【物聯(lián)網(wǎng)天線選擇攻略】2.4GHz 頻段增益天線模塊設(shè)備選擇

天線模塊設(shè)備(antenna)是一種能量變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無界媒介中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用于射頻系統(tǒng)中的小功率、短距離的2.4GHz無線收發(fā)設(shè)備，天線的設(shè)計(jì)和選擇是其中的重要部分，良好的天線系統(tǒng)可以使通信距離達(dá)到最佳狀態(tài)。2.4GHz天線的種類也很多，不同的應(yīng)用需要不用的天線。

增益天線簡(jiǎn)介

圖1 天線傳輸原理

為保證天線的傳輸效率，天線的長(zhǎng)度大約是電磁波波長(zhǎng)的1/4，所以信號(hào)頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，天線的長(zhǎng)度越長(zhǎng)；信號(hào)頻率越高，波長(zhǎng)越短，天線的長(zhǎng)度越短。則常用的2.4GHz頻段頻率高，波長(zhǎng)短，天線的長(zhǎng)度短，可用內(nèi)置天線，也可以用外置天線。天線做的更短，如1/8波長(zhǎng)或1/16波長(zhǎng)，也可以使用，只是效率會(huì)下降。某些設(shè)備會(huì)采用“短天線+LNA”的方式，也能達(dá)到長(zhǎng)天線的接收效果。但是短天線要達(dá)到長(zhǎng)天線的發(fā)射效果，就需要提升發(fā)射功率了，因此對(duì)講機(jī)需要發(fā)射信號(hào)，都是長(zhǎng)的外置天線，而FM收音機(jī)只收不發(fā)，有內(nèi)置接收天線。例如2G(900MHz)、4G(700-2600MHz)、WIFI和藍(lán)牙(2.4GHz)、GPS(1.5GHz)，這些常用的物聯(lián)網(wǎng)通信方式，可以做內(nèi)置天線。

對(duì)于手持機(jī)、穿戴設(shè)計(jì)、智能家居等小尺寸產(chǎn)品，很少使用外置天線，普遍采用內(nèi)置天線。集成度高，產(chǎn)品外觀更美觀，性能比外置天線略弱一點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件產(chǎn)品，要聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，都需要有天線。空間越小、頻段越多，天線設(shè)計(jì)越復(fù)雜。外置天線一般都是標(biāo)準(zhǔn)品，買頻段合適的，無需調(diào)試，即插即用。例如快遞柜、售貨機(jī)這些，普遍使用磁吸的外置天線，吸在鐵皮外殼上即可。這些天線不能放在鐵皮柜里面，金屬會(huì)屏蔽天線信號(hào)，所以只能放在外面。優(yōu)點(diǎn)是使用方便、價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是不能用在小尺寸產(chǎn)品上。

天線類別

那如何從眾多的2.4GHz天線中選擇出適合自己無線收發(fā)設(shè)備的2.4GHz天線，接下來就通過對(duì)2.4GHz天線的分類和分類對(duì)比來介紹如何選擇2.4GHz天線。應(yīng)用在2.4GHz頻段上的天線主要有陶瓷天線、PCB天線和彈簧天線等，陶瓷天線和PCB天線屬于內(nèi)置天線，彈簧天線屬于外置天線。

一、陶瓷天線

圖2 各種類型的陶瓷天線

陶瓷天線工作原理是利用GPS衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的，而用戶的接收機(jī)主要任務(wù)是提取衛(wèi)星信號(hào)中的偽隨機(jī)噪聲碼和數(shù)據(jù)碼，以進(jìn)一步解算得到接收機(jī)載體的位置、速度和時(shí)間(PVT)等導(dǎo)航信息，陶瓷天線的原理要分兩部分來說：一是發(fā)射天線，一是接收天線。一般的天線都具有可逆性，可同時(shí)做發(fā)射天線和接收天線。陶瓷天線發(fā)射天線簡(jiǎn)單說，就是通過一根叫做“天線”的電極將天線與地之間形成的高頻電場(chǎng)變成電磁波，從而能發(fā)射出去并傳波到遠(yuǎn)方。陶瓷天線接收天線簡(jiǎn)單說，就是通過一根叫做“天線”的電極將空中傳來的電磁波感應(yīng)為電場(chǎng)，生成高頻信號(hào)電壓，送到接收機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理。在陶瓷天線單元設(shè)計(jì)中采用了高頻、低噪聲放大器，以減弱天線熱噪聲及前面幾級(jí)單元電路對(duì)接收機(jī)性能的影響，而陶瓷天線的作用是將衛(wèi)星傳來的無線電信號(hào)的電磁波能量變換成接收機(jī)電子器件可攝取應(yīng)用的電流，所以天線的大小和形狀十分重要，因?yàn)檫@些決定了陶瓷天線能獲取微弱的電磁波信號(hào)的能力。

陶瓷天線是一種適合于藍(lán)牙裝置使用的小型化天線，在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中用的最多的，就是GPS、藍(lán)牙、GSM陶瓷天線。陶瓷天線分為塊狀陶瓷天線和多層陶瓷天線。塊狀天線是使用高溫將整塊陶瓷體一次燒結(jié)完成后再將天線的金屬部分印在陶瓷塊的表面上。而多層天線燒制采用低溫共燒的方式講多層陶瓷迭壓對(duì)位后再以高溫?zé)Y(jié)，所以天線的金屬導(dǎo)體可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要印在每一層陶瓷介質(zhì)層上，如此一來可以有效縮小天線尺寸，并能達(dá)到隱藏天線目的。

