如何测量天线阻抗

本文重点

• 在天线末端测量的阻抗可以定义为天线阻抗。 
• 天线处于谐振状态时，阻抗幅度最大。 
• 可以使用矢量网络分析仪、阻抗电桥法或开槽线法来测量天线阻抗。


要实现更大的功率传输，天线阻抗与系统阻抗相匹配是关键。

天线阻抗是影响通信系统性能的重要参数。要实现更大的功率传输，天线阻抗与系统阻抗相匹配是关键。因为在阻抗匹配时，天线会传输或接收最大功率。天线的带宽也与天线阻抗密切相关。因此，必须测量天线阻抗，通过匹配网络使天线阻抗与馈线阻抗相匹配。在本文中，我们将讨论天线阻抗、谐振频率和阻抗带宽，以及如何测量天线阻抗。 

天线阻抗

天线阻抗是在天线末端测得的阻抗，可以用天线末端的电压与电流之间的比值来确定。在某个点上，电场分量和磁场分量的比值也可以表示为天线阻抗。 

举个例子，现在天线具有末端 a 和 b，无负载连接。末端 a 和 b 处的电压与电流之比决定了天线阻抗 Za： 


Ra 是天线的电阻，Xa 是天线的电抗。天线 Ra 的实部是由热耗散和辐射损耗引起的。天线电阻 Ra 的计算公式如下：


Rl 是天线因热耗散而产生的电阻，Rr 表示天线的辐射损耗电阻。辐射效率还取决于辐射和损耗：


天线电抗表示天线周围储存的能量，即近场区存在的能量。当储存的磁能和电能大小相等时，天线便会处于谐振状态。在谐振状态下，天线电抗等于零。

天线的谐振频率和阻抗带宽 

在天线处于谐振状态时，阻抗幅度最大。产生谐振时的频率称为谐振频率 fr。天线在谐振时达到理想工作状态，因为这时天线阻抗与系统阻抗很容易匹配。谐振时的特性阻抗是实数，因此可以在输入传输线中轻松实现阻抗匹配。 

在称为天线阻抗带宽的频带（用 Δfr 表示）处，天线的阻抗幅度低于其谐振值的一半。在阻抗带宽内，天线能够有效工作。而在阻抗带宽之外，天线会因阻抗不匹配而反射输入功率，进而导致辐射效果不佳。 

为了实现更好的天线性能，需要了解天线阻抗的测量方法。掌握天线阻抗测量结果可帮助我们设计用于实现阻抗匹配的匹配网络。测量天线阻抗的方法有很多种，接下来我们将讨论其中几种。  

如何测量天线阻抗

天线阻抗受频率、激励方法、几何形状和与周围物体的接近度等因素影响。天线阻抗与预期工作环境密切相关，因此通常需要在现场测量。天线阻抗的测量方法包括使用矢量网络分析仪、阻抗电桥法或开槽线法。 

矢量网络分析仪

矢量网络分析仪（VNA）是一种测量设备，可在最终用户环境中测量天线阻抗。VNA 测量天线输入阻抗与频率之间的函数关系。  

阻抗电桥法 

阻抗电桥法更适合 30MHz 以下的频率，通常采用惠斯通电桥来测量天线阻抗。惠斯通电桥用未知阻抗末端和三个已知阻抗形成短路或开路，从而进行校准。将未知阻抗的天线放置在短路或开路末端处，然后重新校准电桥。电桥的幅度和相位都达到平衡。之后使用阻抗方程即可确定未知的天线阻抗。

开槽线法  

如果频率超过 1000 MHz，可以使用开槽线法来测量天线阻抗。开槽线法也称为驻波法或驻波比法，通过测量电压或电流驻波比以及电压或电流最小值与阻抗参考点之间的距离来确定阻抗。

如何测量 30 MHz 至 1000 MHz 频段内的天线阻抗？这要取决于便利程度和可用设备。Cadence 的设计和分析工具套件可以帮助设计人员测量天线阻抗，并协助实现阻抗匹配。 

Cadence 为此提供了 Clarity 3D Solver 电磁仿真工具，此工具非常适合在独特的 RF 系统的天线设计、互连设计和波导设计中实施阻抗匹配技术。这款强大的 3D EM 仿真器基于高精度有限元方法（FEM），现已集成在 Cadence AWR Design Environment 平台中，为射频集成电路（RFIC）/单片微波集成电路（MMIC）、模块和射频 PCB 设计者提供了随时进行大容量电磁分析的机会，实现大型复杂射频/混合信号系统的设计验证和签核。