一、输入阻抗和匹配
天线的输入阻抗是指天线在馈电端口表现出的阻抗。一般将天线输入阻抗设计为50欧。当馈线与天线阻抗匹配时，馈电端口的反射最小，馈线上的能量才能有效传输至天线。因此，馈线需要与天线达到阻抗匹配，即馈线特性阻抗值设计为50 欧。因此，硬件PCB 上连接天线的微带线特性阻抗应为50 欧。为了方便调整阻抗匹配，内置天线机型一般需要在馈电点附近预留一个π形匹配网络的位置。外置天线一般输入阻抗都比较接近50 欧，根据实际需要预留匹配网络。
二、回波损耗、反射系数与驻波比
回波损耗计算公式：$回波损耗=\frac{入射功率}{反射功率}=（功率反射率{）}^{-1}$
当馈线和天线共轭匹配时，能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。
当天线和馈线不匹配时，也就是天线输入阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载只能吸收部分能量。
入射波的一部分能量反射回来形成反射波。

图2.1 天线的能量转换
如上图所示，当馈线与天线失配时，假设天线无损耗，输入10W 的功率有9.5W 通过天线辐射出去，0.5W 的功率反射回来。这里的回波损耗RL=-10log(0.5/10)=13dB 。
在不匹配的情况下，馈线上同时存在入射波和反射波。反射波和入射波电压幅度之比叫作反射系数。
$反射系数\Gamma =\frac{反射电压}{入射电压}$
在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比(VSWR)。
$驻波比VSWR=\frac{波腹电压}{波节电压}$
终端负载阻抗和馈线特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越接近于１，匹配也就越好。
天线基本要求：驻波比 VSWR ≤2；即：回波损耗RL ≥9.6dB 。（注：VSWR=2 时，RL=9.54dB
近似为9.6 dB，反射功率/入射功率=11.11%）

三、效率
天线效率是指天线辐射功率与输入功率的比值，计算公式：
$天线效率\eta =\frac{辐射功率}{输入功率}$
外置天线效率一般为70%-85%，内置天线效率一般为50-80% 。
没有辐射出去的能量一部分反射回去，一部分是天线自身的损耗。如下图所示，辐射效率=9W/10W=90% 。

四、方向性和增益
天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不
同方向传来的电波所具有不同的接收能力。天线的方向性通常用方向图来表示。方向图可用来说明天
线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。一个单一的对称振子具有“面包圈” 形的
方向图：

图4.1 对称振子方向图
增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元（点源天线）在空间同一点处所
产生的场强的平方之比，即功率之比。

常用的全向天线一般是指水平面（垂直于天线轴线的面）全向的天线。其方向图在水平面是一个圆形，表示各向增益相当。而定向天线是指天线能量集中在某一个方向的天线。

上图：全向天线（左）与定向天线（右）方向图
天线增益的大小反映了天线辐射出去的能量的集中程度。增益越大，能量越集中。根据能量守恒，在某一个方向上分布的能量越多，其他方向分布的能量自然就越少。定向天线最大增益较大，但其垂直面覆盖的范围就较小。

上图：不同增益天线方向图对比
五、带宽
天线带宽是天线的某个或某些电性能符合要求的工作频率范围。通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小。简单来说：驻波小于2为工作频带宽度就是带宽。
六、极化
当无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极
化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。
通常，如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面
平行，则称它为水平极化波。相应的天线称为垂直极化天线和水平极化天线。

除了垂直极化和水平极化，还有圆极化、椭圆极化等极化方式。圆极化根据旋向不同又可分为左
旋圆极化和右旋圆极化。
如下图所示，如果将垂直于传输方向的截面上的电场强度分解为x 分量和y 分量，即：
$E_x=E_{1}sin(wt-\beta z)$
$E_x=E_{1}sin(wt-\beta z+\delta )$

