鞭状天线驻波/谐振点测试的学问
刘虎
科创仪表局,中国成都
虎哥 2021-1-8原创 仪表与测量业余无线电

便携天线分析仪在近几年迅速普及,的确带来了极大便利。但是在测试方法方面人们重视得不多,在判断一个天线“优劣”的时候,常常把天线往天分上一拧,就草率地得出结论。仔细一些的测试者可能会采用不同的仪器相互比较,他们时常惊讶的发现测试结果相差悬殊,然后以体积大、价格贵的为准,这当然是有道理的,因为体积大的往往真的要准一些。本文就来探讨这些话题。

1、绝大多数鞭状天线是非平衡天线,天线分析仪的外壳将成为天线的一部分。

常见的手台天线和车载吸盘天线都只有“天线”,却没有地线。随便拆解一个就会发现,连接器的芯针接了天线的振子,而外壳什么也没接。这就好比一个电灯泡,只接正极而不接负极,是不能发挥作用的。那么它以什么为“地”呢?

对于对讲机天线来说,对讲机的外壳就相当于天线的地。更准确的说法是人手握对讲机时与对讲机的外壳形成了一个整体,天线是在对讲机和人形成的体系中工作的。对于车载吸盘天线,吸盘的底座和车的顶棚构成了一个整体,吸盘天线必须在这样的整体环境中才能正常工作。在设计天线时,应该在额定的工作条件下进行优化,在使用时也应当遵守设计条件,如果偏离了这些工作条件,天线的性能就会发生偏差。

反过来看,一个好的天线应该按照它工作时常见的环境状态进行设计,而不是按照某个理想条件进行设计。一个路由器天线,必须按照它装在路由器上,同时路由器放在水泥地板上这样的常见条件进行设计,并且还要考虑它靠着墙壁,放在冰箱上面,挂在桌子底下的性能不能偏离太远。一方面要天线的辐射效果尽量好,另一方面又要对周围环境不太敏感——但两者经常是矛盾的。好的天线设计必须在诸多相互制约的因素之间找到最佳平衡点,而不是在仿真软件中用理想吸收边界仿一仿就收工。理解了这一点,就不难理解为什么过去某国际大厂的对讲机,同样的功率、灵敏度指标,却比那时候的国产品牌通得远、效果好。

了解了上面的道理,就知道为什么不同的天分测量同一支天线会有迥异的结果。各种天分的外壳大小形状不同,“地”当然也不一样,显然难以得到相同的结果。体积较大的仪器,比如台式矢网,它的“地”更“理想”,因而时常显得靠谱一些。

为了直观的加以说明,我们用手持矢网与台式矢网进行对比,道具是一根钻石牌鞭状天线(路上捡的,原品仿品不知),测试回波损耗(或驻波)。

20210107_232224.jpg

把天线随意的平放在桌子上,可以看到它的“谐振”点在401MHz。

20210107_232323.jpg

把天线和仪器垂直摆放在桌子上,“谐振”点跑到了430.6MHz。

20210107_232258.jpg

用手捏住天线的外壳,和天线分析仪构成一个“整体”,“谐振”点跑到了427MHz。

20210107_232405.jpg

同样的姿势,在台式矢网上得到了不同的结果。

20210107_232657.jpg

“谐振”点变成了425MHz(光标1)。

20210107_232712.jpg

用一个弯头把天线竖起来,立即得到一个奇怪的曲线。这是天线振子过于靠近仪器导致的,恰好真实使用时也如此这般靠近人体面部,曲线恰恰说明这根天线有一定的讲究。

20210107_232913.jpg

这些测试说明,使用不同的仪器测量同一个天线,的确会得到完全不同的结果。

可能有人会指出仪器都没有进行校准。实际上校准与否,都不会影响对驻波最小频率的测量,如果只看频率的话校准是无关紧要的。

2、驻波最小点并不一定是谐振点

上面但凡提到谐振,都加了引号,因为那些驻波最小的频率,并不一定是天线的谐振频率,说它“谐振”只是为了嘲讽这种普遍的错误说法。对于天线来说,谐振定义为馈电点的容抗与感抗抵消,表现为纯阻性。而这个“阻”到底是多少欧姆,则取决于天线的形式和工作环境。例如半波偶极子的谐振电阻大约为70Ω,它不等于50欧。在连接到50欧的电台或者分析仪时,它的驻波很大,并不等于1。当然,设计天线时常常希望在常用的频率谐振并使谐振阻抗接近50Ω,如果不行,再通过阻抗匹配的方法变换到50欧,以便提高性能。但是这样做通常是很困难的,特别是小鞭状天线。

换句话说,驻波最小点只是天线匹配最好的点,应该称为匹配点,不一定是谐振点。欲知谐振点,需要把仪器校准至馈电点,然后查找电抗为零的频率。

3、驻波最小点并不一定是“效果”最好的点

天线的“效果”受很多因素制约,除了上面提到的驻波大小之外,更重要的是天线的方向性,驻波最小的点不见得是方向性最好的点。而方向性本来就包括两层意思,第一是辐射的大小(增益),第二是辐射的方向,或者说主瓣方向。驻波最小的频率,不一定增益最高。增益最高的频率,天线的主瓣方向可能并未对准通信对象。

