天線可以極大地提高系統(tǒng)性能，但前提是在設(shè)計過程的早期對其進(jìn)行適當(dāng)考慮。否則，設(shè)計人員可能會遇到空間和外形尺寸限制，從而阻止天線發(fā)揮其設(shè)計潛力。

　　此外，雖然設(shè)計師理解天線理論和原理至關(guān)重要，但理論有時會與嚴(yán)酷的現(xiàn)實發(fā)生沖突。例如，應(yīng)該認(rèn)識到天線數(shù)據(jù)表上的規(guī)格可能不是其在最終產(chǎn)品中性能的明確指標(biāo)。這是設(shè)計特定因素以及天線供應(yīng)商之間不同的參考、測試方法和演示格式的結(jié)果。

　　本文將介紹流行的天線配置，例如單極和偶極，并討論它們的性能特點以及如何在現(xiàn)實世界中使用它們。它還將討論更新的天線設(shè)計，例如貼片和芯片天線，以及它們?nèi)绾螏椭O(shè)計人員滿足更苛刻的應(yīng)用要求。

　　單極天線

　　單極天線的性能主要取決于用作天線另一半的平衡網(wǎng) ［參見第 1 部分］。該平衡點可以是電路板上的實心銅填充物或金屬外殼。由于 RF 級以電路接地為參考，因此該平面或外殼也以接地為參考（連接）。接地平面地網(wǎng)的大小，以及它相對于天線的位置，將對其電壓駐波比 （VSWR） 和增益產(chǎn)生重大影響。

　　通常，天線設(shè)計在半徑為一個波長的平衡網(wǎng)上。在一個波長上，平衡點的作用就像一個無限平面。這提供了很好的規(guī)格，但在現(xiàn)實世界中，無繩電話的天線不會有一英尺半徑的接地平面。該怎么辦？

　　一般來說，如果地網(wǎng)的半徑大于一個波長，則性能接近于無限大的地網(wǎng)。如果半徑小于一個波長，輻射方向圖和輸入阻抗就會受到影響，從而顯著影響性能。

　　Linx Technologies的ANT-916-CW-RH-ND單極天線的 VSWR 圖顯示了調(diào)諧到 4 × 4 英寸地平面平衡網(wǎng)時的帶寬相關(guān)性能（圖 1a 和 1b）。隨著 VSWR 隨頻率上升，天線的有用帶寬下降；當(dāng)然，一些應(yīng)用程序受益于更窄的帶寬，而對其他應(yīng)用程序則不利。一般準(zhǔn)則是，只要 VSWR 低于 2:1，天線就很有用，但這不是不可違反的準(zhǔn)則。

　　圖 1a：在 4 x 4 英寸接地平面上測量的天線

　　圖 1b：在 26.5 × 26.5 英寸全波接地平面上測量的天線。

　　圖 1a 和 b：VSWR 圖顯示地平面的尺寸作為平衡點，相對于工作頻率下的波長測量，對實際天線性能有重大影響。（圖片來源：Linx Technologies）

　　查看 VSWR 圖可以看出，較大的接地層會降低諧振頻率并加寬帶寬。在這種情況下，較寬的帶寬抵消了頻率下降，因此預(yù)期中心頻率處的 VSWR 仍小于 2.0:1。

　　相反，如果將天線調(diào)諧到較大的平面上，然后放置在較小的平面上，則中心頻率會移動得更高，帶寬會更小。這可能導(dǎo)致 VSWR 超出規(guī)范。這種效應(yīng)會被螺旋天線放大。

　　螺旋天線被盤繞以減小其尺寸，但這也具有使帶寬變窄的效果。接地平面太小可能會將帶寬縮小到難以保持天線性能超過生產(chǎn)公差和存在外部影響的程度。

　　無論選擇何種天線樣式，都應(yīng)將實施的接地平面的尺寸與天線制造商的參考平面和計算的理想值進(jìn)行比較。只要有可能，應(yīng)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻譜分析儀等工具測量實際天線性能，因為上述偏移會影響系統(tǒng)效率并顯著影響產(chǎn)品的最終范圍。就其性質(zhì)而言，天線對其周圍環(huán)境很敏感并受其影響，因此實際的產(chǎn)品內(nèi)放置，以及由于產(chǎn)品使用、握持或安裝方式而引起的變化，會極大地影響關(guān)鍵規(guī)格——通常是負(fù)面的， 很遺憾。

　　如果天線不匹配，可以增加發(fā)射機輸出功率進(jìn)行補償。權(quán)衡是更高的電流消耗和更短的電池壽命。對于大多數(shù)接收器，幾乎無法恢復(fù)失去的靈敏度。在某些情況下，可以在天線之后和接收器前端之前放置一個低噪聲放大器 （LNA），但這會增加成本、電流消耗和尺寸。

