【物联网天线选择攻略】2.4GHz 频段增益天线模块设备选择

 天线模块设备(antenna)是一种能量变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介中传播的电磁波，或者进行相反的变换。对于设计一个应用于射频系统中的小功率、短距离的2.4GHz无线收发设备，天线的设计和选择是其中的重要部分，良好的天线系统可以使通信距离达到最佳状态。2.4GHz天线的种类也很多，不同的应用需要不用的天线。

 

增益天线简介

图1  天线传输原理

 

为保证天线的传输效率，天线的长度大约是电磁波波长的1/4，所以信号频率越低，波长越长，天线的长度越长；信号频率越高，波长越短，天线的长度越短。则常用的2.4GHz频段频率高，波长短，天线的长度短，可用内置天线，也可以用外置天线。天线做的更短，如1/8波长或1/16波长，也可以使用，只是效率会下降。某些设备会采用“短天线+LNA”的方式，也能达到长天线的接收效果。但是短天线要达到长天线的发射效果，就需要提升发射功率了，因此对讲机需要发射信号，都是长的外置天线，而FM收音机只收不发，有内置接收天线。例如2G(900MHz)、4G(700-2600MHz)、WIFI和蓝牙(2.4GHz)、GPS(1.5GHz)，这些常用的物联网通信方式，可以做内置天线。

 

对于手持机、穿戴设计、智能家居等小尺寸产品，很少使用外置天线，普遍采用内置天线。集成度高，产品外观更美观，性能比外置天线略弱一点。物联网、智能硬件产品，要联网传输数据，都需要有天线。空间越小、频段越多，天线设计越复杂。外置天线一般都是标准品，买频段合适的，无需调试，即插即用。例如快递柜、售货机这些，普遍使用磁吸的外置天线，吸在铁皮外壳上即可。这些天线不能放在铁皮柜里面，金属会屏蔽天线信号，所以只能放在外面。优点是使用方便、价格便宜，缺点是不能用在小尺寸产品上。

 

天线类别

 

那如何从众多的2.4GHz天线中选择出适合自己无线收发设备的2.4GHz天线，接下来就通过对2.4GHz天线的分类和分类对比来介绍如何选择2.4GHz天线。应用在2.4GHz频段上的天线主要有陶瓷天线、PCB天线和弹簧天线等，陶瓷天线和PCB天线属于内置天线，弹簧天线属于外置天线。

 

一、陶瓷天线

图2  各种类型的陶瓷天线

 

陶瓷天线工作原理是利用GPS卫星来实现导航定位的，而用户的接收机主要任务是提取卫星信号中的伪随机噪声码和数据码，以进一步解算得到接收机载体的位置、速度和时间(PVT)等导航信息，陶瓷天线的原理要分两部分来说：一是发射天线，一是接收天线。一般的天线都具有可逆性，可同时做发射天线和接收天线。陶瓷天线发射天线简单说，就是通过一根叫做“天线”的电极将天线与地之间形成的高频电场变成电磁波，从而能发射出去并传波到远方。陶瓷天线接收天线简单说，就是通过一根叫做“天线”的电极将空中传来的电磁波感应为电场，生成高频信号电压，送到接收机进行信号处理。在陶瓷天线单元设计中采用了高频、低噪声放大器，以减弱天线热噪声及前面几级单元电路对接收机性能的影响，而陶瓷天线的作用是将卫星传来的无线电信号的电磁波能量变换成接收机电子器件可摄取应用的电流，所以天线的大小和形状十分重要，因为这些决定了陶瓷天线能获取微弱的电磁波信号的能力。

 

陶瓷天线是一种适合于蓝牙装置使用的小型化天线，在物联网产品中用的最多的，就是GPS、蓝牙、GSM陶瓷天线。陶瓷天线分为块状陶瓷天线和多层陶瓷天线。块状天线是使用高温将整块陶瓷体一次烧结完成后再将天线的金属部分印在陶瓷块的表面上。而多层天线烧制采用低温共烧的方式讲多层陶瓷迭压对位后再以高温烧结，所以天线的金属导体可以根据设计需要印在每一层陶瓷介质层上，如此一来可以有效缩小天线尺寸，并能达到隐藏天线目的。

由于陶瓷本身介电常数比PCB电路板的要高，所以使用陶瓷天线能有效缩小天线尺寸。在介电损耗方面，陶瓷介质也比PCB电路板的介电损失小，所以非常适合低耗电率的的蓝牙模块中使用。陶瓷天线尺寸一般 1210 封装相当，效果要强于板载天线。使用也比较方便，一般有ANT 接入脚和地脚，在PCB设计时，天线周围一定要净空，特别注意不能敷铜。同时在使用陶瓷天线时，也要注意巴伦电路的匹配问题，如果是用专用的集成电路，最好让生产商测试一下平衡电路与陶瓷天线的匹配情况。如果匹配的不好，也会影响天线的效果。  

 

陶瓷天线的优点是占用空间很小、性能比较好。缺点是很难做到多频段，因此难以应用在4G类产品中。对电路板净空要求比较高，不适用于特别紧凑的产品。

 

二、PCB天线

图3  各种类型的PCB天线

 

