天线主要技术参数包括工作频段，天线直径，天线增益，天线方向图（旁瓣特性）和噪声温度。今天我們的主要内容是天线增益是如何获得的？天线增益dbi越大越好吗？如何克服多天线系统面临的测试挑战？今天是德科技将一一回答这些问题，还将为您介绍一些生成相位相干信号的方法。文末还有测试天线增益差距的案例分享！不要错过哈
什么是天线增益？
dB是功率增益的单位，表示一个相对值。当计算A的功率相比于B大或小多少个dB时，可按公式10 lg A/B计算。 dBm是一个表示功率绝对值的单位，计算公式为：10lg功率值/1mW。 dBc也是一个表示功率相对值的单位，与dB的计算方法完全一样。一般来说，dBc相对于载波(Carrier)功率而言。在许多情况下，用来度量载波功率的相对值，如度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等）以及耦合、杂散等的相对量值。 相位噪声采用 dBc（相对于载波的dB 数）为单位，即单边带噪声功率相对于载波功率的比值，并归一化至 1 Hz 噪声功率带宽。有时在特定的频偏上指定，或者用一条曲线来表示一个频偏范围内的相位噪声特性。
天线增益的物理含义
可以这样来理解增益的物理含义------为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为 G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需 100 / 20 = 5W . 换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。
问题：天线增益越高越好吗？
答案：天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。增益越高，天线长度越长。
全向天线和定向天线区别是什么？
全向天线，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。全向天线在移动通信系统中一般应用于郊县大区制的站型，覆盖范围大。
定向天线，在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性。同全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。定向天线在通信系统中一般应用于通信距离远，覆盖范围小，目标密度大，频率利用率高的环境。
全向天线和定向天线
全向天线会向四面八方发射信号，前后左右都可以接受到信号，定向天线就好像在天线后面罩一个碗状的反射面，信号只能向前面传递，射向后面的信号被反射面挡住并反射到前方，加强了前面的信号强度。
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3）对于直立全向天线增益，可用近似计算公式 ：
“ 天线主瓣宽度越窄，增益越高。”
天线方向图 - 如何看懂天线方向图？
天线的辐射方向图（简称：方向图）是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强即归一化场强的大小随方向变化的曲线图。通常情况下，我们关注比较多的是功率方向图或者是场强方向图。
天线的辐射特性可采用三维和二维方向图来描述。三维方向图可分为球坐标三维方向图和直角坐标三维方向图；二维方向图是由其三维方向图取某个剖面得到的，又分为极坐标方向图和直角坐标方向图。
球坐标系的概念
在数学里，球坐标系是一种利用球坐标表示一个点P在三维空间位置的三维正交坐标系。下图显示了球坐标的几何意义。
在方向图（又称波瓣图）中，包含所需最大辐射方向的辐射波瓣叫天线主波瓣，也称天线波束。主瓣之外的波瓣叫副瓣或旁瓣、边瓣，主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣、尾瓣。
用直角坐标系表示的方向图
用极坐标系表示的方向图
用球坐标系表示的3D方向图
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。天线的辐射功率在某些方向大，有些方向小。
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的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示。
一般是三维的立体方向图。但通常情况下，均采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面即所谓“主平面”来表示。
半波对称振子天线的方向图
对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。
