最大化 LoRa 长距离，秘籍3：天线匹配

摘要：

介绍了天线的基础知识，基于 LoRaWAN 网关的天线进行匹配设计，详细测试了该天线的性能，并分析测试结果。

Truthful lips endure forever 口吐真言，永远坚立。－－《旧·箴》12：19

引言

正如《最大化 LoRa 长距离，您应该知道的完整秘籍》，匹配优质的天线可有效延长通信距离。https://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/86012877

为此，我们针对 LoRaWAN 网关天线进行匹配设计和详细测试。

常识

关于天线最大的一个误解是认为 2 根天线之间的电磁波是点对点直射（类似步枪射击），这是不正确的。

如下图所示，全向天线的电磁波是向四周辐射（类似石子扔在湖面形成的波纹），这是为什么天线要尽可能架设在空旷的位置，否则周围的障碍物会影响天线的辐射信号。

1 天线基础知识

1.1 工作原理

在无线电设备中，天线就是用来辐射和接收无线电波的装置。

天线就是一个“转换器”—把传输线上传播的导行波，变换成在自由空间中传播的电磁波，或者进行相反的变换。

1.2 方向性

上面叫做天线方向图。因为空间是三维立体的，所以这种从上往下的俯视（水平面），以及从前往后的正视（垂直面），会更加清晰直观地观察到天线辐射强度的分布。

全向天线，它是向周围 3600 发散的，这种天线，放在荒郊野外，是极好的。

定向天线，它对指定范围进行信号覆盖，一般用于城市小区电信覆盖。

1.3 增益

辐射距离是天线很重要的特性，提高该特性的办法是增加振子。如上图所示，振子越多，轮胎越扁，最后拍成了饼，信号距离就远了。

是不是天线增益越高就越好呢？如上图所示，增益越大，死角越多。因此，如果要适配不同的场景，可能需要不同增益的天线。

1.4 驻波比

驻波比全称为电压驻波比，又名 VSWR 和 SWR，它表示天馈线与基站匹配程度的指标。它越接近于１，说明天线匹配也就越好。

如果 SWR 等于1，则表示发射传输给天线的电波没有任何反射，全部发射出去，这是最理想的情况。

如果 SWR 大于1，则表示有一部分电波被反射回来，最终变成热量，做了无用功。

1.5 效率

天线效率是指天线辐射出去的功率（即有效地转换电磁波部分的功率）和输入到天线的有功功率之比。它是恒小于1的数值，该值越大，说明天线的效率越高。

1.6 测试

天线的测试是一项复杂的工作，一般需要专业的工具和环境，如：3D 暗室，网络分析仪等。

了解天线更多知识，请参考：《天线基本知识讲座》http://www.rimelink.com/nd.jsp?id=53#_np=107_316

2 匹配实例

如上所述，正因为天线的匹配是一项复杂的工作，这一般是交给专业的天线公司来完成。

如上图所示的 LoRaWAN 室外网关，该 490MHz 全向玻璃钢天线交由专业天线公司匹配，相比“非匹配”天线：发射性能提高 3dB，接收性能提高 13dB。

3 测试结果

一款天线设计后，会有一系列的测试工作，用来检验天线质量。仍以上述 LoRaWAN 网关天线为例，它的测试数据如下。

3.1 测试概况

客户：锐米

测试时间：2018-08-02

测试地点：博安通实验室

测试设备：3D暗室、Agilent8753ES网络分析仪

测试样品：470-510MHz玻璃钢天线，600mm长，N-J头。

3.2 测试系统

法国 Satimo 是全世界最领先的天线 OTA 认证测试系统。

3.3无源测试

电性能测试：驻波比，被测 1# 天线数据如上图：从 470~510MHz，小于 1.5（反射率 4%，96%的能量都发射出去了）。

3.4 电性能测试参数表

Freq	Efficiency_%	Gain
470MHZ	71.1	1.5
472MHZ	72.2	1.5
474 MHZ	73.8	1.6
476 MHZ	75.1	1.7
478 MHZ	74.9	1.7
480 MHZ	75.3	1.7
482 MHZ	75.8	1.7
484 MHZ	75.7	1.7
486 MHZ	75.3	1.7
488 MHZ	76.5	1.8
490 MHZ	76.8	1.8
492 MHZ	76.3	1.8
494 MHZ	74.6	1.7
496 MHZ	74.0	1.6
498 MHZ	73.1	1.6
500 MHZ	72.5	1.6
502 MHZ	71.7	1.5
504 MHZ	71.7	1.5
506 MHZ	70.6	1.5
508 MHZ	70.1	1.4
510 MHZ	69.4	1.4

从上表可知，天线在 490MHz 电性能最佳。这是符合 LoRaWAN 中国区的频段，470~510MHz 的中心频点为 490MHz。

3.5 方向图

从上往下的俯视图（沿 Z 轴观视）。

从前往后的正视图（沿 Y 轴观视）。