PCB天线是指无线接收和发射用的PCB上的部分。发射时，它把发射机的高频电流转换为空间电磁波；接收时，它又把从空间获取的电磁波变换成高频电流输入接收机。使用PCB天线时，也要注意巴伦电路的匹配问题，如果是用专用的集成电路，最好让生产商测试一下平衡电路与PCB天线的匹配情况，如果匹配的不好，也是会影响天线的效果的。

PCB天线大量应用于蓝牙模块、WIFI模块、ZIGBEE模块等单一频段的模块电路板上。

 

优点是空间占用较少，成本低廉，不需单独组装天线，不易触碰损坏，整机组装方便，但会牺牲性能。缺点是单个天线场型很难做到圆整，插损高，效率相对低下，容易遭到主板上的干扰；同时只适合单一频段，如蓝牙，wifi；不同批次的PCB天线性能会有一定偏差。

 

三、外置天线

图4 各种不同的外置天线
 

 

外置天线主要是通过直接焊接在天线（ANT）引脚、IPEX接口或者SMA接口来连接外置天线，IPEX天线接口和SMA天线接口是一种作为射频电路和天线的接口，被广泛应用于无线局域网相关产品的单板上。

 

外置天线的种类有很多，弹簧天线、FPC天线、短胶棒天线、长可弯折天线、吸盘天线等外置天线。外置天线的优点是场型能控制更好，插损低，信号的方向指向性好，效率高，抗干扰能力强，能减少受到主板上的干扰，而且不用太多的调试匹配，若存在无线收发设备和外置天线不匹配的情况，也可以通过直接更换外置天线来解决，无须更换PCB板；缺点是成本较高，组装起来比较麻烦。

 

 

2.4G天线的应用

 

 以成都亿佰特的E73系列蓝牙模块为例介绍2.4G不同的天线类型对比。

 图5 成都亿佰特公司E73系列模块

 

序号	参数名称	E73-2G4M04S1A	E73-2G4M04S1B	E73-2G4M08S1C	E73-2G4M04S1D
1	射频芯片	nRF52810	nRF52832	nRF52840	nRF51822
2	品牌	NORDIC	NORDIC	NORDIC	NORDIC
3	模块尺寸	17.5*28.7mm	17.5*28.7mm	13*18mm	17.5*28.7mm
4	工作频段	2.379~2.496GHz	2.379~2.496GHz	2.360~2.5GHz	2.379~2.496GHz
5	内核	ARM Cortex-M4	ARM Cortex-M4F	ARM Cortex-M4	ARM Cortex-M0
6	支持协议	BLE 4.2/5.0	BLE 4.2/5.0	BLE 4.2/5.0	BLE 4.2/5.0
7	FLASH	192KB	512KB	1024KB	256KB
8	RAM	24KB	64KB	256KB	16KB
9	供电电压	1.8V~3.6V DC，推荐3.3V	1.8V~3.6V DC，推荐3.3V	1.8V~3.6V DC，推荐3.3V	1.8V~3.6V DC，推荐3.3V
10	通信电平	3.3V	3.3V	3.3V	3.3V
11	实测距离	100m，晴朗空旷，最大功率，天线增益5dBi，高度2.5m，1M空中速率	100m，晴朗空旷，最大功率，天线增益5dBi，高度2.5m，1M空中速率	120m，晴朗空旷，最大功率，天线增益5dBi，高度2.5m，1M空中速率	100m，晴朗空旷，最大功率，天线增益5dBi，高度2.5m，1M空中速率
12	发射功率	最大4dBm	最大4dBm	最大8dBm	最大4dBm
13	接收灵敏度	-95dBm@1Mbps	-95dBm@1Mbps	-103dBm@125kbps,-95dBm@1Mbps	-96dBm
14	接口方式	IPEX/PCB，默认PCB	IPEX/PCB，默认PCB	陶瓷天线	IPEX/PCB，默认PCB

表1  E73系列模块电气参数对比图

 

由表1可知，E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B、E73-2G4M04S1D兼容的是IPEX天线和PCB天线，默认接口都是PCB天线，E73-2G4M08S1C使用的是陶瓷天线。

 

由上表可以很清晰的看出E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B、E73-2G4M08S1C、E73-2G4M04S1D之间的区别，首先四个型号采用不同的芯片方案，尺寸和功率E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B和E73-2G4M04S1D是一样的，E73-2G4M08S1C稍有差异；但在相同的测试条件下，但从传输距离来讲，E73-2G4M08S1C相对于E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B和E73-2G4M04S1D这3个型号之间传输距离稍好，发射功率也会稍大一些。

 

特别要提出的是，E73-2G4M08S1C发射功率为8dBm，相对于别的蓝牙模块来说，功率会大一些，所以传输距离相比于别的蓝牙产品传输距离稍远。

 

若使用IPEX天线接口接入外置天线，传输距离肯定相对于板载天线，传输距离肯定会更远一些。若考虑要体积和安装的需求，同时传输距离也在可接受范围之内，板载的PCB天线或者陶瓷天线更受青睐。但是决定一个无线收发设备不仅仅是传输距离这项参数，更多的是产品的性能，以及在不同使用环境下的不同应用。所以不管是对于E73系列，还是对于成都亿佰特的其他蓝牙、ZigBee、GPRS产品，都有其必要的使用环境，可根据自身项目的需求来选择不同的2.4GHz天线。