单极或偶极天线设计及原理分析

　　天线可以极大地提高系统性能，但前提是在设计过程的早期对其进行适当考虑。否则，设计人员可能会遇到空间和外形尺寸限制，从而阻止天线发挥其设计潜力。

　　此外，虽然设计师理解天线理论和原理至关重要，但理论有时会与严酷的现实发生冲突。例如，应该认识到天线数据表上的规格可能不是其在最终产品中性能的明确指标。这是设计特定因素以及天线供应商之间不同的参考、测试方法和演示格式的结果。

　　本文将介绍流行的天线配置，例如单极和偶极，并讨论它们的性能特点以及如何在现实世界中使用它们。它还将讨论更新的天线设计，例如贴片和芯片天线，以及它们如何帮助设计人员满足更苛刻的应用要求。

　　单极天线

　　单极天线的性能主要取决于用作天线另一半的平衡网 ［参见第 1 部分］。该平衡点可以是电路板上的实心铜填充物或金属外壳。由于 RF 级以电路接地为参考，因此该平面或外壳也以接地为参考（连接）。接地平面地网的大小，以及它相对于天线的位置，将对其电压驻波比 （VSWR） 和增益产生重大影响。

　　通常，天线设计在半径为一个波长的平衡网上。在一个波长上，平衡点的作用就像一个无限平面。这提供了很好的规格，但在现实世界中，无绳电话的天线不会有一英尺半径的接地平面。该怎么办？

　　一般来说，如果地网的半径大于一个波长，则性能接近于无限大的地网。如果半径小于一个波长，辐射方向图和输入阻抗就会受到影响，从而显着影响性能。

　　Linx Technologies的ANT-916-CW-RH-ND单极天线的 VSWR 图显示了调谐到 4 × 4 英寸地平面平衡网时的带宽相关性能（图 1a 和 1b）。随着 VSWR 随频率上升，天线的有用带宽下降；当然，一些应用程序受益于更窄的带宽，而对其他应用程序则不利。一般准则是，只要 VSWR 低于 2:1，天线就很有用，但这不是不可违反的准则。

　　图 1a：在 4 x 4 英寸接地平面上测量的天线

　　图 1b：在 26.5 × 26.5 英寸全波接地平面上测量的天线。

　　图 1a 和 b：VSWR 图显示地平面的尺寸作为平衡点，相对于工作频率下的波长测量，对实际天线性能有重大影响。（图片来源：Linx Technologies）

　　查看 VSWR 图可以看出，较大的接地层会降低谐振频率并加宽带宽。在这种情况下，较宽的带宽抵消了频率下降，因此预期中心频率处的 VSWR 仍小于 2.0:1。

　　相反，如果将天线调谐到较大的平面上，然后放置在较小的平面上，则中心频率会移动得更高，带宽会更小。这可能导致 VSWR 超出规范。这种效应会被螺旋天线放大。

　　螺旋天线被盘绕以减小其尺寸，但这也具有使带宽变窄的效果。接地平面太小可能会将带宽缩小到难以保持天线性能超过生产公差和存在外部影响的程度。

　　无论选择何种天线样式，都应将实施的接地平面的尺寸与天线制造商的参考平面和计算的理想值进行比较。只要有可能，应使用网络分析仪和频谱分析仪等工具测量实际天线性能，因为上述偏移会影响系统效率并显着影响产品的最终范围。就其性质而言，天线对其周围环境很敏感并受其影响，因此实际的产品内放置，以及由于产品使用、握持或安装方式而引起的变化，会极大地影响关键规格——通常是负面的， 很遗憾。

　　如果天线不匹配，可以增加发射机输出功率进行补偿。权衡是更高的电流消耗和更短的电池寿命。对于大多数接收器，几乎无法恢复失去的灵敏度。在某些情况下，可以在天线之后和接收器前端之前放置一个低噪声放大器 （LNA），但这会增加成本、电流消耗和尺寸。

