一文了解天線的選擇和設(shè)計(jì)

天線技術(shù)是射頻技術(shù)里的重要一環(huán)，里面的技術(shù)鏈也是非常復(fù)雜的，天線的選擇和設(shè)計(jì)對于最終成品的通信有著很大的影響。無線模塊的通信距離是一項(xiàng)重要指標(biāo)，如何把有效通信距離最大化一直是大家疑惑的問題。今天我們就調(diào)試經(jīng)驗(yàn)及對天線的選擇與使用方法做了一些說明，希望對工程師快速調(diào)試通信距離有所幫助。

一、天線的種類

隨著技術(shù)的進(jìn)步，為了節(jié)省研發(fā)周期，不少廠商都推出各種各樣的成品天線。然而如果工程師選擇不當(dāng)，不僅起不到應(yīng)有的效果，反而會浪費(fèi)很多時(shí)間與成本在排查調(diào)試上，得不償失。下面將介紹常用的幾種天線并結(jié)合在工程中的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)給出設(shè)計(jì)建議，以供大家參考。

接下來為大家介紹常用的天線種類：

（1） 板載PCB式天線：采用PCB蝕刻而成，成本低，但是性能有限，可調(diào)性好，可大批量用于藍(lán)牙、WiFi無線通信模塊。

（2） SMT貼片式：常用的有陶瓷天線，占用面積少，集成度高，容易更換，適用于對空間要求小的產(chǎn)品，但是該類型天線價(jià)格稍貴且?guī)捚　?/p>

（3） 外置棒狀天線：性能好，無需調(diào)試，方便更換，增益高，適用于各種終端設(shè)備。

（4） FPC天線：通過饋線連接，安裝自由，增益高，通常可以使用背膠貼在機(jī)器非金屬外殼上，適用于性能要求高且外殼空間充足的產(chǎn)品上。

圖1 常見天線

天線的作用是將射頻信號輻射到自由空間，這時(shí)候選擇合適的天線對于傳輸距離就有很大的影響。天線對周圍環(huán)境很敏感，很多情況下會出現(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。

二、天線的選擇

影響無線模塊通信距離的首要參數(shù)是發(fā)射功率，無線模塊的發(fā)射功率以及對應(yīng)的理想傳輸距離在手冊上均能查到，在確定了發(fā)射功率滿足需求的前提下，然后考慮天線的選用和天線的方向性。

首先是天線的選用：

天線的主要指標(biāo)包含以下幾個(gè)：頻率范圍、駐波比SWR或VSWR、天線增益、極化方式和阻抗。頻率范圍按需選擇；駐波比最好小于1.5；天線增益對傳輸距離也有影響；極化方式分為線性極化和圓極化；阻抗需要與無線模塊的輸出阻抗匹配，一般為50歐姆。這里要特別注意駐波比參數(shù)，購買天線后最好用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試一下SWR。

駐波比與回波損耗、傳輸功率的對照表如表 1所示。

表 1 駐波比與回波損耗、傳輸功率對照表

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2所示是一個(gè)頻率范圍從2400MHz到2500MHz天線的方向圖。

圖 2 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質(zhì)量。另外，金屬平板對信號有屏蔽作用，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上給出的天線方向圖是用二維圖來表示的，分為H-Plane和E-Plane，如圖 3所示。

圖 3 天線的二維方向圖

在測試無線模塊相互通信時(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，會導(dǎo)致通信距離變短，甚至無法通信。

工程師在測試無線模塊通信時(shí)，經(jīng)常會遇到信號弱、通信距離沒有達(dá)到手冊中的說明或者丟包率高，在確定無線模塊本身沒問題的情況下，不妨先測試一下天線本身的性能，然后再按照天線信號輻射強(qiáng)的方向來測試，會得到更好的測試結(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)對匹配電路的影響。

圖4 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）來計(jì)算，并通過實(shí)際調(diào)試來完成微帶線的設(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)需要多打接地過孔。

圖5 微帶線

3、 金屬對天線的影響

如果天線附近有金屬材料的物體時(shí)，金屬能反射電磁波，不但會影響天線的實(shí)際使用空間，增加天線的損耗電阻，降低輻射效率，而且導(dǎo)致天線輻射性能的惡化。在安裝天線時(shí)，要注意：

a：天線距離電池至少要有5mm；

b：天線距離屏蔽殼至少要有4mm；

c：在需要安裝外殼的場合，不要在外殼表面使用具有金屬成分的噴漆或者鍍層。

審核編輯：湯梓紅