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给低功耗无线应用选择天线详细过程

2018年05月16日 09:14 次阅读

中心议题:

三种最常见的天线介绍

介绍选择天线时必须要考虑的几大参数

解决方案:

对占板空间受限的应用,芯片天线是好的选择,尤其是对1GHz 以下频率的应用

鞭状天线的性能最好,四分之一波长的天线就可提供一款高效的解决方案

天线是RF系统中的一个重要组件,并且对性能有着重大的影响。高性能、小尺寸以及低成本是许多RF应用最常见的要求。为了满足这些要求,实施一个适当的天线并概括描述其性能特点是非常重要的。本文描述了典型的天线类型并阐述了选择天线时应该考试的重要参数。

天线的类型

在选择天线时,天线的尺寸、成本以及性能是最重要的考虑因素。对于短距离无线设备而言,三种最常见的天线为PCB天线、芯片天线以及鞭形天线。这三种天线的优缺点如表1所示。

给低功耗无线应用选择天线详细过程

a.PCB天线

设计一款PCB 天线并不是一件简单的事情,因为还需要一个仿真工具才能得到满意的解决方案。除了要提供一种最适宜的设计之外,配置这样一个能进行精确仿真的工具也是一项困难且耗时的工作。

b.芯片天线

对于天线而言,如果板级空间非常有限,那么芯片天线可以说是一个不错的解决方案。这种类型的天线可支持小解决方案尺寸(即使是在1GHz频率以下)。与PCB天线相比,这种天线的缺点在于该解决方案会增加材料和贴装成本。芯片天线的一般成本介于0.10美元和1.00美元之间。即使一些芯片天线厂商声称说这种天线可与某种50 Ω阻抗匹配以适应频带,但通常还需要其他一些与之相匹配的组件。

c.鞭形天线

如果我们最注重的是性能,而不是外形尺寸和成本,那么带有一个连接器的外部天线将是一个很好的解决方案。这些天线通常为单极天线,且拥有全向辐射模式,这就是说该天线在一个平面上各个方向的性能几乎都是一样的。鞭形天线应安装在接地层上,以获得最佳的性能。为了实现最大程度的节约,四分之一波长的天线就可提供一款高效的解决方案。

给低功耗无线应用选择天线详细过程

天线参数

在选择天线时,一些需要考虑的最重要的因素包括:辐射模式、天线效率以及天线带宽。

a.辐射模式和增益

图2显示了在PCB平面中,PCB天线的辐射模式将如何随方向不同而变化。当解读这样一个辐射模式变化图时,了解几个天线参数是非常重要的。除了该辐射模式变化图以外,将辐射模式与天线的配置相联系也是很重要的。

给低功耗无线应用选择天线详细过程

辐射模式通常在三个互成直角的平面XY、XZ和YZ上测试。虽然可以进行全3D图形测量,但由于这是一项耗时的工作且需要昂贵的设备,因此一般不这么做。定义这三个平面的另一种方法是使用一个球形坐标系统。这三个平面将由θ=90°,Φ =0°和Φ =90°来定义。图3显示了如何将球形符号与这三个平面联系在一起。

给低功耗无线应用选择天线详细过程

如果没有给出有关如何将辐射模式图上的辐射方向与天线的配置联系起来的信息,那么0°为X方向,XY平面上角度朝Y方向趋增。就XZ平面而言,0°位于Z方向,同时角度朝X方向趋增。对YZ平面来说,0°位于Z方向,角度朝Y方向趋增。增益或参考电平通常是指全向辐射天线,其为一种各方向均为相同辐射功率的理想天线。当全向天线被用作参考时,增益以dBi单位,或被规定为等效全向辐射功率(EIRP)。图2中的外圆相当于5.6dBi,左下方的4dB/div符号表示对所有渐渐增多的小圆来说发射级别降低了4dB。相比全向天线,PCB天线在0°方向会有一个5.6dB高级别的辐射。

如式1所示,天线增益G被定义为最大辐射强度同平均辐射强度乘以天线效率的比。

给低功耗无线应用选择天线详细过程

其中,Umax为最大辐射强度,Uavg为平均强度,这两个值的比被称为方向性D。天线元件的电阻损耗和天线馈电点上的反射共同决定了效率e,其就是Prad除以输入功率Pin得出的辐射功率。高增益并不必然意味着天线拥有高性能。通常,移动系统要求一个全向辐射模式,这样其性能才会在所有天线方向上均大概一致。对于接收机和发送器等具有固定位置的应用而言,当天线指向其他高增益辐射方向时可以获得更高的性能。

为了精确地测量天线辐射方向,只对被测设备的直达波进行测量并避免影响测量结果的反射波非常重要。为了最少化拾取反射能量,通常在无回音室或天线测试场进行这些测量。另一个要求是,在天线远声场测量的信号必须为平面波。如式2所示,远声场距离Rf由波长λ和最大天线尺寸DIM决定。由于无回音室的空间有限,因此通常在室外天线测试场对一些大型、低频率天线进行测试。

