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怎么讓天線優化讓無產品傳輸距離更遠?
發布時間:
2019-07-11 16:24
無線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題。本文根據調試經驗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試通信距離有所幫助。
一、天線的種類
隨著技術的進步,為了節省研發周期,深圳市飛宇信電子推出各種各樣的成品天線。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,可調性好,可大批量用于藍牙、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品,但是該類型天線價格稍貴且帶寬偏小。
(3) 外置棒狀天線:性能好,無需調試,方便更換,增益高,適用于各種終端設備。
(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器非金屬外殼上,適用于性能要求高且外殼空間充足的產品上。

常見天線
天線的作用是將射頻信號輻射到自由空間,這時候選擇合適的天線對于傳輸距離就有很大的影響。天線對周圍環境很敏感,很多情況下會出現即使選擇了合適的天線,也達不到預期的效果。由于有些客戶對天線設計需要考慮的因素不清楚,這里我們給出在實際工程設計中的一些經驗,便于客戶更好地設計出自己的電路與PCB,增加項目的成功機會。
二、天線的選擇
影響無線模塊通信距離的首要參數是發射功率,無線模塊的發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。
天線的選用:
天線的主要指標包含以下幾個: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,購買天線后最好用網絡分析儀測試一下SWR。駐波比與回波損耗、傳輸功率的對照表如下所示:

駐波比與回波損耗、傳輸功率對照表
由上表可知,VSWR=1.5時,理論傳輸功率為96%,當VSWR=2時,傳輸功率只有88.9%,有的天線駐波比指標是小于2,選用天線的時候最好是駐波比小于1.5,可以得到較高的傳輸功率。
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,錯誤!未找到引用源。所示是一個頻率范圍從2400MHz到2500MHz天線的方向圖。

天線的三維方向圖
天線豎直放置時,紅色最深的方向是天線輻射或接收能力最強的方向,所以在安裝天線的時候,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量。另外,金屬平板對信號有屏蔽作用,所以發射,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,如圖所示。

天線的二維方向圖
在測試無線模塊相互通信時,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對應最強輻射方向時,通信的距離可以達到最大。如果天線安裝的不合適,會導致通信距離變短,甚至無法通信。工程師在測試無線模塊通信時,經常會遇到信號弱、通信距離沒有達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的方向來測試,會得到更好的測試結果。
三、天線部分電路
1、匹配電路設計:在原理圖設計時,需要在天線與模塊射頻輸出管腳預留一個π型網絡。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,預留這個網絡是為了在天線嚴重偏離50歐姆阻抗時,將其匹配至50歐姆。X1,X2,X3都是電抗元件,如果天線是標準的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,這三個器件已經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區域內不要鋪地,以減少寄生參數對匹配電路的影響。

匹配電路
2、微帶線設計:在PCB設計時,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引線應為50歐姆的微帶線。常用的板材為FR4(介電常數4.2-4.6),根據經驗,當線寬約為微帶線距離參考層距離的2.2倍時,微帶線的特征阻抗約為50歐姆。具體設計時,建議使用微帶線阻抗控制工具(ADS、txline等)來計算,并通過實際調試來完成微帶線的設計。如下圖所示,微帶線下面的鋪地層必須是完整的地,在微帶線兩側需要多打接地過孔。

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,金屬能反射電磁波,不但會影響天線的實際使用空間,增加天線的損耗電阻,降低輻射效率,而且導致天線輻射性能的惡化。在安裝天線時,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。
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