天線環境差，整機的無線性能會好嗎？

俗話說“近朱者赤墨者黑”，咳咳，這說明環境對人的影響非常大。人是這樣，天線更是如此。

辣么，環境是怎樣影響天線呢？而天線的環境又是怎樣影響整機的無線性能呢？

對很多無線終端產品而言，整機無線性能的調優，最大的難點并非在于天線單體的設計，而在于產品ID、結構、堆疊、材質等因素給天線預留的“可見”環境，及產品內部其它零部件產生的電磁干擾等“不可見”環境；從某種程度上講，天線的環境，對產品整機的無線性能幾乎起著決定性的作用。

好了，閑言少敘，今日份重點奉上：

一、 天線的環境概述與分類

二、 天線之間的信號干擾案例

三、 天線基礎知識概述

四、 小結

一、 天線的環境概述與分類

這里天線的環境，主要針對內置類天線，其環境大概可以籠統地分為以下幾類。

1、 預留空間（面積、高低、位置、凈空）

預留的空間，指產品在設計過程中為天線預留的空間是否充足，主要涉及天線設計區域的面積、天線距離主板的高度、天線的安裝位置、凈空區域等方面。

1）預留給天線本體的面積

根據波長-頻率的反比關系，天線所需滿足的頻率越低，波長越長，預留給天線區域的寬度和長度決定著天線的最低頻率。

2）天線所需的高度或距離

天線與主板間的高度（距離）也是重要的考量因素。一般來說，天線距離主板的高度至少需要8MM以上，極端的環境下也至少要做到5MM以上。當天線的高度小于8MM時，天線的輻射效率會受限。

如下圖1和圖2分別為天線垂直于主板及平行于主板放置時的情況。

圖1

圖2

3）天線的位置

天線的位置，指的是天線在產品內部結構當中固定的位置，需要考量產品內部的結構層疊，盡量遠離干擾源，提供較好的環境給天線以實現良好的效果，并方便工廠端組裝。

4）凈空

凈空，指的是天線豎直面投影區域內的空曠面積（上下范圍都要考慮）。在天線的投影區域范圍內，不要鋪地（尤其是板載天線），保持天線的凈空，以提高天線的輻射效率。

圖3

5）天線所需高度不足的例子

下面舉一個天線所需高度不足的例子。

圖4

如上圖所示的是某產品設計的天線，紅色標記的為天線的塑膠支架，蜂窩孔外殼為金屬材質。

圖5

受限于外殼的裝配，該產品設計的天線支架剖面高度只能做得非常低，最高處的高度僅有5MM，最低處距離屏蔽板的高度只有2.5MM，而產品的天線需支持的頻段為1880-2690MHz，天線的電壓駐波比已到2以下，整機測試天線的效率僅僅為40%左右。這是由于天線距離金屬屏蔽外殼高度不夠導致天線較難具備好的效率值，這樣的結構設計需調整。

2、 產品的外殼材質

1）塑膠外殼介電常數對天線諧振頻率影響

產品的外殼會對天線的性能產生較大的影響，原因在于天線輻射的區域內，由于外部空間介電常數發生變化，電磁波在穿過介質的過程中，波長會發生變化，從而導致天線的諧振頻率發生變化，在實際使用的頻率上性能出現偏差。

如下圖所示為天線的波長與介電常數的關系式。當工作的頻率一定時候，天線的波長和介電常數有關。

圖6

在天線的調優過程中，需代入產品外殼影響，因為產品在使用其無線功能時肯定也是帶上外殼的，但更重要的是在前期外殼材料選用時盡量少用外噴金屬成分涂料漆的外殼。

2）金屬外殼的開縫與斷層處理

一般對于金屬外殼的電子設備而言，都需要給天線留有輻射的縫隙，常見的是通過開槽或者金屬之間做斷層處理，從而制造輻射的空間；此外還可利用某段金屬殼體作為天線的輻射單元，達到節省空間和美觀的效果。

如下圖所示，金屬外殼的頂部做了隔斷，中間形成一根獨立的金屬輻射體，用作低頻段的天線；內部采用頂針饋電的結構。感興趣的可以找一臺手機拆開看看。

圖7

3、 主板地的面積

對于天線的設計來說，通常來說主板的地面積越大是越好的。良好的地面積能有效拓寬天線的工作帶寬和提升天線的效率。對于做多頻段的天線而言，良好的主板接地方式，是提升天線性能的基礎之一。

4、 主板干擾源的處理

在某些干擾源施加預留屏蔽措施并有效接地，能相對營造一個較好的“無形的”天線環境。一般說來，常見的干擾源有：CPU、LCD、變壓器、喇叭、攝像頭、產品內部通信接口的排線、電源電路、電機等。

5、 天線之間的信號干擾

這里的天線之間信號的干擾，指的是一臺設備中使用多天線情況下，天線之間的信號干擾。最常見的干擾是同頻干擾，所謂同頻干擾，是指無用信號的頻率范圍和有用信號的頻率范圍相同，對需接收有用信號的接收機干擾，造成其接收性能的下降。同頻干擾在雙天線或者多天線的產品中比較常見，此外，還可能存在交調干擾。因此，在搭載多天線的產品中，需充分考慮到每根天線的布局、朝向、位置，甚至極化方式等等，切忌天線與天線之間距離太近。

