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天線(xiàn)模塊設備(antenna)是一種能量變換器，它把傳輸線(xiàn)上傳播的導行波，變換成在無(wú)界媒介中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。對于設計一個(gè)應用于射頻系統中的小功率、短距離的2.4GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備，天線(xiàn)的設計和選擇是其中的重要部分，良好的天線(xiàn)系統可以使通信距離達到最佳狀態(tài)。2.4GHz天線(xiàn)的種類(lèi)也很多，不同的應用需要不用的天線(xiàn)。 增益天線(xiàn)簡(jiǎn)介 圖1 天線(xiàn)傳輸原理 為保證天線(xiàn)的傳輸效率，天線(xiàn)的長(cháng)度大約是電磁波波長(cháng)的1/4，所以信號頻率越低，波長(cháng)越長(cháng)，天線(xiàn)的長(cháng)度越長(cháng)；信號頻率越高，波長(cháng)越短，天線(xiàn)的長(cháng)度越短。則常用的2.4GHz頻段頻率高，波長(cháng)短，天線(xiàn)的長(cháng)度短，可用內置天線(xiàn)，也可以用外置天線(xiàn)。天線(xiàn)做的更短，如1/8波長(cháng)或1/16波長(cháng)，也可以使用，只是效率會(huì )下降。某些設備會(huì )采用“短天線(xiàn)+LNA”的方式，也能達到長(cháng)天線(xiàn)的接收效果。但是短天線(xiàn)要達到長(cháng)天線(xiàn)的發(fā)射效果，就需要提升發(fā)射功率了，因此對講機需要發(fā)射信號，都是長(cháng)的外置天線(xiàn)，而FM收音機只收不發(fā)，有內置接收天線(xiàn)。例如2G(900MHz)、4G(700-2600MHz)、WIFI和藍牙(2.4GHz)、GPS(1.5GHz)，這些常用的物聯(lián)網(wǎng)通信方式，可以做內置天線(xiàn)。 對于手持機、穿戴設計、智能家居等小尺寸產(chǎn)品，很少使用外置天線(xiàn)，普遍采用內置天線(xiàn)。集成度高，產(chǎn)品外觀(guān)更美觀(guān)，性能比外置天線(xiàn)略弱一點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件產(chǎn)品，要聯(lián)網(wǎng)傳輸數據，都需要有天線(xiàn)�？臻g越小、頻段越多，天線(xiàn)設計越復雜。外置天線(xiàn)一般都是標準品，買(mǎi)頻段合適的，無(wú)需調試，即插即用。例如快遞柜、售貨機這些，普遍使用磁吸的外置天線(xiàn)，吸在鐵皮外殼上即可。這些天線(xiàn)不能放在鐵皮柜里面，金屬會(huì )屏蔽天線(xiàn)信號，所以只能放在外面。優(yōu)點(diǎn)是使用方便、價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是不能用在小尺寸產(chǎn)品上。 天線(xiàn)類(lèi)別 那如何從眾多的2.4GHz天線(xiàn)中選擇出適合自己無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備的2.4GHz天線(xiàn)，接下來(lái)就通過(guò)對2.4GHz天線(xiàn)的分類(lèi)和分類(lèi)對比來(lái)介紹如何選擇2.4GHz天線(xiàn)。應用在2.4GHz頻段上的天線(xiàn)主要有陶瓷天線(xiàn)、PCB天線(xiàn)和彈簧天線(xiàn)等，陶瓷天線(xiàn)和PCB天線(xiàn)屬于內置天線(xiàn)，彈簧天線(xiàn)屬于外置天線(xiàn)。 