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无线模块天线选配指南

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发表时间:2018-10-30 13:37作者:云海物联来源:云海物联智能家居


天线的发明


天线是由俄国科学家波波夫发明的。1894年,波波夫制成了一台无线电接收机。这台接收机的核心部分用的是改进了的金属屑检波器,波波夫采用电铃作终端显示,电铃的小锤可以把检波器里的金属屑震松。电铃用一个电磁继电器带动,当金属屑检波器检测到电磁波时,继电器接通电源,电铃就响起来。有一次,波波夫在实验中发现,接收机检测电波的距离突然比往常增大了许多。“这是怎么回事呢?”波波夫查来查去,一直找不出原因。一天,波波夫无意之中发现一根导线搭在金属屑检波器上。他把导线拿开,电铃便不响了;他把实验距离缩小到原来那么近,电铃又响了起来。波波夫喜出望外,连忙把导线接到金属屑检波器的一头,并把检波器的另一头接上。经过再次试验,结果表明使用天线后,信号传递距离剧增。


无线电天线由此而问世。


选内置天线还是外置天线?


通常来讲,依据天线所处位置的不同,天线的形式有内置和外置两大类。常见的内置天线有:Monopole 天线、PIFA 天线、贴片陶瓷天线、FPC 天线等:

常见的外置天线有:棒状天线、拉杆天线、螺旋天线、车载天线等:


哪些情况要选择外置天线?

1、 若产品的安装环境较恶劣,如产品周围金属物较多,信号易被遮挡,车载类产品、无线抄表类产品、无线公话类产品等,建议选择外置天线形式。 2、 若产品内部有较多的金属结构件,产品的结构不利于内置天线的实现,优先选择外置天线形式。 3、 若产品内部有较多的强干扰源或特别敏感的电路,如嵌入式应用处理器电路、存储器电路、高速数字信号处理电路、时钟振荡电路及开关电源电路等,应选择外置天线形式,且外置天线应远离强干扰源和敏感电路。


哪些情况选择内置天线?


若选择内置天线,具体天线形式可根据产品的结构、成本及对天线性能的要求来综合考虑。以下是内置天线对产品内部结构的基本要求: 天线周围应保持空旷,尽量避免大体积金属器件出现,如图: 天线区域对应的产品外壳部分不要使用金属喷涂; 天线放置位置应避开手持区域; 若产品安装在金属台面或墙壁上,在产品的天线区域应注意金属的避让; 天线安放位置应避开产品内部的强干扰源,且干扰源应做好屏蔽、滤波等电磁干扰抑制措施。

天线的无源性能


无源性能侧重从整机天线的方向图、增益、输入阻抗、效率、驻波比等天线的辐射参数进行考察。


方向图


天线方向图一般是一个三维空间的曲面图形。工程上常采用两个相互正交主平面上的剖 面图来描述天线的方向性,一般是水平面和垂直面作为主平面。实际 GSM/GPRS 天线属于准全向天线,但因受整机结构、周围环境、传导功率等条件 的制约,天线方向图基本呈三维不规则曲面。对于准全向天线来讲,天线在三维空间中的各 个方向均应有辐射,才能使得信号在各个方向上都有传播。下图给出准全向天线方向图的 对比。

 增益

增益是衡量天线收发信号能力大小的参数,是天线的重要指标之一。天线的增益指:在相同的输入功率下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益的单位为 dBi 和 dBd。dBi 是相对于点源天线(全向天线)的增益,在各方向的辐射是均匀的; dBd 是相对于对称阵子 (偶极子 )天线的增益。它们有如下换算关系:dBi=dBd+2.15,凌承芯提供的天线测试报告中的增益一般以 dBi 为单位。实际应用中,天线增益并非越大越好,它受到 FCC 认证测试中 MPE(Maximum PermissibleExposure)标准的限制及 SAR(Specific Absorption Rate)标准的限制。


输入阻抗
天线的输入阻抗定义为:天线输入端信号电压与信号电流之比。 输入阻抗具有电阻分量和电抗分量。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取,因此,在调试时,必须使电抗分量尽可能为零,使天线的输入阻抗为纯电阻。但事实上,即使是设计、调试得很好的天线,其输入阻抗中总还含有电抗分量值。天线输入阻抗与其结构、尺寸及工作波长有关。对于任一天线,总可通过调试天线匹配 电路控制阻抗,在要求的工作频率范围内,使输入阻抗的电抗分量很小,电阻分量接近 50 欧姆,从而使得天线的输入阻抗为 Zin = Rin = 50 欧,这是天线与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。

辐射效率


天线辐射效率通常定义为:天线的辐射功率与输入功率之比。它表示天线有效辐射电磁 波能量能力的大小。

一般要求天线的辐射效率达到 60%以上,但由于受结构等其他因素影响,天线辐射效 率会受到不同程度的降低。


驻波比与回波损耗在不匹配的情况下, 传输线上同时存在入射波和反射波。波腹电压与波节电压幅度之比 称为电压驻波比(VSWR)。入射波和反射波幅度之比称为回波损耗(RL),以 dB 表示。驻波 比与回波损耗的对照表如下:



驻波比
19
4
1.86
1.22
1.11
1.06
1.02
回波损耗(dB)
0.9
4.4
10
20
26
30
40


驻波比与回波损耗的对应表


一般要求驻波比小于 1.5。


无源性能判定


前文简要介绍了天线的几项重要无源性能,下表给出这几项性能的判定标准:


天线无源性能
目标推荐
方向图
准全向
增益
> -3dBi(Avg)
输入阻抗
50 ohm
效率
> 50%
驻波比
< 2



结语

无线通信模块的终端产品,其天线选配是一个非常重要的环节。通过本文的详细介绍,可以较全面的学习到天线的一些基本性能及其判定标准。本文对终端产品的天线选配提出了针对性意见,期望能够广大客户提供帮助与指导。