天線是一個相當龐大的話題，很難用一篇文章來描述天線的每個方面，但我會嘗試給出一些天線的各個方面的大圖片，主要用于蜂窩應用。

天線是什么？

如何表現天線的性能？

輻射模型

天線增益

總輻射功率TRP

Total Isotropic Sensitivity （TIS）

Effective Isotropic Radiated Power/Equivalent Isotropic Radiated Power （EIRP）

S11

什么是天線？

眾所周知，天線是一種將電能（電信號）轉換成電磁波并傳送到太空的裝置。

外面有各種類型的天線，下面是一些例子。這些只是一些例子，還有很多其他類型。看看有多少你熟悉的。

現在在大多數移動通信設備中，天線都被嵌入到一個很小的空間里。在一個相對久遠的移動電話，你可能已經看到了天線顯示在左側的圖片（鞭天線）。在大多數的移動設備，你看到這些天，天線是嵌入的情況下，或正確的印刷電路板如下所示。隨著移動設備（例如智能手機）在一個設備中獲得越來越多的技術（例如，帶有各種頻段 / 無線接入技術的蜂窩技術，藍牙，無線網絡等） ，設計多個天線并將其放入一個小空間變得越來越困難。

如何表現天線的性能？

有兩個主要的標準來評估天線的性能，如下

（a）我應該把電能轉換成電磁能，盡可能減少損失;

（b）希望輻射在我需要的方向上。

有幾個指標可以代表天線的性能如下

輻射模型；

總輻射功率;

總的各向同性靈敏度。

輻射模型

了解 / 評估天線性能的第一步是檢查天線的輻射模型。在大多數情況下，電能都是通過預先設定好的路徑流動的，這種路徑通常建立在銅線或印刷電路板上的銅痕跡上，但是一旦電能轉化為電磁波，它幾乎就會向四面八方傳播。根據我們設計天線的思路，電磁波在空氣中傳播的方向是不同的。天線在某些方向上傳輸很強的能量，在某些方向上傳輸少量的能量，在某些方向上傳輸中等范圍的能量等，這種能量傳輸方式被稱為“輻射方向圖”。（更實際的輻射型態例子，請參閱 ）以下只是一些可能的輻射型態例子。事實上，你可以想到幾乎無限多種不同的模式。天線設計的目標是使它在從電能到電磁能的轉換過程中，以我想要的方式傳輸能量，而不會有任何能量損失。

實際上，信號輻射到三維方向，如下圖（b）所示。然而，在三維空間中表示能量傳播模式并不總是容易的，有時在三維空間中定量地估計能量傳播模式更加困難。所以在許多情況下，我們沿著一個特定的2d 平面切割3d 模式，如（c）和（d）所示。

天線增益（G）

我認為“天線增益”是一個誤導性的術語，因為

（a）當我們聽到“增益”這個術語時，我們通常認為“這個裝置會放大信號，使其產生更大的能量”。但對天線來說不是這樣的。大多數天線都是“無源器件” ，它不會放大任何東西。

（b）當我們考慮增益時，增益越高，器件發出的總能量就越高。但這可能不是真正的天線情況下。更高的天線增益可能意味著“更高的能量在一定的方向上傳輸” ，但它可能并不意味著“總能量出設備”。天線增益的定義是指在某一方向上發射的功率與某一參考點的比值。這通常用 db、dbi 或 dbd 表示。這是用來表示“天線在指定方向上傳輸能量的效率”的指示器。基本概念可以說明如下。（詳情請參閱 ）

以下是典型增益值的經驗傳播模式規則。正如你所看到的，隨著天線增益的增加，傳播的方向越來越集中，這并不意味著總的傳輸能量（橢圓包圍的區域）變得更高。

如果你想知道增益的數學定義，給你。

在大多數情況下，天線增益用對數單位表示如下。

Total Radiated Power （TRP）

正如這個詞所暗示的。這是從各個方向測量的輻射功率之和。TRP 的簡單定義如下所示（注意： 這里顯示的球體不是天線的輻射方向圖。這是一個三維坐標，稱為’球面坐標’）。我希望這是直觀的，不需要進一步的描述就能讓你明白。

