很好的文章，感谢作者，特地收藏。原作者：诗韵乐乐的阿康

1. 概述

随着频率的增加，PCB上的走线，电路的参数会越来越重要。因为器件和电路的尺寸已经可以和波长相比较。可以用公式：波长（单位：厘米）=30000/频率（单位：MHz）来计算波长。图一中列出了433MHZ到7.9GHz的波长和4分之一波长。（选取这些频率的原因是有一些ISM band,最后两个是UWB的band）

随着频率的增加，PCB走线和导线就不再表现为单纯的电阻，而表现出了不同的阻抗特性。频率越高，主要特性越来越表现为容性或感性电抗。所以我们称这种特性为阻抗或者是Z，而不再用电阻来称呼。

2. 天线的驻波比

驻波比也叫作SWR，是英文Standing Wave Ratio的缩写。SWR对天线来说是个重要的概念，因为他代表了天线和接收发射机的匹配的好坏。

理论来说，SWR的最理想情况为1:1，它代表了天线和接收发送机的完全匹配，所有的能量都进入了天线，发送了出去，没有任何的能力发射回来。但是实际SWR是永远没有办法达到1:1的。因为无论是器件还是走线都存着着寄生参数。

我们最求的是达到最小的SWR。在实际的应用中，我们有个原则，如果能把实际的驻波比做成小于1.5:1，那么这个设计就被认为就是可以接受的了。因为从下表可以看出1.5:1的时候，接近96%的能量都已经通过天线辐射了出去。

图2 SWR和反射能量的关系

同时，在进行设计和测量的时候，我们会用到另一个参数叫反射系数，又叫作S11，单位是dB。 S11是个负数，如果S11的绝对值越大，那么说明反射越小。

3. 天线的测量

了解了以上的概念，我们来具体的说明如何进行天线的测量。

天线的调试目标一般来说都是使得天线的端口阻抗为50ohm。这就是为什么一般的射频设计中天线的接口，留了一个Pi型网络或者T型网络的原因。我们来看一个具体的例子就比较好理解了。

上图中P点是天线的馈点，我们在进行射频调试的时候，我们会进行接触射频性能的调试，也就是直接用射频线把射频信号引入综测仪或频谱仪，而不考虑天线。这时候我们都是用MM5829这个射频接口进行调试。也就是说如果从P点向左看我们已经把阻抗调成了50ohm，那么如果从P点向右看如果也是50ohm的阻抗，那么我们可以说整个的射频链路到天线，他的阻抗都是匹配的，反射系数是最优的。

其中C15不属于匹配网络的一部分，C15是一个隔直电容，真正的匹配网络是后面的L32,C71,和C23。当然在这个电路中，L32和C71已经可以把天线调节到最好，所以C23是DNM(Do not mount),不用焊接。

下图是一个实际的天线和匹配网络

3.1 Simth 圆图

在我们继续讨论天线的调试的时候，有必要认识一下Smith圆图。

史密夫图表(Smith chart，又称史密斯圆图)是在反射系散平面上标绘有归一化输入阻抗（或导纳）等值圆族的图表，主要用于传输线的阻抗匹配上。

下图就是一个Smith图的示意图

• 串连器件的话，就要用到电阻圆。对于串连电感来说方向向上，对于串电容来说，阻抗的方向向下

• 并连器件的情况下，要用到等电导圆。对于并连电感来说方向向上，对于并电容来说，方向向下。

总结一个口诀：上感下容，左并右串

3．2 网络分析仪的校准

一般来说，我们需要用到网络分析仪来进行天线的测量和调试。

在网络分析仪在进行测量测试前，第一步就是要对网络分析仪进行校准。校准的方法有两种，一种是手动校准，一种是电子校准。现在的最新式的网分一般都配备的电子校准，简单，方便，容易。

下图是网分的机械校准件

它有 Open, Short和Load三个端口，可以在校准的时候分别接在网分的射频线上进行校准

下图是个电子校准件。

校准的时候连接在网分的射频线端口，然后选择e-cal就可以自动实现open, short,以及load的校准。

3.3. 网分测量和校准天线的过程

网分校准完成后，我们就可以用它来进行天线的测量的优化。下面以一个实际的例子来说明天线匹配的过程。

a. 首先测量出天线没有任何匹配网络时候的S参数。一般来说，我们定义的测量频率点是在工作频率的中心。比如说如果说2.4G wifi band, 我们就以2442MHz为中心，如果以868M ISM band,我们就以868MHz为中心。

下图就是一个测量是把pi型网络中的串联器件焊上了0ohm后得到的一个结果。

我们用网分得到的结果如下图

b. 匹配天线到最优

有两种方法可以把天线匹配到50ohm附近，一种是先串联电感，再并联电容；另一种是先串联电容，再并联电感。电容和电感的值我们可以用一些工具计算得到。比如说这款Smith V4.1工具。

我们可以用这个Smith chart的工具很容易就计算出来先要串接4.7nH的电感，然后再并接5.4pF的电容，最后的阻抗可以基本上为50Ohm。

从下图中我们可以看出，DP2是我们用网分测出的在868MHz的原始阻抗16-2.54j ohm,串上电容后，沿着电阻圆移动到TP3,并连电容后，沿着电导圆向下移动到TP4点，基本上就是50ohm附近。

同样的道理，我们还可以先串连电容，然后再并联电感。Smith圆图中的过程如下所示。也就是说先并一个8.7pF的电容，再并一个6.3nH的电感也能够把阻抗调节到50 Ohm附件

需要注意的事，我们现在得到的串并联电容和电感的值，都是一个理论值。由于走线上的寄生电容和寄生电感的存在，电容和电感本身也不是一个纯的电容和电感，所以我们要把我们仿真的值焊在实际的电路板上，用网络分析仪去测试。然后根据实际测试的结果，去微调匹配电路的值，使得最终的测试结果接近最优结果，从而天线的性能得到优化。

4. 总结

本文介绍了一些射频的基本概念，如驻波比，反射系数以及他们与天线效率的关系。重点介绍了如何用网分测试天线的原始性能，以及在仿真工具的指引下，如何实现天线最优的性能。当然天线的性能的调试不只是用网分使得反射最小，有时候专业的天线厂家或者产品调试中还会去测量天线的方向图，关于方向图的相关知识，我们可以以后再讨论。