全面拆解和构建5G物联网-15：图解、详解无线终端的天线对无线电磁波的发送与接收

前言：

任何一个无线射频设备，都离不开天线，它负责发送和接收来自空中的电磁辐射，或者说电磁波。

在发送方向，天线能够把射频设备的产生的高频率的电流信号，转换电磁波，并发送到空气中进行传播。

在接收方向，天线能够捕捉空气中的电磁波，并把电磁波转换成射频设备内部的高频的电流信号。

本文将拆解电磁波的基本原理、天线的基本原理、无线终端设备天线对电磁波的发送和接收、以及常见的天线参数

至于基站设备，天线比较复杂，通过另外的单独文章来拆解。

目录：

1. 无线终端--数据发送和接收的整个过程

2. 无线终端无线电磁波的接收和发送过程概述

3. 电磁感应的基本原理回顾

4. 天线的概述

5. 天线发送和接收电磁波的工作原理

6. 无线终端天线的种类

7. 天线的方向图

8. 全向天线与定向天线

9. 天线的极化

10. 天线常见参数解读

 

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一、无线终端--数据发送和接收的整个过程：

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二、无线终端电磁波的接收和发送过程概述

发送测：

信号发送器：产生电流或电压强度随时间周期变化的正弦波的电信号，变化的频率就是电磁波的频率。

感应线圈：产生的周期性变化的电流信号，感应到天线回路中，天线回路中就产生了同周期变化的电信号。

天线：周期性变化的电信号，通过天线把电信号以电磁波的形式，发送到空口。

 

接收测：

天线：天线能够感应到空口中变化的电磁场，在天线回路中形成周期性变化的微弱电流。

感应线圈：感应到的周期新变化的微弱电流，通过共轭线圈，感应到信号恢复和放大电路。

信号恢复电路：信号恢复电路丢感应到的周期性变化的微弱电信号，进行放大，还原到原先的周期性变化的电信号。

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三、电磁感应的基本原理回顾：

在上图，磁场的方向垂直传过导线线圈

当磁场稳定不变时，导电线圈中，就产生不了电流。

当磁场发生稳定的线性变化时，导电线圈中就会生产电流强度不变的电流。

当磁场的强度发送周期性的变化的时候，在导电线圈中，会产生电流强度周期性变化的电流。电流流动的方向，就是电场的方向。

示意图如下：

 

 

在上图，磁场的方向垂直两个电极平面（电容）

当两个电极平面之间的电场稳定不变时，电极平面之间没有磁场，磁场强度为0

当两个电极平面之间的电场发生稳定的线性变化时，电极平面之间磁场强度保存稳定。

当两个电极平面之间的电场发生稳定的周期性变化时，电极平面之间也跟随发生周期性变化。

示意图如下：

 

3. 电磁场与电磁波

变化的电场与变化的磁场总是相生相伴，不可分离。

如果物理空间中，变化的电场，就会在周边产生变化的磁场，变化的磁场有在周边产生变化的电场。于是电磁场就在空间中不断的扩展和传播，没一次传播，都有能量的损耗。这个传播过程形成了电磁波：

无线电磁波是一种信号和能量的传播形式

在传播过程中，变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场，并交替传播，在空间中电场和磁场相互垂直，且都垂直于传播方向。

这里的关键词是“变化”，有规律的变化。而这里的规律的变化，用数学表示就是正弦函数。

 

那现在的问题是：

如何把电子设备中的周线变化的电信号，转换成电磁波，并发送到空中？

由如何从空中感应到电磁波信号，并转换成电子设备的电信号，即电磁波的接收？

这个工作是有天线完成的！

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四、天线的概述

无线电收发系统中，向空间辐射或从空间接收无线电磁波的装置，就是天线。

天线一般就是裸露在空间内的一段导体。

 

五、天线发送和接收电磁波的工作原理

1.  发送端的信号源 

首先是电子设备的信号源（在下图中是用“~”表示）通过振动电路产生一个变化的电流和变化的电压。

2.  天线发送电磁波

变化的电流信号，通过天线发送电磁波的基本原理如下

 

上面这种产生电磁波的这两根导线就叫做“振子”。

 

一般情况下，振子的大小要  >= 半个波长，这时候的时候发送效果才好，所以也经常被称作“半波振子”。

长度为λ/2 的天线被也称为偶极天线。偶是指偶数，2个的意思，极是指导线。偶极就是需要2根导线的天线。

 

有了振子，电磁波就可以源源不断地往外发射了。如下图所示。

 

真实的振子长下图这样：

 

 

3. “1/4波长振子”

“半波振子”，需要两根导线作为天线。而普通消费类电子设备中，常见的是单根导线的天线，在印刷电路板或天线模块中，大多作为天线使用的导体长度仅为λ/4，具有相同的性能。这样的天线称为“1/4波长振子”。

