天線的特性及選擇是要考慮哪些因素

選擇天線可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，需要考慮幾個(gè)參數(shù)。必須檢查幾種物理，電氣和經(jīng)濟(jì)選項(xiàng)，以找到適合特定應(yīng)用的完美天線。雖然這不是“一刀切”的主題，但對(duì)于RF工程師來說，這可能是最基本的，但希望這將有助于闡明選擇天線時(shí)需要考慮的許多因素。

所需頻率范圍

天線設(shè)計(jì)的一個(gè)非常方便的部分是，一旦您了解了您的應(yīng)用，您就會(huì)知道您將使用哪個(gè)頻段。目前使用的許多常見頻率是902 - 928 MHz頻段，用于業(yè)余無線電，1575.42 -1610 MHz用于GPS，2.4 GHz和5.8 GHz用于Wi-Fi。這絕不包括所有無線應(yīng)用，但它描繪了一些主要的無線應(yīng)用。

您將使用的頻率將在應(yīng)用程序要求的天線大小中發(fā)揮作用。回想一下，理想的天線將是波長的一部分，通常是帶有地平面的?λ或?λ。地平面有助于減少天線所需的尺寸。雖然我們最終希望看到?λ，但我們可以通過添加天線輻射的地平面來解決這個(gè)問題。這可以像PCB上的金屬層一樣簡單，最終構(gòu)成另一個(gè)?λ。

由于較高頻率的波長較小，因此可以使用更小的天線。對(duì)于工作在空間非常有限的嵌入式設(shè)計(jì)的工程師來說，這是一件非常好的事情。一個(gè)例子是Johanson Technology Inc.的2450AT43B100E。該天線尺寸為7 mm x 2 mm，可以處理WLAN，家庭RF，藍(lán)牙和802.11 b/g應(yīng)用。

使用公式計(jì)算波長（見公式1），我們可以看到波長的大小如何與天線的大小相對(duì)應(yīng)。光速為299,792,458米/秒，2.4 GHz信號(hào)每秒24億次。為了找到波長，我們需要將光速除以頻率，得到0.125米或12.5厘米。

理想情況下，我們會(huì)尋找?λ或?λ的長度我們的天線和7毫米只是略微超過一半，讓我們知道我們想要的位置。 2450AT43B100E數(shù)據(jù)表解釋了為什么這對(duì)于2.4 GHz應(yīng)用來說是一個(gè)很好的天線，但不是特別適合另一個(gè)頻率。下面通過查看按頻率繪制回波損耗圖表來說明這一點(diǎn)：

圖1：2450AT43B100E芯片天線的典型頻率性能。 （圖片由Johanson Technology提供）

正如您所看到的，該天線的中心頻率在2.47 GHz處顯示約-23.976分貝的回波損耗，在2.58 GHz處為-10.246分貝，在-10.851處為-10.151分貝。 2.38 GHz。這是一款經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的天線，非常適合嵌入式設(shè)計(jì)。由于回波損耗等于未從天線輻射的信號(hào)量，而是發(fā)送回發(fā)生器或放大器，回波損耗越低越好。

Johanson已經(jīng)創(chuàng)建了芯片天線選擇在選擇合適的產(chǎn)品時(shí)非常有用的指南。如果我們用不同的應(yīng)用檢查相同的頻率，那么合適的天線可能看起來很不一樣。這種天線是否更注重節(jié)省成本或質(zhì)量？對(duì)于你的底線，一個(gè)不一定比另一個(gè)好。想象一下，在當(dāng)今世界，有多少傳感器被無線使用。許多使用天線的應(yīng)用程序不需要最復(fù)雜的設(shè)備來完成工作。您用于藍(lán)牙的天線并不像您當(dāng)?shù)貦C(jī)場空中交通管制大樓頂部的天線那么重要。這是提及繞過尺寸限制的另一種方式的好時(shí)機(jī)。地平面有助于減少天線所需的尺寸。雖然我們最終希望看到?λ，但我們可以通過添加天線輻射的地平面來解決這個(gè)問題。這可以像PCB上的金屬層一樣簡單。

