在射頻系統中設計無線收發裝置時,天線的設計和選型是關鍵環節,好的天線系統能使通信距離達到最優,同類型天線的尺寸與射頻信號的波長成正比,信號的頻率越低,要求的天線越大。
天線分類
天線的安裝位置可以分為外置天線和內置天線,內置天線被稱為內置天線,外置天線被稱為外置天線。
對手持式設備,穿戴式設計,智能家居等小型產品,一般都采用內置天線,集成度高,外形美觀。智能硬件產品需要聯網傳送數據,所以都需要使用天線。
空間越小,頻段越多,天線設計就越復雜,外置天線一般都是標準配置,購買所需頻段的天線即可使用,無需調試,即插即用。
如快遞箱、售貨機等,普遍采用磁吸的外部天線,吸在鐵皮外殼上即可。這種天線不能放置在鐵皮柜內,金屬會屏蔽天線信號,因此只能放置在室外,本文以天線的分類及選型方法為核心,介紹了天線的相關信息。
1.外部天線。
根據輻射場角的不同,外置天線可以分為全向天線和定向天線。
全向天線:即在水平方向圖上顯示360°均向輻射,即通常所說的無定向,在垂直方向圖上顯示有一定寬度的波束,通常波瓣寬度越小,增益越大。外部全向天線主要包括吸盤天線,玻璃纖維天線和膠棒天線。
指向天線:指在一個或多個特定方向上發射和接收電磁波的能力特別強的天線,而在另一個方向上則是零或很小的。使用定向接收天線是為了提高有效利用輻射功率,增加保密性;使用定向接收天線主要是為了提高信號強度,提高抗干擾能力。外置式定向天線主要有平板天線、八木型天線和對數周期天線。
1.2內置天線。
內置式天線主要是指可以安裝在設備內部的天線,它主要包括FPC天線,PCB天線,彈簧天線,陶瓷貼片天線,激光直接成形技術(LDS)和金屬彈片天線。
零零散散的選擇指南
為設備選擇合適的天線時,首先要根據產品結構來決定是否選用內置天線或外置天線,外置天線和內置天線的主要特點如下:
外置天線
提高收益。
不會受到環境影響,可以作為標品,節省開發周期。
占據空間,影響產品的美觀。
內置天線
收益相對較高。
技術成熟,產品交付符合要求。
內置式設備,美觀大方,不用單獨做三防。
受到周邊環境的影響大,一般需要結合產品本身進行定制。
2.1外置天線的選擇
先要確定設備信號覆蓋范圍,根據天線輻射方向圖確定信號覆蓋方向,天線按輻射方向分為全向天線和定向天線。
2.1.1外部全向天線。
吸片天線:增益比較高,最大特點是具有強磁性吸盤,安裝固定很方便,但吸片必須吸附在金屬表面。作為增加無線模塊通信距離的一種方式,在無線模塊產業中,吸盤天線通常與無線模塊一起使用,如智能抄表、自動售貨機、快遞箱、車載廣播等。
銅棒吸盤天線:雖然類似于一般的鞭狀吸盤天線,但是它的優點是采用了一個純銅的輻射體,其直徑較大,損耗小,天線效率高,寬帶寬覆蓋。適合性能要求比較高的數傳電臺、中距距離圖傳等。
粘接天線:是最常見的外置天線,其增益適中,價格相對較低,常用于無線通信模塊,無線由,數傳電臺等。可以根據天線的安裝空間要求選擇適當尺寸大小的天線,選擇天線尺寸與增益有關,通常增益越大,增益越大。
FRP天線:FRP天線在全向天線中性能最好,其內芯為純銅振動體,采用平衡饋電,受環境影響較小;外殼采用優質FRP,具有良好的三防性能,適應惡劣的自然環境。尤其適用于遠程網關信號覆蓋、圖像傳輸等。
2.1.2外置定向天線
通常應用于通信距離遠,信號覆蓋范圍小,目標密度大的環境,極端例子是點對點遠程通信。
平面天線:效率高,體積輕,安裝方便,可兼顧增益和輻射區。無線信號覆蓋在室內,隧道中,中等距離的信號傳輸,圖傳,信號穿墻等。
八木天線:增益極高,體積稍大,定向性強,使用時需留意天線的方向,可用于超遠距離傳送信號,圖傳及測向等。
雙周期天線:超寬帶天線,覆蓋的帶寬很寬,帶寬可以達到10:1,通常用于信號放大、室內分布以及覆蓋電梯信號。
2.2選用內置天線。
內置天線的形狀大致可分為:FPC/PCB/彈簧/陶瓷/金屬彈片/激光直接成形技術(LDS)等。現在普遍選用的是PCB天線。當成本控制高,性能要求一般時,選用彈簧LDS天線,一般內置天線受環境影響較大,需要定制設計或阻抗匹配。
FPC天線:性能價格比高,噴油后能與各種外觀顏色搭配;產品柔韌度好,能完美貼合于標準圓弧面;工藝成熟穩定,生產周期快,批量交貨;適合智能設備中對寬頻帶要求較高的天線設計。
PCB天線:FPC天線與FPC天線最大的不同在于,FPC具有很好的柔性,PCB天線采用硬板形式,在結構安裝時,如果需要彎曲和弧面,可以選擇FPC天線;如果是平面型PCB天線,PCB天線比FPC易于安裝。
彈性天線:其最大特點是價格低廉,但增益低,帶寬窄,在產品內部安裝時,經常需要對天線進行匹配調試。
瓷磚貼面天線:占用空間小,性能較好;帶寬較窄,難以做到多頻段;有效提高主板的整合度,可以減少天線對ID的限制;需要在主板定義開始時就引入設計。
LDS天線:適合于特殊外觀的天線,可以充分利用天線空間;在實現天線性能方面更接近環境的物理極限;對附著在天線上的外殼或支架有特殊的材料要求;工藝成熟,并且可以通過噴涂進行配色,加工時有一定的不良率。
金屬彈片天線:性價比高,有效降低成本;產品強度高,不易破損;工藝成熟穩定,生產周期短,批量交貨;對天線區域和圓弧外觀面的應用,有一定的限制。