平均增益，最大增益，極化效率是怎么回事？

左右旋分量，軸比，相角是什么東西？

測試距離與精度到底是什么關系？

吞吐量和TRPTIS和測試距離，通路損耗，有什么對應關系？

多探頭，單探頭，平面近場，球面近場和緊縮場應該怎么選？

帶著這些天線研發小伙伴的疑問，我們安排了一次技術專訪，專訪的對象是天津飛圖科技總經理任祥順。任總從事射頻自動化工作已超過20年，是國內首屈一指的天線測試專家之一。以下為根據錄音整理的文字記錄。

編：感謝任總抽時間接收我們的專訪分享技術上的經驗。
任：哪里，跟大家共同探討一起學習，有這個機會跟大家分享我也很高興。

編：可以講一下天線的平均增益，最大增益，極化效率，方向性還有效率都是什么關系嗎？
任：類似的文章有很多，我就不重復那些定義性的說法了。這里面有一個提法要注意，就是平均增益，這是一個比較新的概念，對車聯網天線和穿戴式設備的天線的評估用處比較廣。

編：那什么是平均增益？
任：平均增益不是在數學上簡單的取平均，而是在天線的三維或者二維輻射方向圖上截取某一段或者某一塊進行計算得出的增益值的平均。舉個例子，比如汽車車頂的導航天線，理想的方向圖是主瓣朝向天頂，如果我們設計一款天線，效率很高但是主瓣朝向地面肯定是不行的，所以早期我們引入上半球效率和下半球效率去評估，相當于把一個方向圖腰斬一分為二，如果上半球增益大那自然上半球效率就高。但是后來又出現了新的要求，比如一些定位用的導航天線的最低仰角（海平面仰角）是10度或者20度，所以我們又需要評估從天頂到海平面仰角20度的這個小半球里面的所有地方的增益的平均值。另外有些地面通訊系統裝在車上，我們要求方向圖最好是像“柿餅子”，而不是導航天線那種“大饅頭”，柿餅子方向圖的好處是在地面通訊距離基站遠，那么仰角就低，正好增益大，當通訊方向來自于天頂附近，增益就很低了但是不怕，因為這時候已經到基站腳下，有根鐵絲都能打電話了對吧。所以對這種方向圖，我們要評估海平面到仰角30度左右的平均增益。還有更新的車聯網天線，只要求對車子前向進行通訊，就不單要求對一定仰角進行積分運算，還要對方位角進行積分運算得到平均增益才能滿足要求，否則單獨憑借效率，增益等指標是沒有辦法完全評估一只天線是否滿足使用場景的要求的。

這就是一只天線的一定范圍內的平均增益的圖。當這個計算范圍擴大到整個球面的時候，這個值就是效率的dBi值了。

編：那可以把這種分塊的小部分的平均增益當做效率嗎？
任：可以這樣理解，但是要加一些定語約束，可以把這種分塊的小部分的平均增益當做這小塊的小部分的效率。

編：那增益和效率就是一回事了？
任：實際上是一回事，但是也要加定語約束，都說簡化就都混淆了。可以說球面平均增益與效率一回事。

編：效率的單位不是百分比嗎？怎么和dBi是一回事？
任：效率的單位是百分比，描述的是給到天線的能量有多少輻射出去了。這個百分比是可以轉換成dBi的，比如50%的效率就是-3dBi，25%的效率就是-6dBi等，都可以轉換。而天線輻射效率實際上是這個天線在所有方向上輻射的總能量與輸入能量的比，這個輻射總能量要用天線的各個方向上的增益去做加權平均做球面積分計算后才能得出。所以要得到天線的效率，必須測試三維數據。

編：天線各個方向都有增益嗎？
任：當然，你可以把天線的輻射方向圖想象成一只豪豬，每一個刺就是一個方向的增益，不同方向的刺長度不一樣，增益也不一樣，豪豬肚子上的小汗毛也是一個增益，這些增益里面的最大值就是最大增益，一般就簡稱為這個天線的增益了。