一、陶瓷天線(xiàn) 圖2 各種類(lèi)型的陶瓷天線(xiàn) 陶瓷天線(xiàn)工作原理是利用GPS衛星來(lái)實(shí)現導航定位的，而用戶(hù)的接收機主要任務(wù)是提取衛星信號中的偽隨機噪聲碼和數據碼，以進(jìn)一步解算得到接收機載體的位置、速度和時(shí)間(PVT)等導航信息，陶瓷天線(xiàn)的原理要分兩部分來(lái)說(shuō)：一是發(fā)射天線(xiàn)，一是接收天線(xiàn)。一般的天線(xiàn)都具有可逆性，可同時(shí)做發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)。陶瓷天線(xiàn)發(fā)射天線(xiàn)簡(jiǎn)單說(shuō)，就是通過(guò)一根叫做“天線(xiàn)”的電極將天線(xiàn)與地之間形成的高頻電場(chǎng)變成電磁波，從而能發(fā)射出去并傳波到遠方。陶瓷天線(xiàn)接收天線(xiàn)簡(jiǎn)單說(shuō)，就是通過(guò)一根叫做“天線(xiàn)”的電極將空中傳來(lái)的電磁波感應為電場(chǎng)，生成高頻信號電壓，送到接收機進(jìn)行信號處理。在陶瓷天線(xiàn)單元設計中采用了高頻、低噪聲放大器，以減弱天線(xiàn)熱噪聲及前面幾級單元電路對接收機性能的影響，而陶瓷天線(xiàn)的作用是將衛星傳來(lái)的無(wú)線(xiàn)電信號的電磁波能量變換成接收機電子器件可攝取應用的電流，所以天線(xiàn)的大小和形狀十分重要，因為這些決定了陶瓷天線(xiàn)能獲取微弱的電磁波信號的能力。 陶瓷天線(xiàn)是一種適合于藍牙裝置使用的小型化天線(xiàn)，在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中用的最多的，就是GPS、藍牙、GSM陶瓷天線(xiàn)。陶瓷天線(xiàn)分為塊狀陶瓷天線(xiàn)和多層陶瓷天線(xiàn)。塊狀天線(xiàn)是使用高溫將整塊陶瓷體一次燒結完成后再將天線(xiàn)的金屬部分印在陶瓷塊的表面上。而多層天線(xiàn)燒制采用低溫共燒的方式講多層陶瓷迭壓對位后再以高溫燒結，所以天線(xiàn)的金屬導體可以根據設計需要印在每一層陶瓷介質(zhì)層上，如此一來(lái)可以有效縮小天線(xiàn)尺寸，并能達到隱藏天線(xiàn)目的。 由于陶瓷本身介電常數比PCB電路板的要高，所以使用陶瓷天線(xiàn)能有效縮小天線(xiàn)尺寸。在介電損耗方面，陶瓷介質(zhì)也比PCB電路板的介電損失小，所以非常適合低耗電率的的藍牙模塊中使用。陶瓷天線(xiàn)尺寸一般 1210 封裝相當，效果要強于板載天線(xiàn)。使用也比較方便，一般有ANT 接入腳和地腳，在PCB設計時(shí)，天線(xiàn)周?chē)欢ㄒ獌艨�，特別注意不能敷銅。同時(shí)在使用陶瓷天線(xiàn)時(shí)，也要注意巴倫電路的匹配問(wèn)題，如果是用專(zhuān)用的集成電路，最好讓生產(chǎn)商測試一下平衡電路與陶瓷天線(xiàn)的匹配情況。如果匹配的不好，也會(huì )影響天線(xiàn)的效果。 陶瓷天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是占用空間很小、性能比較好。缺點(diǎn)是很難做到多頻段，因此難以應用在4G類(lèi)產(chǎn)品中。對電路板凈空要求比較高，不適用于特別緊湊的產(chǎn)品。 二、PCB天線(xiàn) PCB天線(xiàn)是指無(wú)線(xiàn)接收和發(fā)射用的PCB上的部分。發(fā)射時(shí)，它把發(fā)射機的高頻電流轉換為空間電磁波；接收時(shí)，它又把從空間獲取的電磁波變換成高頻電流輸入接收機。使用PCB天線(xiàn)時(shí)，也要注意巴倫電路的匹配問(wèn)題，如果是用專(zhuān)用的集成電路，最好讓生產(chǎn)商測試一下平衡電路與PCB天線(xiàn)的匹配情況，如果匹配的不好，也是會(huì )影響天線(xiàn)的效果的。 PCB天線(xiàn)大量應用于藍牙模塊、WIFI模塊、ZIGBEE模塊等單一頻段的模塊電路板上。 