射频天线基础：输入阻抗与增益解析

本文主要介绍了射频/微波天线的基础知识，包括天线增益、输入阻抗、辐射效率、辐射方向图、半功率角和旁瓣等关键概念。 在射频/微波通信中，天线是至关重要的组成部分，它负责电磁能量的接收和发射。天线的一些核心指标对于设计和优化通信系统的性能至关重要。 1. **天线增益(G)**：天线增益描述了天线相对于理想全向天线在特定方向上集中和发射能量的能力。增益是衡量天线效能的关键参数，它定义为天线在特定方向接收或辐射的功率密度与同等条件下全向天线功率密度的比值。 2. **天线输入阻抗(Zin)**：天线输入阻抗是指在馈入点，即天线连接到传输线的位置，天线呈现的电阻性与电感性或电容性阻抗的组合。它由馈入点的射频电压U和电流I决定，公式为Zin = U/I。匹配良好的天线应该具有低驻波比，确保大部分能量被有效地转化为电磁辐射。 3. **输入驻波比(VSWR)**：输入驻波比是衡量天线与馈线匹配程度的指标，理想情况是1:1，表示完美匹配，无反射。当VSWR值增大时，表示匹配变差，有部分能量会反射回馈线。 4. **辐射效率(ηr)**：辐射效率定义为天线实际辐射出去的功率Pr与其接收的总功率Pi之比。高效率的天线能更有效地将输入功率转化为辐射能量。 5. **辐射方向图**：辐射方向图描述了天线在空间各个方向的辐射强度分布。它通常用极坐标图表示，可以直观地看出天线的主要辐射方向（主瓣）、半功率波束宽度（HPBW）以及旁瓣。 6. **半功率角**：这是辐射方向图中主瓣宽度的一个重要参数，表示天线辐射强度下降到最大值一半时的角度范围。 7. **旁瓣(SLL)**和零点波束宽度(FNBW)**：旁瓣是主瓣两侧的副瓣，SLL表示旁瓣相对于主瓣的最大功率的衰减程度，而FNBW则定义了主瓣第一个零点到天线轴线的角度。 了解这些基本概念对于理解和设计各种类型的天线，如单极天线、对称阵子天线、喇叭天线、抛物面天线和微带天线等至关重要。此外，使用高级软件如ADS进行仿真也是现代天线设计中不可或缺的工具，能够帮助工程师预测和优化天线的性能。