TRP有兩種，被動TRP 和主動TRP。這種分類來自于測量TRP 的不同方法。實際上它更多的是關于如何通過天線傳輸信號。在無源TRP 中，通常是隔離的天線，信號通過電路網絡分析儀的輸出端口（或信號發生器的輸出端口）直接饋入天線，并通過電路網絡分析儀的輸入端口或頻譜分析儀的輸入端口測量發射功率。在有源TRP中，通常是包括天線在內的整個設備。例如，如果是為了測量移動電話的天線，我們使用整個移動電話作為啞彈。有源色散測量的主要目的是觀察天線在真實環境中的性能。在這種情況下，你不能使用網絡分析儀或信號發生器通過天線發送信號。你必須使用這個地區大多數人所說的“call box”，也就是綜測儀，它基本上是一個 NS （比如，Enodeb，Nodeb，BTS模擬器）之類模擬基站的儀器。我們發送 ue （例如移動電話）一個命令“發送功率 xx dbm 或 max power 的信號” ，并使用“綜測儀”或“頻譜分析儀”測量傳輸功率。如果您對正式表達式更感興趣，TRP 可以如下所示。

如果你喜歡正式的表達，但不熟悉這個表達的意思，下面的評論可能會對你有一點幫助。

現在你可能對 trp 測量更感興趣，因為我們正在進入5G / NR。Tr 38.817-9.1.1.1中，nr 中 trp 的定義如下。你看，這個方程和上面的幾乎一樣。你們看到新的術語，叫做EIRP。在高層次的概念，你可以采取 eirp 是一種權力（不完全相同的價值作為權力，但它可以直接從測量權力）。

在實際測量中，測量是在球面坐標系的整個表面上的特定點上進行的。所以我們需要把這個方程轉換成離散形式，從實際測量中得到 trp。如果我們用坐標上的單位網格進行測量，方程可以簡單如下：

如果測量是在坐標系上不均勻的網格上進行的，則方程式如下：

在這種情況下，比例因子可以從測量點處的小矩形面積推導出來，并可以表示如下所示。

如果你想更深入地了解這些細節，那么你需要參考你的微積分課本或者參考我關于曲面積分例子的筆記。我強烈建議你試著理解這個等式的細節，以及它是如何得出的。它能幫助你理解與天線理論有關的各種數學表達式。作進一步參考。 各向同性靈敏度首先你可能會問“各向同性”是什么意思 如果你查字典或者谷歌一下，你會發現“所有方向都一樣”這樣的定義。這意味著“在假設天線是各向同性（輻射 / 接收在相同的強度在所有方向）的基礎上，在每個方向上的靈敏度”。事實上，沒有這樣的天線，是完全各向同性的。更實際的含義可以說明如下（注意： 這里顯示的球體不是天線的輻射方向圖。這是一個三維坐標，稱為’球面坐標’）。如你所見，你測量球面網格交叉點的靈敏度。你會得到不同的測量結果，在所有這些點在現實中。如果你取這些測量值的平均值，你會得到一個單一的值，這表明了

這個球可以告訴你TPR是怎么測試得來的

作進一步參考。指 有效各向同性輻射功率 / 等效各向同性輻射功率（eirp）如上文所述，大部分天線的性能參數，例如增益 / 尖端 / tis，都是基于對整個表面的測量以及隨后的一些額外處理，但 eirp 是一種僅在特定點顯示性能的測量（即在特定角度的測量（phi，theta）。

