一、天線的類型

隨著技術(shù)的發(fā)展，為了節(jié)省開發(fā)周期，許多廠家都推出了多種成品天線。然而，如果工程師選擇錯(cuò)誤的方式，它將不會(huì)有適當(dāng)?shù)男Ч珜⒗速M(fèi)大量的時(shí)間和成本的故障排除。本文介紹了幾種常用天線，并結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給出了一些設(shè)計(jì)建議。

接下來(lái)，我將介紹常用的天線類型：

（1）電路板PCB天線：PCB蝕刻，成本低，性能有限，調(diào)諧良好，可用于藍(lán)牙和WiFi無(wú)線通信模塊的質(zhì)量。

（2）SMT貼片式：常用陶瓷天線占地面積小，集成度高，易于更換。它適用于空間要求很小的產(chǎn)品，但這種天線成本更高，帶寬也較低。

（3）外棒天線：性能好，不調(diào)試，易更換，增益高，適用于各種終端設(shè)備。

（4）FPC天線：與饋線連接，自由安裝，高增益，通常可以用背面膠附著在機(jī)器的非金屬外殼上。適用于性能要求高、占地面積大的產(chǎn)品。

圖1 常見(jiàn)天線

天線的作用是將射頻信號(hào)輻射到自由空間，這時(shí)候選擇合適的天線對(duì)于傳輸距離就有很大的影響。天線對(duì)周圍環(huán)境很敏感，很多情況下會(huì)出現(xiàn)即使選擇了合適的天線，也達(dá)不到預(yù)期的效果。由于有些客戶對(duì)天線設(shè)計(jì)需要考慮的因素不清楚，這里我們給出在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的一些經(jīng)驗(yàn)，便于客戶更好地設(shè)計(jì)出自己的電路與PCB，增加項(xiàng)目的成功機(jī)會(huì)。

二、天線選擇

影響無(wú)線模塊通信距離的主要參數(shù)是傳輸功率。在手冊(cè)上可以找到無(wú)線模塊的傳輸功率和相應(yīng)的理想傳輸距離。在確定滿足要求的傳輸功率的前提下，考慮天線的選擇和天線的方向。

首先，天線的選擇:

天線的主要規(guī)格包括:頻率范圍，駐波比SWR或VSWR，天線增益，極化模式和阻抗。頻率范圍根據(jù)需要選擇;波比最好的不到1.5;天線增益對(duì)傳輸距離有影響;極化模式分為線性極化和圓極化;阻抗需要匹配無(wú)線模塊的輸出阻抗，通常為50歐姆。我們應(yīng)該特別注意Bobbi參數(shù)。在購(gòu)買天線后，我們應(yīng)該使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)試SWR。

駐波比與回波損耗、傳輸功率的對(duì)照表如表 1所示。

表 1 駐波比與回波損耗、傳輸功率對(duì)照表

由上表可知，VSWR=1.5時(shí)，理論傳輸功率為96%，當(dāng)VSWR=2時(shí)，傳輸功率只有88.9%，有的天線駐波比指標(biāo)是小于2，選用天線的時(shí)候最好是駐波比小于1.5，可以得到較高的傳輸功率。

其次是天線的方向性：

天線都有方向性，指的是天線對(duì)空間不同方向具有不同的輻射或接收能力。衡量天線方向性通常使用方向圖，圖 1所示是一個(gè)頻率范圍從2400MHz到2500MHz天線的方向圖。

圖 1天線的三維方向圖

天線豎直放置時(shí)，紅色最深的方向是天線輻射或接收能力最強(qiáng)的方向，所以在安裝天線的時(shí)候，要盡可能往紅色指向的方向去安裝天線，這樣才能保證足夠好的信號(hào)質(zhì)量。另外，金屬平板對(duì)信號(hào)有屏蔽作用，所以發(fā)射，接收的方向上不要有金屬平面。

也有一些天線的手冊(cè)上給出的天線方向圖是用二維圖來(lái)表示的，分為H-Plane和E-Plane，如圖 2所示。

圖 2 天線的二維方向圖

在測(cè)試無(wú)線模塊相互通信時(shí)，天線的方向性必須要考慮，在通信空間沒(méi)有遮擋且天線的方向?qū)?yīng)最強(qiáng)輻射方向時(shí)，通信的距離可以達(dá)到最大。如果天線安裝的不合適，會(huì)導(dǎo)致通信距離變短，甚至無(wú)法通信。

工程師在測(cè)試無(wú)線模塊通信時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到信號(hào)弱、通信距離沒(méi)有達(dá)到手冊(cè)中的說(shuō)明或者丟包率高，在確定無(wú)線模塊本身沒(méi)問(wèn)題的情況下，不妨先測(cè)試一下天線本身的性能，然后再按照天線信號(hào)輻射強(qiáng)的方向來(lái)測(cè)試，會(huì)得到更好的測(cè)試結(jié)果。

三、天線部分電路

1、 匹配電路設(shè)計(jì)

在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，需要在天線與模塊射頻輸出管腳預(yù)留一個(gè)π型網(wǎng)絡(luò)。天線的阻抗受PCB的鋪地、天線的安裝以及周圍的金屬等因素影響，預(yù)留這個(gè)網(wǎng)絡(luò)是為了在天線嚴(yán)重偏離50歐姆阻抗時(shí)，將其匹配至50歐姆。

X1，X2，X3都是電抗元件，如果天線是標(biāo)準(zhǔn)的50歐姆阻抗，那么X2，X3可以不焊接，X1接220PF電容或者0歐姆電阻。在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，這三個(gè)器件已經(jīng)盡量靠近模塊的射頻輸出腳，并且連接的傳輸線短且直。匹配元件的周圍1.5mm區(qū)域內(nèi)不要鋪地，以減少寄生參數(shù)對(duì)匹配電路的影響。

圖2 匹配電路

2、 微帶線設(shè)計(jì)

在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，由于大部分的天線與模塊的輸出阻抗是50歐姆，為了盡量減少在傳輸過(guò)程中能量的反射，射頻輸出管腳到天線之間的PCB引線應(yīng)為50歐姆的微帶線。常用的板材為FR4（介電常數(shù)4.2-4.6），根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)線寬約為微帶線距離參考層距離的2.2倍時(shí)，微帶線的特征阻抗約為50歐姆。具體設(shè)計(jì)時(shí),建議使用微帶線阻抗控制工具（ADS、txline等）來(lái)計(jì)算,并通過(guò)實(shí)際調(diào)試來(lái)完成微帶線的設(shè)計(jì)。如下圖所示，微帶線下面的鋪地層必須是完整的地，在微帶線兩側(cè)需要多打接地過(guò)孔。

圖3 微帶線

3、金屬對(duì)天線的影響

如果天線附近有金屬材料，金屬可以反射電磁波，這不僅會(huì)影響天線的實(shí)際使用空間，增加天線的損耗電阻，降低輻射效率，而且會(huì)導(dǎo)致天線輻射的惡化。奧秘。安裝天線時(shí)，注意：

A:天線應(yīng)該至少離電池5mm；

B：天線應(yīng)該至少離屏蔽體4mm。

C：在外殼需要安裝的外殼外表面不要使用噴涂或涂覆金屬部件。