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

　　此外，雖然設(shè)計(jì)師理解天線理論和原理至關(guān)重要，但理論有時(shí)會(huì)與嚴(yán)酷的現(xiàn)實(shí)發(fā)生沖突。例如，應(yīng)該認(rèn)識(shí)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(jì)特定因素以及天線供應(yīng)商之間不同的參考、測(cè)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(diǎn)以及如何在現(xiàn)實(shí)世界中使用它們。它還將討論更新的天線設(shè)計(jì)，例如貼片和芯片天線，以及它們?nèi)绾螏椭O(shè)計(jì)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(jiàn)第 1 部分］。該平衡點(diǎn)可以是電路板上的實(shí)心銅填充物或金屬外殼。由于 RF 級(jí)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(duì)于天線的位置，將對(duì)其電壓駐波比 （VSWR） 和增益產(chǎn)生重大影響。

　　通常，天線設(shè)計(jì)在半徑為一個(gè)波長(zhǎng)的平衡網(wǎng)上。在一個(gè)波長(zhǎng)上，平衡點(diǎn)的作用就像一個(gè)無(wú)限平面。這提供了很好的規(guī)格，但在現(xiàn)實(shí)世界中，無(wú)繩電話的天線不會(huì)有一英尺半徑的接地平面。該怎么辦？

　　一般來(lái)說(shuō)，如果地網(wǎng)的半徑大于一個(gè)波長(zhǎng)，則性能接近于無(wú)限大的地網(wǎng)。如果半徑小于一個(gè)波長(zhǎng)，輻射方向圖和輸入阻抗就會(huì)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(shí)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(duì)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(cè)量的天線

　　圖 1b：在 26.5 × 26.5 英寸全波接地平面上測(cè)量的天線。

　　圖 1a 和 b：VSWR 圖顯示地平面的尺寸作為平衡點(diǎn)，相對(duì)于工作頻率下的波長(zhǎng)測(cè)量，對(duì)實(shí)際天線性能有重大影響。（圖片來(lái)源：Linx Technologies）

　　查看 VSWR 圖可以看出，較大的接地層會(huì)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(huì)移動(dòng)得更高，帶寬會(huì)更小。這可能導(dǎo)致 VSWR 超出規(guī)范。這種效應(yīng)會(huì)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(huì)將帶寬縮小到難以保持天線性能超過(guò)生產(chǎn)公差和存在外部影響的程度。

　　無(wú)論選擇何種天線樣式，都應(yīng)將實(shí)施的接地平面的尺寸與天線制造商的參考平面和計(jì)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(cè)量實(shí)際天線性能，因?yàn)樯鲜銎茣?huì)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(duì)其周圍環(huán)境很敏感并受其影響，因此實(shí)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(huì)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(jī)輸出功率進(jìn)行補(bǔ)償。權(quán)衡是更高的電流消耗和更短的電池壽命。對(duì)于大多數(shù)接收器，幾乎無(wú)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(gè)低噪聲放大器 （LNA），但這會(huì)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(gè) 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(gè)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(shí)，方向圖是一致的。由于天線安裝在飛機(jī)的邊緣，更多的能量會(huì)從飛機(jī)輻射出去。這將導(dǎo)致系統(tǒng)在一個(gè)方向上比在另一個(gè)方向上具有更好的范圍。這可能會(huì)影響最終產(chǎn)品的性能和感知質(zhì)量，因此應(yīng)在設(shè)計(jì)階段及早考慮。

　　圖 2a：天線相對(duì)于地平面的放置對(duì)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(lái)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(lái)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(jiàn)。再次，接地平面成為天線系統(tǒng)的另一個(gè)元素（圖 3）。

　　這種定位在手機(jī)等手持產(chǎn)品中很常見(jiàn)。與天線指向相反方向的接地平面的長(zhǎng)度至關(guān)重要。理想情況下，它應(yīng)該是四分之一波長(zhǎng)，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(zhǎng)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(lái)源：Linx Technologies）

　　這些測(cè)量有助于說(shuō)明概念，但僅在特定板上測(cè)量時(shí)對(duì)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(chǎng)（在一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)），因此會(huì)對(duì)輻射方向圖產(chǎn)生影響。電路板形狀在一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)的任何變化也會(huì)對(duì)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(méi)有相似之處。極坐標(biāo)圖（對(duì)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(méi)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(jì)者提供的接地平面的類型。AM/FM 收音機(jī)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(gè)波長(zhǎng)，因此它就像一個(gè)無(wú)限的地平面。但是，這些樣式中的任何一種都不會(huì)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(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)），但在套管內(nèi)會(huì)有平衡器和元件。通常，地網(wǎng)將是一個(gè)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(gè)成員，該偶極子結(jié)構(gòu)緊湊且防篡改。它們專為自動(dòng)售貨機(jī)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(jì)。