注意： 當我說上面圖中的測量功率時，它并不意味著絕對功率（dbm） ，它是一種相對功率，與 istropic 功率有關。這就是為什么被稱為等效各向同性輻射功率。這是由幾個不同的參數計算出來的，這些參數可以直接測量或者直接給出。正如你在上面的圖中看到的，為了準確地指定一個 eirp，你需要指出具體的測量角度。然而，在許多情況下，eirp 這個術語并沒有指定任何特定的測量角度。在這種情況下，假設測量角是獲得最大 eirp 的角度。例如，如果我們說上面顯示的天線的 eirp 沒有指定任何特定的角度，它會是我在 theta 0，phy 0測量的 eirp。當我們假設 eirp 在最大值時，可以計算如下：

EIRP = Tx RF Power（dBm） + G（dB） - L（dB）

Tx RF Power ：RF power measured at RF connector of the unitG ：Antenna gainL ： Feeder loss（cable loss or any other loss）

S11

為了評估天線的性能，我們需要精確地測量以下項目。

I）有多少功率通過天線傳輸而不反彈回輸入端口;

II）有多少能量是按照我想要的方向傳輸的）;

III）有多少微弱的能量可以被天線接收到

如果你得到了項目 II）和 II） ，你不需要測量項目 I） ，但是為了得到項目 II）和 III）的精確評估，你必須執行 trp 和 tis 測量如上所述。然而，測量 trp 和 tis 是非常昂貴和費時的。因此，我們需要一種快速而簡單的方法來評估天線的性能，這就是上面列出的第一項。第一項最常用的方法是測量 s11。由于 s11顯示了有多少能量在輸入端反彈，低 s11意味著較少的能量被反彈，這意味著較高的能量通過天線傳輸。（注意： s11只是告訴你能量傳輸的大概情況，但是它不能告訴你能量傳輸的方向）

動態天線匹配

天線匹配電路的自動調諧正在成為一個熱門話題，特別是在手機行業。如果你度娘“自動天線調諧器” ，“動態天線調諧”等關鍵詞，你會發現各種文章，論文和各種調諧技術的專利。這項技術的基本原理很簡單。（它本身不調諧天線，而是調諧天線的匹配電路）。例如，假設我們有一個簡單的 π型網絡類型的匹配電路，如下所示。（在實際應用中，匹配電路會更加復雜。但我想使用最簡單的結構，以便于理解）。在傳統的實現中，你可以像下面這樣構建。建立一個電路如下，不斷改變每個組件的值，直到你得到最好的傳輸天線。如果幸運的話，幾個小時就能找到正確的數值。如果你運氣不好，你得花上幾天幾夜才能找到合適的價值。如果天線的目標頻率改變了，你就得重復這個過程。

考慮到結構和天線材質的一致性，同一組匹配不一定在所有的天線樣品上都表現的最好。為了解決上述問題，業界提出了動態調諧匹配電路的概念。基本的想法是這樣的。假設我們用可變電感和可變電容，建立了一個匹配電路。這些可變元件不應該是那些可變元件之一，你可以從本地無線電器材公司購買，并通過手動旋轉旋鈕設置的價值。他們都應該被設置在電子控制中，使這個電路在沒有人為干預的情況下工作。現在棘手的事情是找到（或開發）可變電感和電容器。這些可變裝置應以最小的能量（電壓、電流）消耗運行。可變電容比可變電感好找多了。

主要由于元件的可用性和其他一些原因，在大多數自動調諧電路中，我們使用可變電容器，如下所示。一旦你建立了一個電路，你可能需要為這些組件找到適合不同情況的正確值，并將這些值存儲在一個查找表中，然后根據情況（頻段或者頻率信息）由控件控制查找表中的值。在這種情況下，如何為每種情況設定正確的查找表將是一個關鍵問題。

到目前為止一切都OK了嗎？？可能是，也可能不是。上面描述的技術的一個問題是，你不能保證預定義的查找表能夠適用于所有可能的情況。情況可能會有一點不同于預期的變化，查找表不能做任何好的工作。對于這種情況，通常的解決方案之一是應用一個值并檢查結果，然后將結果反饋給調優算法，以便算法能夠進行更多的調優。這種方法（閉環方法）可以如下所示。

編輯：lyn