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          如何通過天線優(yōu)化讓無線產(chǎn)品傳輸距離更遠(yuǎn)?

          作者:ZLG致遠(yuǎn)電子 時間:2018-06-01 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

            無線模塊的通信距離是一項重要指標(biāo),如何把有效通信距離最大化一直是大家疑惑的問題。本文根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗及對的選擇與使用方法做了一些說明,希望對工程師快速調(diào)試通信距離有所幫助。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201806/380944.htm

            一、的種類

            隨著技術(shù)的進(jìn)步,為了節(jié)省研發(fā)周期,不少廠商都推出各種各樣的成品。然而如果工程師選擇不當(dāng),不僅起不到應(yīng)有的效果,反而會浪費(fèi)很多時間與成本在排查調(diào)試上,得不償失。本文將介紹常用的幾種天線并結(jié)合在工程中的實際使用經(jīng)驗給出設(shè)計建議,以供大家參考。

            接下來為大家介紹常用的天線種類:

            (1)板載PCB式天線:采用PCB蝕刻而成,成本低,但是性能有限,可調(diào)性好,可大批量用于藍(lán)牙、WiFi無線通信模塊。

            (2)SMT貼片式:常用的有陶瓷天線,占用面積少,集成度高,容易更換,適用于對空間要求小的產(chǎn)品,但是該類型天線價格稍貴且?guī)捚 ?/p>

            (3)外置棒狀天線:性能好,無需調(diào)試,方便更換,增益高,適用于各種終端設(shè)備。

            (4)天線:通過饋線連接,安裝自由,增益高,通??梢允褂帽衬z貼在機(jī)器非金屬外殼上,適用于性能要求高且外殼空間充足的產(chǎn)品上。


            圖1 常見天線

            天線的作用是將射頻信號輻射到自由空間,這時候選擇合適的天線對于傳輸距離就有很大的影響。天線對周圍環(huán)境很敏感,很多情況下會出現(xiàn)即使選擇了合適的天線,也達(dá)不到預(yù)期的效果。由于有些客戶對天線設(shè)計需要考慮的因素不清楚,這里我們給出在實際工程設(shè)計中的一些經(jīng)驗,便于客戶更好地設(shè)計出自己的電路與PCB,增加項目的成功機(jī)會。

               二、天線的選擇

            影響無線模塊通信距離的首要參數(shù)是發(fā)射功率,無線模塊的發(fā)射功率以及對應(yīng)的理想傳輸距離在手冊上均能查到,在確定了發(fā)射功率滿足需求的前提下,然后考慮天線的選用和天線的方向性。

            首先是天線的選用:

            天線的主要指標(biāo)包含以下幾個:頻率范圍、駐波比SWR或VSWR、天線增益、極化方式和阻抗。頻率范圍按需選擇;駐波比最好小于1.5;天線增益對傳輸距離也有影響;極化方式分為線性極化和圓極化;阻抗需要與無線模塊的輸出阻抗匹配,一般為50歐姆。這里要特別注意駐波比參數(shù),購買天線后最好用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試一下SWR。

            駐波比與回波損耗、傳輸功率的對照表如表 1所示。

            表 1 駐波比與回波損耗、傳輸功率對照表


            由上表可知,VSWR=1.5時,理論傳輸功率為96%,當(dāng)VSWR=2時,傳輸功率只有88.9%,有的天線駐波比指標(biāo)是小于2,選用天線的時候最好是駐波比小于1.5,可以得到較高的傳輸功率。

            其次是天線的方向性:

            天線都有方向性,指的是天線對空間不同方向具有不同的輻射或接收能力。衡量天線方向性通常使用方向圖,圖 1所示是一個頻率范圍從2400MHz到2500MHz天線的方向圖。


            圖 1天線的三維方向圖

            天線豎直放置時,紅色最深的方向是天線輻射或接收能力最強(qiáng)的方向,所以在安裝天線的時候,要盡可能往紅色指向的方向去安裝天線,這樣才能保證足夠好的信號質(zhì)量。另外,金屬平板對信號有屏蔽作用,所以發(fā)射,接收的方向上不要有金屬平面。

            也有一些天線的手冊上給出的天線方向圖是用二維圖來表示的,分為H-Plane和E-Plane,如圖 2所示。


            圖 2 天線的二維方向圖

            在測試無線模塊相互通信時,天線的方向性必須要考慮,在通信空間沒有遮擋且天線的方向?qū)?yīng)最強(qiáng)輻射方向時,通信的距離可以達(dá)到最大。如果天線安裝的不合適,會導(dǎo)致通信距離變短,甚至無法通信。

            工程師在測試無線模塊通信時,經(jīng)常會遇到信號弱、通信距離沒有達(dá)到手冊中的說明或者丟包率高,在確定無線模塊本身沒問題的情況下,不妨先測試一下天線本身的性能,然后再按照天線信號輻射強(qiáng)的方向來測試,會得到更好的測試結(jié)果。

            三、天線部分電路

            1、匹配電路設(shè)計

            在原理圖設(shè)計時,需要在天線與模塊射頻輸出管腳預(yù)留一個π型網(wǎng)絡(luò)。天線的阻抗受PCB的鋪地、天線的安裝以及周圍的金屬等因素影響,預(yù)留這個網(wǎng)絡(luò)是為了在天線嚴(yán)重偏離50歐姆阻抗時,將其匹配至50歐姆。

            X1,X2,X3都是電抗元件,如果天線是標(biāo)準(zhǔn)的50歐姆阻抗,那么X2,X3可以不焊接,X1接220PF電容或者0歐姆電阻。在PCB設(shè)計時,這三個器件已經(jīng)盡量靠近模塊的射頻輸出腳,并且連接的傳輸線短且直。匹配元件的周圍1.5mm區(qū)域內(nèi)不要鋪地,以減少寄生參數(shù)對匹配電路的影響。


            圖2 匹配電路

            2、微帶線設(shè)計

            在PCB設(shè)計時,由于大部分的天線與模塊的輸出阻抗是50歐姆,為了盡量減少在傳輸過程中能量的反射,射頻輸出管腳到天線之間的PCB引線應(yīng)為50歐姆的微帶線。常用的板材為FR4(介電常數(shù)4.2-4.6),根據(jù)經(jīng)驗,當(dāng)線寬約為微帶線距離參考層距離的2.2倍時,微帶線的特征阻抗約為50歐姆。具體設(shè)計時,建議使用微帶線阻抗控制工具(ADS、txline等)來計算,并通過實際調(diào)試來完成微帶線的設(shè)計。如下圖所示,微帶線下面的鋪地層必須是完整的地,在微帶線兩側(cè)需要多打接地過孔。


            圖3 微帶線

            3、金屬對天線的影響

            如果天線附近有金屬材料的物體時,金屬能反射電磁波,不但會影響天線的實際使用空間,增加天線的損耗電阻,降低輻射效率,而且導(dǎo)致天線輻射性能的惡化。在安裝天線時,要注意:

            a:天線距離電池至少要有5mm;

            b:天線距離屏蔽殼至少要有4mm;

            c:在需要安裝外殼的場合,不要在外殼表面使用具有金屬成分的噴漆或者鍍層。

            看到這里,關(guān)于無線產(chǎn)品的天線設(shè)計技巧,你學(xué)到了嗎?



          關(guān)鍵詞: 天線 FPC

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