由于陶瓷本身介電常數(shù)比PCB電路板的要高，所以使用陶瓷天線能有效縮小天線尺寸。在介電損耗方面，陶瓷介質(zhì)也比PCB電路板的介電損失小，所以非常適合低耗電率的的藍(lán)牙模塊中使用。陶瓷天線尺寸一般 1210 封裝相當(dāng)，效果要強(qiáng)于板載天線。使用也比較方便，一般有ANT 接入腳和地腳，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，天線周圍一定要凈空，特別注意不能敷銅。同時(shí)在使用陶瓷天線時(shí)，也要注意巴倫電路的匹配問題，如果是用專用的集成電路，最好讓生產(chǎn)商測(cè)試一下平衡電路與陶瓷天線的匹配情況。如果匹配的不好，也會(huì)影響天線的效果。

陶瓷天線的優(yōu)點(diǎn)是占用空間很小、性能比較好。缺點(diǎn)是很難做到多頻段，因此難以應(yīng)用在4G類產(chǎn)品中。對(duì)電路板凈空要求比較高，不適用于特別緊湊的產(chǎn)品。

二、PCB天線

圖3 各種類型的PCB天線

PCB天線是指無線接收和發(fā)射用的PCB上的部分。發(fā)射時(shí)，它把發(fā)射機(jī)的高頻電流轉(zhuǎn)換為空間電磁波；接收時(shí)，它又把從空間獲取的電磁波變換成高頻電流輸入接收機(jī)。使用PCB天線時(shí)，也要注意巴倫電路的匹配問題，如果是用專用的集成電路，最好讓生產(chǎn)商測(cè)試一下平衡電路與PCB天線的匹配情況，如果匹配的不好，也是會(huì)影響天線的效果的。

PCB天線大量應(yīng)用于藍(lán)牙模塊、WIFI模塊、ZIGBEE模塊等單一頻段的模塊電路板上。

優(yōu)點(diǎn)是空間占用較少，成本低廉，不需單獨(dú)組裝天線，不易觸碰損壞，整機(jī)組裝方便，但會(huì)犧牲性能。缺點(diǎn)是單個(gè)天線場(chǎng)型很難做到圓整，插損高，效率相對(duì)低下，容易遭到主板上的干擾；同時(shí)只適合單一頻段，如藍(lán)牙，wifi；不同批次的PCB天線性能會(huì)有一定偏差。

三、外置天線

圖4 各種不同的外置天線

外置天線主要是通過直接焊接在天線（ANT）引腳、IPEX接口或者SMA接口來連接外置天線，IPEX天線接口和SMA天線接口是一種作為射頻電路和天線的接口，被廣泛應(yīng)用于無線局域網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品的單板上。

外置天線的種類有很多，彈簧天線、FPC天線、短膠棒天線、長(zhǎng)可彎折天線、吸盤天線等外置天線。外置天線的優(yōu)點(diǎn)是場(chǎng)型能控制更好，插損低，信號(hào)的方向指向性好，效率高，抗干擾能力強(qiáng)，能減少受到主板上的干擾，而且不用太多的調(diào)試匹配，若存在無線收發(fā)設(shè)備和外置天線不匹配的情況，也可以通過直接更換外置天線來解決，無須更換PCB板；缺點(diǎn)是成本較高，組裝起來比較麻煩。

2.4G天線的應(yīng)用

以成都億佰特的E73系列藍(lán)牙模塊為例介紹2.4G不同的天線類型對(duì)比。

圖5 成都億佰特公司E73系列模塊

表1 E73系列模塊電氣參數(shù)對(duì)比圖

由表1可知，E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B、E73-2G4M04S1D兼容的是IPEX天線和PCB天線，默認(rèn)接口都是PCB天線，E73-2G4M08S1C使用的是陶瓷天線。

由上表可以很清晰的看出E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B、E73-2G4M08S1C、E73-2G4M04S1D之間的區(qū)別，首先四個(gè)型號(hào)采用不同的芯片方案，尺寸和功率E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B和E73-2G4M04S1D是一樣的，E73-2G4M08S1C稍有差異；但在相同的測(cè)試條件下，但從傳輸距離來講，E73-2G4M08S1C相對(duì)于E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B和E73-2G4M04S1D這3個(gè)型號(hào)之間傳輸距離稍好，發(fā)射功率也會(huì)稍大一些。

特別要提出的是，E73-2G4M08S1C發(fā)射功率為8dBm，相對(duì)于別的藍(lán)牙模塊來說，功率會(huì)大一些，所以傳輸距離相比于別的藍(lán)牙產(chǎn)品傳輸距離稍遠(yuǎn)。

若使用IPEX天線接口接入外置天線，傳輸距離肯定相對(duì)于板載天線，傳輸距離肯定會(huì)更遠(yuǎn)一些。若考慮要體積和安裝的需求，同時(shí)傳輸距離也在可接受范圍之內(nèi)，板載的PCB天線或者陶瓷天線更受青睞。但是決定一個(gè)無線收發(fā)設(shè)備不僅僅是傳輸距離這項(xiàng)參數(shù)，更多的是產(chǎn)品的性能，以及在不同使用環(huán)境下的不同應(yīng)用。所以不管是對(duì)于E73系列，還是對(duì)于成都億佰特的其他藍(lán)牙、ZigBee、GPRS產(chǎn)品，都有其必要的使用環(huán)境，可根據(jù)自身項(xiàng)目的需求來選擇不同的2.4GHz天線。