二、 天線之間的信號干擾案例

下面是一個天線之間信號干擾的案例。

圖8

1）產品的內部結構

如上圖所示，產品內含2/3/4G全頻段天線及GPS天線兩根天線， 1號、2號、3號位置均可作為天線的安裝位置。

2）當GPS天線安裝于3號位置時：

當將全頻段天線固定在1號位置，GPS天線固定在2號位置時，在RTS90混響實驗室測得的數據如下圖所示：FDD-LTE BAND1和BAND3的接收靈敏度分別為80dBm和-72dBm。

圖9

3）當GPS天線安裝于2號位置時：

不改變天線設計，只改變天線的安裝位置。當將全頻段天線固定在1號位置，GPS天線固定在2號位置時，在RTS90混響實驗室測得FDD-LTE BAND1和BAND3頻段的接受靈敏度如下圖所示：分別為-91dBm和-84dBm。

圖10

三、 天線基礎知識概述

以上是天線對天線環境的一些簡單的介紹。既然說到天線，可以再看看和天線相關的基礎知識。

1、天線如何傳輸電磁波

首先，天線是什么？天線說白了其實就是一個能夠輻射或接收電磁波的一個器件，為什么天線可以輻射信號？舉個栗子，以我們常用的電子元器件電容器類比，它的結構是兩塊平行的金屬板，電場方向與極板方向垂直，由正極指向負極。

圖11

如果我們嘗試把兩個極板掰開，那么電場的方向將會產生彎曲。

圖12

將兩極板完全掰開，角度呈180°時，電場的方向將變為一個半圓，此時的電場呈現環形閉合狀態。

圖13

我們知道，電場可以激發磁場，磁場同樣可以激發電場，兩者所在平面相互垂直。從上圖上看，由于電容器的夾角張開，在空間中形成了一個垂直于地平面的環形電場。相應的，該電場又激發了平行于地平面的磁場。

圖14

如此類推，從天線端激發的電磁場便可相互交替激發，向空間的遠處進行傳輸。

2、天線的常見指標

最后介紹一下天線常用的一些指標指標，僅從通俗的角度去解釋。

1）效率

效率是指天線所輻射出去的功率與天線的輸入功率的比值。這個比值越大，說明天線輻射出去的能量越多，損耗的越少。

2）電壓駐波比

電壓駐波比的計算公式為：

VSWR = Vmax / Vmin ，Vmax 指的是傳輸線上的最大電壓值，Vmin指的是傳輸線上的最小電壓值。

或者也可以用反射系數來計算：VSWR = (1 +Γ) / (1-Γ) ，可以直觀地看到，當Γ=0時，即反射系數為0時，VSWR = 1，意味著當VSWR = 1時，沒有反射。當然這在實際情況中不可能發生。

3）增益

增益表征的是天線輻射場強的集中程度。增益越高，說明天線輻射的方向越集中。

圖15

如上圖所示的天線為高增益天線的2D方向圖。E面為天線垂直面的方向圖，H面為水平面的方向圖。

4）回波損耗

回波損耗也被稱作S11參數。通常要求的值是小于-10dB?；負p的值越小，說明天線反射的能量越少，這個值越低越好。

圖16

上圖是回損的圖片；回損在-10dB以下對應的頻率范圍，則被稱為天線的帶寬。

5）極化

極化是根據電場振動的方向來規定的。當電場矢量的方向呈線性變化時，則稱為線極化。當線極化的天線的電場矢量與地面平行的時候，被稱為水平極化；與地面垂直的時候，則被稱為垂直極化。

還有一種極化方式是橢圓極化。圓極化天線是橢圓極化天線的一種特例。這里可以引入直角坐標幫助理解。

圖17

從上圖是右旋極化的一個例子。伸出右手，四指從電場E的正軸，往H正軸的方向旋轉，大拇指指向信號傳輸方向。符合這個規律的橢圓機化，被稱作右旋橢圓極化。

圖18

上圖則是左旋橢圓機化的示意圖。

需要明白的是，在橢圓極化和圓極化中，電場矢量的方向不是固定不變的，電場矢量會像時針一樣做右旋或者左旋的轉動。

四、小結

本文僅僅從較淺的層次描述了“天線的環境”相關的因素，而實際在產品前期設計中，產品ID及結構設計基本決定了產品整機尺寸、外殼材質，對產品內部組裝較復雜、零配件較多的產品，還應做相應的產品結構堆疊，在減小裝配難度同時，也能考慮到干擾零部件的對天線環境的影響。而若想要獲得較好的整機無線性能，在產品設計前期就應考慮相應的天線環境問題，如僅僅在PCB layout設計時才開始考慮射頻、天線的性能問題，將會受到較大掣肘。

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審核編輯 黃宇