另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子。
垂直放置的半波对称振子具有平放的 “面包圈” 形的立体方向图。在它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图中 可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上，在水平面上各个方向上的辐射一样大。
下面我们谈谈相位相干性及其重要性，还将为您介绍一些生成相位相干信号的方法。
什么是相位相干性？
如果两个信号的相对相位始终保持恒定，那么它们就是相干信号，如图 1b 所示。 当相干信号一起出现时，根据它们之间相对相位关系的不同，就会带来建设性或破坏性的影响。在表征多信道元器件（如相控阵天线）时，您需要精确控制信道之间的相位角关系（图 1c）。 对于数字调制信号，相位相干意味着基带发生器的时序同步，射频载波之间具有相干性（见图 1d）。 同样，雷达脉冲要求突发脉冲具有精确的时序，以仿真相应的空间时延（见图 1e）。
相干信号和非相干信号之间的区别不是零或一。如果相对相位的不稳定度足够小，那么信号可以是部分相干。相干性是信号(X和Y) 之间的统计量，可以使用下面的公式进行计算：
地点
结果 (pxy) 介于 0 到 1 之间。在给定的观察期内，结果值接近 1 代表该信号是相位相干信号。如果结果值大于零但小于 1，则表示它是相位稳定信号。多信道系统的测试要求是相位相干或相位稳定的测试系统。我们来看一下如何设置相位稳定和相位相干的测试系统。
相位相干为什么很重要
无线通信中采用的多天线技术可以增加分集、多路复用或天线增益。多天线技术主要包括空间分集、空间复用和天线阵列。
空间分集
在无线通信系统中，多条路径的存在会导致无线信号通过两个或更多路径到达接收机的天线。当多径信号到达接收机时，它们会基于相对的相位关系构成建设性或破坏性的组合。
什么是空间分集？
空间分集也称为天线分集，提供了一个解决信号多径问题的方法。您可以使用两个或多个天线，从而提高无线链路的质量和可靠性。这可以通过信道切换、信号加权、时间延迟或发射分集来实现，如下图所示。
为了仿真用于空间分集测试的多径信号，您需要一个信号发生器和一个信道仿真器来仿真接收机分集测试的多径场景（图a），还需要多台信号发生器和信道仿真器，以执行发射分集测试（图 b）。为了准确仿真多径场景，两个信号发生器的基带必须保持同步，两个载波的相位必须对齐。
空间复用
空间复用是多路输入多路输出（MIMO）系统中采用的一种传输技术。系统会将发射数据分成多个编码数据流，然后再通过不同的天线在同一无线信道上同时发送所有的数据流。为了在接收机上恢复原始数据，MIMO 系统在计算上使用了反向信道属性估计算法。
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"5G 新空口多单元有源天线的实施会给测试带来以下新的挑战-应对更大的毫米波频率路径损耗验证 3D 天线波束方向图的 OTA 射频性能和优化基站在真实条件下的性能。"
下图是一个 2x2（两个发射机和两个接收机）MIMO 示意图，其中两个符号（b1 和 b2）同时发送，以实现数据吞吐量翻倍。下面是一个简单的公式。
式中，r 是接收的信号，s 是源信号，h 是无线信道响应。接收机可以采用训练序列算法来执行信道估计（上面的 h 矩阵）。您可以通过以下公式进行信号处理，从而恢复发射的信号（s1 和 s2）：
上面的计算使用了时序对齐信号和公共本地振荡器（LO），用以对多信道信号进行上变频和下变频。这种技术加剧了仿真多信道射频信号的测试挑战，因为大多数商用信号发生器都是使用独立的基带信号发生器和本振。
什么是天线阵列 — 波束赋形
天线阵列是一组用于发射或接收信号的天线单元。相干驱动天线（在天线单元之间会有适当的相位时延）可以形成信号波束。相控阵天线使用波束赋形网络（BFN）中出现的相移，来产生沿特定方向传播的均匀波前。均匀波前可以使一组低方向性的天线单元在发射或接收应用中表现得像高方向性天线一样。信道之间的相位时延决定了天线方向图，如图所示。
图 5. 相控阵天线通过调整相干天线之间的相位来形成波束。
下图描述了以特定间距使用多个天线单元的影响。随着天线单元数量增加（间隔半个波长），天线的波束宽度会变窄（图a 至d）。通过对每个天线的信号应用 90 度相移，您可以改变波束的方向，如图 6e 所示。通过改变不同数量的天线单元之间的相移，您可以在多个方向上控制波束。为了仿真这种多信道信号，您需要精确控制用于发射机和接收机测试的信道之间的相位差。
如何生成多个相位相干信号？