想象一下，您已經(jīng)簽約為一輛出租車公司或市政公交車服務(wù)找到一個(gè)天線，這些天線需要車輛具備GPS功能，以便他們能夠跟蹤他們的車隊(duì)。這提出了先前設(shè)計(jì)沒有的挑戰(zhàn)。以前我們受到尺寸限制的挑戰(zhàn)，現(xiàn)在我們不受空間限制，但受到環(huán)境和噪音的挑戰(zhàn)。我們將尋找一種面板安裝天線，以便它可以連接到車輛上，并且由于它將在外面，它必須至少具有IP67等級(jí)。 Taoglas有限公司的MA650.ST.AB.003.DZ是天線的一個(gè)例子，可以提供這種級(jí)別的保護(hù)，同時(shí)滿足蜂窩和基于位置的服務(wù)的頻段。該天線有幾個(gè)中心頻率，1575.4 MHz頻段用于GPS，1602 MHz頻段用于GLONASS（俄語版GPS）。它具有IP69K，這意味著它能夠抵抗灰塵和高溫，高壓清洗。這對(duì)于可能經(jīng)過洗車的車輛非常有用。用這種天線強(qiáng)調(diào)的另一點(diǎn)是它需要功率，因?yàn)樗哂蠰NA（低噪聲放大器）。雖然這種天線本身具有3 dB的增益，但LNA具有額外的增益;這將取決于天線看到的電壓。該裝置可以使用1.8 V - 5.0 V的直流電源供電。

天線特性

GPS-GLONASS中心頻率GPS：1575.42±3 MHz
Glonass：1602±0.5 MHz增益3±1 dBic典型值。 VSWR 1.5：1最大阻抗50Ω電纜0.3 m RG174標(biāo)準(zhǔn)，完全可定制

LNA特性

LNA電氣特性中心頻率GPS：1575.42±3 MHz
Glonass：1602±0.5 MHz阻抗50歐姆VSWR < 1.5：1回波損耗10 dB min。最小增益為32 dB。在5.0 V時(shí)最小值為28 dB。在3.3 V時(shí)最小值為21 dB。 1.8 V DC電源輸入1.8 V~5.0 V噪聲系數(shù)3.3 V 1.6 dB功耗3.3 mA時(shí)10 mA

與電子產(chǎn)品中的任何東西一樣，這一切都?xì)w結(jié)為應(yīng)用程序的要求。有時(shí)，定制天線是最佳解決方案。 Taoglas提供的服務(wù)可能對(duì)那些希望使用移動(dòng)應(yīng)用程序的人有所幫助。蜂窩設(shè)計(jì)通常是更高的體積，此時(shí)定制設(shè)計(jì)可能最終降低總體成本。這使您可以與專門研究天線的其他工程師一起解決物理限制并滿足嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)要求。不同的移動(dòng)運(yùn)營商將有不同的批準(zhǔn)。 Verizon和AT＆amp; T將獲得不同的批準(zhǔn)，并且仍然需要遵循許多FCC法規(guī)。定制解決方案可能會(huì)帶來很高的最小訂購量，但對(duì)于負(fù)責(zé)大批量生產(chǎn)的工程師來說，它最終可能是最實(shí)用的解決方案。