　　不僅接地平面的大小決定了性能，而且還決定了天線在接地平面上的位置。這些圖顯示了 4 × 4 英寸接地平面上兩個 418 MHz 天線的輻射方向圖（圖 2a 和 2b）。兩根天線具有相同的元件，但一根安裝在平面的中間，一根安裝在邊緣，帶有一個直角連接器。

　　從典型天線的圖中可以看出——在這種情況下，數(shù)據(jù)與 Linx Technologies 的ANT-418-CW-RH 418 MHz 單元相關(guān)——當(dāng)天線安裝在中間時，方向圖是一致的。由于天線安裝在飛機的邊緣，更多的能量會從飛機輻射出去。這將導(dǎo)致系統(tǒng)在一個方向上比在另一個方向上具有更好的范圍。這可能會影響最終產(chǎn)品的性能和感知質(zhì)量，因此應(yīng)在設(shè)計階段及早考慮。

　　圖 2a：天線相對于地平面的放置對性能和輻射方向圖也有重大影響；顯示的是 Linx Technologies 的 ANT-418-CW-RH 418 MHz 天線的圖案，該天線以 4 × 4 英寸接地平面為中心。（圖片來源：Linx Technologies）

　　圖 2b：顯示的是邊緣安裝的 418 MHz 天線輻射方向圖，也在 4 × 4 英寸的接地平面上。將此與上面的居中版本進(jìn)行比較。（圖片來源：Linx Technologies）

　　所有這些示例都顯示了與地平面正交的四分之一波單極子。天線與地面位于同一平面也很常見。再次，接地平面成為天線系統(tǒng)的另一個元素（圖 3）。

　　這種定位在手機等手持產(chǎn)品中很常見。與天線指向相反方向的接地平面的長度至關(guān)重要。理想情況下，它應(yīng)該是四分之一波長，但如果可以接受性能的犧牲，它可以更短。

　　圖 3：地平面的方向與波長的關(guān)系也很關(guān)鍵。顯示的是 Linx Technologies 的 ANT-916-CW-RH-ND 916 MHz 天線在 4 × 4 英寸接地平面的同一平面上的輻射方向圖。（圖片來源：Linx Technologies）

　　這些測量有助于說明概念，但僅在特定板上測量時對特定天線有效。由于放置在板上的任何東西都在天線的近場（在一個波長內(nèi)），因此會對輻射方向圖產(chǎn)生影響。電路板形狀在一個波長內(nèi)的任何變化也會對圖案產(chǎn)生影響。

　　謹(jǐn)慎使用制造商提供的圖案

　　雖然制造商的圖案可以大致了解天線的性能，但它們通常與最終產(chǎn)品中的天線性能沒有相似之處。極坐標(biāo)圖（對于這些類型的天線）制作成本很高，并且不能為客戶提供太多有用的信息。這可能是一些天線制造商沒有列出單極天線的增益規(guī)格或極坐標(biāo)圖的原因。

　　然而，制造商的增益和輻射方向圖適用于許多天線樣式。八木天線、拋物線天線、角天線和喇叭天線都是不依賴于設(shè)計者提供的接地平面的類型。AM/FM 收音機的廣播天線通常將地球用作發(fā)射塔的接地平面。由于地球在這些頻率上遠(yuǎn)大于一個波長，因此它就像一個無限的地平面。但是，這些樣式中的任何一種都不會被考慮用于便攜式產(chǎn)品。

　　偶極天線是可行的替代方案

　　偶極天線也可能以類似的方式受到接地平面的影響，具體取決于其結(jié)構(gòu)。一些偶極天線的外形尺寸與鞭狀天線相同（如果您假設(shè)但不檢查數(shù)據(jù)表，這可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)），但在套管內(nèi)會有平衡器和元件。通常，地網(wǎng)將是一個金屬管，天線元件位于頂部。

　　該圖顯示了 Linx Technologies 的WRT 系列偶極子的一個成員，該偶極子結(jié)構(gòu)緊湊且防篡改。它們專為自動售貨機和類似設(shè)備等天線物理安全性很重要的應(yīng)用而設(shè)計。

　　WRT 系列偶極子有多種型號可供選擇，以 418 MHz、433 MHz、868 MHz、916 MHz 和 2.45 GHz 為中心工作。2.4 GHz 天線長約 1.9 英寸，包括其“頂帽”，并通過產(chǎn)品外殼上的孔安裝。它用螺母或螺紋緊固件固定，并連接到 8.5 英寸長的 RG174 電纜，另一端帶有符合 SMA 或 FCC Part 15 標(biāo)準(zhǔn)的 RP-SMA 連接器（提供其他連接器選項）。

