鞭状天线驻波/谐振点测试的学问

便携天线分析仪在近几年迅速普及，的确带来了极大便利。但是在测试方法方面人们重视得不多，在判断一个天线“优劣”的时候，常常把天线往天分上一拧，就草率地得出结论。仔细一些的测试者可能会采用不同的仪器相互比较，他们时常惊讶的发现测试结果相差悬殊，然后以体积大、价格贵的为准，这当然是有道理的，因为体积大的往往真的要准一些。本文就来探讨这些话题。

1、绝大多数鞭状天线是非平衡天线，天线分析仪的外壳将成为天线的一部分。

常见的手台天线和车载吸盘天线都只有“天线”，却没有地线。随便拆解一个就会发现，连接器的芯针接了天线的振子，而外壳什么也没接。这就好比一个电灯泡，只接正极而不接负极，是不能发挥作用的。那么它以什么为“地”呢？

对于对讲机天线来说，对讲机的外壳就相当于天线的地。更准确的说法是人手握对讲机时与对讲机的外壳形成了一个整体，天线是在对讲机和人形成的体系中工作的。对于车载吸盘天线，吸盘的底座和车的顶棚构成了一个整体，吸盘天线必须在这样的整体环境中才能正常工作。在设计天线时，应该在额定的工作条件下进行优化，在使用时也应当遵守设计条件，如果偏离了这些工作条件，天线的性能就会发生偏差。

反过来看，一个好的天线应该按照它工作时常见的环境状态进行设计，而不是按照某个理想条件进行设计。一个路由器天线，必须按照它装在路由器上，同时路由器放在水泥地板上这样的常见条件进行设计，并且还要考虑它靠着墙壁，放在冰箱上面，挂在桌子底下的性能不能偏离太远。一方面要天线的辐射效果尽量好，另一方面又要对周围环境不太敏感——但两者经常是矛盾的。好的天线设计必须在诸多相互制约的因素之间找到最佳平衡点，而不是在仿真软件中用理想吸收边界仿一仿就收工。理解了这一点，就不难理解为什么过去某国际大厂的对讲机，同样的功率、灵敏度指标，却比那时候的国产品牌通得远、效果好。

了解了上面的道理，就知道为什么不同的天分测量同一支天线会有迥异的结果。各种天分的外壳大小形状不同，“地”当然也不一样，显然难以得到相同的结果。体积较大的仪器，比如台式矢网，它的“地”更“理想”，因而时常显得靠谱一些。

为了直观的加以说明，我们用手持矢网与台式矢网进行对比，道具是一根钻石牌鞭状天线（路上捡的，原品仿品不知），测试回波损耗（或驻波）。

把天线随意的平放在桌子上，可以看到它的“谐振”点在401MHz。

把天线和仪器垂直摆放在桌子上，“谐振”点跑到了430.6MHz。

用手捏住天线的外壳，和天线分析仪构成一个“整体”，“谐振”点跑到了427MHz。

同样的姿势，在台式矢网上得到了不同的结果。

“谐振”点变成了425MHz（光标1）。

用一个弯头把天线竖起来，立即得到一个奇怪的曲线。这是天线振子过于靠近仪器导致的，恰好真实使用时也如此这般靠近人体面部，曲线恰恰说明这根天线有一定的讲究。

这些测试说明，使用不同的仪器测量同一个天线，的确会得到完全不同的结果。

可能有人会指出仪器都没有进行校准。实际上校准与否，都不会影响对驻波最小频率的测量，如果只看频率的话校准是无关紧要的。

2、驻波最小点并不一定是谐振点

上面但凡提到谐振，都加了引号，因为那些驻波最小的频率，并不一定是天线的谐振频率，说它“谐振”只是为了嘲讽这种普遍的错误说法。对于天线来说，谐振定义为馈电点的容抗与感抗抵消，表现为纯阻性。而这个“阻”到底是多少欧姆，则取决于天线的形式和工作环境。例如半波偶极子的谐振电阻大约为70Ω，它不等于50欧。在连接到50欧的电台或者分析仪时，它的驻波很大，并不等于1。当然，设计天线时常常希望在常用的频率谐振并使谐振阻抗接近50Ω，如果不行，再通过阻抗匹配的方法变换到50欧，以便提高性能。但是这样做通常是很困难的，特别是小鞭状天线。

