天線是眾多技術應用中的關鍵組件，包括電信和廣播、導航和無線網絡。天線的有效性取決于其發射和接收電磁波的能力，這些電磁波經過調整以匹配天線預期工作的射頻波長。如果天線未調整或不匹配，則會導致傳輸和接收不良，從而縮小其范圍并導致數據丟失和功耗增加。此外，阻抗不平衡會大大增加反射功率，在某些情況下可能會導致發射器損壞。因此，使用矢量網絡分析儀 (VNA) 等精密工具表征天線的性能對于確保其滿足預期應用所需的規格至關重要。本應用說明概述了基本天線特性分析過程，重點關注回波損耗、電壓駐波比 (VSWR) 和阻抗等關鍵性能指標，每個指標在確定天線性能是“好”還是“壞”方面都起著關鍵作用。在下文中，我們將使用德思特Bird BNA100 VNA來說明每項測量。

測量校準說明

在進行天線特性分析之前，確保VNA經過正確校準至關重要。

準確校準是獲得可靠測量的基礎。校準應使用連接器和電纜進行，以反映測量裝置相對于被測設備(DUT)的真實特性。在需要適配器將天線連接到VNA的情況下，應使用端口擴展來解釋適配器引入的任何其他差異。這有助于保持適配接口上測量的準確性。

圖1.AMTF模塊試驗臺功率測量框圖

有關VNA校準的重要性的詳細討論以及如何執行校準的全面步驟，請參閱題為“確保精度：矢量網絡分析儀校準的重要性”的應用說明。

回波損耗

回波損耗測量天線與其所連接的傳輸線的匹配程度，并用VNA進行的S參數測量S11表示（圖2）。它表示由于阻抗不匹配而返回到源的功率量。

圖2：S11散射參數可用于幫助確定設備的回波損耗

高回波損耗值（通常大于10dB，15-20dB左右的值非常好）表示匹配更好，這意味著反射的功率更少，天線輻射的功率更多。

下圖3顯示了連接到VNA端口1的BirdANT-800中心饋電偶極天線。此天線適用于頻率范圍為824至894MHz的UHF應用，覆蓋美國的一些陸地移動無線電(LMR)頻段。在捕獲回波損耗測量值之前，您需要執行測量校準，覆蓋比已發布的天線規格指示的更廣泛的頻率范圍，以了解目標工作頻段之外的行為，可能是800到925MHz。如前所述，您需要確保啟用端口擴展，以便將N型（m）轉換為SMA（f）連接所需的適配器。在本例中，使用了Bird4240-500-10適配器。

圖3：BirdBNA100搭載天線，中間有一個N(m)型至SMA(f)適配器

要查看回波損耗，應將活動軌跡的測量值設置為“S11”，并將格式設置為“對數幅度”(LogMagnitude)。然后，您需要啟用總共三個標記：兩個用于測量天線指示的操作范圍的起點和終點處的回波損耗，一個用于監測兩者之間的最大回波損耗點。圖4顯示標記測量值大于10dB，大多數頻帶超過15dB，這說明該天線具有良好的匹配性能和低信號反射。

圖4：VNA將顯示因反射而損失的功率量

駐波比（VSWR）

VSWR是衡量天線傳輸供電效率的指標。它與傳輸線的功率傳輸效率有關，也受阻抗匹配的影響。VSWR值為1:1是理想的，表示沒有反射且阻抗匹配完美。實際上，對于大多數應用來說，低于2:1的值通常是可以接受的。

回波損耗和VSWR都是了解天線或系統匹配特性的方法，只是呈現方式不同。回波損耗具有對數格式的優勢，便于數學計算，而VSWR更適合表達線性。兩者之間的轉換可以通過以下公式實現：

VNA讓您無需根據回波損耗掃描頻率點計算VSWR，為您提供了一種在顯示屏上進行可視化的便捷方式。

通過將測量結果保留為S11，但將VNA軌跡格式設置更改為“SWR”，即可獲得VSWR視圖。您還可以選擇修改現有軌跡或分配額外的軌跡視圖，專門用于VSWR測量，如圖5所示。

VSWR越接近1，天線在功率傳輸方面的性能就越好。在此示例中，您可以驗證所有測量點是否都在可接受范圍內。

圖5：使用S11測量和SWR格式向通道添加的附加跡線。所有測量值均小于2:1，并且與最大回波損耗點相對應的標記3被證明具有最佳VSWR性能

史密斯圓圖上的阻抗測量

Smith圖是一種圖形表示，用于繪制復阻抗和其他參數，提供一種直觀的方法來分析天線在其帶寬內的阻抗匹配。Smith圖上的理想點是中心，代表50歐姆阻抗（許多系統都這樣-參見圖6）。此中心點表示完美匹配。此外，最右邊的中心線點表示開路，而最左邊的中心點表示短路。水平中心上方的點表示本質上是電感性的設備，而下方的點表示電容性的設備。

圖6：理想的Smith圖以及關于不同點和區域代表什么的總結說明

當天線仍連接到VNA時，您可以在Smith圖上查看其復阻抗，就像您擴展VSWR視圖一樣，這次選擇“R+jX”格式。理想情況下，感興趣的頻帶圖應圍繞或向中心傾斜-如圖7所示-表明阻抗在整個頻率范圍內適當變化，而不會偏離50歐姆標記太遠。與最佳回波損耗和VSWR測量相對應的標記3點非常靠近中心，讀數為49.622Ω。還請注意，在圖像中最右側列出的標記點的復測量值本質上都是電容性的，這與看到這些數據點低于水平中心線時的預期一致。

圖7：天線裝置的史密斯圓圖顯示，復雜的阻抗值相當于50歐姆，表明在選定的頻率范圍內匹配良好

結論

使用VNA對天線進行正確表征需要詳細測量回波損耗、VSWR和阻抗。通過關注這三個方面，可以有效地將天線評定為“好”（性能和效率最佳）或“壞”（性能不佳和潛在的系統問題）。這種表征可確保天線應用的可靠性和效率，無論是在衛星通信等復雜系統中還是在簡單的消費電子產品中。在這些測試中使用VNA可確保天線在其預期環境中有效運行，從而在部署前保證性能。

審核編輯 黃宇