天线的特性及选择是要考虑哪些因素

电子设计 2019-02-06 11862

描述

选择天线可能是一项艰巨的任务，需要考虑几个参数。必须检查几种物理，电气和经济选项，以找到适合特定应用的完美天线。虽然这不是“一刀切”的主题，但对于RF工程师来说，这可能是最基本的，但希望这将有助于阐明选择天线时需要考虑的许多因素。

所需频率范围

天线设计的一个非常方便的部分是，一旦您了解了您的应用，您就会知道您将使用哪个频段。目前使用的许多常见频率是902 - 928 MHz频段，用于业余无线电，1575.42 -1610 MHz用于GPS，2.4 GHz和5.8 GHz用于Wi-Fi。这绝不包括所有无线应用，但它描绘了一些主要的无线应用。

您将使用的频率将在应用程序要求的天线大小中发挥作用。回想一下，理想的天线将是波长的一部分，通常是带有地平面的½λ或¼λ。地平面有助于减少天线所需的尺寸。虽然我们最终希望看到½λ，但我们可以通过添加天线辐射的地平面来解决这个问题。这可以像PCB上的金属层一样简单，最终构成另一个¼λ。

由于较高频率的波长较小，因此可以使用更小的天线。对于工作在空间非常有限的嵌入式设计的工程师来说，这是一件非常好的事情。一个例子是Johanson Technology Inc.的2450AT43B100E。该天线尺寸为7 mm x 2 mm，可以处理WLAN，家庭RF，蓝牙和802.11 b/g应用。

使用公式计算波长（见公式1），我们可以看到波长的大小如何与天线的大小相对应。光速为299,792,458米/秒，2.4 GHz信号每秒24亿次。为了找到波长，我们需要将光速除以频率，得到0.125米或12.5厘米。

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理想情况下，我们会寻找½λ或¼λ的长度我们的天线和7毫米只是略微超过一半，让我们知道我们想要的位置。 2450AT43B100E数据表解释了为什么这对于2.4 GHz应用来说是一个很好的天线，但不是特别适合另一个频率。下面通过查看按频率绘制回波损耗图表来说明这一点：

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图1：2450AT43B100E芯片天线的典型频率性能。（图片由Johanson Technology提供）

正如您所看到的，该天线的中心频率在2.47 GHz处显示约-23.976分贝的回波损耗，在2.58 GHz处为-10.246分贝，在-10.851处为-10.151分贝。 2.38 GHz。这是一款经济实惠的天线，非常适合嵌入式设计。由于回波损耗等于未从天线辐射的信号量，而是发送回发生器或放大器，回波损耗越低越好。

Johanson已经创建了芯片天线选择在选择合适的产品时非常有用的指南。如果我们用不同的应用检查相同的频率，那么合适的天线可能看起来很不一样。这种天线是否更注重节省成本或质量？对于你的底线，一个不一定比另一个好。想象一下，在当今世界，有多少传感器被无线使用。许多使用天线的应用程序不需要最复杂的设备来完成工作。您用于蓝牙的天线并不像您当地机场空中交通管制大楼顶部的天线那么重要。这是提及绕过尺寸限制的另一种方式的好时机。地平面有助于减少天线所需的尺寸。虽然我们最终希望看到½λ，但我们可以通过添加天线辐射的地平面来解决这个问题。这可以像PCB上的金属层一样简单。

想象一下，您已经签约为一辆出租车公司或市政公交车服务找到一个天线，这些天线需要车辆具备GPS功能，以便他们能够跟踪他们的车队。这提出了先前设计没有的挑战。以前我们受到尺寸限制的挑战，现在我们不受空间限制，但受到环境和噪音的挑战。我们将寻找一种面板安装天线，以便它可以连接到车辆上，并且由于它将在外面，它必须至少具有IP67等级。 Taoglas有限公司的MA650.ST.AB.003.DZ是天线的一个例子，可以提供这种级别的保护，同时满足蜂窝和基于位置的服务的频段。该天线有几个中心频率，1575.4 MHz频段用于GPS，1602 MHz频段用于GLONASS（俄语版GPS）。它具有IP69K，这意味着它能够抵抗灰尘和高温，高压清洗。这对于可能经过洗车的车辆非常有用。用这种天线强调的另一点是它需要功率，因为它具有LNA（低噪声放大器）。虽然这种天线本身具有3 dB的增益，但LNA具有额外的增益;这将取决于天线看到的电压。该装置可以使用1.8 V - 5.0 V的直流电源供电。

