芯耀
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在上一篇文章射频基础知识---天线基础理论知识介绍，中我们介绍了关于天线的一些理论知识，在这篇文章里我们将继续介绍关于天线匹配的相关知识。
天线是一种元件，能将传输线中的导行电磁波转换为自由空间中的球面波，或将自由空间中的球面波转换为传输线中的导行电磁波。其作用是使传输线阻抗与自由空间阻抗相匹配，以实现最大辐射功率。在设计中，一个关键考量点是确保天线与传输线及射频（RF）信号源相匹配。
阻抗匹配的质量通常用电压驻波比（VSWR，Voltage Standing Wave Ratio）或S11参数来衡量。当射频功率未能完全传输至天线时，传输线中就会产生驻波。在高功率射频系统中，驻波甚至可能导致传输线出现电弧放电现象。此外，电阻损耗与介质损耗也会降低天线效率，这类损耗同样需要避免。
下图分别展示了发射天线与接收天线的电路模型。
从电路模型可见，天线的总阻抗由辐射电阻、天线损耗电阻与天线电抗三部分之和构成。
在搭建无线电链路时，通常希望最大化发射机与接收机之间的通信距离。可采用双射线弗里伊斯模型（two-ray Friis model）进行射频传播距离的实际估算，该模型已考虑典型建筑材料对信号的影响。影响最大通信距离的因素包括：
- 天线性能及其安装位置；
- 发射机输出功率与接收机灵敏度；
- 射频环境中存在的无用射频干扰源；
- 无线电链路的工作频率；
- 无线电设备的配置参数；
- 发射机与接收机之间的建筑材料。
当发射天线与接收天线满足极化匹配、反射匹配，且均对准最大辐射/接收方向时，接收功率与发射功率的比值可通过以下表达式计算。
通过弗里伊斯公式求解最大通信距离，并将接收功率替换为接收机的最小可检测信号，即可得到最大通信距离的表达式。需重点注意的是，通信距离与接收信号的频率相关，且二者呈反比关系。
天线匹配：天线匹配应仅使用电感或电容元件。无论是分布参数匹配电路还是集总参数匹配电路，都会因元件品质因数（Q值）有限而产生损耗。若天线本身已具备较好的初始谐振特性，则匹配电路带来的性能提升通常能补偿其引入的损耗。
下图展示了典型的匹配场景框图：匹配电路位于信号源与天线之间，其作用是对天线阻抗进行变换，使变换后的阻抗与信号源阻抗实现共轭匹配。
匹配电路可采用任意拓扑结构，在本次讲座的实例中，我们将重点介绍L型匹配网络——这是一种常用的基础拓扑。
天线匹配考量因素：
- 输入阻抗（Input Impedance）：指天线在其端口呈现的阻抗。只有实现共轭匹配，才能将最大功率传输至天线；
- 标准阻抗：收发器及其传输线的设计阻抗通常为50Ω。若天线阻抗与50Ω不匹配，则需要添加阻抗匹配电路；
- 功率分配：在共轭匹配状态下，一半功率会在信号源电阻中以热量形式耗散，另一半则传输至天线。传输至天线的功率中，一部分通过辐射电阻辐射出去，剩余部分在损耗电阻中耗散；
- 回波损耗（Return Loss）：回波损耗是描述阻抗失配的指标，它是反射功率与入射功率的对数比值（单位：dB）；
- 匹配质量指标：匹配质量最常用电压驻波比（VSWR）或S11参数（匹配状态下）来衡量，具体表达式如下；
- 环境对VSWR的影响：天线周围环境变化会导致天线VSWR改变，进而使匹配状态发生变化。若VSWR变化过大，可能破坏接收系统前端的噪声系数。天线VSWR对噪声系数的影响可通过以下表达式计算（其中ρ为天线的电压驻波比，F为噪声系数，原文未列出具体公式，此处保留逻辑表述）；
- 天线带宽（Antenna Bandwidth）：指天线能以可接受电压驻波比工作的射频频段。通常认为，VSWR≤2:1时的工作带宽是可接受的，这对应约9.5dB的回波损耗。
L型匹配网络可用于匹配阻抗圆图（Smith Chart）上任意位置的阻抗。下图展示了多种阻抗场景，以及可实现匹配的对应电感/电容组合拓扑。L型匹配网络拓扑的特点是匹配带宽较窄。
1L型匹配网络的解析表达式如下。利用这些公式，可计算出实现天线阻抗匹配所需的元件理论值。在实验室中，可通过网络分析仪进行实际测量，并微调元件参数，使匹配效果达到理想状态。
在许多低功率射频应用中，天线匹配通常在小型PCB上完成。在本次实例中，我们将演示如何将工作频率为868MHz的紧凑型PCB螺旋天线与50Ω信号源进行匹配，
具体步骤如下：
1、校准网络分析仪：由于我们仅需通过S11参数计算天线输入阻抗，因此只需对网络分析仪的单个端口进行校准即可；
2、准备PCB板以安装半刚性同轴线：如下图所示，我们在PCB上预留了匹配网络的安装区域（黄色方框标注处），L型匹配网络将安装于此，具体布局方向需根据测得的天线阻抗确定。同时，图中还标注了半刚性同轴线内导体的焊接焊盘位置；
3、焊接半刚性同轴线：如下图所示，将半刚性同轴线焊接到PCB上，并将矢量网络分析仪的开路端口延伸至天线馈电端。此时，可通过0Ω电阻将天线与同轴馈线连接，但在进行网络分析仪端口延伸校准时，需断开该0Ω电阻；
4、测量未匹配天线的S11参数：如下图所示，最终焊接0Ω电阻，并测量未匹配天线的S11参数。
测量结果显示，在868MHz频率下，天线阻抗为15.4 - j70.4Ω，对应的VSWR值为9.8。
根据测得的阻抗值，可利用上面的公式9至公式12，可见在868MHz频率下实现了良好匹配。但通过这种方式得到的元件值可能不符合实际商用元件的标准值，因此需选择与理论值最接近的实际元件，并重新进行电路仿真。
最终，经过实验室中的多次迭代测量，确定最终元件参数如下。
下图对比了理论仿真结果与最终实际测量结果。
天线设计的几点重要考量：
- 若使用供应商参考设计中的天线，务必严格按照设计图纸复刻，并确认参考设计的PCB叠层结构与你的设计一致；
- 天线馈线长度的变化会改变天线输入阻抗；
- 天线附近的任何金属物体、塑料外壳或人体，都会改变天线的输入阻抗与谐振频率，在进行匹配设计时必须考虑这些因素；
- 若PCB上集成多个天线，可利用天线的极化特性与方向性来隔离各天线的辐射方向图；
- 对于芯片天线，需根据数据手册的规定，确认其与地平面的间距及摆放方向是否正确。
在完成PCB上的天线匹配后，最后一步是在射频暗室中测量天线的三维辐射方向图。通过这种方式，可测得天线效率，并直观评估其性能。
（完）
