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天线如何优化让无线产品传输距离更远?

发布时间:2018-08-07 22:24:11 浏览次数:1369 编辑 : 欧源通天线厂家

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。

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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

 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。

天线的三维方向图

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。

天线的二维方向图

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。

匹配电路

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。

天线厂家实拍

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