在上图中，通过在天线导线下方一定距离的位置上放置接地层，可以创建与天线长度 (λ/4)相同的导线。

被组合在一起时，这些PCB板或芯片上的地线引脚作为偶极天线使用。

这种天线被称为四分之一波长 (λ/4) 天线。

PCB 上几乎所有的天线都按铜制接地层上四分之一波长的尺寸实现。

请注意，该信号现在是单端馈电，同时接地层还可以作为返回路径使用。

 

4.  天线接收电磁波

接收，正好是发送的反过程，也是通过天线来完成的

 

在上图，天线能够感应到物理空间中的电磁场的变化，并能够转换成导线中变化的电流，这就是电磁波的接收。电流计就能够显示导线中电流的大小。

 

这里有一个问题，就是空间的不同频率的电磁波很多，是不是意味着天线能够接收所有频率的电磁波？

这里同样涉及到天线的长度。

一般情况下，振子的大小要  >= 半个波长的时候接收效果才好。

在天线长度已经确定的情况下，波长大于2倍天线长度的电磁波信号，就不能被天线有效的接收。或者说被天线过滤掉。

在天线长度已经确定的情况下，波长<=2倍天线长度的电磁波信号，难道都能够被天线有效接收下来？

答案是：是的。

但并不是所有波长或频率的电磁波都是电子设备所需要的，多余的电磁波信号就成了干扰信号。

 

如何只接收所需要频率或波长的信号呢？

这就需要另外的装置：滤波器

 

5. 滤波器对特定频率范围内的电磁波的过滤

滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。

按所通过信号的频段分为低通、高通、带通、带阻和全通滤波器五种。

低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声；

高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量；

带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声；

带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过，又称为陷波滤波器

 

下面就阐述一下不同滤波器的效果：

低通滤波器：

从0～f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减或者说过滤掉。

高通滤波器：

与低通滤波相反，从频率f1～∞，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。

 

带通滤波器：

它的通频带在f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减或者说过滤掉。

 

带阻滤波器：

与带通滤波相反，阻带在频率f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。

总之，有了滤波器的存在，接收设备就不用担心，天线能够接收波长 <=2倍天线振子长度的多余的高频的电磁波了。

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六、无线终端天线的种类

1. 导线天线：

这是在 PCB 上延长到自由空间中的一段导线，它的长度为λ/4，并被放置在接地层上。

这种天线是由50-Ω4 阻抗的传输线供电的。

通常，由于尺寸和三个维度的暴露，该导线天线提供的性能和辐射范围最好。

该导线可以是直线、螺旋或是回路的。它是一个三维 (3D) 的结构，其中天线高出 PCB 4-5mm，并伸出到空间内。

2. PCB 天线：

它是 PCB 上的一根 PCB 走线，并且可以将其画成直线形走线、反转的 F 形走线、蛇形或圆形走线、或基于天线类型和空间限制的摆动曲线等。

在一个 PCB 天线中，天线在 PCB 的同一平面上变成二维 (2D) 结构；见下图。

当裸露到空间外的 3D 天线被放置到 PCB 层上作为 2D 的 PCB 走线时，必须遵循一定的指南。一般情况下，与导线天线相比，它需要的 PCB 空间更大，效率也低，但成本低，并且容易制造和可以给 BLE 应用提供可接受的无线距离。

3. 芯片/模块天线：

这是一种带有导体的天线，天线和导体都被组装在小型的 IC 封装中。当印刷 PCB 天线的空间有限或支持 3D 导线天线时，这非常有用。

 

 

七、天线的方向图

天线的方向图又叫辐射方向图，量能方向图，是描述天线附件的空间中的某一物理空间点处不同方向（不是不同物理距离）上的能量的分布状况的可视化表示。这里的关键词是“方向”，可变参数是方向，而不是距离。

天线的方向图是表征天线辐射特性(场强振幅、相位、极化)与空间角度或者说方向之间的关系的图形。

完整的方向图是一个三维的空间图形，如下图所示。

它是以天线相位中心为球心（坐标原点），在半径r足够大的球面上，逐点测定其辐射特性绘制而成，

根据测量的电磁波的辐射特性，方向图有分为：

场强方向图：测量的特性是不同方向的场强

功率方向图：测量的特性是不同方向功率

极化方向图：测量的特性是不同方向的极性

相位方向图：测量的特性是不同方向的相位

三维空间方向图的测绘十分麻烦，实际工作中，一般只需测得水平面和垂直面（即XY平面和XZ平面）的方向图就行了，就成了水平方向图和垂直方向图。

对于磁场的特性，如果不加额外说明，常规的方向图，通常是指场强振幅的方向图，而不是其他特性的方向图。

 

天线方向图可以用极坐标绘制，也可以用直角坐标绘制。

极坐标方向图的特点是直观、简单，从方向图可以直接看出天线辐射场强的不同方向的分布特性。

直角坐标绘制的方向图，横坐标表示方向角度，纵坐标表示此方向的强度。

下图表示同一天线，同一位置的方向图的两种坐标表示法。

 

