無(wú)線模塊性能優(yōu)化

在無(wú)線通訊模塊的實(shí)際應(yīng)用中，常常因?yàn)轶w積限制而不得不使用板載形式的天線。如果天線沒(méi)有處理好，會(huì)大幅影響通訊效果。本文將為大家詳細(xì)講解如何通過(guò)細(xì)節(jié)的優(yōu)化，發(fā)揮出無(wú)線模塊的最佳性能。

1、背景

無(wú)線模塊的傳輸距離，除了模塊本身的性能之外很大程度取決于天線的使用。常用的天線有PCB天線、彈簧天線、陶瓷天線、棒狀天線和吸盤(pán)天線等。不同的天線性能有差異，但是一樣的天線不同的使用方式通信距離也會(huì)差幾倍甚至幾十倍。后面討論影響的PCB天線性能的VSWR和輻射增益。

1.1天線基礎(chǔ)

天線的基本定義：沿傳輸線的均勻段，兩線間距遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，能量以平面電磁波的模式導(dǎo)行，只有很少的損失（很少的輻射）；沿傳輸線的漸變張開(kāi)段，兩線間距達(dá)到或超過(guò)波長(zhǎng)的量級(jí)，波將向自由空間輻射而表現(xiàn)為天線的性質(zhì)。

前段解釋為白話：也就是如圖1.1傳輸線與參考地這兩根線張開(kāi)了，這兩根線就是天線；靠得近了兩根線的電磁場(chǎng)相互抵消變成傳輸線如圖1.2所示。文章討論的是如何讓傳輸線上的功率更有效率的傳輸。

圖1.1 半波偶極子

圖1.2 傳輸線

2、PCB天線從模塊到應(yīng)用

2.1帶PCB天線模塊

一般情況下對(duì)傳輸距離要求不高，但是對(duì)模塊體積要求較高時(shí)。2.4GHz 頻段常選用PCB天線。對(duì)于通信距離要求較高的則需要選用增益和效率較高的棒狀天線和吸盤(pán)天線等。

供應(yīng)商提供帶PCB天線模塊一般都是按照模塊的地仿真調(diào)試的，如圖2.1~圖2.3輻射增益最大2.75dBi，2.4GHz頻段的駐波比（VSWR）都小于2。

圖2.1 模塊倒F天線仿真圖

圖2.2 模塊倒F天線方向圖

圖2.3 模塊倒F天線VSWR圖

2.2天線下方鋪地

PCB天線只是天線偶極子的一端，并將板子的地作為天線的另外一端。在實(shí)際使用過(guò)程中需注意板子的地應(yīng)與天線保持距離，避免天線的諧振改變而導(dǎo)致輻射效率降低。

在天線下方鋪地仿真如圖2.4~圖2.7，天線的阻抗遠(yuǎn)離50Ω、輻射圖增益只有-3 dBi。輻射增益比原來(lái)的小了將近6dB，并且駐波比也都遠(yuǎn)大于2。顯然天線下方鋪地會(huì)嚴(yán)重影響天線的輻射效率。

圖2.4 天線下方鋪地仿真圖

圖2.5 天線下方鋪地方向圖

圖2.6 天線下方鋪地Smith圖

圖2.7 天線下方鋪地VSWR圖

2.3天線下有介質(zhì)

天線下方不鋪地，但是介質(zhì)不挖空，相對(duì)天線是下方介質(zhì)厚度增加。而介電常數(shù)和介質(zhì)厚度影響著傳輸波長(zhǎng)，從而是導(dǎo)致天線頻點(diǎn)偏移和輻射效率降低，如圖2.8~圖2.10所示。

圖2.8 天線下有介質(zhì)仿真圖

圖2.9 天線下有介質(zhì)方向圖

圖2.10 天線下有介質(zhì)VSWR圖

2.4天線附近凈空

天線下方地與介質(zhì)都挖空，仿真結(jié)果幾乎與模塊仿真一致。如圖2.11~圖2.13所示，天線增益2.4dBi與原來(lái)之相差0.35dB，2.4GHz頻段的駐波比也全部在2以下。在實(shí)際使用過(guò)程中，只需通過(guò)阻抗匹配微調(diào)天線頻點(diǎn)，甚至在帶寬較寬的情況下不需要重新調(diào)整匹配。

圖2.11 天線附近凈空仿真圖

圖2.12 天線附近凈空仿真圖

圖2.13 天線附近凈空VSWR圖

3、結(jié)論

天線在使用過(guò)程中應(yīng)避免天線附近有其他物體避免影響天線的諧振點(diǎn)，導(dǎo)致輻射效率降低。特別注意天線旁邊不能有地（包括電池），否則會(huì)大大降低天線的性能。

彈簧天線與PCB天線類(lèi)似，將板子的地作為天線的另外一端。在比較靠近彈簧天線地方也不建議其他材質(zhì)和鋪地。彈簧天線與地之間比較理想的物理位置如圖1.1所示，一邊是地一邊是天線，二者的延伸方向相反。