優(yōu)點(diǎn)是空間占用較少，成本低廉，不需單獨組裝天線(xiàn)，不易觸碰損壞，整機組裝方便，但會(huì )犧牲性能。缺點(diǎn)是單個(gè)天線(xiàn)場(chǎng)型很難做到圓整，插損高，效率相對低下，容易遭到主板上的干擾；同時(shí)只適合單一頻段，如藍牙，wifi；不同批次的PCB天線(xiàn)性能會(huì )有一定偏差。 三、外置天線(xiàn) 圖4 各種不同的外置天線(xiàn) 外置天線(xiàn)主要是通過(guò)直接焊接在天線(xiàn)（ANT）引腳、IPEX接口或者SMA接口來(lái)連接外置天線(xiàn)，IPEX天線(xiàn)接口和SMA天線(xiàn)接口是一種作為射頻電路和天線(xiàn)的接口，被廣泛應用于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品的單板上。 外置天線(xiàn)的種類(lèi)有很多，彈簧天線(xiàn)、FPC天線(xiàn)、短膠棒天線(xiàn)、長(cháng)可彎折天線(xiàn)、吸盤(pán)天線(xiàn)等外置天線(xiàn)。外置天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是場(chǎng)型能控制更好，插損低，信號的方向指向性好，效率高，抗干擾能力強，能減少受到主板上的干擾，而且不用太多的調試匹配，若存在無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備和外置天線(xiàn)不匹配的情況，也可以通過(guò)直接更換外置天線(xiàn)來(lái)解決，無(wú)須更換PCB板；缺點(diǎn)是成本較高，組裝起來(lái)比較麻煩。 2.4G天線(xiàn)的應用 以成都億佰特的E73系列藍牙模塊為例介紹2.4G不同的天線(xiàn)類(lèi)型對比。
表1 E73系列模塊電氣參數對比圖 由表1可知，E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B、E73-2G4M04S1D兼容的是IPEX天線(xiàn)和PCB天線(xiàn)，默認接口都是PCB天線(xiàn)，E73-2G4M08S1C使用的是陶瓷天線(xiàn)。 由上表可以很清晰的看出E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B、E73-2G4M08S1C、E73-2G4M04S1D之間的區別，首先四個(gè)型號采用不同的芯片方案，尺寸和功率E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B和E73-2G4M04S1D是一樣的，E73-2G4M08S1C稍有差異；但在相同的測試條件下，但從傳輸距離來(lái)講，E73-2G4M08S1C相對于E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B和E73-2G4M04S1D這3個(gè)型號之間傳輸距離稍好，發(fā)射功率也會(huì )稍大一些。 特別要提出的是，E73-2G4M08S1C發(fā)射功率為8dBm，相對于別的藍牙模塊來(lái)說(shuō)，功率會(huì )大一些，所以傳輸距離相比于別的藍牙產(chǎn)品傳輸距離稍遠。 若使用IPEX天線(xiàn)接口接入外置天線(xiàn)，傳輸距離肯定相對于板載天線(xiàn)，傳輸距離肯定會(huì )更遠一些。若考慮要體積和安裝的需求，同時(shí)傳輸距離也在可接受范圍之內，板載的PCB天線(xiàn)或者陶瓷天線(xiàn)更受青睞。但是決定一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備不僅僅是傳輸距離這項參數，更多的是產(chǎn)品的性能，以及在不同使用環(huán)境下的不同應用。所以不管是對于E73系列，還是對于成都億佰特的其他藍牙、ZigBee、GPRS產(chǎn)品，都有其必要的使用環(huán)境，可根據自身項目的需求來(lái)選擇不同的2.4GHz天線(xiàn)。 |