换句话说，驻波最小点只是天线匹配最好的点，应该称为匹配点，不一定是谐振点。欲知谐振点，需要把仪器校准至馈电点，然后查找电抗为零的频率。

3、驻波最小点并不一定是“效果”最好的点

天线的“效果”受很多因素制约，除了上面提到的驻波大小之外，更重要的是天线的方向性，驻波最小的点不见得是方向性最好的点。而方向性本来就包括两层意思，第一是辐射的大小（增益），第二是辐射的方向，或者说主瓣方向。驻波最小的频率，不一定增益最高。增益最高的频率，天线的主瓣方向可能并未对准通信对象。

鞭状天线通常用于移动设备，他的使用特点就是通信对象不固定，摆放位置随时可能变动。在这种条件下，天线的增益如果太大，稍微“手抖”，信号强度就会打摆子，并没有多大的实际意义。因此，手持设备的天线往往只需要较低的增益，并且期望它在驻波最小时，辐射的方向尽量满足常见使用姿势的需要，而不是某种古怪的方向，比如对着天空发射。做好这一点也有一些难度，往往通信“效果”最好的频率，并不是驻波最小的频率。对于基站天线，发射的仰角至关重要。常见的共轴全向天线，由于总是安装在高塔顶部，因此希望它有水平方向或者稍微下倾1~2°的环形全向辐射。满足这个条件时，使用频率通常比它的谐振频率略低一些，换句话说，设计天线时应当稍微上提频率，并把使用频率的阻抗匹配好。若是忽视天线的方向性，而单纯追求驻波最小，可能空间站的宇航员都收到了，而你的通信对象却没收到。

4、不论比较天线，还是比较仪器，都应使用相同且稳定的测试条件，仪器的形状是测试条件的一部分

上面的演示中，不同仪器测量同一个天线，产生了截然不同的结果，当然可以怀疑其中一台或者两台都不准。但是做这样的比较前，首先应当统一测试条件，比如仪器的外壳。仪器的外壳当然不易改造，但是可以用变通的方法来加以统一，比如使用足够大的接地平板来充当地平面。

下图就是一种改造方法，在金属板的中央安装连接器，用同轴电缆把仪器的端口延伸至金属板中央。

这是台式仪器测得的回波损耗

这是手持仪器测量同一根天线得到的回波损耗

可以看出，两条曲线是非常接近的，特别是“谐振”频率非常一致。稍有区别的原因，仅仅是因为拍照的手（这也是测试条件，不然要暗室干什么）在不同位置对天线的影响不同。

早前拍的这个视频，反映出天线对手的位置十分敏感。

20210107_232809.mp4  点击下载 ‎

5、测试天线，应尽量让天线回归使用时的状态

测试手台天线时，应当找到与这种天线匹配的手台的壳子，留下天线插座，用同轴电缆替代其电路板，把天线插座通过电缆延伸到仪器上。为了减少电缆的干扰，可以让电缆在壳子内部盘几圈或者穿过磁环。对于体积稍大的设备，可以把天线分析仪装在壳子内部。测试时，让志愿者，或者有条件的话，使用电磁辐射人体模型按照通常的使用姿势握持手台。这样测得的天线性能，包括但不限于驻波、方向图等，更能代表真实的使用场景。当然如果有方便的等效测试和仿真手段也可以使用。总之，若把天线直接接在仪器端口上，由于仪器与实际使用条件差别很大，测到的参数只有参考意义。回归真实使用场景，并把真实使用场景下的性能优化到最佳，天线才会有最好的效果。从这个角度来看，一种类型的手台就得专门设计一种天线，这也是为什么一些优秀厂商的对讲机，每个系列的天线都不一样的原因之一。驻波合格只是天线的及格线，真正目地是在使用环境中达到最佳效果，要不忘初心。