鞭状天线通常用于移动设备,他的使用特点就是通信对象不固定,摆放位置随时可能变动。在这种条件下,天线的增益如果太大,稍微“手抖”,信号强度就会打摆子,并没有多大的实际意义。因此,手持设备的天线往往只需要较低的增益,并且期望它在驻波最小时,辐射的方向尽量满足常见使用姿势的需要,而不是某种古怪的方向,比如对着天空发射。做好这一点也有一些难度,往往通信“效果”最好的频率,并不是驻波最小的频率。对于基站天线,发射的仰角至关重要。常见的共轴全向天线,由于总是安装在高塔顶部,因此希望它有水平方向或者稍微下倾1~2°的环形全向辐射。满足这个条件时,使用频率通常比它的谐振频率略低一些,换句话说,设计天线时应当稍微上提频率,并把使用频率的阻抗匹配好。若是忽视天线的方向性,而单纯追求驻波最小,可能空间站的宇航员都收到了,而你的通信对象却没收到。

4、不论比较天线,还是比较仪器,都应使用相同且稳定的测试条件,仪器的形状是测试条件的一部分

上面的演示中,不同仪器测量同一个天线,产生了截然不同的结果,当然可以怀疑其中一台或者两台都不准。但是做这样的比较前,首先应当统一测试条件,比如仪器的外壳。仪器的外壳当然不易改造,但是可以用变通的方法来加以统一,比如使用足够大的接地平板来充当地平面。

下图就是一种改造方法,在金属板的中央安装连接器,用同轴电缆把仪器的端口延伸至金属板中央。

20210107_233521.jpg

这是台式仪器测得的回波损耗

20210107_233636.jpg

这是手持仪器测量同一根天线得到的回波损耗

20210107_233814.jpg

可以看出,两条曲线是非常接近的,特别是“谐振”频率非常一致。稍有区别的原因,仅仅是因为拍照的手(这也是测试条件,不然要暗室干什么)在不同位置对天线的影响不同。

20210107_233827.jpg

早前拍的这个视频,反映出天线对手的位置十分敏感。

5、测试天线,应尽量让天线回归使用时的状态

测试手台天线时,应当找到与这种天线匹配的手台的壳子,留下天线插座,用同轴电缆替代其电路板,把天线插座通过电缆延伸到仪器上。为了减少电缆的干扰,可以让电缆在壳子内部盘几圈或者穿过磁环。对于体积稍大的设备,可以把天线分析仪装在壳子内部。测试时,让志愿者,或者有条件的话,使用电磁辐射人体模型按照通常的使用姿势握持手台。这样测得的天线性能,包括但不限于驻波、方向图等,更能代表真实的使用场景。当然如果有方便的等效测试和仿真手段也可以使用。总之,若把天线直接接在仪器端口上,由于仪器与实际使用条件差别很大,测到的参数只有参考意义。回归真实使用场景,并把真实使用场景下的性能优化到最佳,天线才会有最好的效果。从这个角度来看,一种类型的手台就得专门设计一种天线,这也是为什么一些优秀厂商的对讲机,每个系列的天线都不一样的原因之一。驻波合格只是天线的及格线,真正目地是在使用环境中达到最佳效果,要不忘初心。

[修改于 14 天前 - 2021-01-08 15:41:35]

来自:电子信息 / 仪表与测量无线电 / 业余无线电
14
wutongrx
13天20时前
1楼
真希望做天线的厂家多来看看,现在定做个天线,频点都能给调的五花八门的,五个小天线厂里面,都不一定能有一个懂得上述基本知识的。
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2
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RodTech
13天19时前
2楼

嗯 的确手的位置挺敏感的😂



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6
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1176764177
13天16时前
3楼
引用RodTech发表于2楼的内容
嗯 的确手的位置挺敏感的😂‎

哈哈哈,当时我测一个高增益patch天线对着墙的角度变化S11都会动。


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RodTech
13天14时前
4楼
引用1176764177发表于3楼的内容
哈哈哈,当时我测一个高增益patch天线对着墙的角度变化S11都会动。

我有小冰箱 不怕角反射器了

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20!Dopaminor
13天11时前
5楼
引用wutongrx发表于1楼的内容
真希望做天线的厂家多来看看,现在定做个天线,频点都能给调的五花八门的,五个小天线厂里面,都不一定能有...

首先他们要有网分,淘宝上买的天线全都没调过

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yuhang
13天8时前
6楼

环境对天线影响确实很大,其实简单的看天线就是空间与电路的匹配器,空间发生变化,天线肯定会有影响,我有款手持设备就是完全模拟真实环境优化的天线,单独测量天线谐振点偏高,只要放在实际使用环境(手握持)后参数立马回归理想值

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BG7TBL
12天20时前
7楼

某对讲机厂家做的对讲机,通信距离大于5KM。

调试时候,厂家在距离5KM的出租屋租了个房间,用对讲机接收,再数传回来。

做出来的机器效果杠杠的!

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1176764177
12天12时前
8楼
引用RodTech发表于4楼的内容
我有小冰箱 不怕角反射器了

我只能901+去室外测量了,酸死了


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RodTech
12天12时前
9楼
引用1176764177发表于8楼的内容
我只能901+去室外测量了,酸死了

木头钉的考虑一下?海绵也不是很贵

本科生做的,房间本身有铜屏蔽就没有再加屏蔽了。

Screenshot_20210109-104901_Gallery.jpg Screenshot_20210109-104911_Gallery.jpg Screenshot_20210109-104919_Gallery.jpg

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wzh19940105
10天21时前
10楼
引用RodTech发表于9楼的内容
木头钉的考虑一下?海绵也不是很贵本科生做的,房间本身有铜屏蔽就没有再加屏蔽了。

在这箱子上面糊一层铝箔屏蔽效果不知道怎么样

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1176764177
10天19时前
11楼
引用RodTech发表于9楼的内容
木头钉的考虑一下?海绵也不是很贵本科生做的,房间本身有铜屏蔽就没有再加屏蔽了。

主要是占地面积比较大,不如开窗朝外凑合一下。


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