天线如何优化让无线产品传输距离更远？

一、天线的类型

随着技术的发展，为了节省开发周期，许多厂家都推出了多种成品天线。然而，如果工程师选择错误的方式，它将不会有适当的效果，但将浪费大量的时间和成本的故障排除。本文介绍了几种常用天线，并结合工程实际经验给出了一些设计建议。

接下来，我将介绍常用的天线类型：

（1）电路板PCB天线：PCB蚀刻，成本低，性能有限，调谐良好，可用于蓝牙和WiFi无线通信模块的质量。

（2）SMT贴片式：常用陶瓷天线占地面积小，集成度高，易于更换。它适用于空间要求很小的产品，但这种天线成本更高，带宽也较低。

（3）外棒天线：性能好，不调试，易更换，增益高，适用于各种终端设备。

（4）FPC天线：与馈线连接，自由安装，高增益，通常可以用背面胶附着在机器的非金属外壳上。适用于性能要求高、占地面积大的产品。

图1 常见天线

天线的作用是将射频信号辐射到自由空间，这时候选择合适的天线对于传输距离就有很大的影响。天线对周围环境很敏感，很多情况下会出现即使选择了合适的天线，也达不到预期的效果。由于有些客户对天线设计需要考虑的因素不清楚，这里我们给出在实际工程设计中的一些经验，便于客户更好地设计出自己的电路与PCB，增加项目的成功机会。

二、天线选择

影响无线模块通信距离的主要参数是传输功率。在手册上可以找到无线模块的传输功率和相应的理想传输距离。在确定满足要求的传输功率的前提下，考虑天线的选择和天线的方向。

首先，天线的选择:

天线的主要规格包括:频率范围，驻波比SWR或VSWR，天线增益，极化模式和阻抗。频率范围根据需要选择;波比最好的不到1.5;天线增益对传输距离有影响;极化模式分为线性极化和圆极化;阻抗需要匹配无线模块的输出阻抗，通常为50欧姆。我们应该特别注意Bobbi参数。在购买天线后，我们应该使用网络分析仪来测试SWR。

驻波比与回波损耗、传输功率的对照表如表 1所示。

表 1 驻波比与回波损耗、传输功率对照表

由上表可知，VSWR=1.5时，理论传输功率为96%，当VSWR=2时，传输功率只有88.9%，有的天线驻波比指标是小于2，选用天线的时候最好是驻波比小于1.5，可以得到较高的传输功率。

其次是天线的方向性：

天线都有方向性，指的是天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力。衡量天线方向性通常使用方向图，图 1所示是一个频率范围从2400MHz到2500MHz天线的方向图。

图 1天线的三维方向图

天线竖直放置时，红色最深的方向是天线辐射或接收能力最强的方向，所以在安装天线的时候，要尽可能往红色指向的方向去安装天线，这样才能保证足够好的信号质量。另外，金属平板对信号有屏蔽作用，所以发射，接收的方向上不要有金属平面。

也有一些天线的手册上给出的天线方向图是用二维图来表示的，分为H-Plane和E-Plane，如图 2所示。

图 2 天线的二维方向图

在测试无线模块相互通信时，天线的方向性必须要考虑，在通信空间没有遮挡且天线的方向对应最强辐射方向时，通信的距离可以达到最大。如果天线安装的不合适，会导致通信距离变短，甚至无法通信。

工程师在测试无线模块通信时，经常会遇到信号弱、通信距离没有达到手册中的说明或者丢包率高，在确定无线模块本身没问题的情况下，不妨先测试一下天线本身的性能，然后再按照天线信号辐射强的方向来测试，会得到更好的测试结果。

三、天线部分电路

1、 匹配电路设计

在原理图设计时，需要在天线与模块射频输出管脚预留一个π型网络。天线的阻抗受PCB的铺地、天线的安装以及周围的金属等因素影响，预留这个网络是为了在天线严重偏离50欧姆阻抗时，将其匹配至50欧姆。

X1，X2，X3都是电抗元件，如果天线是标准的50欧姆阻抗，那么X2，X3可以不焊接，X1接220PF电容或者0欧姆电阻。在PCB设计时，这三个器件已经尽量靠近模块的射频输出脚，并且连接的传输线短且直。匹配元件的周围1.5mm区域内不要铺地，以减少寄生参数对匹配电路的影响。

图2 匹配电路

2、 微带线设计

在PCB设计时，由于大部分的天线与模块的输出阻抗是50欧姆，为了尽量减少在传输过程中能量的反射，射频输出管脚到天线之间的PCB引线应为50欧姆的微带线。常用的板材为FR4（介电常数4.2-4.6），根据经验，当线宽约为微带线距离参考层距离的2.2倍时，微带线的特征阻抗约为50欧姆。具体设计时,建议使用微带线阻抗控制工具（ADS、txline等）来计算,并通过实际调试来完成微带线的设计。如下图所示，微带线下面的铺地层必须是完整的地，在微带线两侧需要多打接地过孔。

图3 微带线

3、金属对天线的影响

如果天线附近有金属材料，金属可以反射电磁波，这不仅会影响天线的实际使用空间，增加天线的损耗电阻，降低辐射效率，而且会导致天线辐射的恶化。奥秘。安装天线时，注意：

A:天线应该至少离电池5mm；

B：天线应该至少离屏蔽体4mm。

C：在外壳需要安装的外壳外表面不要使用喷涂或涂覆金属部件。