天線匹配的原理及問題解決分析

開發(fā)無線產品可能是一項艱巨的任務。人們在設計和開發(fā)過程中會遇到許多陷阱，陷阱和常見錯誤。最后保存天線的實現(xiàn)是很常見的。事實上，天線使您的產品無線化。它是將信號發(fā)射到太空的最關鍵組件。通常很少考慮天線位置以及附近物體如何影響它。這不僅會破壞產品的性能，還會影響計劃和成本。

天線是其環(huán)境的一個功能。無論是坐在桌子上，制造商的開發(fā)板上還是產品中，這三種情況都會導致不同的性能。與設計中大多數(shù)可能會對電路產生預期影響的組件不同，天線會受到周圍一切的影響。來自天線的輻射電磁場與附近的材料相互作用，并且可以改變其操作頻率。必須將天線置于其最終環(huán)境中并使阻抗匹配，以使其在所需頻帶內工作。匹配不良的天線會使鏈路預算降低10-30 dB，并嚴重降低范圍。所有天線，無論是現(xiàn)成的還是在實驗室中設計，都可能需要匹配。

要了解天線受其附近物體影響的原因，必須檢查天線如何輻射。首先，忘記天線或附近發(fā)生了什么。重要的是天線的輸入阻抗。檢查圖1中的偶極子，當一個電位施加到天線輸入端時，兩端的電荷累積相反?；旧吓紭O端可視為開路，具有高電壓且無電流。由于偶極子兩端的電荷累積，電流開始流動。當你從偶極子的末端向內移動到饋電點時，電壓下降，電流上升。在饋電點，電流達到峰值，同時電壓降低。饋電點處的電壓和電流之間的比率是天線的輸入阻抗。這是驅動天線性能的阻抗。另外，由于天線上存在電流，所以電磁場是輻射的。

圖1：偶極子圖。

天線阻抗作為傳輸信號到天線的傳輸線的負載阻抗。天線的阻抗決定了沿傳輸線的電壓和電流以及它們的相位關系。在傳輸線上，存在駐波比（也稱為VSWR）。該比率測量駐波量與行波量的關系。粗略地說，VSWR = 1表示純行波，VSWR =∞表示純駐波。需要非常低的VSWR，因為它表明大部分能量被傳遞到天線。高VSWR意味著大部分能量被反射回傳輸線并且沒有被輻射。當天線在傳輸線端子處匹配時，存在低VSWR。未經傳輸而反射回天線輸入的能量會影響RF電路，因為它必須在其他地方耗散。

圖2：開路傳輸線上的電流和電壓幅度。

天線阻抗隨頻率變化，因為電流分布與波長直接相關。偶極子上的電流和電壓形成正弦分布，因此從偶極子端到饋電點的距離隨波長的分數(shù)而變化，阻抗也是如此。

天線阻抗必須保持盡可能接近跟蹤線的阻抗。在大多數(shù)系統(tǒng)中，天線有50歐姆的走線。由于天線阻抗隨頻率而變化，因此只有有限的范圍可以與跟蹤線匹配以實現(xiàn)有效的功率傳輸。將天線在一定頻率范圍內與跟蹤線匹配的過程稱為“調諧”或“匹配”天線。匹配的質量由VSWR表征，帶寬指的是給定VSWR的天線阻抗接近50歐姆的頻率范圍。

當天線放置在外殼中時，電磁場會與周圍的物質相互作用。結果，這些領域的發(fā)展方式與自由空間領域的發(fā)展方式不同。這種相互作用最終改變了天線上的電流分布，從而改變了其阻抗。這就是必須在最終外殼中調諧天線的原因。天線阻抗將根據周圍材料的接近度，電氣特性和尺寸而變化。如果天線設計在實施期間未正確調諧，則可能會破壞天線設計。

天線可以通過兩種方式中的一種進行調整，可以通過調整尺寸，也可以使用通常由分立元件組成的匹配網絡。通常，改變物理尺寸不是一種選擇，因此在天線輸入之前放置一個離散網絡。調諧天線的挑戰(zhàn)在于其阻抗受到附近材料的影響。如果您在工作臺上將天線調諧到2.4 GHz，然后將其放入機箱中，則調諧頻率將發(fā)生變化。下面的圖3展示了這種效果。紅線是自由空間中的天線，無與倫比。綠線表示現(xiàn)在在自由空間中匹配的相同天線。藍線是放置在機箱中時的最終天線響應。由于天線未在外殼中調諧，因此阻抗與感興趣的頻率上的50歐姆PCB走線不匹配。必須在外殼中調諧天線，以便考慮阻抗的變化。這適用于所有天線，包括芯片和其他預封裝天線。

圖3：由于不匹配導致的天線頻移。

進一步使問題復雜化，沒有兩種材料會影響天線。例如，常見的錯誤是使用尺寸和形狀相似但不是由相同生產質量材料制成的原型外殼。即使通過更改印刷跡線天線的PCB材料也可能導致阻抗匹配發(fā)生變化。如果外殼中的任何物體發(fā)生變化，則必須始終重新調整天線的調諧，即使距離幾厘米的物體也會產生影響。

在決定產品中天線的位置時，請考慮以下問題：

外殼是由什么制成的？

天線附近會是什么？

附近是否有金屬？

如何使用該設備？

制作外殼的材料將極大地影響它的調音方式。金屬對天線性能極其不利，因為它具有導電性。即使含有非常低比例金屬的涂料也會產生重大影響。保持所有金屬物體（包括PCB）盡可能遠離天線。電磁場在金屬物體上產生電流，將它們變成小型輻射器。這不僅會傷害比賽，還會顯著降低天線的增益模式。此外，還必須考慮產品的最終用途。天線是否會被手遮??？產品是否會安裝在金屬墻上？所有這些都會影響調整。

在調整天線的外殼時，需要考慮很多因素。調諧天線的過程既困難又耗時。在許多情況下，附近還有其他PCB，外殼材料，電池，顯示屏，金屬支架和各種其他有害物體。所有這些都會影響調整，必須存在。天線位置應該是開發(fā)新產品時首先考慮的因素之一;但它通常是最后確定的組成部分。

圖4：集成到產品中的天線，在萊爾德嵌入式無線解決方案的CST微波工作室中設計。

預測天線調諧和輻射問題的最有效方法是使用仿真軟件來評估和預測外殼的影響。天線設計人員必須識別產品中的材料，定義其電氣特性，并了解天線如何與它們相互作用。精心設計和模擬的天線通常不需要匹配的網絡;但是它只能針對其設計的確切產品進行正確調整。