　　關(guān)于具有內(nèi)部平衡的天線的一個常見誤解是它們的特性不受外部因素的影響。雖然天線正確運行不需要外部接地層，但如果將其中一個天線連接到具有接地層的產(chǎn)品，您將看到與圖 3 所示相同的變化。產(chǎn)品的外部平面將增加天線的內(nèi)部平衡并改變頻率、增益和輻射方向圖。

　　性能變化可能很小，但應(yīng)該認(rèn)識到，雖然偶極子不需要接地層，但它不能不受外部因素的影響。偶極子的部分吸引力在于天線無需外部接地層即可正常工作。缺點是偶極子天線通常更大且更昂貴，因為它們在內(nèi)部包含平衡網(wǎng)。

　　使用四分之一波長單極天線進(jìn)行設(shè)計

　　對于剛接觸無線領(lǐng)域的設(shè)計師來說，一個常見的陷阱是地平面的實現(xiàn)。如前所述，地平面是天線的另一半，因此對產(chǎn)品的最終性能至關(guān)重要。設(shè)計師必須做對。

　　接地層是電路板一層上的實心銅填充物，連接到電池的負(fù)極端子。這種填充不僅充當(dāng)天線的平衡點，而且還是板上所有組件的接地連接。當(dāng)添加其他組件并布線以連接它們時，就會出現(xiàn)問題。

　　這是一種非常罕見且簡單的設(shè)計，不需要在多個層上布線。與接地層在同一層上布線的每條走線都會對射頻性能產(chǎn)生重大影響。最好從天線連接的角度看板子。目標(biāo)是有一條低阻抗路徑返回電池或電源連接。這是通過寬闊、通暢的路徑來實現(xiàn)的。

　　如果接地平面被走線、通孔組件或過孔切割，那么它將無法發(fā)揮天線平衡器的作用?？赡馨l(fā)生的最糟糕的事情之一是地平面被切斷，以至于它必須通過通孔在層之間來回跳躍來連接。過孔與電感有關(guān)，這會增加其在高頻時的阻抗。這將導(dǎo)致接地平面在 RF 頻率下浮動在地面上方的某個位置，這將降低天線的性能，從而降低產(chǎn)品的范圍。

　　在接地平面層上走線時，盡量向天線呈現(xiàn)最小的輪廓，通常是走線的寬度。在實踐中，這意味著走線遠(yuǎn)離天線而不是整個電路板。

　　圖 ：這種 PC 板布局在天線和電池之間具有較寬的接地層路徑，由于整個電路板的射頻阻抗較低，因此具有良好的性能。（圖片來源：Linx Technologies）

　　該板使用四分之一波單極天線，其安裝方向與接地平面相同。頂層為紅色，底層為藍(lán)色。幾乎所有底層走線都遠(yuǎn)離天線（上下），而不是穿過其諧振路徑（左右）。一個通孔組件也從天線“逃跑”。從天線的角度看電路板，從天線到電池（底部）的路徑非常寬。這將意味著所有 RF 級的良好、低阻抗接地連接，這將最大限度地提高 RF 性能。

　　接地平面還允許在射頻級和天線之間實施微帶線。微帶是指在接地平面上運行的印刷電路板跡線，該接地平面設(shè)計用作模塊和天線之間的傳輸線。傳輸線是一種允許射頻能量以最小損耗從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方的介質(zhì)。

　　這是一個關(guān)鍵因素，因為通向天線的走線可以有效地增加天線的長度，從而改變其諧振頻率。微帶線的寬度取決于所需的線路特性阻抗、印刷電路板的厚度和電路板材料的介電常數(shù)。正確實施后，微帶線會將天線連接到射頻級，而不會影響天線的諧振頻率或與射頻級的匹配。

　　另一件似乎經(jīng)常讓設(shè)計人員措手不及的事情是，標(biāo)準(zhǔn)連接器，如 SMA、BNC 和 MCX，在美國用作 CFR 第 15 部分某些部分的設(shè)備的天線連接是非法的。FCC不希望最終用戶能夠更換產(chǎn)品認(rèn)證的天線。出于這個原因，天線將需要使用非標(biāo)準(zhǔn)的、專有的或永久的連接。幸運的是，F(xiàn)CC 認(rèn)為反極性連接器是非標(biāo)準(zhǔn)的，因此它們通常被 OEM 用于天線。

　　產(chǎn)品趨勢和需求推動更小的天線實施

　　便攜式設(shè)備（如可穿戴設(shè)備和智能手機）的普及顯然需要非常小的天線，并且還可以完全放置在最終產(chǎn)品中。造成這種情況的不僅僅是最小化其尺寸的需要：它還受到多頻段無線設(shè)備的趨勢以及需要符合新興的下一代 5G 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備的驅(qū)動。