編：好的，大概清楚了，那極化是怎么回事？
任：極化是天線的重要概念，我們不說那些高大上的概念和定義，還是用豪豬作比較，剛才我說豪豬的每一個刺就是一個方向的增益對吧，那么我們選一根刺，在這個刺上從根部到尖部纏繞絲帶，這種纏繞方式有兩種一種是左旋，一種是右旋，這就是當這個方向的輻射是純圓極化的時候的兩種方式。如果我們將豪豬的刺拍扁，成為類似草葉的東西，那這個可以當做線極化的輻射，那么這個葉面與地面夾角，當這個夾角為0/45/90的時候，可以稱作線極化的水平極化，45度極化和垂直極化等。

編：那輻射出來的增益都是這種圓極化和線極化的嗎？
任：輻射出來的是能量，增益越高能量越大，我們是對這個能量進行分析，其實輻射出來的都是橢圓極化的波，圓極化是特例，線極化也是特例，具體是什么也是靠天線研發工程師設計出來的。當然用相應的測試系統也是可以檢測出來的。

編：那線極化，圓極化和增益的關系是什么呢？
任：實際上增益是描述某個方向的輻射能力的最主要的參量，我們討論的都是這個增益的不同分析方式，同一個增益，用線極化方式去分析，就可以得到水平極化增益分量和垂直極化增益分量，用圓極化的方式分析，就有左旋分量和右旋分量。要看具體的使用場景具體分析。比如導航多用圓極化分析，基站多用線極化分析，都是根據場合來決定的。

編：為什么要這么分析？多麻煩啊。
任：這個很有用啊，這個牽扯到一個概念是極化隔離，或者極化效率。就是相同極化的天線擺放才能提供最大的鏈路增益，如果整個通訊鏈路中引入了一個交叉極化的天線，那么鏈路增益會掉下很多。同時，我們在測試的時候，也沒有辦法使用一只天線或者一只探頭一次得到這個方向上的實際增益，都是通過測量水平分量和垂直分量，或者測量左旋分量或者右旋分量后合成計算出的實際增益的。

編：我見過很多天線測試場地，都是用喇叭天線，應該是線極化的吧？沒見過用圓極化天線做測試的。
任：是的，你觀察的很細，用線極化喇叭有很多好處，結構簡單，增益高，頻帶寬，極化特性好等等。如果是用圓極化天線，首先說寬頻帶圓極化天線就沒法做，比如十倍頻程的圓極化還沒見到過，另一個就是圓極化的純度很難寬頻帶做好，軸比1.5以下就很好了。相比較下線極化的喇叭隨便都有15以上的極化純度，所以測試場一般都用線極化的喇叭做測試。圓極化只是在某些特殊場合，比如導航接收機的仿真測試等，就必須根據接收機的發射和接收頻點進行場地布置。

編：剛才說到軸比，什么是軸比？
任：軸比是描述一個橢圓形狀的參數，軌道跟蹤的偏心率也是同樣概念，這個參數一定，那么橢圓的長相就定了。軸比指的是用一只線極化天線對準一個橢圓極化波，那么隨著線極化天線的極化角對準橢圓的長軸和短軸在轉動，一定會看到系統鏈路增益的變化，那么這個變化的最大值和最小值的差就是軸比，這個很好理解，如果發射的確實是一個圓極化波的話，那么無論怎么旋轉線極化的接收天線，在網分上看到的鏈路損耗都是不變的。而如果發射的是線極化波的話，同極化的時候就會增益很好，但是交叉極化就會增益很差，會在網分上看到劇烈的變化，那么這種單一天線旋轉出來的測試值的最大值和最小值的差就可以用來描述一個波的圓極化特性。

這個圖就是一只導航天線的典型的線極化的軸比視圖。

編：那軸比和左右旋分量的關系是什么？
任：單有軸比是可以計算左右旋分量的差的，但是無法判斷是左旋占優還是右旋占優，這個還要到現場具體分析或者用一只已知圓極化特性的天線測試一下就知道了，我一般也懶得去推理，直接測一下就可以知道，然后調整一下軟件的設置就好了。可以說軸比好的天線一定圓極化分量高，要么是左旋很高，右旋很低，要么就是右旋很高，左旋很低。同時因為是圓極化特性，這時候的水平和垂直線極化分量基本相等的，你看一下這個圖。

上面兩個圖是前面那個線極化軸比圖的不同分量的交叉極化比的顯示，上圖左邊的是左右旋分量的交叉極化比，右邊是水平垂直線極化分量的交叉極化比。這個看的很清楚。 未完待續。