详细解释天线测试中的天线效率指标

本文在对相关书籍、网络资料学习的基础上，整理出射频系统中与天线效率指标相关的概念解释、测量流程、影响因素以及调优手段等方面的知识，辅助对实际产品中的天线效率指标的调试。

天线效率的定义

天线效率（Antenna Efficiency）的定义，是指天线将输入射频功率转换为有效辐射功率的能力，通常使用百分比来表示，表征的就是天线在工作的过程中，能够有效地将电能转化为电磁波能量并向外辐射的程度。

天线效率计算的数学表达式很简单：

其中：

• • 辐射功率就是天线实际辐射出去的电磁波功率。辐射功率一般使用天线的TRP（总辐射功率）指标，即天线在所有方向辐射的功率总和来表示。
• • 输入功率就是射频系统通过馈线馈入天线的输入功率。但是需要注意，这个输入功率需要扣除反射损耗后，实际进入天线结构的净有功功率（即馈点接收功率 – 反射功率）来进行计算。

因此上面的公式可以修改为：天线效率=TRP / (馈点接收功率-反射功率) * 100%。从这个公式上就可以看出来：

• • 一个高效率的天线，可以把大部分能量从天线辐射出去，或者接收进来。
• • 一个低效率的天线，则会把大量的能量损耗在天线内。
• • 一个低效率的天线，也有可能是因为阻抗不匹配导致大量的能量反射回去（反射功率过大）。

天线效率的损耗因素

既然天线效率是一个用于衡量天线进行电磁波辐射效率的百分比，那么一般情况下我们的手机射频天线的天线效率的指标是多少呢？实际上，手机内置天线效率通常为30%到60%之间（低频段下限约30%），这就意味着约40%到70%的输入功率未被有效辐射。这些未被有效辐射出去的功率主要包括以下几个方面：反射损耗，导体损耗，介质损耗。

反射损耗

如以上天线效率的计算公式，进行天线效率的计算时，会从馈点的输入功率减去反射功率，看起来反射功率的大小并不会影响天线效率的计算。但问题是，如果反射功率可以控制的更小，也就会有更多的功率从天线辐射出去。因此，如果反射功率过大，那么就会导致这样的结果：

阻抗失配 → 反射功率增大 → 净输入功率减少 → 辐射功率降低 → 总效率下降。

因此，在射频模块电路与天线的设计上，很重要的一点就是要做好阻抗匹配，这样才能把反射功率控制到相对比较低的程度，提升天线的总辐射效率。

导体损耗

天线效率影响因素中的导体损耗，其工作的物理机制在于，当电流流经金属导体时，会因为金属导体中存在的电阻而产生焦耳热，导致电流传导过程中产生损耗。这一点是很好理解的。而在天线工作的高频电流的情况下，电流在天线中的传导会存在趋肤效应，也就是说电流会被挤压到导体表面很薄的一层，这样的话实际上相当于流经天线导体的有效导电截面积明显减少，电阻随之显著增加，因此在高频电流传导的过程中所产生的焦耳热和传导损耗也就显著增加，降低了实际能够从天线辐射出去的功率。

高频电流下的趋肤效应如下图所示：

因此，对于导体损耗的优化，可以在以下方面入手。基本上都是从降低电阻的角度来考虑。

• • 天线导体应使用电导率更高的材料，电导率越高，电阻越小，传导功耗自然越小。
• • 降低天线表面的粗糙度。高频下当电流流经粗糙凸起部分，路径增长会导致电阻上升，因此降低表面粗糙度可以降低电阻。
• • 天线结构设计上尽量增大导体的截面积，截面积越大，电阻越小。当然要考虑结构尺寸和空间方面的限制因素。
• • 尽可能避免直角走线，因为直角拐角会导致电流路径突变并加剧损耗，而采用圆弧倒角或45°斜角可减少额外辐射损耗。

介质损耗

天线效率影响因素中的介质损耗，与射频产品的PCB基板以及塑料外壳等绝缘材料有关。在天线辐射的交变电场下，这些绝缘材料内部发生分子极化，这个分子极化的方向会滞后电场的变化，同时分子摩擦消耗能量也会转换为热能，表现出来就是在交变电场下PCB板和塑料外壳会有局部发热的现象。而且电磁波的频率越高，介质损耗的影响越显著。另外，损耗程度由材料的损耗角正切（tanδ）决定：tanδ越大 → 介质损耗越高 → 辐射效率越低。

对于以上问题，常用的优化策略就是选择在高频下低介质损耗（低 tanδ ）的材料。以下是不同材料在10GHz情况下的tanδ值及其适用的场景：

实际上，外置天线因为一般突出于设备外壳，减少了与绝缘材料的接触面积，从而能够大幅降低介质损耗。实验表明，相同条件下外置天线比内置天线辐射效率高15-30%。介质损耗更少就是外置天线效率比内置天线效率更高的原因之一（另外一个原因则是外置天线距离内部电路更远，相互产生的辐射和电磁干扰更少）。