　　不仅接地平面的大小决定了性能，而且还决定了天线在接地平面上的位置。这些图显示了 4 × 4 英寸接地平面上两个 418 MHz 天线的辐射方向图（图 2a 和 2b）。两根天线具有相同的元件，但一根安装在平面的中间，一根安装在边缘，带有一个直角连接器。

　　从典型天线的图中可以看出——在这种情况下，数据与 Linx Technologies 的ANT-418-CW-RH 418 MHz 单元相关——当天线安装在中间时，方向图是一致的。由于天线安装在飞机的边缘，更多的能量会从飞机辐射出去。这将导致系统在一个方向上比在另一个方向上具有更好的范围。这可能会影响最终产品的性能和感知质量，因此应在设计阶段及早考虑。

　　图 2a：天线相对于地平面的放置对性能和辐射方向图也有重大影响；显示的是 Linx Technologies 的 ANT-418-CW-RH 418 MHz 天线的图案，该天线以 4 × 4 英寸接地平面为中心。（图片来源：Linx Technologies）

　　图 2b：显示的是边缘安装的 418 MHz 天线辐射方向图，也在 4 × 4 英寸的接地平面上。将此与上面的居中版本进行比较。（图片来源：Linx Technologies）

　　所有这些示例都显示了与地平面正交的四分之一波单极子。天线与地面位于同一平面也很常见。再次，接地平面成为天线系统的另一个元素（图 3）。

　　这种定位在手机等手持产品中很常见。与天线指向相反方向的接地平面的长度至关重要。理想情况下，它应该是四分之一波长，但如果可以接受性能的牺牲，它可以更短。

　　图 3：地平面的方向与波长的关系也很关键。显示的是 Linx Technologies 的 ANT-916-CW-RH-ND 916 MHz 天线在 4 × 4 英寸接地平面的同一平面上的辐射方向图。（图片来源：Linx Technologies）

　　这些测量有助于说明概念，但仅在特定板上测量时对特定天线有效。由于放置在板上的任何东西都在天线的近场（在一个波长内），因此会对辐射方向图产生影响。电路板形状在一个波长内的任何变化也会对图案产生影响。

　　谨慎使用制造商提供的图案

　　虽然制造商的图案可以大致了解天线的性能，但它们通常与最终产品中的天线性能没有相似之处。极坐标图（对于这些类型的天线）制作成本很高，并且不能为客户提供太多有用的信息。这可能是一些天线制造商没有列出单极天线的增益规格或极坐标图的原因。

　　然而，制造商的增益和辐射方向图适用于许多天线样式。八木天线、抛物线天线、角天线和喇叭天线都是不依赖于设计者提供的接地平面的类型。AM/FM 收音机的广播天线通常将地球用作发射塔的接地平面。由于地球在这些频率上远大于一个波长，因此它就像一个无限的地平面。但是，这些样式中的任何一种都不会被考虑用于便携式产品。

　　偶极天线是可行的替代方案

　　偶极天线也可能以类似的方式受到接地平面的影响，具体取决于其结构。一些偶极天线的外形尺寸与鞭状天线相同（如果您假设但不检查数据表，这可能会产生误导），但在套管内会有平衡器和元件。通常，地网将是一个金属管，天线元件位于顶部。

　　该图显示了 Linx Technologies 的WRT 系列偶极子的一个成员，该偶极子结构紧凑且防篡改。它们专为自动售货机和类似设备等天线物理安全性很重要的应用而设计。

　　WRT 系列偶极子有多种型号可供选择，以 418 MHz、433 MHz、868 MHz、916 MHz 和 2.45 GHz 为中心工作。2.4 GHz 天线长约 1.9 英寸，包括其“顶帽”，并通过产品外壳上的孔安装。它用螺母或螺纹紧固件固定，并连接到 8.5 英寸长的 RG174 电缆，另一端带有符合 SMA 或 FCC Part 15 标准的 RP-SMA 连接器（提供其他连接器选项）。

