天线测试那些事(上)–专访飞图科技总经理任祥顺

发布时间:2022-08-16 07:02:39 来源:乐鱼体育APP下载 作者:乐鱼体育在线入口
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  带着这些天线研发小伙伴的疑问,我们安排了一次技术专访,专访的对象是天津飞图科技总经理任祥顺。任总从事射频自动化工作已超过20年,是国内首屈一指的天线测试专家之一。以下为根据录音整理的文字记录。

  编:可以讲一下天线的平均增益,最大增益,极化效率,方向性还有效率都是什么关系吗?

  任:类似的文章有很多,我就不重复那些定义性的说法了。这里面有一个提法要注意,就是平均增益,这是一个比较新的概念,对车联网天线和穿戴式设备的天线的评估用处比较广。

  任:平均增益不是在数学上简单的取平均,而是在天线的三维或者二维辐射方向图上截取某一段或者某一块进行计算得出的增益值的平均。举个例子,比如汽车车顶的导航天线,理想的方向图是主瓣朝向天顶,如果我们设计一款天线,效率很高但是主瓣朝向地面肯定是不行的,所以早期我们引入上半球效率和下半球效率去评估,相当于把一个方向图腰斩一分为二,如果上半球增益大那自然上半球效率就高。但是后来又出现了新的要求,比如一些定位用的导航天线的最低仰角(海平面仰角)是10度或者20度,所以我们又需要评估从天顶到海平面仰角20度的这个小半球里面的所有地方的增益的平均值。另外有些地面通讯系统装在车上,我们要求方向图最好是像“柿饼子”,而不是导航天线那种“大馒头”,柿饼子方向图的好处是在地面通讯距离基站远,那么仰角就低,正好增益大,当通讯方向来自于天顶附近,增益就很低了但是不怕,因为这时候已经到基站脚下,有根铁丝都能打电话了对吧。所以对这种方向图,我们要评估海平面到仰角30度左右的平均增益。还有更新的车联网天线,只要求对车子前向进行通讯,就不单要求对一定仰角进行积分运算,还要对方位角进行积分运算得到平均增益才能满足要求,否则单独凭借效率,增益等指标是没有办法完全评估一只天线是否满足使用场景的要求的。

  这就是一只天线的一定范围内的平均增益的图。当这个计算范围扩大到整个球面的时候,这个值就是效率的dBi值了。

  任:可以这样理解,但是要加一些定语约束,可以把这种分块的小部分的平均增益当做这小块的小部分的效率。

  任:实际上是一回事,但是也要加定语约束,都说简化就都混淆了。可以说球面平均增益与效率一回事。

  任:效率的单位是百分比,描述的是给到天线的能量有多少辐射出去了。这个百分比是可以转换成dBi的,比如50%的效率就是-3dBi,25%的效率就是-6dBi等,都可以转换。而天线辐射效率实际上是这个天线在所有方向上辐射的总能量与输入能量的比,这个辐射总能量要用天线的各个方向上的增益去做加权平均做球面积分计算后才能得出。所以要得到天线的效率,必须测试三维数据。

  任:当然,你可以把天线的辐射方向图想象成一只豪猪,每一个刺就是一个方向的增益,不同方向的刺长度不一样,增益也不一样,豪猪肚子上的小汗毛也是一个增益,这些增益里面的最大值就是最大增益,一般就简称为这个天线的增益了。

  任:极化是天线的重要概念,我们不说那些高大上的概念和定义,还是用豪猪作比较,刚才我说豪猪的每一个刺就是一个方向的增益对吧,那么我们选一根刺,在这个刺上从根部到尖部缠绕丝带,这种缠绕方式有两种一种是左旋,一种是右旋,这就是当这个方向的辐射是纯圆极化的时候的两种方式。如果我们将豪猪的刺拍扁,成为类似草叶的东西,那这个可以当做线极化的辐射,那么这个叶面与地面夹角,当这个夹角为0/45/90的时候,可以称作线度极化和垂直极化等。

  任:辐射出来的是能量,增益越高能量越大,我们是对这个能量进行分析,其实辐射出来的都是椭圆极化的波,圆极化是特例,线极化也是特例,具体是什么也是靠天线研发工程师设计出来的。当然用相应的测试系统也是可以检测出来的。

  任:实际上增益是描述某个方向的辐射能力的最主要的参量,我们讨论的都是这个增益的不同分析方式,同一个增益,用线极化方式去分析,就可以得到水平极化增益分量和垂直极化增益分量,用圆极化的方式分析,就有左旋分量和右旋分量。要看具体的使用场景具体分析。比如导航多用圆极化分析,基站多用线极化分析,都是根据场合来决定的。

  任:这个很有用啊,这个牵扯到一个概念是极化隔离,或者极化效率。就是相同极化的天线摆放才能提供最大的链路增益,如果整个通讯链路中引入了一个交叉极化的天线,那么链路增益会掉下很多。同时,我们在测试的时候,也没有办法使用一只天线或者一只探头一次得到这个方向上的实际增益,都是通过测量水平分量和垂直分量,或者测量左旋分量或者右旋分量后合成计算出的实际增益的。

  编:我见过很多天线测试场地,都是用喇叭天线,应该是线极化的吧?没见过用圆极化天线做测试的。

  任:是的,你观察的很细,用线极化喇叭有很多好处,结构简单,增益高,频带宽,极化特性好等等。如果是用圆极化天线,首先说宽频带圆极化天线就没法做,比如十倍频程的圆极化还没见到过,另一个就是圆极化的纯度很难宽频带做好,轴比1.5以下就很好了。相比较下线以上的极化纯度,所以测试场一般都用线极化的喇叭做测试。圆极化只是在某些特殊场合,比如导航接收机的仿真测试等,就必须根据接收机的发射和接收频点进行场地布置。

  任:轴比是描述一个椭圆形状的参数,轨道跟踪的偏心率也是同样概念,这个参数一定,那么椭圆的长相就定了。轴比指的是用一只线极化天线对准一个椭圆极化波,那么随着线极化天线的极化角对准椭圆的长轴和短轴在转动,一定会看到系统链路增益的变化,那么这个变化的最大值和最小值的差就是轴比,这个很好理解,如果发射的确实是一个圆极化波的话,那么无论怎么旋转线极化的接收天线,在网分上看到的链路损耗都是不变的。而如果发射的是线极化波的话,同极化的时候就会增益很好,但是交叉极化就会增益很差,会在网分上看到剧烈的变化,那么这种单一天线旋转出来的测试值的最大值和最小值的差就可以用来描述一个波的圆极化特性。

  任:单有轴比是可以计算左右旋分量的差的,但是无法判断是左旋占优还是右旋占优,这个还要到现场具体分析或者用一只已知圆极化特性的天线测试一下就知道了,我一般也懒得去推理,直接测一下就可以知道,然后调整一下软件的设置就好了。可以说轴比好的天线一定圆极化分量高,要么是左旋很高,右旋很低,要么就是右旋很高,左旋很低。同时因为是圆极化特性,这时候的水平和垂直线极化分量基本相等的,你看一下这个图。

  上面两个图是前面那个线极化轴比图的不同分量的交叉极化比的显示,上图左边的是左右旋分量的交叉极化比,右边是水平垂直线极化分量的交叉极化比。这个看的很清楚。

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