测试空间分集、空间复用和天线阵列等多天线系统要求测试系统能够提供多个信号，且信号之间具有稳定的相位关系。但是，商用信号发生器采用独立的合成器将中频信号上变频为射频信号。为了仿真多信道测试信号，测试信号之间必须具有相干和可控的相位关系。我们采用了不同的方法来产生下面的多信道信号，并对这些方法的利弊进行了评估。
独立本地振荡器
要在信号发生器之间实现一定的相位稳定性，最简单的方法是锁定一个 10 MHz 的频率参考。下图示出了两个信号发生器，其中基带信号发生器采用触发信号和 10 MHz 公共时基进行了同步。
共用公共本地振荡器（本振）
在信道数量增加时，请注意本振的驱动电平。将本振输出分离出去以容纳更多信道会导致本振输入驱动电平的损耗。
相移
即使您使用共享的本振，仪器信道之间仍然会产生一些静态时间和相位偏差。电缆长度和连接器会导致静态的时间和相位变化。时延或相移会使信道之间的相位关系发生偏差。您需要纠正这些偏移并确保测量的差异来自被测器件，而不是来自测试系统。要测量多个信号源的静态时间和相位偏移，请使用下图所示的高带宽示波器。
直接数字合成 (DDS)
案例分享- 如何测试天线增益差距？
使用Keysight信号源和频谱仪测试天线增益差距的方法
天线是射频通讯中进行互相通讯的关键组件，无线电设备中用来发射或接收电磁波的组件。天线需要把传输线上传播的射频信号，变换成在自由空间中传播的电磁波。可见天线对于通信系统的重要性，之前使用网络分析仪测试过433MHz天线的驻波和阻抗，通过驻波和阻抗来了解天线的反射系数，选择驻波更低的天线进行实际产品测试。长短两组天线的VSWR驻波都非常不错，大约1.2~1.3，但是实测的时候却表现完全不同的效果，短一点的天线测试传输距离很差。
驻波只是表征了天线的反射系数，不能表示增益的大小，一样的驻波下，增益越大，传输的距离就越远。一般定向天线的增益会大于全向天线，因为能量集中朝向一个方向发射。
本次使用的都是全向天线，天线的增益怎么测试呢？天线增益的定义为在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比，这需要有OTA天线暗室进行测试，成本比较高。
怎么能使用手边常用的仪器对两组天线进行一个基本的评估呢？
一般搞射频通讯的都离不开频谱分析仪（信号分析仪）、信号源、网络分析仪三大仪器，如果手边有频谱仪和信号源，就可以使用频谱仪和信号源进行简答的摸底测试。
天线的主要参数
天线的发送接收效果的好坏与天线的参数密切相关，下面我们介绍天线的一些基本参数。
工作频段 - 天线总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作，其取决于指标的要求。满足指标要求的频率范围即为天线的工作频率。各种无线制式不同，运营商使用的频段也不一样，需要选择合适频段的天线。
极化方式 - 天线的极化就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。双极化天线是由极化彼此正交的两根天线封装在同一天线罩中组成的。由于性能原因，两根天线采用±45度的极化方式。
阻抗 - 对于线天线，天线输入端的电压与电流的比值称为天线的输入阻抗。对于面天线，则常用馈线上电压驻波比来表示天线的阻抗特性。选择合适的馈线和阻抗匹配器，保证天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗匹配，使输入天线或从天线输出的功率最大。
天线的方向性 - 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的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示。
波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角）- 波瓣宽度是指在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。
前后比 - 前后比是指主瓣最大值与背瓣最大值之比。表明了天线对背瓣抑制的好坏。
增益 - 天线增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。增益与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。
倾角 - 天线的倾角是指电波的倾角，而并不是天线振子本身机械上的倾角。倾角反映了天线接收哪个高度角来的电波最强。
隔离度 - 天线的隔离度指的是两根天线或者一根双极化天线的不相关性，隔离度参数合格保证了同扇区天线分集接收的性能。
驻波比 - 线驻波比是表示天馈线与基站匹配程度的指标。它的产生是由于入射波能量传输到天线输入端后未被全部辐射出去，产生反射波，叠加而成的。
