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怎么让天线优化让无产品传输距离更远?

怎么让天线优化让无产品传输距离更远?

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【摘要】:
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。
  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。