因為天線很多電參數如果需要精確計算是一個非常復雜的數學問題,而在實際問題中,常需要一些工程估算。我們就來談談實際應用中,天線的幾個重要參數工程上近似處理方式和大致要求,以及談談通訊鏈路中幾個參數的工程近似估算。
1、關于天線效率
天線效率一般定義為天線的輻射功率與輸入功率之比,是恒小于1的。影響天線效率主要由以下幾個:導體損耗、介質損耗、天線周圍環境。在工程上無損天線(效率100%)的近似天線孔徑為:
例如,一個2.45GHz天線,其對應的天線孔徑尺寸為近似計算為34.5*34.5mm2,而實際上通常產品一個WiFi天線不可能達到這個尺寸,故一般市面上天線的效率,外置天線(70-90%);而普通內置天線,其介質損耗和環境惡劣,一般效率能夠到30-50%。
2、關于駐波比
關于駐波比的定義大家比較熟悉,不再多說。只是最近遇到好多需求,動不動就要求駐波小于1.5。請參考下圖:
在學術界,一般要求其VSWR<2.0,這時模塊發射的能量有90%左右能被天線轉換成電磁波輻射出去。
在工業界,一般要求其VSWR<3.0,這時模塊發射的能量有75%左右能被天線轉換成電磁波輻射出去。而在目前市場上的手機天線很多情況下,由于追求超薄及全金屬結構,其天線駐波往往都達到5.0,甚至達到7.0。
所以對于小功率的民用通訊終端設備,沒有太大必要要求駐波必須≤1.5,因為改善天線周圍環境收益往往會更大,比如駐波從2.0提高到1.5,其傳送給天線的能量也就提高6%,而天線附近環境中金屬部件、液體等對天線的輻射損耗遠遠大于此。
3、關于天線增益
最基礎的天線輻射單元為偶極子駐波天線,如通訊中常用的膠棒、吸盤、銅棒、玻璃鋼等天線大體都是此類型的輻射單元。我們簡單分析下偶極子天線的輻射方向及增益。不同尺寸長度的偶極子天線其輻射場與方向系數(對于無損天線即增益)如下圖示:
隨著天線尺寸的增加,天線方向性增強,相應的增益會增加,但是到1.25倍波長后,天線的最大輻射方向發生改變,已經不在水平面了,并且出現旁瓣(我們不需要的輻射方向),波瓣寬度也變窄,在1.25倍波長長度處天線方向性系數最強3.28(5.16dBi),此時的垂直面波瓣寬度為32°。
故一般采用單個輻射單元的鞭狀天線(無反射板),理想狀況下能做到的最高增益在5dBi左右。
4、關于通訊鏈路參數估算
在通訊鏈路中,模組的發射功率,接收靈敏度,以及收發天線增益,通訊距離中的任意4個參數都可以估算出其中一個參數。例如:一個NB-IoT通訊系統,900MHz基站,其天線增益為10dBi,在一公里外的終端設備發射功率為23dBm,天線增益為3dBi,我們可以粗略的計算出基站接收到終端設備的功率為:
當然這只是一個理論估算,實際情況會比這個惡劣(遮擋,地面、建筑物、樹木等吸收),基站得到的功率可能遠小于這個值(NB-IoT宣傳的靈敏度可以達到-128dBm,甚至到-130dBm)。當然我們也可以根據已知發射功率,接收靈敏度,收發天線增益等,估算出通訊距離。