外部天線綜合指南

從嵌入移動(dòng)設(shè)備的小型天線到蜂窩或衛(wèi)星基站中的大型天線陣列，天線是無(wú)線設(shè)計(jì)中使用的主要組件。天線有多種形狀和尺寸可供選擇，要么嵌入設(shè)備內(nèi)部（內(nèi)部），要么固定在外部（外部）。盡管存在一系列固有的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，但內(nèi)置天線通常用于緊湊型物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用，因此必須遵守嚴(yán)格的尺寸和性能標(biāo)準(zhǔn)。相反，外置天線由于其外形尺寸更大，因此更加穩(wěn)定且更易于集成。

在進(jìn)行無(wú)線設(shè)計(jì)時(shí)，建議在設(shè)計(jì)階段盡早檢查合適的天線，以避免性能問(wèn)題和代價(jià)高昂的重新設(shè)計(jì)。為此，設(shè)計(jì)工程師必須確定產(chǎn)品要求，例如 PCB 設(shè)計(jì)、尺寸和外殼。此外，還應(yīng)考慮性能參數(shù)，包括：

帶寬

電壓駐波比 (VSWR)

輻射模式

獲得

在下文中，我們將為設(shè)計(jì)工程師提供有關(guān)外部天線的綜合指南，概述它們的優(yōu)缺點(diǎn)、關(guān)鍵性能參數(shù)以及可用的不同類型。

外接天線的優(yōu)缺點(diǎn)

通過(guò)射頻連接器固定在設(shè)備外殼的外部，外部天線易于集成，通常需要很少的設(shè)計(jì)資源。與內(nèi)置天線不同，外置天線通常是獨(dú)立于地平面的即插即用解決方案，這意味著它們不會(huì)嚴(yán)重依賴于它們所連接的 PCB 區(qū)域的大小。這允許更短的開發(fā)時(shí)間和更快的上市時(shí)間。由于尺寸較大，外置天線與內(nèi)置天線相比具有更大的范圍和靈敏度。此外，固定在設(shè)備外部使它們能夠提供出色的視線。外部天線通常會(huì)保留較高的額定增益 (dBi)，從而在信號(hào)傳輸必須集中在特定方向的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)出色的定向行為。

此外，較大的天線在支持較低頻率和較長(zhǎng)波長(zhǎng)方面是最佳選擇。正因?yàn)槿绱耍S多高增益外部天線在較低的 sub-GHz 范圍內(nèi)保持帶寬，同時(shí)仍保持可接受的性能。盡管外部天線有很多好處，但必須考慮成本，因?yàn)樯a(chǎn)更大的天線需要額外的制造工藝和材料。此外，對(duì)于處理小型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，外部天線通常不適合，因?yàn)樗鼈兊某叽绾托螤钜驍?shù)。

外置天線關(guān)鍵性能參數(shù)

測(cè)量天線帶寬和 VSWR

除了為項(xiàng)目確定適當(dāng)?shù)?PCB 設(shè)計(jì)、尺寸和外殼外，還必須考慮一系列性能參數(shù)以確保適當(dāng)?shù)墓δ?。?yīng)評(píng)估帶寬以確定天線有效發(fā)射和接收信號(hào)的最佳頻率范圍。例如，考慮一個(gè)特定的藍(lán)牙?天線有望在 2.4GHz-2.5GHz 的 100MHz 頻率帶寬內(nèi)發(fā)揮最佳性能。由于天線的固有特性，這種藍(lán)牙天線也容易受到其預(yù)期帶寬之外的頻率的影響，但在這個(gè)特定的頻率范圍 (2.4GHz-2.5GHz) 內(nèi)，天線有望以一定的效率實(shí)現(xiàn)最佳性能 (百分比）水平。但是，這可能會(huì)因天線元件的設(shè)計(jì)精度而異。通常應(yīng)測(cè)量天線帶寬的決定性因素電壓駐波比 (VSWR)，以確定將從天線反射回?zé)o線電的功率量（圖 1). 反射回?zé)o線電的功率越少，天線的工作效率就越高。特定帶寬的首選 VSWR 通常小于或等于 3:1。例如，聲稱工作頻率為 100MHz-400MHz 的天線可能聲明其 VSWR 在此帶寬效率內(nèi)小于 1.5。在這種情況下，這意味著天線預(yù)計(jì)會(huì)反射大約 4% 的無(wú)線電功率。

圖 1：由 VSWR 定義的天線帶寬。（來(lái)源：移動(dòng)馬克）

識(shí)別天線輻射模式

更少的數(shù)字參數(shù)和更多的圖形 3D 表示，應(yīng)該評(píng)估輻射方向圖以確定天線周圍的能量分布。盡管 3D 輻射圖提供了天線能量分布的完整表示，但 2D 圖仍然有助于提供一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)識(shí)別大部分天線能量將集中在何處。輻射圖的主要目的是可視化全向（圖 2）或定向（圖 3 ）) 天線是。全向天線被描述為具有在單個(gè)平面（即水平xy平面）內(nèi)的所有方向上相對(duì)相同的輻射圖。同時(shí)，定向天線的輻射模式不對(duì)稱，其大部分輻射能量集中在一個(gè)方向上。

