满足不同应用要求的天线选择

今天，几乎每个移动设备都至少有一个内置天线，有许多设备运行三个或更多设备，为GPS，Wi-Fi，蓝牙，ZigBee等功能提供无线通信，当然还有手机（CDMA） ，GSM，3G，LTE 4G，WiMAX等）。在典型的单通道系统中，发射和接收路径复用到天线（图1）。然而，也可以在同一接收器上使用多个天线来利用“天线分集”，通过该天线分集，信号处理选择更强的信号以改善接收。此外，MIMO（多输入/多输出）无线电的使用将为混合添加更多天线，每个接收/发送信道具有其自己的天线（例如，2×2MIMO系统将具有四个天线）。

图1：典型的无线电子系统具有通过双工器连接到天线的系统的发送侧和接收部分。 （由Johanson Technology提供。）尽管天线是几乎所有便携式设备中必不可少的元件，但天线的选择往往留在系统设计的最后，设计人员最终试图安装天线或天线阵列进入任何可用的空间。在某些系统中，天线是蚀刻在系统印刷电路板（PCB）上的迹线的一部分，或作为芯片元件安装在PCB上（图2）。在其他设计中（图3），天线是RF模块封装的一部分，而在其他设计中，天线是系统外壳的一部分（就像嵌入Apple iPhone 4的天线一样）。

图2：芯片天线的一些代表性样本。 （由Johanson Technology提供。）

图3：几个样品天线沉积在塑料部件上，用于形成用于固定收音机的壳体的一部分。 （由Molex提供。）

为了将天线存放在塑料上，Molex采用了一种称为激光直接结构（LDS）的技术，将三维激光系统与其计算机自动设计（CAD）软件连接起来，以传输天线设计直接从CAD系统到塑料载体上。

因此，选择最佳天线需要的不仅仅是一组RF规范。物理尺寸是一个重要因素，当便携式设备中多个无线电同时有效时，天线之间可能存在干扰。此外，在将天线设计到系统中时，您必须考虑因素，例如方向，天线与PCB上微带线的阻抗匹配，PCB布局（考虑到PCB上的其他组件以及它们如何可能会干扰RF信号），外壳材料，相邻金属部件和其他因素。所有这些方面都可能导致信号强度下降，使得当组合时，系统没有接收信号或传输功率的显着损失。

例如，对于集成在PCB上的天线，接地层的几何形状会影响天线的阻抗。因此，应根据地平面的大小和形状调整天线的长度。天线形状可以是圆形，方形，矩形或椭圆形，并且蚀刻在PCB的一侧; PCB的另一侧应裸露在天线区域内 - 天线下方不应有地平面或电路走线。在发射路径上，功率放大器连接到天线（直接或通过匹配网络）。天线的另一端通常是开放的，天线类似于鞭状或单极天线。虽然印刷天线可以节省金钱，但使用它们的缺点是它们的特性取决于电路板材料和迹线的制造公差。有表面贴装天线可用，具有更多可重复的特性，当天线设计的一致性很重要时，应考虑它们。

天线辐射方向图是一个关键方面，有助于确定辐射能量在自由空间中的释放方式以及实现模式所需的天线配置。在大多数便携式手持式应用中，全向天线优于高增益天线，因为高增益天线是定向的 - 它们在一个方向上提供了良好的性能，在其他方向上提供了性能下降。

天线也可以作为一个小型PCB，可以安装在主系统PCB上。有时被称为纸夹天线，它通常由连接到PCB的金属丝或扁平金属条组成，然后遵循与蚀刻的PCB天线类似的布局。这种凸起的天线的阻抗类似于蚀刻的PCB天线的阻抗。

典型天线的最短谐振波长是半波长，尽管四分之一波长的单极天线（例如Johanson的芯片天线）可以减少天线所需的空间。如果与适当的传输线馈电结构和合适的接地平面结合使用，天线可以像半波长偶极子系统那样工作。接地平面形成第二四分之一波长元件以完成半波长偶极子。

必须进行天线的阻抗匹配，以优化天线性能。为了使天线与微带线的50Ω阻抗匹配，外部组件通过最大化向天线的功率传输来“调谐”天线以在工作频率带宽处获得最佳响应。例如，Johanson Technology型号2450AT45A100芯片天线工作在2.45 GHz，需要1.5 pF串联电容和3.9 nH分流电感（图4）。图4中的附图显示了天线的性能，有无调谐组件。优化结果显示回波损耗显着改善（改善的VSWR）。但是，实际元件值会因每种应用而异，具体取决于PCB材料，电路板和走线厚度以及其他因素。

图4：2.45 GHz天线的物理PCB布局显示了用于通过添加串联电容和并联电感来改善芯片天线性能的匹配网络。 （由Johanson Technology提供。）

一般而言，为了选择最佳天线，设计人员应将以下规范作为起点：频率，带宽，辐射方向图（峰值增益和平均增益）和尺寸。通常，频带将确定天线的一般尺寸，或者如果系统将在多个频带上操作，则必须将多个天线合并到系统中。

Johanson Technology，Antenova，TDK Corporation，Molex等公司提供的芯片天线可以表面安装在无线电电路板上。这些芯片天线具有各种尺寸，具有宽范围的增益值和回波损耗值，具体取决于天线所需的频率范围。天线也可以激光蚀刻在容纳无线电电路的壳体的各种塑料部分上。例如，用于移动电视应用的天线（图5）将天线图案打印到塑料载体上，塑料载体是移动产品外壳的一部分。

图5：设计用于移动电视应用，天线存放在长塑料载体框架上，该框架是移动产品包装（顶部）的一部分。用于工业科学医疗（ISM）频带（底部）的非常紧凑的2.4 GHz天线也可以印刷在塑料上。 （由Molex提供。）

天线具有多种形状和尺寸，可满足几乎所有应用要求。但是，如果现成的天线不能满足您的性能要求，几乎每个天线供应商也会设计定制解决方案。