為低功耗無(wú)線(xiàn)應(yīng)用選擇天線(xiàn)

天線(xiàn)是RF系統(tǒng)中的一個(gè)重要組件，并且對(duì)性能有著重大的影響。高性能、小尺寸以及低成本是許多RF應(yīng)用最常見(jiàn)的要求。為了滿(mǎn)足這些要求，實(shí)施一個(gè)適當(dāng)?shù)奶炀€(xiàn)并概括描述其性能特點(diǎn)是非常重要的。本文描述了典型的天線(xiàn)類(lèi)型并闡述了選擇天線(xiàn)時(shí)應(yīng)該考試的重要參數(shù)。

天線(xiàn)的類(lèi)型
在選擇天線(xiàn)時(shí)，天線(xiàn)的尺寸、成本以及性能是最重要的考慮因素。對(duì)于短距離無(wú)線(xiàn)設(shè)備而言，三種最常見(jiàn)的天線(xiàn)為PCB天線(xiàn)、芯片天線(xiàn)以及鞭形天線(xiàn)。這三種天線(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

圖1 典型的天線(xiàn)解決方案

1 PCB天線(xiàn)
設(shè)計(jì)一款PCB天線(xiàn)并不是一件簡(jiǎn)單明了的事情，因?yàn)檫€需要一個(gè)仿真工具才能得到一個(gè)合意的解決方案。除了要提供一種最適宜的設(shè)計(jì)之外，配置這樣一個(gè)能進(jìn)行精確仿真的工具也是一項(xiàng)困難且耗時(shí)的工作。

2 芯片天線(xiàn)
對(duì)于天線(xiàn)而言，如果板級(jí)空間非常有限，那么芯片天線(xiàn)可以說(shuō)是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案。這種類(lèi)型的天線(xiàn)可支持小解決方案尺寸（即使是在1GHz頻率以下）。與PCB天線(xiàn)相比，這種天線(xiàn)的缺點(diǎn)在于該解決方案會(huì)增加材料和貼裝成本。芯片天線(xiàn)的一般成本介于0.10美元和1.00美元之間。即使一些芯片天線(xiàn)廠商聲稱(chēng)說(shuō)這種天線(xiàn)可與某種50Ω阻抗匹配以適應(yīng)頻帶，但通常還需要其他一些與之相匹配的組件。

3 鞭形天線(xiàn)
如果我們最注重的是性能，而不是外形尺寸和成本，那么帶有一個(gè)連接器的外部天線(xiàn)將是一個(gè)很好的解決方案。這些天線(xiàn)通常為單極天線(xiàn)，且擁有全向輻射模式，這就是說(shuō)該天線(xiàn)在一個(gè)平面上各個(gè)方向的性能幾乎都是一樣的。鞭形天線(xiàn)應(yīng)安裝在接地層上，以獲得最佳的性能。為了實(shí)現(xiàn)最大程度的節(jié)約，四分之一波長(zhǎng)的線(xiàn)就可提供一款高效的解決方案。

天線(xiàn)參數(shù)
在選擇天線(xiàn)時(shí)，一些需要考慮的最重要的因素包括：輻射模式、天線(xiàn)效率以及天線(xiàn)帶寬。

1 輻射模式和增益
圖2顯示了在PCB平面中，PCB天線(xiàn)的輻射模式將如何隨方向不同而變化。當(dāng)解讀這樣一個(gè)輻射模式變化圖時(shí)，了解幾個(gè)天線(xiàn)參數(shù)是非常重要的。

圖2 輻射模式

除了該輻射模式變化圖以外，將輻射模式與天線(xiàn)的配置相聯(lián)系也是很重要的。輻射模式通常在三個(gè)互成直角的平面XY、XZ和YZ上測(cè)試。雖然可以進(jìn)行全3D圖形測(cè)量，但由于這是一項(xiàng)耗時(shí)的工作且需要昂貴的設(shè)備，因此一般不這么做。定義這三個(gè)平面的另一種方法是使用一個(gè)球形坐標(biāo)系統(tǒng)。這三個(gè)平面將由θ=90°,Φ=0°和Φ=90°來(lái)定義。圖3顯示了如何將球形符號(hào)與這三個(gè)平面聯(lián)系在一起。如果沒(méi)有給出有關(guān)如何將輻射模式圖上的輻射方向與天線(xiàn)的配置聯(lián)系起來(lái)的信息，那么0°為X方向，XY平面上角度朝Y方向趨增。就XZ平面而言，0°位于Z方向，同時(shí)角度朝X方向趨增。對(duì)YZ平面來(lái)說(shuō)，0°位于Z方向，角度朝Y方向趨增。

圖3 球形坐標(biāo)系統(tǒng)

增益或參考電平通常是指全向輻射天線(xiàn)，其為一種各方向均為相同輻射功率的理想天線(xiàn)。當(dāng)全向天線(xiàn)被用作參考時(shí)，增益以dBi單位，或被規(guī)定為等效全向輻射功率(EIRP)。圖2中的外圓相當(dāng)于5.6dBi，左下方的4dB/div符號(hào)表示對(duì)所有漸漸增多的小圓來(lái)說(shuō)發(fā)射級(jí)別降低了4dB。相比全向天線(xiàn)，PCB天線(xiàn)在0°方向會(huì)有一個(gè)5.6dB高級(jí)別的輻射。