　　在這里，驅(qū)動因素是需要多個天線來服務(wù)多個獨立頻段，以及實現(xiàn)用于分集和波束成形的 MIMO（多輸入/多輸出）天線陣列的天線配置，因此空間非常寶貴。有關(guān) MIMO 鏈路的更多信息，請參閱 TechZone 文章“了解和實施 MIMO 射頻鏈路”。對于這些應(yīng)用中的許多應(yīng)用，還需要或至少希望使天線成為可以與其他有源和無源組件一起安裝在 PC 板上的組件。

　　這些需求推動了不那么顯眼的天線（例如芯片設(shè)備）的開發(fā)和大眾市場使用。其他較新的天線選項包括獨立的貼片配置，甚至是利用一些印刷電路板銅的天線。

　　芯片天線是多層陶瓷元件，它們在特定頻率下諧振，因此由于它們的尺寸、蝕刻和分層而充當(dāng)天線。例如，Johanson Technology 的2450AT18B100E尺寸僅為3.2 × 1.6 mm，高 1.3 mm，專為廣泛使用的 2.4 至 2.5 GHz 頻段而設(shè)計，非常適合緊湊型、手持式或可穿戴設(shè)備。該天線的峰值增益為 0.5 dBi，典型增益為 -0.5 dBi，可處理高達(dá) 2 W 的發(fā)射功率。當(dāng)然，數(shù)字會隨著實際放置而變化，因此建模和驗證至關(guān)重要。

　　它們最常被制造為單極天線、倒 F 天線 （IFA） 和平面倒 F 天線 （PIFA） 配置。它們像任何傳統(tǒng)的表面貼裝元件一樣放置在印刷電路板上；無需特殊處理或制造注意事項。但是，必須分配一定數(shù)量的印刷電路板銅箔并將其保留為接地層。

　　顧名思義，貼片天線是一種小型附加的、類似貼片的組件，通過一根短的同軸引線連接到 PC 板。這種設(shè)計意味著它不需要電路板面積，也不受附近電路板元件的影響。它通常放置在產(chǎn)品外殼內(nèi)，并且通常簡單地用膠帶固定在該外殼的內(nèi)部。

　　Antenova SRF2W012-100 DROMUS 是貼片天線的一個示例。它的尺寸僅為 30.0 × 6.0 × 0.15 mm，并支持兩個最常用的 Wi-Fi 頻段的雙頻段操作：2.4 至 2.5 GHz 和 4.9 至 5.9 GHz。它提供一系列標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜長度。電纜本身的直徑僅為 1.13 毫米，并帶有一個附加的射頻微型連接器。SRF2W012-100 的射頻性能取決于感興趣的頻段。對于低頻段，峰值增益為 3.0 dBi，平均增益為 -1.5 dBi，VSWR 為 1.5。對于高頻段，數(shù)字分別為 4.0 dBi、-1.8 dBi 和 1.8。

　　最后，PC 板天線，也稱為“跟蹤”天線，使用電路板上精確蝕刻的銅作為天線。這種方法具有明顯的優(yōu)點和缺點。從積極的方面來說，它顯然沒有或幾乎沒有直接成本和 BOM 影響，并且只需要額外幾平方厘米的電路板。在天線中獨一無二，它可以設(shè)計和制造成復(fù)雜的配置，不僅可以在多個頻段上諧振，而且還可以結(jié)合濾波或特殊特性（例如極化），而無需額外的制造成本。

　　不利的一面是，它占用寶貴的電路板空間，對附近元件的放置非常敏感，任何電路板重新設(shè)計都會對其性能產(chǎn)生重大影響。在某些情況下，它是一種有吸引力的解決方案，例如具有數(shù)百或數(shù)千個相同發(fā)射/接收模塊的復(fù)雜相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，但對于可穿戴設(shè)備或智能手機等小型消費產(chǎn)品的吸引力要小得多。

　　結(jié)論

　　天線是系統(tǒng)性能的關(guān)鍵組件，應(yīng)在設(shè)計過程的早期考慮。應(yīng)該認(rèn)識到，天線數(shù)據(jù)表上的規(guī)格不一定反映其在最終產(chǎn)品中的性能。這是設(shè)計特定因素的結(jié)果，例如此處討論的因素，以及天線供應(yīng)商之間的不同參考、測試方法和演示格式。

　　考慮到這一點，必須為測試和優(yōu)化天線留出余地，將其作為整個設(shè)計過程的一個組成部分。雖然最終用戶不太可能花很多時間考慮天線實施的細(xì)微差別，但他們肯定會欣賞精心設(shè)計的產(chǎn)品的范圍和可靠性。天線設(shè)計和應(yīng)用領(lǐng)域很復(fù)雜，但通過了解一些基本規(guī)則，不必成為天線設(shè)計人員即可充分利用天線設(shè)計。