阻抗

由于天線是整個(gè)電路中的一個(gè)組件，我們需要考慮它將如何與設(shè)計(jì)的其余部分相互作用。天線意味著將電磁波輻射到自由空間，為了有效地做到這一點(diǎn)，我們需要最大的功率傳輸。這意味著我們希望天線上的終端具有與傳輸線相同的阻抗。雖然這在RF領(lǐng)域尚未成熟，而今天大多數(shù)天線都需要50Ω端接，但有一些見解可能有助于為您的天線選擇最佳連接器。如果您正在處理需要在其上安裝實(shí)際同軸連接器的天線，一旦您知道阻抗要求，您仍然會(huì)有大量可能可用的連接器。如果可能的話，選擇更流行的連接器樣式可能是謹(jǐn)慎的。許多對(duì)講機(jī)將使用SMA或RP-SMA連接器，許多移動(dòng)設(shè)備將使用UHF連接器，許多Wi-Fi模塊將使用U.FL連接器。

如果您需要有另一個(gè)考慮點(diǎn)連接到天線的電纜長度是指電纜需要多長時(shí)間。由于RF傳輸線每隔?λ改變其阻抗，因此少量電纜會(huì)對(duì)天線的性能產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。檢查Taoglas Limited的MA140.A.LB.001，數(shù)據(jù)表顯示了不同電纜長度的選項(xiàng)（圖3）。

圖3：Taoglas MA140.A.LB.001天線的自由空間回波損耗。 （圖片由Taoglas Limited提供）

這些圖表顯示了30厘米，1米，2米，3米和5米電纜長度的相同天線及其各自的回波損耗。 可以看出，30厘米的天線將具有最低的回波損耗。這并不意味著更長的更好，而是對(duì)于給定的頻率，這個(gè)天線應(yīng)該處理，額外的長度使我們更接近史密斯圓圖的純電阻部分。我們最終希望從傳輸線中盡可能多地去除電容和電感，并且準(zhǔn)確的線路長度會(huì)極大地影響這一點(diǎn)。

增益和方向性

雖然天線是無源器件，他們?nèi)匀挥惺斋@。該術(shù)語的使用方式與使用運(yùn)算放大器或任何類型的有源器件的方式不同，相反，這是與天線方向性相對(duì)應(yīng)的比率。 “對(duì)應(yīng)于方向性因子，增益G是在主輻射方向上獲得的輻射強(qiáng)度Fmax與輻射強(qiáng)度Fio之比，其將由具有相同輸入功率Pin的無損耗各向同性輻射器產(chǎn)生?！?，這是以dBi為單位測量的。 （摘自Antenna Basics白皮書 - 羅德和施瓦茨）。還有其他幾種測量天線增益的方法，dBi是主要類別之一，這也可以用dB表示，在這種情況下，10 dB將是相對(duì)于各向同性天線的10倍能量。另一個(gè)例子是dBd，它與偶極天線有關(guān)。各向同性天線在所有方向上均勻地輻射功率。雖然這是理想的天線，但它并不存在;它被用作參考，通過比較來測量其他天線的增益。一些天線比其他天線具有更多增益的原因是因?yàn)樗鼈兪嵌ㄏ虻牟⑶以诮o定方向上具有比各向同性天線更多的功率。具有非常定向輻射圖案的天線的一個(gè)很好的例子是碟形天線。雖然增益很高且范圍很長，但只有當(dāng)天線指向它試圖與之通信的內(nèi)容時(shí)，這才會(huì)起作用。

那么，高增益是一件好事嗎？誠實(shí)的答案取決于應(yīng)用程序。如果你使用定向天線，那么是的，它是。在設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)，天線放置可能是成功的關(guān)鍵，特別是如果您使用像碟子一樣的定向天線。如果您使用的設(shè)備類似于移動(dòng)電話需要在不同方向搜索多個(gè)蜂窩電話塔，那么獲得更高的增益可能并不重要，因?yàn)槟粫?huì)永久地將天線指向任何地方。產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中的增益規(guī)格僅顯示天線的功能。最終將是電路的設(shè)計(jì)，它將決定現(xiàn)實(shí)世界中的增益。

