为导向器的寄生元件位于有源元件和****之间，并且一个或多个称为反射器的寄生元件位于背面。再次，只有有源元件电连接到传输线。

单个天线无论是****还是接收都具有相同的电气质量。这个原理被称为互易性，指的是阻抗、带宽、增益、辐射方向图、谐振频率和极化。为了应用互易性，构成天线和传输线的材料必须是线性的和互易的。

有无数类型的天线和子系统。不在****或接收器内的天线通过传输线连接。一般来说，天线不要太远，以尽量减少传输线损耗。传输线设计的一个重要方面是阻抗匹配。如果在线路内或线路的任一端存在阻抗突然变化的连接点，则会出现信号反射，从而导致数据冲突和损坏或噪声。

所有天线都具有以下几个性能指标：输入阻抗、极化、方向性、增益、辐射效率和辐射方向图。除了第一个属性之外的所有属性都可以在天线范围或消声室中进行测量。消声室是一个用来消除感兴趣频率的所有反射的房间。如果在非消声室的天线范围内进行测试，则必须首先分析范围内的任何反射源（例如，来自地面的反射）。然后在测试之前消除这些反射（有时在室外范围内说起来容易做起来难）。

天线测试的一般方法是将已知的****和天线放置在距离被测天线已知距离处。被测天线连接到一个已知的接收器。****输出的幅度是已知的，任何电缆的损耗也是如此。类似地，连接到被测天线的接收器的灵敏度也是已知的。可以计算两个天线之间距离上的路径损耗。

通过这种设置，在接收器处测量的信号幅度将指示被测天线的增益。天线辐射方向图可以通过将待测天线放置在旋转平台上并随着平台旋转以增量测量接收信号的幅度来确定。

需要注意的一点是，在距离****天线较远的地方，****波的相前形状像一个球体。对于****和接收天线之间的极端分离，曲率半径是如此之大，以至于对于所有实际目的，相位前可以被认为是在实际天线的孔径上是平面的。这就是为什么发送和接收天线必须间隔一定距离的原因。当天线靠得更近时，会到达一个点，在该点处，短曲率半径会导致波前和天线孔径边缘之间出现明显的分离。

天线 VSWR（电压驻波比）是衡量发送到天线的能量被反射回来的量度。其测量通常涉及定向耦合器、信号发生器和示波器的频谱分析仪模式。信号发生器将已知信号输出到耦合器，然后馈送到耦合器输出端口。通过将已知阻抗（通常与天线的目标阻抗相同的阻抗）的虚拟负载连接到输出端来获取基线读数。记录反射和直接信号的幅度。然后将被测天线连接到输出端。连接天线的反射波幅度与基线期间的反射波的差异是感兴趣的数字。它通常表示为输入幅度与反射幅度之比。

最后，对于更奇特的天线，还有一些其他专门的测量方法。例如，有源
相控阵具有在波束方向之间切换以及频率之间切换时出现的瞬态响应。该响应是内部天线相互作用的函数，例如耦合和 VSWR、有源电路以及移相器和衰减器等组件。这些类型的测量非常专业，通常取决于被测量天线的具体情况。