　　关于具有内部平衡的天线的一个常见误解是它们的特性不受外部因素的影响。虽然天线正确运行不需要外部接地层，但如果将其中一个天线连接到具有接地层的产品，您将看到与图 3 所示相同的变化。产品的外部平面将增加天线的内部平衡并改变频率、增益和辐射方向图。

　　性能变化可能很小，但应该认识到，虽然偶极子不需要接地层，但它不能不受外部因素的影响。偶极子的部分吸引力在于天线无需外部接地层即可正常工作。缺点是偶极子天线通常更大且更昂贵，因为它们在内部包含平衡网。

　　使用四分之一波长单极天线进行设计

　　对于刚接触无线领域的设计师来说，一个常见的陷阱是地平面的实现。如前所述，地平面是天线的另一半，因此对产品的最终性能至关重要。设计师必须做对。

　　接地层是电路板一层上的实心铜填充物，连接到电池的负极端子。这种填充不仅充当天线的平衡点，而且还是板上所有组件的接地连接。当添加其他组件并布线以连接它们时，就会出现问题。

　　这是一种非常罕见且简单的设计，不需要在多个层上布线。与接地层在同一层上布线的每条走线都会对射频性能产生重大影响。最好从天线连接的角度看板子。目标是有一条低阻抗路径返回电池或电源连接。这是通过宽阔、通畅的路径来实现的。

　　如果接地平面被走线、通孔组件或过孔切割，那么它将无法发挥天线平衡器的作用。可能发生的最糟糕的事情之一是地平面被切断，以至于它必须通过通孔在层之间来回跳跃来连接。过孔与电感有关，这会增加其在高频时的阻抗。这将导致接地平面在 RF 频率下浮动在地面上方的某个位置，这将降低天线的性能，从而降低产品的范围。

　　在接地平面层上走线时，尽量向天线呈现最小的轮廓，通常是走线的宽度。在实践中，这意味着走线远离天线而不是整个电路板。

　　图 ：这种 PC 板布局在天线和电池之间具有较宽的接地层路径，由于整个电路板的射频阻抗较低，因此具有良好的性能。（图片来源：Linx Technologies）

　　该板使用四分之一波单极天线，其安装方向与接地平面相同。顶层为红色，底层为蓝色。几乎所有底层走线都远离天线（上下），而不是穿过其谐振路径（左右）。一个通孔组件也从天线“逃跑”。从天线的角度看电路板，从天线到电池（底部）的路径非常宽。这将意味着所有 RF 级的良好、低阻抗接地连接，这将最大限度地提高 RF 性能。

　　接地平面还允许在射频级和天线之间实施微带线。微带是指在接地平面上运行的印刷电路板迹线，该接地平面设计用作模块和天线之间的传输线。传输线是一种允许射频能量以最小损耗从一个地方传输到另一个地方的介质。

　　这是一个关键因素，因为通向天线的走线可以有效地增加天线的长度，从而改变其谐振频率。微带线的宽度取决于所需的线路特性阻抗、印刷电路板的厚度和电路板材料的介电常数。正确实施后，微带线会将天线连接到射频级，而不会影响天线的谐振频率或与射频级的匹配。

　　另一件似乎经常让设计人员措手不及的事情是，标准连接器，如 SMA、BNC 和 MCX，在美国用作 CFR 第 15 部分某些部分的设备的天线连接是非法的。FCC不希望最终用户能够更换产品认证的天线。出于这个原因，天线将需要使用非标准的、专有的或永久的连接。幸运的是，FCC 认为反极性连接器是非标准的，因此它们通常被 OEM 用于天线。

　　产品趋势和需求推动更小的天线实施

　　便携式设备（如可穿戴设备和智能手机）的普及显然需要非常小的天线，并且还可以完全放置在最终产品中。造成这种情况的不仅仅是最小化其尺寸的需要：它还受到多频段无线设备的趋势以及需要符合新兴的下一代 5G 标准的设备的驱动。

