技术干货 天线性能不达标？VNA三招精准诊断回波损耗、驻波比与阻抗！

天线是众多技术应用中的关键组件，包括电信和广播、导航和无线网络。天线的有效性取决于其发射和接收电磁波的能力，这些电磁波经过调整以匹配天线预期工作的射频波长。如果天线未调整或不匹配，则会导致传输和接收不良，从而缩小其范围并导致数据丢失和功耗增加。此外，阻抗不平衡会大大增加反射功率，在某些情况下可能会导致发射器损坏。因此，使用矢量网络分析仪 (VNA) 等精密工具表征天线的性能对于确保其满足预期应用所需的规格至关重要。本应用说明概述了基本天线特性分析过程，重点关注回波损耗、电压驻波比 (VSWR) 和阻抗等关键性能指标，每个指标在确定天线性能是“好”还是“坏”方面都起着关键作用。在下文中，我们将使用德思特Bird BNA100 VNA来说明每项测量。

测量校准说明

在进行天线特性分析之前，确保VNA经过正确校准至关重要。

准确校准是获得可靠测量的基础。校准应使用连接器和电缆进行，以反映测量装置相对于被测设备(DUT)的真实特性。在需要适配器将天线连接到VNA的情况下，应使用端口扩展来解释适配器引入的任何其他差异。这有助于保持适配接口上测量的准确性。

图1.AMTF模块试验台功率测量框图

有关VNA校准的重要性的详细讨论以及如何执行校准的全面步骤，请参阅题为“确保精度：矢量网络分析仪校准的重要性”的应用说明。

回波损耗

回波损耗测量天线与其所连接的传输线的匹配程度，并用VNA进行的S参数测量S11表示（图2）。它表示由于阻抗不匹配而返回到源的功率量。

图2：S11散射参数可用于帮助确定设备的回波损耗

高回波损耗值（通常大于10dB，15-20dB左右的值非常好）表示匹配更好，这意味着反射的功率更少，天线辐射的功率更多。

下图3显示了连接到VNA端口1的BirdANT-800中心馈电偶极天线。此天线适用于频率范围为824至894MHz的UHF应用，覆盖美国的一些陆地移动无线电(LMR)频段。在捕获回波损耗测量值之前，您需要执行测量校准，覆盖比已发布的天线规格指示的更广泛的频率范围，以了解目标工作频段之外的行为，可能是800到925MHz。如前所述，您需要确保启用端口扩展，以便将N型（m）转换为SMA（f）连接所需的适配器。在本例中，使用了Bird4240-500-10适配器。

图3：BirdBNA100搭载天线，中间有一个N(m)型至SMA(f)适配器

要查看回波损耗，应将活动轨迹的测量值设置为“S11”，并将格式设置为“对数幅度”(LogMagnitude)。然后，您需要启用总共三个标记：两个用于测量天线指示的操作范围的起点和终点处的回波损耗，一个用于监测两者之间的最大回波损耗点。图4显示标记测量值大于10dB，大多数频带超过15dB，这说明该天线具有良好的匹配性能和低信号反射。

图4：VNA将显示因反射而损失的功率量

驻波比（VSWR）

VSWR是衡量天线传输供电效率的指标。它与传输线的功率传输效率有关，也受阻抗匹配的影响。VSWR值为1:1是理想的，表示没有反射且阻抗匹配完美。实际上，对于大多数应用来说，低于2:1的值通常是可以接受的。

回波损耗和VSWR都是了解天线或系统匹配特性的方法，只是呈现方式不同。回波损耗具有对数格式的优势，便于数学计算，而VSWR更适合表达线性。两者之间的转换可以通过以下公式实现：

VNA让您无需根据回波损耗扫描频率点计算VSWR，为您提供了一种在显示屏上进行可视化的便捷方式。

通过将测量结果保留为S11，但将VNA轨迹格式设置更改为“SWR”，即可获得VSWR视图。您还可以选择修改现有轨迹或分配额外的轨迹视图，专门用于VSWR测量，如图5所示。

VSWR越接近1，天线在功率传输方面的性能就越好。在此示例中，您可以验证所有测量点是否都在可接受范围内。

图5：使用S11测量和SWR格式向通道添加的附加迹线。所有测量值均小于2:1，并且与最大回波损耗点相对应的标记3被证明具有最佳VSWR性能

史密斯圆图上的阻抗测量

Smith图是一种图形表示，用于绘制复阻抗和其他参数，提供一种直观的方法来分析天线在其带宽内的阻抗匹配。Smith图上的理想点是中心，代表50欧姆阻抗（许多系统都这样-参见图6）。此中心点表示完美匹配。此外，最右边的中心线点表示开路，而最左边的中心点表示短路。水平中心上方的点表示本质上是电感性的设备，而下方的点表示电容性的设备。

图6：理想的Smith图以及关于不同点和区域代表什么的总结说明

当天线仍连接到VNA时，您可以在Smith图上查看其复阻抗，就像您扩展VSWR视图一样，这次选择“R+jX”格式。理想情况下，感兴趣的频带图应围绕或向中心倾斜-如图7所示-表明阻抗在整个频率范围内适当变化，而不会偏离50欧姆标记太远。与最佳回波损耗和VSWR测量相对应的标记3点非常靠近中心，读数为49.622Ω。还请注意，在图像中最右侧列出的标记点的复测量值本质上都是电容性的，这与看到这些数据点低于水平中心线时的预期一致。

图7：天线装置的史密斯圆图显示，复杂的阻抗值相当于50欧姆，表明在选定的频率范围内匹配良好

结论

使用VNA对天线进行正确表征需要详细测量回波损耗、VSWR和阻抗。通过关注这三个方面，可以有效地将天线评定为“好”（性能和效率最佳）或“坏”（性能不佳和潜在的系统问题）。这种表征可确保天线应用的可靠性和效率，无论是在卫星通信等复杂系统中还是在简单的消费电子产品中。在这些测试中使用VNA可确保天线在其预期环境中有效运行，从而在部署前保证性能。

审核编辑 黄宇