如何通過(guò)天線(xiàn)優(yōu)化讓無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品傳輸距離更遠？

　　無(wú)線(xiàn)模塊的通信距離是一項重要指標，如何把有效通信距離最大化一直是大家疑惑的問(wèn)題。本文根據調試經(jīng)驗及對天線(xiàn)的選擇與使用方法做了一些說(shuō)明，希望對工程師快速調試通信距離有所幫助。

　　一、天線(xiàn)的種類(lèi)

　　隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，為了節省研發(fā)周期，不少廠(chǎng)商都推出各種各樣的成品天線(xiàn)。然而如果工程師選擇不當，不僅起不到應有的效果，反而會(huì )浪費很多時(shí)間與成本在排查調試上，得不償失。本文將介紹常用的幾種天線(xiàn)并結合在工程中的實(shí)際使用經(jīng)驗給出設計建議，以供大家參考。

　　接下來(lái)為大家介紹常用的天線(xiàn)種類(lèi):

　　(1)板載PCB式天線(xiàn):采用PCB蝕刻而成，成本低，但是性能有限，可調性好，可大批量用于藍牙、WiFi無(wú)線(xiàn)通信模塊。

　　(2)SMT貼片式：常用的有陶瓷天線(xiàn)，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(lèi)型天線(xiàn)價(jià)格稍貴且帶寬偏小。

　　(3)外置棒狀天線(xiàn)：性能好，無(wú)需調試，方便更換，增益高，適用于各種終端設備。

　　(4)FPC天線(xiàn)：通過(guò)饋線(xiàn)連接，安裝自由，增益高，通?？梢允褂帽衬z貼在機器非金屬外殼上，適用于性能要求高且外殼空間充足的產(chǎn)品上。

　　圖1 常見(jiàn)天線(xiàn)

　　天線(xiàn)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(xiàn)對于傳輸距離就有很大的影響。天線(xiàn)對周?chē)h(huán)境很敏感，很多情況下會(huì )出現即使選擇了合適的天線(xiàn)，也達不到預期的效果。由于有些客戶(hù)對天線(xiàn)設計需要考慮的因素不清楚，這里我們給出在實(shí)際工程設計中的一些經(jīng)驗，便于客戶(hù)更好地設計出自己的電路與PCB，增加項目的成功機會(huì )。

     二、天線(xiàn)的選擇

　　影響無(wú)線(xiàn)模塊通信距離的首要參數是發(fā)射功率，無(wú)線(xiàn)模塊的發(fā)射功率以及對應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(mǎn)足需求的前提下，然后考慮天線(xiàn)的選用和天線(xiàn)的方向性。

　　首先是天線(xiàn)的選用：

　　天線(xiàn)的主要指標包含以下幾個(gè)：頻率范圍、駐波比SWR或VSWR、天線(xiàn)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(xiàn)增益對傳輸距離也有影響;極化方式分為線(xiàn)性極化和圓極化;阻抗需要與無(wú)線(xiàn)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，購買(mǎi)天線(xiàn)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VSWR=2時(shí)，傳輸功率只有88.9%，有的天線(xiàn)駐波比指標是小于2，選用天線(xiàn)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(xiàn)的方向性：

　　天線(xiàn)都有方向性，指的是天線(xiàn)對空間不同方向具有不同的輻射或接收能力。衡量天線(xiàn)方向性通常使用方向圖，圖 1所示是一個(gè)頻率范圍從2400MHz到2500MHz天線(xiàn)的方向圖。

　　圖 1天線(xiàn)的三維方向圖

　　天線(xiàn)豎直放置時(shí)，紅色最深的方向是天線(xiàn)輻射或接收能力最強的方向，所以在安裝天線(xiàn)的時(shí)候，要盡可能往紅色指向的方向去安裝天線(xiàn)，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(xiàn)的手冊上給出的天線(xiàn)方向圖是用二維圖來(lái)表示的，分為H-Plane和E-Plane，如圖 2所示。

　　圖 2 天線(xiàn)的二維方向圖

　　在測試無(wú)線(xiàn)模塊相互通信時(shí)，天線(xiàn)的方向性必須要考慮，在通信空間沒(méi)有遮擋且天線(xiàn)的方向對應最強輻射方向時(shí)，通信的距離可以達到最大。如果天線(xiàn)安裝的不合適，會(huì )導致通信距離變短，甚至無(wú)法通信。

　　工程師在測試無(wú)線(xiàn)模塊通信時(shí)，經(jīng)常會(huì )遇到信號弱、通信距離沒(méi)有達到手冊中的說(shuō)明或者丟包率高，在確定無(wú)線(xiàn)模塊本身沒(méi)問(wèn)題的情況下，不妨先測試一下天線(xiàn)本身的性能，然后再按照天線(xiàn)信號輻射強的方向來(lái)測試，會(huì )得到更好的測試結果。

　　三、天線(xiàn)部分電路

　　1、匹配電路設計

　　在原理圖設計時(shí)，需要在天線(xiàn)與模塊射頻輸出管腳預留一個(gè)π型網(wǎng)絡(luò )。天線(xiàn)的阻抗受PCB的鋪地、天線(xiàn)的安裝以及周?chē)慕饘俚纫蛩赜绊?，預留這個(gè)網(wǎng)絡(luò )是為了在天線(xiàn)嚴重偏離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(xiàn)是標準的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設計時(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(xiàn)短且直。匹配元件的周?chē)?.5mm區域內不要鋪地，以減少寄生參數對匹配電路的影響。

　　圖2 匹配電路

　　2、微帶線(xiàn)設計

　　在PCB設計時(shí)，由于大部分的天線(xiàn)與模塊的輸出阻抗是50歐姆，為了盡量減少在傳輸過(guò)程中能量的反射，射頻輸出管腳到天線(xiàn)之間的PCB引線(xiàn)應為50歐姆的微帶線(xiàn)。常用的板材為FR4(介電常數4.2-4.6)，根據經(jīng)驗，當線(xiàn)寬約為微帶線(xiàn)距離參考層距離的2.2倍時(shí)，微帶線(xiàn)的特征阻抗約為50歐姆。具體設計時(shí),建議使用微帶線(xiàn)阻抗控制工具(ADS、txline等)來(lái)計算,并通過(guò)實(shí)際調試來(lái)完成微帶線(xiàn)的設計。如下圖所示，微帶線(xiàn)下面的鋪地層必須是完整的地，在微帶線(xiàn)兩側需要多打接地過(guò)孔。

　　圖3 微帶線(xiàn)

　　3、金屬對天線(xiàn)的影響

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

　　a：天線(xiàn)距離電池至少要有5mm;

　　b：天線(xiàn)距離屏蔽殼至少要有4mm;

　　c：在需要安裝外殼的場(chǎng)合，不要在外殼表面使用具有金屬成分的噴漆或者鍍層。

　　看到這里，關(guān)于無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的天線(xiàn)設計技巧，你學(xué)到了嗎?