天線是眾多技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵組件，包括電信和廣播、導(dǎo)航和無線網(wǎng)絡(luò)。天線的有效性取決于其發(fā)射和接收電磁波的能力，這些電磁波經(jīng)過調(diào)整以匹配天線預(yù)期工作的射頻波長。如果天線未調(diào)整或不匹配，則會(huì)導(dǎo)致傳輸和接收不良，從而縮小其范圍并導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失和功耗增加。此外，阻抗不平衡會(huì)大大增加反射功率，在某些情況下可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)射器損壞。因此，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 等精密工具表征天線的性能對(duì)于確保其滿足預(yù)期應(yīng)用所需的規(guī)格至關(guān)重要。本應(yīng)用說明概述了基本天線特性分析過程，重點(diǎn)關(guān)注回波損耗、電壓駐波比 (VSWR) 和阻抗等關(guān)鍵性能指標(biāo)，每個(gè)指標(biāo)在確定天線性能是“好”還是“壞”方面都起著關(guān)鍵作用。在下文中，我們將使用德思特Bird BNA100 VNA來說明每項(xiàng)測(cè)量。

測(cè)量校準(zhǔn)說明

在進(jìn)行天線特性分析之前，確保VNA經(jīng)過正確校準(zhǔn)至關(guān)重要。

準(zhǔn)確校準(zhǔn)是獲得可靠測(cè)量的基礎(chǔ)。校準(zhǔn)應(yīng)使用連接器和電纜進(jìn)行，以反映測(cè)量裝置相對(duì)于被測(cè)設(shè)備(DUT)的真實(shí)特性。在需要適配器將天線連接到VNA的情況下，應(yīng)使用端口擴(kuò)展來解釋適配器引入的任何其他差異。這有助于保持適配接口上測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖1.AMTF模塊試驗(yàn)臺(tái)功率測(cè)量框圖

有關(guān)VNA校準(zhǔn)的重要性的詳細(xì)討論以及如何執(zhí)行校準(zhǔn)的全面步驟，請(qǐng)參閱題為“確保精度：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)的重要性”的應(yīng)用說明。

回波損耗

回波損耗測(cè)量天線與其所連接的傳輸線的匹配程度，并用VNA進(jìn)行的S參數(shù)測(cè)量S11表示（圖2）。它表示由于阻抗不匹配而返回到源的功率量。

圖2：S11散射參數(shù)可用于幫助確定設(shè)備的回波損耗

高回波損耗值（通常大于10dB，15-20dB左右的值非常好）表示匹配更好，這意味著反射的功率更少，天線輻射的功率更多。

下圖3顯示了連接到VNA端口1的BirdANT-800中心饋電偶極天線。此天線適用于頻率范圍為824至894MHz的UHF應(yīng)用，覆蓋美國的一些陸地移動(dòng)無線電(LMR)頻段。在捕獲回波損耗測(cè)量值之前，您需要執(zhí)行測(cè)量校準(zhǔn)，覆蓋比已發(fā)布的天線規(guī)格指示的更廣泛的頻率范圍，以了解目標(biāo)工作頻段之外的行為，可能是800到925MHz。如前所述，您需要確保啟用端口擴(kuò)展，以便將N型（m）轉(zhuǎn)換為SMA（f）連接所需的適配器。在本例中，使用了Bird4240-500-10適配器。

圖3：BirdBNA100搭載天線，中間有一個(gè)N(m)型至SMA(f)適配器

要查看回波損耗，應(yīng)將活動(dòng)軌跡的測(cè)量值設(shè)置為“S11”，并將格式設(shè)置為“對(duì)數(shù)幅度”(LogMagnitude)。然后，您需要啟用總共三個(gè)標(biāo)記：兩個(gè)用于測(cè)量天線指示的操作范圍的起點(diǎn)和終點(diǎn)處的回波損耗，一個(gè)用于監(jiān)測(cè)兩者之間的最大回波損耗點(diǎn)。圖4顯示標(biāo)記測(cè)量值大于10dB，大多數(shù)頻帶超過15dB，這說明該天線具有良好的匹配性能和低信號(hào)反射。