天线特性

GPS-GLONASS中心频率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电缆0.3 m RG174标准，完全可定制

LNA特性

LNA电气特性中心频率GPS：1575.42±3 MHz
Glonass：1602±0.5 MHz阻抗50欧姆VSWR < 1.5：1回波损耗10 dB min。最小增益为32 dB。在5.0 V时最小值为28 dB。在3.3 V时最小值为21 dB。 1.8 V DC电源输入1.8 V~5.0 V噪声系数3.3 V 1.6 dB功耗3.3 mA时10 mA

与电子产品中的任何东西一样，这一切都归结为应用程序的要求。有时，定制天线是最佳解决方案。 Taoglas提供的服务可能对那些希望使用移动应用程序的人有所帮助。蜂窝设计通常是更高的体积，此时定制设计可能最终降低总体成本。这使您可以与专门研究天线的其他工程师一起解决物理限制并满足严格的网络要求。不同的移动运营商将有不同的批准。 Verizon和AT＆amp; T将获得不同的批准，并且仍然需要遵循许多FCC法规。定制解决方案可能会带来很高的最小订购量，但对于负责大批量生产的工程师来说，它最终可能是最实用的解决方案。

阻抗

由于天线是整个电路中的一个组件，我们需要考虑它将如何与设计的其余部分相互作用。天线意味着将电磁波辐射到自由空间，为了有效地做到这一点，我们需要最大的功率传输。这意味着我们希望天线上的终端具有与传输线相同的阻抗。虽然这在RF领域尚未成熟，而今天大多数天线都需要50Ω端接，但有一些见解可能有助于为您的天线选择最佳连接器。如果您正在处理需要在其上安装实际同轴连接器的天线，一旦您知道阻抗要求，您仍然会有大量可能可用的连接器。如果可能的话，选择更流行的连接器样式可能是谨慎的。许多对讲机将使用SMA或RP-SMA连接器，许多移动设备将使用UHF连接器，许多Wi-Fi模块将使用U.FL连接器。

如果您需要有另一个考虑点连接到天线的电缆长度是指电缆需要多长时间。由于RF传输线每隔¼λ改变其阻抗，因此少量电缆会对天线的性能产生相当大的影响。检查Taoglas Limited的MA140.A.LB.001，数据表显示了不同电缆长度的选项（图3）。

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图3：Taoglas MA140.A.LB.001天线的自由空间回波损耗。（图片由Taoglas Limited提供）

这些图表显示了30厘米，1米，2米，3米和5米电缆长度的相同天线及其各自的回波损耗。可以看出，30厘米的天线将具有最低的回波损耗。这并不意味着更长的更好，而是对于给定的频率，这个天线应该处理，额外的长度使我们更接近史密斯圆图的纯电阻部分。我们最终希望从传输线中尽可能多地去除电容和电感，并且准确的线路长度会极大地影响这一点。

增益和方向性

虽然天线是无源器件，他们仍然有收获。该术语的使用方式与使用运算放大器或任何类型的有源器件的方式不同，相反，这是与天线方向性相对应的比率。 “对应于方向性因子，增益G是在主辐射方向上获得的辐射强度Fmax与辐射强度Fio之比，其将由具有相同输入功率Pin的无损耗各向同性辐射器产生。” ，这是以dBi为单位测量的。（摘自Antenna Basics白皮书 - 罗德和施瓦茨）。还有其他几种测量天线增益的方法，dBi是主要类别之一，这也可以用dB表示，在这种情况下，10 dB将是相对于各向同性天线的10倍能量。另一个例子是dBd，它与偶极天线有关。各向同性天线在所有方向上均匀地辐射功率。虽然这是理想的天线，但它并不存在;它被用作参考，通过比较来测量其他天线的增益。一些天线比其他天线具有更多增益的原因是因为它们是定向的并且在给定方向上具有比各向同性天线更多的功率。具有非常定向辐射图案的天线的一个很好的例子是碟形天线。虽然增益很高且范围很长，但只有当天线指向它试图与之通信的内容时，这才会起作用。