　　在这里，驱动因素是需要多个天线来服务多个独立频段，以及实现用于分集和波束成形的 MIMO（多输入/多输出）天线阵列的天线配置，因此空间非常宝贵。有关 MIMO 链路的更多信息，请参阅 TechZone 文章“了解和实施 MIMO 射频链路”。对于这些应用中的许多应用，还需要或至少希望使天线成为可以与其他有源和无源组件一起安装在 PC 板上的组件。

　　这些需求推动了不那么显眼的天线（例如芯片设备）的开发和大众市场使用。其他较新的天线选项包括独立的贴片配置，甚至是利用一些印刷电路板铜的天线。

　　芯片天线是多层陶瓷元件，它们在特定频率下谐振，因此由于它们的尺寸、蚀刻和分层而充当天线。例如，Johanson Technology 的2450AT18B100E尺寸仅为3.2 × 1.6 mm，高 1.3 mm，专为广泛使用的 2.4 至 2.5 GHz 频段而设计，非常适合紧凑型、手持式或可穿戴设备。该天线的峰值增益为 0.5 dBi，典型增益为 -0.5 dBi，可处理高达 2 W 的发射功率。当然，数字会随着实际放置而变化，因此建模和验证至关重要。

　　它们最常被制造为单极天线、倒 F 天线 （IFA） 和平面倒 F 天线 （PIFA） 配置。它们像任何传统的表面贴装元件一样放置在印刷电路板上；无需特殊处理或制造注意事项。但是，必须分配一定数量的印刷电路板铜箔并将其保留为接地层。

　　顾名思义，贴片天线是一种小型附加的、类似贴片的组件，通过一根短的同轴引线连接到 PC 板。这种设计意味着它不需要电路板面积，也不受附近电路板元件的影响。它通常放置在产品外壳内，并且通常简单地用胶带固定在该外壳的内部。

　　Antenova SRF2W012-100 DROMUS 是贴片天线的一个示例。它的尺寸仅为 30.0 × 6.0 × 0.15 mm，并支持两个最常用的 Wi-Fi 频段的双频段操作：2.4 至 2.5 GHz 和 4.9 至 5.9 GHz。它提供一系列标准同轴电缆长度。电缆本身的直径仅为 1.13 毫米，并带有一个附加的射频微型连接器。SRF2W012-100 的射频性能取决于感兴趣的频段。对于低频段，峰值增益为 3.0 dBi，平均增益为 -1.5 dBi，VSWR 为 1.5。对于高频段，数字分别为 4.0 dBi、-1.8 dBi 和 1.8。

　　最后，PC 板天线，也称为“跟踪”天线，使用电路板上精确蚀刻的铜作为天线。这种方法具有明显的优点和缺点。从积极的方面来说，它显然没有或几乎没有直接成本和 BOM 影响，并且只需要额外几平方厘米的电路板。在天线中独一无二，它可以设计和制造成复杂的配置，不仅可以在多个频段上谐振，而且还可以结合滤波或特殊特性（例如极化），而无需额外的制造成本。

　　不利的一面是，它占用宝贵的电路板空间，对附近元件的放置非常敏感，任何电路板重新设计都会对其性能产生重大影响。在某些情况下，它是一种有吸引力的解决方案，例如具有数百或数千个相同发射/接收模块的复杂相控阵雷达系统，但对于可穿戴设备或智能手机等小型消费产品的吸引力要小得多。

　　结论

　　天线是系统性能的关键组件，应在设计过程的早期考虑。应该认识到，天线数据表上的规格不一定反映其在最终产品中的性能。这是设计特定因素的结果，例如此处讨论的因素，以及天线供应商之间的不同参考、测试方法和演示格式。

　　考虑到这一点，必须为测试和优化天线留出余地，将其作为整个设计过程的一个组成部分。虽然最终用户不太可能花很多时间考虑天线实施的细微差别，但他们肯定会欣赏精心设计的产品的范围和可靠性。天线设计和应用领域很复杂，但通过了解一些基本规则，不必成为天线设计人员即可充分利用天线设计。