　　WRT 系列偶極子有多種型號(hào)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(zhǎng)約 1.9 英寸，包括其“頂帽”，并通過(guò)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(zhǎng)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(xiàng)）。

　　關(guān)于具有內(nèi)部平衡的天線的一個(gè)常見(jiàn)誤解是它們的特性不受外部因素的影響。雖然天線正確運(yùn)行不需要外部接地層，但如果將其中一個(gè)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(shí)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(wú)需外部接地層即可正常工作。缺點(diǎn)是偶極子天線通常更大且更昂貴，因?yàn)樗鼈冊(cè)趦?nèi)部包含平衡網(wǎng)。

　　使用四分之一波長(zhǎng)單極天線進(jìn)行設(shè)計(jì)

　　對(duì)于剛接觸無(wú)線領(lǐng)域的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，一個(gè)常見(jiàn)的陷阱是地平面的實(shí)現(xiàn)。如前所述，地平面是天線的另一半，因此對(duì)產(chǎn)品的最終性能至關(guān)重要。設(shè)計(jì)師必須做對(duì)。

　　接地層是電路板一層上的實(shí)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(diǎn)，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(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

　　這是一種非常罕見(jiàn)且簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，不需要在多個(gè)層上布線。與接地層在同一層上布線的每條走線都會(huì)對(duì)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(guò)寬闊、通暢的路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　如果接地平面被走線、通孔組件或過(guò)孔切割，那么它將無(wú)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(guò)通孔在層之間來(lái)回跳躍來(lái)連接。過(guò)孔與電感有關(guān)，這會(huì)增加其在高頻時(shí)的阻抗。這將導(dǎo)致接地平面在 RF 頻率下浮動(dòng)在地面上方的某個(gè)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(shí)，盡量向天線呈現(xiàn)最小的輪廓，通常是走線的寬度。在實(shí)踐中，這意味著走線遠(yuǎn)離天線而不是整個(gè)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(gè)電路板的射頻阻抗較低，因此具有良好的性能。（圖片來(lái)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(guò)其諧振路徑（左右）。一個(gè)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(jí)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(jí)和天線之間實(shí)施微帶線。微帶是指在接地平面上運(yùn)行的印刷電路板跡線，該接地平面設(shè)計(jì)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(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方的介質(zhì)。

　　這是一個(gè)關(guān)鍵因素，因?yàn)橥ㄏ蛱炀€的走線可以有效地增加天線的長(zhǎng)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(shí)施后，微帶線會(huì)將天線連接到射頻級(jí)，而不會(huì)影響天線的諧振頻率或與射頻級(jí)的匹配。

　　另一件似乎經(jīng)常讓設(shè)計(jì)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(guó)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(gè)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(yùn)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(shì)和需求推動(dòng)更小的天線實(shí)施

　　便攜式設(shè)備（如可穿戴設(shè)備和智能手機(jī)）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(wú)線設(shè)備的趨勢(shì)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(dòng)。

　　在這里，驅(qū)動(dòng)因素是需要多個(gè)天線來(lái)服務(wù)多個(gè)獨(dú)立頻段，以及實(shí)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(qǐng)參閱 TechZone 文章“了解和實(shí)施 MIMO 射頻鏈路”。對(duì)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(wú)源組件一起安裝在 PC 板上的組件。

　　這些需求推動(dòng)了不那么顯眼的天線（例如芯片設(shè)備）的開(kāi)發(fā)和大眾市場(chǎng)使用。其他較新的天線選項(xiàng)包括獨(dú)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?cè)谔囟l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(jì)，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(huì)隨著實(shí)際放置而變化，因此建模和驗(yàn)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(wú)需特殊處理或制造注意事項(xiàng)。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(guò)一根短的同軸引線連接到 PC 板。這種設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(gè)示例。它的尺寸僅為 30.0 × 6.0 × 0.15 mm，并支持兩個(gè)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(zhǎng)度。電纜本身的直徑僅為 1.13 毫米，并帶有一個(gè)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(duì)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(duì)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(diǎn)和缺點(diǎn)。從積極的方面來(lái)說(shuō)，它顯然沒(méi)有或幾乎沒(méi)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(dú)一無(wú)二，它可以設(shè)計(jì)和制造成復(fù)雜的配置，不僅可以在多個(gè)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(wú)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(duì)附近元件的放置非常敏感，任何電路板重新設(shè)計(jì)都會(huì)對(duì)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(gè)相同發(fā)射/接收模塊的復(fù)雜相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，但對(duì)于可穿戴設(shè)備或智能手機(jī)等小型消費(fèi)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(jì)過(guò)程的早期考慮。應(yīng)該認(rèn)識(shí)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(jì)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(cè)試方法和演示格式。

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