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怎么让天线优化让无产品传输距离更远？
发布时间：
2019-07-11 16:24
无线模块的通信距离是一项重要指标，如何把有效通信距离最大化一直是大家疑惑的问题。本文根据调试经验及对天线的选择与使用方法做了一些说明，希望对工程师快速调试通信距离有所帮助。
一、天线的种类
随着技术的进步，为了节省研发周期，深圳市飞宇信电子推出各种各样的成品天线。接下来为大家介绍常用的天线种类:
(1) 板载PCB式天线:采用PCB蚀刻而成，成本低，但是性能有限，可调性好，可大批量用于蓝牙、WiFi无线通信模块。
(2) SMT贴片式：常用的有陶瓷天线，占用面积少，集成度高，容易更换，适用于对空间要求小的产品，但是该类型天线价格稍贵且带宽偏小。
(3) 外置棒状天线：性能好，无需调试，方便更换，增益高，适用于各种终端设备。
(4) FPC天线：通过馈线连接，安装自由，增益高，通常可以使用背胶贴在机器非金属外壳上，适用于性能要求高且外壳空间充足的产品上。
常见天线
天线的作用是将射频信号辐射到自由空间，这时候选择合适的天线对于传输距离就有很大的影响。天线对周围环境很敏感，很多情况下会出现即使选择了合适的天线，也达不到预期的效果。由于有些客户对天线设计需要考虑的因素不清楚，这里我们给出在实际工程设计中的一些经验，便于客户更好地设计出自己的电路与PCB，增加项目的成功机会。
二、天线的选择
影响无线模块通信距离的首要参数是发射功率，无线模块的发射功率以及对应的理想传输距离在手册上均能查到，在确定了发射功率满足需求的前提下，然后考虑天线的选用和天线的方向性。
天线的选用：
天线的主要指标包含以下几个：频率范围、驻波比SWR或VSWR、天线增益、极化方式和阻抗。频率范围按需选择；驻波比最好小于1.5；天线增益对传输距离也有影响；极化方式分为线性极化和圆极化；阻抗需要与无线模块的输出阻抗匹配，一般为50欧姆。这里要特别注意驻波比参数，购买天线后最好用网络分析仪测试一下SWR。驻波比与回波损耗、传输功率的对照表如下所示：
驻波比与回波损耗、传输功率对照表
由上表可知，VSWR=1.5时，理论传输功率为96%，当VSWR=2时，传输功率只有88.9%，有的天线驻波比指标是小于2，选用天线的时候最好是驻波比小于1.5，可以得到较高的传输功率。
天线的方向性：
天线都有方向性，指的是天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力。衡量天线方向性通常使用方向图，错误!未找到引用源。所示是一个频率范围从2400MHz到2500MHz天线的方向图。
天线的三维方向图
天线竖直放置时，红色最深的方向是天线辐射或接收能力最强的方向，所以在安装天线的时候，要尽可能往红色指向的方向去安装天线，这样才能保证足够好的信号质量。另外，金属平板对信号有屏蔽作用，所以发射，接收的方向上不要有金属平面。也有一些天线的手册上给出的天线方向图是用二维图来表示的，分为H-Plane和E-Plane，如图所示。
天线的二维方向图
在测试无线模块相互通信时，天线的方向性必须要考虑，在通信空间没有遮挡且天线的方向对应最强辐射方向时，通信的距离可以达到最大。如果天线安装的不合适，会导致通信距离变短，甚至无法通信。工程师在测试无线模块通信时，经常会遇到信号弱、通信距离没有达到手册中的说明或者丢包率高，在确定无线模块本身没问题的情况下，不妨先测试一下天线本身的性能，然后再按照天线信号辐射强的方向来测试，会得到更好的测试结果。
三、天线部分电路
1、匹配电路设计：在原理图设计时，需要在天线与模块射频输出管脚预留一个π型网络。天线的阻抗受PCB的铺地、天线的安装以及周围的金属等因素影响，预留这个网络是为了在天线严重偏离50欧姆阻抗时，将其匹配至50欧姆。X1，X2，X3都是电抗元件，如果天线是标准的50欧姆阻抗，那么X2，X3可以不焊接，X1接220PF电容或者0欧姆电阻。在PCB设计时，这三个器件已经尽量靠近模块的射频输出脚，并且连接的传输线短且直。匹配元件的周围1.5mm区域内不要铺地，以减少寄生参数对匹配电路的影响。
匹配电路
2、微带线设计：在PCB设计时，由于大部分的天线与模块的输出阻抗是50欧姆，为了尽量减少在传输过程中能量的反射，射频输出管脚到天线之间的PCB引线应为50欧姆的微带线。常用的板材为FR4（介电常数4.2-4.6），根据经验，当线宽约为微带线距离参考层距离的2.2倍时，微带线的特征阻抗约为50欧姆。具体设计时,建议使用微带线阻抗控制工具（ADS、txline等）来计算,并通过实际调试来完成微带线的设计。如下图所示，微带线下面的铺地层必须是完整的地，在微带线两侧需要多打接地过孔。
微带线
3、金属对天线的影响；如果天线附近有金属材料的物体时，金属能反射电磁波，不但会影响天线的实际使用空间，增加天线的损耗电阻，降低辐射效率，而且导致天线辐射性能的恶化。在安装天线时，要注意：
a：天线距离电池至少要有5mm：
b：天线距离屏蔽壳至少要有4mm；
c：在需要安装外壳的场合，不要在外壳表面使用具有金属成分的喷漆或者镀层。
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