上图：极化示意图
当Ex 与Ey 相位差 为0 或180 度时，极化方式为线极化。
当E1=E2，且Ex 与Ey 相位差 为90 度时，极化方式为圆极化。
当E1≠E2，且Ex 与Ey 相位差 不为0 度或180 度时，极化方式为椭圆极化。
当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生3分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量。
当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称发射天线与接收天线是极化隔离的。

 对于没有专业的射频工程师的企业来说，天线的设计和调试一直以来是困扰电子工程师的一个难题，大多数人是依葫芦画瓢，或者遵从有经验的工程师的建议，哪里哪里要怎么画，净空区要留多少，然而要说出个所以然来也是一知半解，只能说前人都是这样的，具体的理论可能要研究复杂的麦克斯韦方程组了、传输线理论、电磁学等了。
        以前有了解过有仿真天线用的软件，像HFSS、CST等，摸索过HFSS又不太懂，这段时间又回过来研究了，基本流程算是了解了。
        这里以一个工作于2.4G频段的蓝牙单极子蛇形天线仿真为例，来探索下以下相关参数对天线性能的影响：
        ①总长不变的情况下分析天线离参考地的高度对天线性能的影响
        ②分析倒F 接地那段线距离天线馈点出线端距离对天线性能的影响
        ③分析对地短路端垂直对地线段线宽对天线性能的影响
        ④分析天线走线宽度对天线性能的影响

       下面是要仿真的天线原型，主板尺寸：50*40*0.8mm，参考地尺寸：40*40（阴影填充区域），天线总长L+H一般介于1/4个自由空间工作波长和1/4个介质层导波波长之间，/4≈30.7mm，是2.4G频段取中心点频率2.441G对应的自由空间波长，≈122.9mm，FR-4介质的介电常数一般4.3左右。
通长由下面的经验公式给出其初始值，即：  L+H≈
       则：L+H≈18.88mm，仿真取初始值L+H =21mm
仿真天线尺寸如下：

        

我们可以设置如下变量 

变量名       初始值                   备注
Lamda      122.9mm               波长
SY             50mm                   主板长
SX             40mm                   主板宽
SubH         0.8mm                  主板厚度
GndX         40mm                    参考地长
GndY         40mm                    参考地宽
OffsetX       25mm                   天线馈点离板边距离
H               4.5mm                   天线离净空区高度
L                16.5mm                天线水平开路端长度
D                6mm                    天线短路端离馈点的水平距离
W1             1mm                    天线馈点出线端线宽
W2             1mm                    天线对地短路端垂直对地线段线宽
W3             1mm                    天线水平线宽

打开HFSS，插入一个工程，重命名为IFA_Sample1

设置驱动类型为终端驱动

  

设置单位为mm

设置变量(这里设置的是局部变量，只对该工程有

一、仿真现有天线
1.1 建立3D模型
1）、以天线馈点作为坐标原点

2）先画出主板的3D

3）设置主板材料属性为FR-4，重命名为“Substrate”

4)、设置Command属性

5）画天线的结构（命名为AT1)

7）画参考地平面，参考地平面位于底层（命名为GND）

8) 倒F天线短路对地端需和参考地连接，画一个矩形连接（命名为VIA)

9）画端口激励
端口激励就是馈点，连接参考地和天线，用矩形平面连接（命名为Port1）

9）对天线AT1、GND和VIA分配理想边界条件，选中AT1、VIA、GND，右键菜单中选择分配边界条件——>理想导体(Perfect E)——>默认确认

10）端口分配激励
选择Port1，右键选择分配激励——>集总端口激励（Lumped Port）

以GND作为参考地

确认下端口阻抗是50欧

11）还需建立一个空气盒作为辐射边界条件，空气盒内表面到天线的任一面需大于λ/4，我们取空气盒内表面到天线任一面约为λ/2。

12）给空气盒分配辐射边界条件，选中空气盒右击——>分配边界——>辐射（Radiation）——>默认

       