如式1所示，天線(xiàn)增益G被定義為最大輻射強(qiáng)度同平均輻射強(qiáng)度乘以天線(xiàn)效率的比。
（1）

其中，Umax為最大輻射強(qiáng)度，Uavg為平均強(qiáng)度，這兩個(gè)值的比被稱(chēng)為方向性D。天線(xiàn)元件的電阻損耗和天線(xiàn)饋電點(diǎn)上的反射共同決定了效率e，其就是Prad除以輸入功率Pin得出的輻射功率。高增益并不必然意味著天線(xiàn)擁有高性能。通常，移動(dòng)系統(tǒng)要求一個(gè)全向輻射模式，這樣其性能才會(huì)在所有天線(xiàn)方向上均大概一致。對(duì)于接收機(jī)和發(fā)送器等具有固定位置的應(yīng)用而言，當(dāng)天線(xiàn)指向其他高增益輻射方向時(shí)可以獲得更高的性能。

為了精確地測(cè)量天線(xiàn)輻射方向，只對(duì)被測(cè)設(shè)備的直達(dá)波進(jìn)行測(cè)量并避免影響測(cè)量結(jié)果的反射波非常重要。為了最少化拾取反射能量，通常在無(wú)回音室或天線(xiàn)測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行這些測(cè)量。另一個(gè)要求是，在天線(xiàn)遠(yuǎn)聲場(chǎng)測(cè)量的信號(hào)必須為平面波。如式2所示，遠(yuǎn)聲場(chǎng)距離Rf由波長(zhǎng)λ和最大天線(xiàn)尺寸DIM決定。由于無(wú)回音室的空間有限，因此通常在室外天線(xiàn)測(cè)試場(chǎng)對(duì)一些大型、低頻率天線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試。

???????? （2）

2 偏振
偏振是對(duì)電場(chǎng)方向的描述。所有在自由空間中傳播的電磁波都具有與傳播方向垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。在考慮偏振的情況下，通常會(huì)對(duì)電場(chǎng)向量進(jìn)行描述，而忽略磁場(chǎng)，因?yàn)槠渫妶?chǎng)正交并成比例關(guān)系。為了獲得最佳性能，接收和發(fā)射天線(xiàn)都應(yīng)該具有相同的偏振。實(shí)際上，短距離應(yīng)用中的大多數(shù)天線(xiàn)都會(huì)在多個(gè)方向產(chǎn)生偏振。由于室內(nèi)設(shè)備承受了許多反射，因此偏振不像一些室外工作設(shè)備那么重要。

3 帶寬和阻抗匹配
確定天線(xiàn)帶寬的兩種常見(jiàn)方法是：1）在相關(guān)頻帶上調(diào)節(jié)載波的同時(shí)對(duì)輻射功率進(jìn)行測(cè)量；2）使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線(xiàn)饋電點(diǎn)的反射進(jìn)行測(cè)量。圖4顯示了第一種方法，其對(duì)一個(gè)2.4GHz 天線(xiàn)的輻射功率進(jìn)行測(cè)量，這種天線(xiàn)在??? 2.4GHz頻帶上具有接近2dB的輸出功率變化，同時(shí)還具有接近于這一頻帶中心的最大輻射。這種測(cè)量方法是通過(guò)對(duì)2.3～2.8GHz的連續(xù)波信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)完成的。這類(lèi)方法應(yīng)該在一個(gè)無(wú)回音室中進(jìn)行，以獲得正確的絕對(duì)帶寬級(jí)別。然而，即使在沒(méi)有無(wú)回音室的情況下，這種方法也非常有用。

圖4 2.4GHz天線(xiàn)的帶寬

在普通實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的測(cè)量可以得到一個(gè)相對(duì)結(jié)果，其表明天線(xiàn)在理想頻帶中間是否具有最佳性能。被用來(lái)進(jìn)行這種測(cè)量的接收天線(xiàn)的性能特性將會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，該天線(xiàn)在測(cè)量頻帶上具有大概相同的性能非常重要。這種預(yù)防措施有助于確保在測(cè)量頻帶上觀測(cè)到的性能相對(duì)變化是有效的。

描述天線(xiàn)帶寬特性的第二種方法是對(duì)天線(xiàn)饋電點(diǎn)上的反射功率進(jìn)行測(cè)量。斷開(kāi)天線(xiàn)并使用一條同軸線(xiàn)纜將一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)分析儀連接至天線(xiàn)便可以進(jìn)行此類(lèi)測(cè)量。天線(xiàn)的帶寬通常被定義為頻率范圍，該頻率下的反射低于-10dB，或者VSWR少于2。這就相當(dāng)于在這一頻率范圍中僅有不到10%的有效功率被天線(xiàn)反射。

4 尺寸、成本和性能
理想的天線(xiàn)不但要非常小、零成本，而且還要擁有優(yōu)異的性能。然而，現(xiàn)實(shí)生活中，在這些指標(biāo)之間謀求一個(gè)折中是非常必要的。當(dāng)尋求小型天線(xiàn)解決方案時(shí)，芯片天線(xiàn)是較好的替代方案。1GHz以下頻率條件下時(shí)尤為如此，因?yàn)樾酒炀€(xiàn)允許使用比傳統(tǒng) PCB 天線(xiàn)更小型的解決方案。但芯片天線(xiàn)的主要缺點(diǎn)是較高的成本以及典型的窄帶性能。