那么，高增益是一件好事吗？诚实的答案取决于应用程序。如果你使用定向天线，那么是的，它是。在设计设备时，天线放置可能是成功的关键，特别是如果您使用像碟子一样的定向天线。如果您使用的设备类似于移动电话需要在不同方向搜索多个蜂窝电话塔，那么获得更高的增益可能并不重要，因为您不会永久地将天线指向任何地方。产品数据表中的增益规格仅显示天线的功能。最终将是电路的设计，它将决定现实世界中的增益。

带宽

天线领域有几种不同的频率范围配置。如果您正在寻找蜂窝覆盖，您将需要宽带宽。许多天线虽然具有较宽的总带宽，但其中心频带较小。这对于需要多频段解决方案的工程师来说非常方便。 Taoglas有限公司的FXUB70.A.07.C.001具有698 MHz至3 GHz的范围，并有六个设计用于工作的频段。对于任何给定的频率，这可能不是最好的天线，但它在经济和美观的包装中提供了广泛的可用频率。当一个人完成工作时，谁会想要六个天线占用空间？虽然一些应用需要多个频段，但其他应用需要一个频段。如果您使用的是915 MHz等ISM频段，并计划仅使用天线，那么您最好使用Taoglas Limited的TI.09.A.0111。该天线在915 MHz时具有非常低的VSWR，如图4所示。

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图4：Taoglas TI.09.A.0111天线的电压驻波比（VSWR）。（图片由Taoglas Limited提供）

虽然需要较低的VSWR，但只有在您使用的频率较低时才有用。虽然这个天线可以拥有1的VSWR，但它只能在915 MHz时这样做。 VSWR是频率相关的，所以当你考虑这个数字时，你总是想知道你的中心频段是什么。

带天线的模块

因为我们讨论特定于应用的话题天线，我认为提出收发器模块是一个好点。许多嵌入式设计不仅需要天线，还需要集成最终用户应用。您可以将您的项目引导至像Silicon Labs的BLE113-A-M256K这样的收发器，而不是购买天线，微控制器和数小时的工程时间。该模块使用集成芯片天线，适用于蓝牙应用。该模块具有多个可配置的I/O端口，取代了微控制器。

还有其他几个收发器模块，但在物联网热潮中，Wi-Fi将是另一个值得研究的好例子。 Microchip Technology的ATWILC1000-MR110PB使用PCB天线，工作在2.4 GHz频段。该收发器不仅具有像天线一样在该频段进行通信的能力，而且具有嵌入式技术，可以理解它所接收的语言。如图5所示，该收发器可以处理多种不同的调制方案。

功能描述模块部件号ATWILC1000-MR110P WLAN标准IEEE 802.11b/g/n，符合Wi-Fi主机接口SPI，SDIO尺寸L x W x H：10.5 mm x 14.5 mm x 1.5 mm（典型值）频率范围2.412 GHz~2.4835 GHz（2.4 GHz ISM频段）北美频道11，欧洲13频道，日本调制802.11b频道14：DQPSK ，DBPSK，CCK
802.11g/n：OFDM/64-QAM，16-QAM，QPSK，BPSK

结论

最终，天线是两个设备之间的接口;他们碰巧使用自由空间作为他们的媒介。您可能想要使用许多不同的频段，一旦您知道要使用哪个频段，您就可以开始选择天线。根据您的应用，您可能希望采用更具成本效益的嵌入式解决方案，或者更强大的解决方案，该解决方案具有可以抵御元素的可靠质量。有些天线的带宽很小，非常适合单一用途，而其他天线则具有更宽的带宽，可以处理多种应用。无论您的应用是什么，天线就是天线。 RF工程师有责任制造一个可以充分利用天线的电路。

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