圖 2：全向天線的垂直和水平輻射圖示例。（來(lái)源：ResearchGate）

圖 3：定向天線的垂直和水平輻射圖示例。（來(lái)源：EVDO）

用增益評(píng)估天線的性能

評(píng)估天線性能時(shí)考慮的第一個(gè)參數(shù)是增益。增益總是在天線輻射方向圖的上下文中描述。增益定義為與各向同性源的信號(hào)強(qiáng)度相比，其峰值輻射方向上的信號(hào)強(qiáng)度。各向同性源旨在用作參考天線，盡管它在物理上并不存在。參考天線作為實(shí)際天線的極好比較源，因?yàn)樗妮椛浞较驁D在所有方向上都是一致的。參考圖 4了解天線增益 (dBi) 的一般公式。對(duì)于實(shí)踐中的任何天線，增加其增益意味著您正在增加其方向性，這會(huì)增加所需方向的功率，但會(huì)以其他方向輻射的功率為代價(jià)。

圖 4：增益 (dBi) 公式。（來(lái)源：Abracon）

外部天線的類型

外部天線有各種形狀和尺寸。一個(gè)常見(jiàn)的例子是安裝在互聯(lián)網(wǎng)路由器外部的橡皮鴨天線。屬于全向或定向子組，可用的不同類型的外部天線具有不同的特性，以最好地支持特定的用例。

全向天線

大多數(shù)情況下，與無(wú)線接入點(diǎn) (WAP) 上類似的終端安裝天線、鞭狀天線、橡皮鴨天線和室外偶極天線等天線都是全向天線。典型的結(jié)構(gòu)包括將天線元件封裝在橡膠或塑料護(hù)套中，并帶有外露的 RF 連接器。這些全向天線始終獨(dú)立于地平面，使得與發(fā)射器的簡(jiǎn)單耦合成為集成的唯一要求。由于這些天線的非定向性，它們應(yīng)該垂直指向地面，因?yàn)樗鼈兺鶗?huì)在水平 (xy) 平面內(nèi)廣泛輻射。任何需要點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信的無(wú)線應(yīng)用都將從這種輻射模式中獲益最多。例如，

其他全向天線

圓盤式、磁性安裝和螺絲安裝天線旨在平放在一個(gè)表面上，例如汽車的天花板或車頂。它們可以安裝在金屬或非金屬表面上，具體取決于天線型號(hào)。形狀因素是一個(gè)很大的區(qū)別特征。它們通常采用更薄的設(shè)計(jì)，非常適合尋求與終端安裝天線等更大外形不同審美的客戶。根據(jù)設(shè)計(jì)，許多圓盤式天線可以支持集成低噪聲放大器 (LNA)，以顯著改善信號(hào)接收——特別是對(duì)于微弱的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 傳入信號(hào)。與鞭式天線不同，圓盤式天線通常意味著水平朝向地面或天空，因?yàn)樗鼈兺诖怪逼矫嫔暇哂懈?360 度的覆蓋范圍。?，安裝在辦公室單層樓中央的天花板天線。信號(hào)覆蓋范圍必須朝下，以確保下方的所有計(jì)算機(jī)、電話和打印機(jī)都能正常接收信號(hào)。圓盤式天線外形的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是許多不同的型號(hào)可以支持多種無(wú)線協(xié)議。對(duì)于想要將 GNSS、蜂窩和 Wi-Fi 所需的所有不同天線整合到單一外形尺寸的任何基站來(lái)說(shuō)，這是最佳選擇。像這樣的組合天線本質(zhì)上是三個(gè)不同的天線元件安裝在一個(gè)外殼中，每個(gè)不同的協(xié)議都有自己的電纜和連接器。

定向天線

平板天線、碟形天線和八木天線專注于依賴遠(yuǎn)程點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信的應(yīng)用。由于這些天線的輻射模式非常集中，您總是可以期望在其數(shù)據(jù)表中看到高額定增益 (dBi)（通常高于 9dBi）。如果這些天線在一個(gè)方向上提供高峰值增益，它們非常適合任何要求苛刻的遠(yuǎn)程應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備或設(shè)備集合集中在特定區(qū)域。例如，共享同一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一對(duì)辦公樓在每一側(cè)都有一個(gè)室外級(jí)八木天線或平板天線，兩個(gè)天線彼此朝向以形成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信鏈路。

結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷發(fā)展增加了對(duì)各種天線選項(xiàng)的需求。工程師是否傾向于內(nèi)部解決方案來(lái)滿足低成本、大批量和尺寸要求；或?yàn)榱撕?jiǎn)化設(shè)計(jì)和保證性能而采用外部解決方案——天線將始終是無(wú)線系統(tǒng)的關(guān)鍵接口。建議在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段盡早完成天線，以確保最佳性能。在不考慮天線的情況下完全滿足您的產(chǎn)品要求（例如其 PCB 設(shè)計(jì)、尺寸和外殼）將降低您在所選天線不適合或不兼容的情況下修改設(shè)計(jì)的能力。除了充分了解您的應(yīng)用要求、熟悉不同的天線類型之外，

審核編輯黃昊宇