13）模型弄好后，设置求解项，项目树右键Analysis——>添加求解设置

设置求解频率为2.441GHz，其他默认

然后需要添加扫频项，右击该求解设置菜单里设置

设置从2-3GHz进行扫频，步进0.1GHz，点击Display后点确认

最后检查所有设置，所有都是绿勾就可以跑仿真了

1.2 右击相应的求解设置，点击分析就可以了

1.3 查看仿真结果
1.3.1 查看回波损耗S11

保持默认，点击New Report

该天线对应的S11如下，显示谐振点在2.6GHz：

查看史密斯图，右击工程树下的Results——>Create Terminal Solution Data Report——>Smith Chart

该天线对应的Smith图如下，显示2.441GHz对应的归一化阻抗（1.1739-0.5826j）Ω

二、分析天线其他参数对天线的影响
2.1 天线总长不变的情况下，分析天线高度H对天线性能的影响
天线总长L+H=21mm，新增变量天线长度ATL=L+H=21mm，天线尾部长度为ATL-W

添加优化分析变量，右击工程树Optimetrics——>Add——>Parametric

设置H从3mm变到8mm，并重命名该优化项为 ParametricSetup_H

右击工程树优化项ParametricSetup_H 就可以从菜单中选Analyze运行仿真了，仿真完可以直接查看S11和Smith 图，S11可以看出H=4.5mm和H=5mm有谐振点，H=5mm时谐振点在2.7GHz

 

2.2 分析接地端离天线馈点距离D对天线性能的影响
同上增加一个优化项，D从3mm变到8mm，重命名该优化项为ParametricSetup_D，运行分析仿真

运行完后查看S11，可以看出D不影响谐振点，只影响S11大小，最好的值为D=4mm时，相比于D=6mm，2.6GHz时由-22.36dB加深到了-32.98Db

查看Smith 图，同样的频点2.441GHz，D=4mm时，归一化阻抗为1.7102-0.5474j；D=6mm时，归一化阻抗为1.2730-0.7289j，随着D增加，阻抗实部在减小，虚部负的越大

2.3 其他不变的情况下分析 天线对地短路端垂直对地线线段线宽（W2）对天线性能的影响
同上增加一个优化项W2，从0.4mm递增到2mm

运行仿真分析
查看S11，结果如下，W2不影响天线谐振点，一定范围内，越宽回损越深

 

2.4 其他不变天线走线宽度W3=W1，分析线宽变化时天线性能参数的变化
添加优化变量W1，从0.4递增到2mm

运行仿真分析
查看S11如下，可以看出天线宽度的变化不会影响天线的谐振点，W1=0.6mm时回损最深

查看Smith 图如下，随着天线宽度的加大，smIth 曲线往左下角在移动

三、总结
    影响倒F天线的谐振点两个主要的因素一个是天线离参考地的距离，另一个是天线的走线长度

 

 

天线参数

1丶 天线谐振频率 Resonance Frequency

2丶驻波比

指的是行驻波的电压波腹值和电压波节值之比

2.1 驻波

驻波即两个反方向波的合成波形，该合成波相位不变，幅度变化，节点位置（值 = 0）不会发生变化。

幅度最大驻波：具有相同相位时。
幅度最小驻波：具有180°相位差时。
当幅度表示电压时，幅度最小驻波 / 幅度最大驻波 = VSWR

上图1 ： 幅度相同的电压驻波比
上图2： 幅度不同的电压驻波比

2.2 电压驻波比 VSWR

• 在吸波体等天线内，驻波比产生主要是由于波的反射
• 天线的电压驻波比是把天线作为无耗传输线的负载时

VSWR = 1 + F / 1 - F

• 称F 为 反射系数
• 即更大的反射系数，更大的VSWR，匹配越差。反之也成立
• 一般要求驻波比小于 1.5，在通信系统中

VSWR = 1 + |S11| / 1 - |S11|

Pr/Po = [(SWR - 1) / (SWR + 1)] ^ 2

Po：进入天线的功率
Pr ：从天线系统反射回来的功率

3丶S参数 Scatter

3.1 二端口网络

Sij表示 能量从 j 注入，从 i 检测

S11 ：端口2匹配时，端口1的反射系数；
S22 ：端口1匹配时，端口2的反射系数；
S12 ：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数；
S21 ：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数；