天线方向图是衡量天线性能的重要图形，可以从天线方向图中观察到天线的各项参数，如下是花瓣方向图示例：

在方向图中，有花瓣状的地方，都是有电磁波能量的地方，其他地方，是没有电磁波覆盖的地方。

离原点的距离越远，表示此方向（不是此物理空间点）的电磁场能量越强。即圆得半径表示某一方向最大的场强。

场强越强，表示电磁波在此方向传播的距离就越远！

 

八、全向天线与定向天线

全向天线：

上图是全新天线的立体能量/场强方向图。中心的是天线的位置。

在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性。

在垂直方向图上表现为图形的厚度，即有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。

全向天线在移动通信系统中一般应用于郊县大区制的站型，覆盖范围大。

上图还展现了一个神奇的现象，就是在天线的正上方和正下方，虽然离天线很近，但是，是没有电磁波能量覆盖的。接收终端在此位置收不到天线发送的电磁波信号。

通常情况，无线终端的天线是全向天线，发送的电磁波的方向图也是全向天线的方向图。

 

定向天线：

在水平方向图上表现为一定角度范围的能量辐射，也就是平常所说的有方向性。

同垂直方向上与全向天线一样，在方向图上表现为有一定宽度的波束，波瓣宽度越小，增益越大。

定向天线在通信系统中一般应用于通信距离远，覆盖范围小，目标密度大，频率利用率高的环境。

 

其他形式的方向图：

（1）立体方向图

（2）平面方向图

 

上述的方向图，特别是水平和垂直方向图，都是指水平和垂直方向。即假设电场或磁场的方向是水平或垂直的。

然而，实际上，天线发出来的电磁波，电场或磁场的方向，并非一定是垂直或水平的，这取决天线本身的设计以及天线的位置布局。

描述天线电场或磁场方向的特性是：天线的极化。

 

九、天线的极化：

天线极化是描述天线辐射电磁波电场或磁场的空间指向的参数。分为水平极化、垂直极化等。

水平极化：天线发送的电磁波是按照水平方向扩散，不向垂直方向扩散。

垂直极化：天线发送的电磁波是按照垂直方向扩散，不向水平方向扩散。

天线的极化取决于

（1）天线本身的特性

（2）天线安装方式

（3）天线的个数

 

十个、天线常见参数解读

1. 方向图（主瓣宽度）：

它反映了电磁波的能量在主方向的集中程度，主瓣的面积（二维）或体积（三维）占总体面积或体积的比重越大，则说明天线发送的电磁波在主方向上越集中。

2. 天线增益：这是一个最常见的参数

天线增益，在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。

即增益通常指天线的最大辐射方向（主瓣方向）的最大功率，相对于在全向天线在该方向的功率的比值。

它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。

增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。

一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。

增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。

表示天线增益的参数有dBd和dBi。

dBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；

P2：实际天线在此点处的能量或功率。

P1：理论的全向天线在此点处的能量或功率。

dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。

相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。

一般地，GSM基站定向天线增益为18dBi，全向天线的增益为0dBi。

 

3. 驻波比（VSWR） / 回波损耗（RL） / S11；

RL=10lg（入射功率/反射功率）  

    驻波比VSWR=(1+ 反射系数）/ (1- 反射系数)

    RL=-S11

下面是一个简单的对照关系：

备注：

    回波损耗的值在0dB 到无穷大之间，回波损耗越小表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。

    同样可知，VSWR范围=１～∞，VSWR此值越大，说明接头处连接不好。

 

4. 频率范围

天线的长度决定了天线接收电磁波频率的范围。

天线的长度越长，可接收的电磁波的最低频率就越低。

天线的长度越短，可接收的电磁波的最低频率就越高。

 

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后记：

本文拆解了无线终端（包括LoRa终端），通过天线发送和接收无线电磁波的过程、原理以及天线常见的参数。

后续将借助和结合LoRa射频模组Sx1262的射频电路设计，进一步拆解无线终端如何产生周期震荡的高频电信号？如何无线终端对天线接收或感应到的微弱的电磁波信号，进行进一步的恢复、还原成发送端发送时的高频电信号。

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参考：

通信｜天线原理通俗版（动图演示）：http://www.360doc.com/content/19/0213/09/53774125_814609155.shtml

电磁波看不见摸不着,这个年轻人的奇思妙想改变了世界：https://blog.csdn.net/zhenguo26/article/details/96132786

电磁波与振荡电路： https://wenku.baidu.com/view/b7333ea97f21af45b307e87101f69e314232fa64.html

滤波器的种类与原理：https://blog.csdn.net/qq_41736609/article/details/79710779

射频天线的种类与选择：https://www.cirmall.com/articles/29516

超详细的天线知识：https://www.sohu.com/a/138495193_202311