圖4：VNA將顯示因反射而損失的功率量

駐波比（VSWR）

VSWR是衡量天線傳輸供電效率的指標(biāo)。它與傳輸線的功率傳輸效率有關(guān)，也受阻抗匹配的影響。VSWR值為1:1是理想的，表示沒有反射且阻抗匹配完美。實(shí)際上，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說，低于2:1的值通常是可以接受的。

回波損耗和VSWR都是了解天線或系統(tǒng)匹配特性的方法，只是呈現(xiàn)方式不同?；夭〒p耗具有對(duì)數(shù)格式的優(yōu)勢(shì)，便于數(shù)學(xué)計(jì)算，而VSWR更適合表達(dá)線性。兩者之間的轉(zhuǎn)換可以通過以下公式實(shí)現(xiàn)：

VNA讓您無需根據(jù)回波損耗掃描頻率點(diǎn)計(jì)算VSWR，為您提供了一種在顯示屏上進(jìn)行可視化的便捷方式。

通過將測(cè)量結(jié)果保留為S11，但將VNA軌跡格式設(shè)置更改為“SWR”，即可獲得VSWR視圖。您還可以選擇修改現(xiàn)有軌跡或分配額外的軌跡視圖，專門用于VSWR測(cè)量，如圖5所示。

VSWR越接近1，天線在功率傳輸方面的性能就越好。在此示例中，您可以驗(yàn)證所有測(cè)量點(diǎn)是否都在可接受范圍內(nèi)。

圖5：使用S11測(cè)量和SWR格式向通道添加的附加跡線。所有測(cè)量值均小于2:1，并且與最大回波損耗點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的標(biāo)記3被證明具有最佳VSWR性能

史密斯圓圖上的阻抗測(cè)量

Smith圖是一種圖形表示，用于繪制復(fù)阻抗和其他參數(shù)，提供一種直觀的方法來分析天線在其帶寬內(nèi)的阻抗匹配。Smith圖上的理想點(diǎn)是中心，代表50歐姆阻抗（許多系統(tǒng)都這樣-參見圖6）。此中心點(diǎn)表示完美匹配。此外，最右邊的中心線點(diǎn)表示開路，而最左邊的中心點(diǎn)表示短路。水平中心上方的點(diǎn)表示本質(zhì)上是電感性的設(shè)備，而下方的點(diǎn)表示電容性的設(shè)備。

圖6：理想的Smith圖以及關(guān)于不同點(diǎn)和區(qū)域代表什么的總結(jié)說明

當(dāng)天線仍連接到VNA時(shí)，您可以在Smith圖上查看其復(fù)阻抗，就像您擴(kuò)展VSWR視圖一樣，這次選擇“R+jX”格式。理想情況下，感興趣的頻帶圖應(yīng)圍繞或向中心傾斜-如圖7所示-表明阻抗在整個(gè)頻率范圍內(nèi)適當(dāng)變化，而不會(huì)偏離50歐姆標(biāo)記太遠(yuǎn)。與最佳回波損耗和VSWR測(cè)量相對(duì)應(yīng)的標(biāo)記3點(diǎn)非?？拷行?，讀數(shù)為49.622Ω。還請(qǐng)注意，在圖像中最右側(cè)列出的標(biāo)記點(diǎn)的復(fù)測(cè)量值本質(zhì)上都是電容性的，這與看到這些數(shù)據(jù)點(diǎn)低于水平中心線時(shí)的預(yù)期一致。

圖7：天線裝置的史密斯圓圖顯示，復(fù)雜的阻抗值相當(dāng)于50歐姆，表明在選定的頻率范圍內(nèi)匹配良好

結(jié)論

使用VNA對(duì)天線進(jìn)行正確表征需要詳細(xì)測(cè)量回波損耗、VSWR和阻抗。通過關(guān)注這三個(gè)方面，可以有效地將天線評(píng)定為“好”（性能和效率最佳）或“壞”（性能不佳和潛在的系統(tǒng)問題）。這種表征可確保天線應(yīng)用的可靠性和效率，無論是在衛(wèi)星通信等復(fù)雜系統(tǒng)中還是在簡(jiǎn)單的消費(fèi)電子產(chǎn)品中。在這些測(cè)試中使用VNA可確保天線在其預(yù)期環(huán)境中有效運(yùn)行，從而在部署前保證性能。

審核編輯 黃宇