一文了解天線的選擇和設計

天線技術是射頻技術里的重要一環，里面的技術鏈也是非常復雜的，天線的選擇和設計對于最終成品的通信有著很大的影響。無線模塊的通信距離是一項重要指標，如何把有效通信距離最大化一直是大家疑惑的問題。今天我們就調試經驗及對天線的選擇與使用方法做了一些說明，希望對工程師快速調試通信距離有所幫助。

一、天線的種類

隨著技術的進步，為了節省研發周期，不少廠商都推出各種各樣的成品天線。然而如果工程師選擇不當，不僅起不到應有的效果，反而會浪費很多時間與成本在排查調試上，得不償失。下面將介紹常用的幾種天線并結合在工程中的實際使用經驗給出設計建議，以供大家參考。

接下來為大家介紹常用的天線種類：

（1） 板載PCB式天線：采用PCB蝕刻而成，成本低，但是性能有限，可調性好，可大批量用于藍牙、WiFi無線通信模塊。

（2） SMT貼片式：常用的有陶瓷天線，占用面積少，集成度高，容易更換，適用于對空間要求小的產品，但是該類型天線價格稍貴且帶寬偏小。

（3） 外置棒狀天線：性能好，無需調試，方便更換，增益高，適用于各種終端設備。

（4） FPC天線：通過饋線連接，安裝自由，增益高，通?？梢允褂帽衬z貼在機器非金屬外殼上，適用于性能要求高且外殼空間充足的產品上。

圖1 常見天線

天線的作用是將射頻信號輻射到自由空間，這時候選擇合適的天線對于傳輸距離就有很大的影響。天線對周圍環境很敏感，很多情況下會出現即使選擇了合適的天線，也達不到預期的效果。由于有些客戶對天線設計需要考慮的因素不清楚，這里我們給出在實際工程設計中的一些經驗，便于客戶更好地設計出自己的電路與PCB，增加項目的成功機會。

二、天線的選擇

影響無線模塊通信距離的首要參數是發射功率，無線模塊的發射功率以及對應的理想傳輸距離在手冊上均能查到，在確定了發射功率滿足需求的前提下，然后考慮天線的選用和天線的方向性。

首先是天線的選用：

天線的主要指標包含以下幾個：頻率范圍、駐波比SWR或VSWR、天線增益、極化方式和阻抗。頻率范圍按需選擇；駐波比最好小于1.5；天線增益對傳輸距離也有影響；極化方式分為線性極化和圓極化；阻抗需要與無線模塊的輸出阻抗匹配，一般為50歐姆。這里要特別注意駐波比參數，購買天線后最好用網絡分析儀測試一下SWR。

駐波比與回波損耗、傳輸功率的對照表如表 1所示。

表 1 駐波比與回波損耗、傳輸功率對照表

由上表可知，VSWR=1.5時，理論傳輸功率為96%，當VSWR=2時，傳輸功率只有88.9%，有的天線駐波比指標是小于2，選用天線的時候最好是駐波比小于1.5，可以得到較高的傳輸功率。

其次是天線的方向性：

天線都有方向性，指的是天線對空間不同方向具有不同的輻射或接收能力。衡量天線方向性通常使用方向圖，圖2所示是一個頻率范圍從2400MHz到2500MHz天線的方向圖。

圖 2 天線的三維方向圖

天線豎直放置時，紅色最深的方向是天線輻射或接收能力最強的方向，所以在安裝天線的時候，要盡可能往紅色指向的方向去安裝天線，這樣才能保證足夠好的信號質量。另外，金屬平板對信號有屏蔽作用，所以發射，接收的方向上不要有金屬平面。

也有一些天線的手冊上給出的天線方向圖是用二維圖來表示的，分為H-Plane和E-Plane，如圖 3所示。

圖 3 天線的二維方向圖

在測試無線模塊相互通信時，天線的方向性必須要考慮，在通信空間沒有遮擋且天線的方向對應最強輻射方向時，通信的距離可以達到最大。如果天線安裝的不合適，會導致通信距離變短，甚至無法通信。

工程師在測試無線模塊通信時，經常會遇到信號弱、通信距離沒有達到手冊中的說明或者丟包率高，在確定無線模塊本身沒問題的情況下，不妨先測試一下天線本身的性能，然后再按照天線信號輻射強的方向來測試，會得到更好的測試結果。

三、天線部分電路

1、 匹配電路設計

在原理圖設計時，需要在天線與模塊射頻輸出管腳預留一個π型網絡。天線的阻抗受PCB的鋪地、天線的安裝以及周圍的金屬等因素影響，預留這個網絡是為了在天線嚴重偏離50歐姆阻抗時，將其匹配至50歐姆。

X1，X2，X3都是電抗元件，如果天線是標準的50歐姆阻抗，那么X2，X3可以不焊接，X1接220PF電容或者0歐姆電阻。在PCB設計時，這三個器件已經盡量靠近模塊的射頻輸出腳，并且連接的傳輸線短且直。匹配元件的周圍1.5mm區域內不要鋪地，以減少寄生參數對匹配電路的影響。

圖4 匹配電路

2、 微帶線設計

在PCB設計時，由于大部分的天線與模塊的輸出阻抗是50歐姆，為了盡量減少在傳輸過程中能量的反射，射頻輸出管腳到天線之間的PCB引線應為50歐姆的微帶線。常用的板材為FR4（介電常數4.2-4.6），根據經驗，當線寬約為微帶線距離參考層距離的2.2倍時，微帶線的特征阻抗約為50歐姆。具體設計時，建議使用微帶線阻抗控制工具（ADS、txline等）來計算，并通過實際調試來完成微帶線的設計。如下圖所示，微帶線下面的鋪地層必須是完整的地，在微帶線兩側需要多打接地過孔。

圖5 微帶線

3、 金屬對天線的影響

如果天線附近有金屬材料的物體時，金屬能反射電磁波，不但會影響天線的實際使用空間，增加天線的損耗電阻，降低輻射效率，而且導致天線輻射性能的惡化。在安裝天線時，要注意：

a：天線距離電池至少要有5mm；

b：天線距離屏蔽殼至少要有4mm；

c：在需要安裝外殼的場合，不要在外殼表面使用具有金屬成分的噴漆或者鍍層。

審核編輯：湯梓紅