• S11：越小越好，即端口1的反射损失值，输入反射系数。
• S21：越大越好，即多少能量传输到目的端口。

对于互易网络：S12 = S21;
对于对称网络：S11 = S22;
对于无损网络：S11xS11 + S21xS21 = 1;

4丶带宽 Band

中心频率：天线某个参数性能下降到容许的频率范围

4.1 绝对带宽（输入阻抗带宽）

一般称 S11 ≤ -10dB 的带宽
即 BW = fH - fL

4.2 相对带宽

相对带宽 = 绝对带宽 / 中心频率
RBW = fH - fL / f0 x 100% = BW / f0 x 100%

其中

• Narrow Band ： 窄带，相对带宽小于 1%
• Broad Band ： 宽带，相对带宽在 1% 到 25%
• Ultra-Wideband ： 超宽带，相对带宽大于25%

4.3 倍频程带宽

• 二倍频：BW2 = fH - fL / fH + fL [0,1]
• 三倍频：BW3 = fH / fL [1,+∞]

如何提升带宽

减小天线的Q值：Q = f0 / BW

5丶方向图

方向图又称为：radiation pattern，far-field pattern。描述增益大小与相位，极化与空间角度关系的图

5.1 方向的特征参数

• 主瓣宽度：最大辐射波束
• 副瓣/旁瓣：距离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣
• 后瓣：与主瓣相反的
• 前后比：最大辐射方向（前向）电平和其相反方向（后向）电平之比，dB
• 方向系数：在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度之比

5.2 XY,XZ方向图

• 方向图是一个3D结构，以天线相位中心为球心，半径R足够大的球面上，逐点测定绘制，一般情况只需要 XY,XZ面
• 波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。一般超高频RFID天线常用3dB波瓣宽度来定义，单位是度数。
• 方向图无好坏之分，只有合不合适自己设计之分，常见就是全向与定向，全向就是360°均匀辐射，定向就是某个角度辐射范围
  

5.3 波瓣宽度

6丶增益 Gain

• 天线辐射在自由空间任意方向的强度
• 天线增益是衡量天线的一个特定方向收发信号能力
• 相同条件下，增益越高，传播距离越远
  

其中

• dBd：相对于对称子天线的增益
• dBi：任意的天线所发射的信号强度与各项同性天线的比值，其中各向同性天线是一个理论天线，各方向上的信号强度相同

7丶极化

• 极化就是电场矢量方向随时间的变化，即固定空间一点，观察该点的电场矢量的轨迹随时间的变化
• 平面波：距离场源较远的电磁波
• 天线的极化决定了其电磁辐射的收发性能

7.1 极化方式

极化有三种：线极化，圆极化，椭圆极化

以其传播方向作为z轴，将其运动轨迹往xy平面上做投影，投影为椭圆的，其极化方式为椭圆极化；投影为圆的为圆极化；投影为线段的，称为线极化

7.2 传播形态

• TEM波：传播方向上没有电场和磁场分量，横电磁波，在自由空间中传播时
• TE波（s波）：传播方向上有磁场分量，无电场分量（电场与传播方向一致），横电波
• TM波（p波）：在传播方向上有电场分量，无磁场分量（磁场与传播方向一致），横磁波

一个任意的电磁波，当传播方向上电场分量为0时，它是TE波；当传播方向上磁场分量为0时，它是TM波；当传播方向上电场和磁场分量都为0时，它是TEM波。