帶寬

天線領(lǐng)域有幾種不同的頻率范圍配置。如果您正在尋找蜂窩覆蓋，您將需要寬帶寬。許多天線雖然具有較寬的總帶寬，但其中心頻帶較小。這對(duì)于需要多頻段解決方案的工程師來說非常方便。 Taoglas有限公司的FXUB70.A.07.C.001具有698 MHz至3 GHz的范圍，并有六個(gè)設(shè)計(jì)用于工作的頻段。對(duì)于任何給定的頻率，這可能不是最好的天線，但它在經(jīng)濟(jì)和美觀的包裝中提供了廣泛的可用頻率。當(dāng)一個(gè)人完成工作時(shí)，誰會(huì)想要六個(gè)天線占用空間？雖然一些應(yīng)用需要多個(gè)頻段，但其他應(yīng)用需要一個(gè)頻段。如果您使用的是915 MHz等ISM頻段，并計(jì)劃僅使用天線，那么您最好使用Taoglas Limited的TI.09.A.0111。該天線在915 MHz時(shí)具有非常低的VSWR，如圖4所示。

圖4：Taoglas TI.09.A.0111天線的電壓駐波比（VSWR）。 （圖片由Taoglas Limited提供）

雖然需要較低的VSWR，但只有在您使用的頻率較低時(shí)才有用。雖然這個(gè)天線可以擁有1的VSWR，但它只能在915 MHz時(shí)這樣做。 VSWR是頻率相關(guān)的，所以當(dāng)你考慮這個(gè)數(shù)字時(shí)，你總是想知道你的中心頻段是什么。

帶天線的模塊

因?yàn)槲覀冇懻撎囟ㄓ趹?yīng)用的話題天線，我認(rèn)為提出收發(fā)器模塊是一個(gè)好點(diǎn)。許多嵌入式設(shè)計(jì)不僅需要天線，還需要集成最終用戶應(yīng)用。您可以將您的項(xiàng)目引導(dǎo)至像Silicon Labs的BLE113-A-M256K這樣的收發(fā)器，而不是購買天線，微控制器和數(shù)小時(shí)的工程時(shí)間。該模塊使用集成芯片天線，適用于藍(lán)牙應(yīng)用。該模塊具有多個(gè)可配置的I/O端口，取代了微控制器。

還有其他幾個(gè)收發(fā)器模塊，但在物聯(lián)網(wǎng)熱潮中，Wi-Fi將是另一個(gè)值得研究的好例子。 Microchip Technology的ATWILC1000-MR110PB使用PCB天線，工作在2.4 GHz頻段。該收發(fā)器不僅具有像天線一樣在該頻段進(jìn)行通信的能力，而且具有嵌入式技術(shù)，可以理解它所接收的語言。如圖5所示，該收發(fā)器可以處理多種不同的調(diào)制方案。

功能描述模塊部件號(hào)ATWILC1000-MR110P WLAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11b/g/n，符合Wi-Fi主機(jī)接口SPI，SDIO尺寸L x W x H：10.5 mm x 14.5 mm x 1.5 mm（典型值）頻率范圍2.412 GHz~2.4835 GHz（2.4 GHz ISM頻段）北美頻道11，歐洲13頻道，日本調(diào)制802.11b頻道14：DQPSK ，DBPSK，CCK
802.11g/n：OFDM/64-QAM，16-QAM，QPSK，BPSK

結(jié)論

最終，天線是兩個(gè)設(shè)備之間的接口;他們碰巧使用自由空間作為他們的媒介。您可能想要使用許多不同的頻段，一旦您知道要使用哪個(gè)頻段，您就可以開始選擇天線。根據(jù)您的應(yīng)用，您可能希望采用更具成本效益的嵌入式解決方案，或者更強(qiáng)大的解決方案，該解決方案具有可以抵御元素的可靠質(zhì)量。有些天線的帶寬很小，非常適合單一用途，而其他天線則具有更寬的帶寬，可以處理多種應(yīng)用。無論您的應(yīng)用是什么，天線就是天線。 RF工程師有責(zé)任制造一個(gè)可以充分利用天線的電路。