给低功耗无线应用选择天线详细过程

工程师2 发表于 2018-05-16 09:14:00 收藏 已收藏
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给低功耗无线应用选择天线详细过程

工程师2 发表于 2018-05-16 09:14:00

中心议题:

三种最常见的天线介绍

介绍选择天线时必须要考虑的几大参数

解决方案:

对占板空间受限的应用,芯片天线是好的选择,尤其是对1GHz 以下频率的应用

鞭状天线的性能最好,四分之一波长的天线就可提供一款高效的解决方案

天线是RF系统中的一个重要组件,并且对性能有着重大的影响。高性能、小尺寸以及低成本是许多RF应用最常见的要求。为了满足这些要求,实施一个适当的天线并概括描述其性能特点是非常重要的。本文描述了典型的天线类型并阐述了选择天线时应该考试的重要参数。

天线的类型

在选择天线时,天线的尺寸、成本以及性能是最重要的考虑因素。对于短距离无线设备而言,三种最常见的天线为PCB天线、芯片天线以及鞭形天线。这三种天线的优缺点如表1所示。

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a.PCB天线

设计一款PCB 天线并不是一件简单的事情,因为还需要一个仿真工具才能得到满意的解决方案。除了要提供一种最适宜的设计之外,配置这样一个能进行精确仿真的工具也是一项困难且耗时的工作。

b.芯片天线

对于天线而言,如果板级空间非常有限,那么芯片天线可以说是一个不错的解决方案。这种类型的天线可支持小解决方案尺寸(即使是在1GHz频率以下)。与PCB天线相比,这种天线的缺点在于该解决方案会增加材料和贴装成本。芯片天线的一般成本介于0.10美元和1.00美元之间。即使一些芯片天线厂商声称说这种天线可与某种50 Ω阻抗匹配以适应频带,但通常还需要其他一些与之相匹配的组件。

c.鞭形天线

如果我们最注重的是性能,而不是外形尺寸和成本,那么带有一个连接器的外部天线将是一个很好的解决方案。这些天线通常为单极天线,且拥有全向辐射模式,这就是说该天线在一个平面上各个方向的性能几乎都是一样的。鞭形天线应安装在接地层上,以获得最佳的性能。为了实现最大程度的节约,四分之一波长的天线就可提供一款高效的解决方案。

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天线参数

在选择天线时,一些需要考虑的最重要的因素包括:辐射模式、天线效率以及天线带宽。

a.辐射模式和增益

图2显示了在PCB平面中,PCB天线的辐射模式将如何随方向不同而变化。当解读这样一个辐射模式变化图时,了解几个天线参数是非常重要的。除了该辐射模式变化图以外,将辐射模式与天线的配置相联系也是很重要的。

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辐射模式通常在三个互成直角的平面XY、XZ和YZ上测试。虽然可以进行全3D图形测量,但由于这是一项耗时的工作且需要昂贵的设备,因此一般不这么做。定义这三个平面的另一种方法是使用一个球形坐标系统。这三个平面将由θ=90°,Φ =0°和Φ =90°来定义。图3显示了如何将球形符号与这三个平面联系在一起。

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如果没有给出有关如何将辐射模式图上的辐射方向与天线的配置联系起来的信息,那么0°为X方向,XY平面上角度朝Y方向趋增。就XZ平面而言,0°位于Z方向,同时角度朝X方向趋增。对YZ平面来说,0°位于Z方向,角度朝Y方向趋增。增益或参考电平通常是指全向辐射天线,其为一种各方向均为相同辐射功率的理想天线。当全向天线被用作参考时,增益以dBi单位,或被规定为等效全向辐射功率(EIRP)。图2中的外圆相当于5.6dBi,左下方的4dB/div符号表示对所有渐渐增多的小圆来说发射级别降低了4dB。相比全向天线,PCB天线在0°方向会有一个5.6dB高级别的辐射。

如式1所示,天线增益G被定义为最大辐射强度同平均辐射强度乘以天线效率的比。

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其中,Umax为最大辐射强度,Uavg为平均强度,这两个值的比被称为方向性D。天线元件的电阻损耗和天线馈电点上的反射共同决定了效率e,其就是Prad除以输入功率Pin得出的辐射功率。高增益并不必然意味着天线拥有高性能。通常,移动系统要求一个全向辐射模式,这样其性能才会在所有天线方向上均大概一致。对于接收机和发送器等具有固定位置的应用而言,当天线指向其他高增益辐射方向时可以获得更高的性能。

为了精确地测量天线辐射方向,只对被测设备的直达波进行测量并避免影响测量结果的反射波非常重要。为了最少化拾取反射能量,通常在无回音室或天线测试场进行这些测量。另一个要求是,在天线远声场测量的信号必须为平面波。如式2所示,远声场距离Rf由波长λ和最大天线尺寸DIM决定。由于无回音室的空间有限,因此通常在室外天线测试场对一些大型、低频率天线进行测试。

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b.偏振

偏振是对电场方向的描述。所有在自由空间中传播的电磁波都具有与传播方向垂直的电场和磁场。在考虑偏振的情况下,通常会对电场向量进行描述,而忽略磁场,因为其同电场正交并成比例关系。为了获得最佳性能,接收和发射天线都应该具有相同的偏振。实际上,短距离应用中的大多数天线都会在多个方向产生偏振。由于室内设备承受了许多反射,因此偏振不像一些室外工作设备那么重要。

c.带宽和阻抗匹配

确定天线带宽的两种常见方法是:1)在相关频带上调节载波的同时对辐射功率进行测量;2)使用网络分析仪对天线馈电点的反射进行测量。图4显示了第一种方法,其对一个2.4GHz 天线的辐射功率进行测量,这种天线在2.4GHz频带上具有接近2dB的输出功率变化,同时还具有接近于这一频带中心的最大辐射。这种测量方法是通过对2.3~2.8GHz的连续波信号进行调节来完成的。这类方法应该在一个无回音室中进行,以获得正确的绝对带宽级别。然而,即使在没有无回音室的情况下,这种方法也非常有用。

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在普通实验室环境中的测量可以得到一个相对结果,其表明天线在理想频带中间是否具有最佳性能。被用来进行这种测量的接收天线的性能特性将会对测量结果产生影响。因此,该天线在测量频带上具有大概相同的性能非常重要。这种预防措施有助于确保在测量频带上观测到的性能相对变化是有效的。描述天线带宽特性的第二种方法是对天线馈电点上的反射功率进行测量。断开天线并使用一条同轴线缆将一台网络分析仪连接至天线便可以进行此类测量。天线的带宽通常被定义为频率范围,该频率下的反射低于-10dB,或者VSWR少于2。这就相当于在这一频率范围中仅有不到10%的有效功率被天线反射。

d.尺寸、成本和性能

理想的天线不但要非常小、零成本,而且还要拥有优异的性能。然而,现实生活中,在这些指标之间谋求一个折中是非常必要的。当寻求小型天线解决方案时,芯片天线是较好的替代方案。1GHz 以下频率条件下时尤为如此,因为芯片天线允许使用比传统PCB 天线更小型的解决方案。但芯片天线的主要缺点是较高的成本以及典型的窄带性能。

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