给低功耗无线应用选择天线详细过程

b.偏振

偏振是对电场方向的描述。所有在自由空间中传播的电磁波都具有与传播方向垂直的电场和磁场。在考虑偏振的情况下,通常会对电场向量进行描述,而忽略磁场,因为其同电场正交并成比例关系。为了获得最佳性能,接收和发射天线都应该具有相同的偏振。实际上,短距离应用中的大多数天线都会在多个方向产生偏振。由于室内设备承受了许多反射,因此偏振不像一些室外工作设备那么重要。

c.带宽和阻抗匹配

确定天线带宽的两种常见方法是:1)在相关频带上调节载波的同时对辐射功率进行测量;2)使用网络分析仪对天线馈电点的反射进行测量。图4显示了第一种方法,其对一个2.4GHz 天线的辐射功率进行测量,这种天线在2.4GHz频带上具有接近2dB的输出功率变化,同时还具有接近于这一频带中心的最大辐射。这种测量方法是通过对2.3~2.8GHz的连续波信号进行调节来完成的。这类方法应该在一个无回音室中进行,以获得正确的绝对带宽级别。然而,即使在没有无回音室的情况下,这种方法也非常有用。

给低功耗无线应用选择天线详细过程

在普通实验室环境中的测量可以得到一个相对结果,其表明天线在理想频带中间是否具有最佳性能。被用来进行这种测量的接收天线的性能特性将会对测量结果产生影响。因此,该天线在测量频带上具有大概相同的性能非常重要。这种预防措施有助于确保在测量频带上观测到的性能相对变化是有效的。描述天线带宽特性的第二种方法是对天线馈电点上的反射功率进行测量。断开天线并使用一条同轴线缆将一台网络分析仪连接至天线便可以进行此类测量。天线的带宽通常被定义为频率范围,该频率下的反射低于-10dB,或者VSWR少于2。这就相当于在这一频率范围中仅有不到10%的有效功率被天线反射。

d.尺寸、成本和性能

理想的天线不但要非常小、零成本,而且还要拥有优异的性能。然而,现实生活中,在这些指标之间谋求一个折中是非常必要的。当寻求小型天线解决方案时,芯片天线是较好的替代方案。1GHz 以下频率条件下时尤为如此,因为芯片天线允许使用比传统PCB 天线更小型的解决方案。但芯片天线的主要缺点是较高的成本以及典型的窄带性能。

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深度图片解析天线原理、天线指标测试

一、天线原理—天线基本概念; 二、天线指标测试;

发表于 2017-12-20 16:30 1861次阅读
深度图片解析天线原理、天线指标测试

天线知识深度图片详解

天线原理—天线基本概念

发表于 2017-12-18 16:23 1470次阅读
天线知识深度图片详解

全面屏时代,手机天线设计该如何应对?

解决全面屏天线设计问题,除终端厂商努力外,射频器件厂商也在不断地尝试,如:第一是开源的方式,提高 P...

发表于 2017-12-17 07:28 2783次阅读
全面屏时代,手机天线设计该如何应对?

现代手机的天线设计应对策略

自2007年iPhone问世以来的十年间,智能手机个头在不断变大,而其罪魁祸首就是屏幕尺寸增大所逼。...

发表于 2017-12-13 16:50 248次阅读
现代手机的天线设计应对策略

基于射频直放站系统的天线隔离度设计方案

直放站是移动通信中最重要的补充手段 移动通信的快速发展,需要建立大量的基站,特别是2001年联通公司...

发表于 2017-12-13 16:18 194次阅读
基于射频直放站系统的天线隔离度设计方案

双极化天线及其方向性图下倾技术分析

目前,在GSM网络建设和维护工作中,如何解决GSM网络高话务密度区的容量和干扰问题,提高全网的接通率...

发表于 2017-12-13 16:17 271次阅读
双极化天线及其方向性图下倾技术分析

移动通信领域的内置天线设计技术介绍

 随着3G网络计划于2002年下半年正式推出,设计与现有技术和频率后向兼容的3G手机所带来的更多挑战...

发表于 2017-12-13 16:16 206次阅读
移动通信领域的内置天线设计技术介绍

电磁辐射强度与天线架设方式关系解析

本文就公用移动电话基站的设置及天线的不同架设方式对周围环境产生的影响进行了分析,并提出了减少电磁辐射...

发表于 2017-12-13 16:16 236次阅读
电磁辐射强度与天线架设方式关系解析

卫星的线极化与螺旋极化解析

卫星的下行频信号一般有两种极化:线极化与螺旋极化 线极化又分为水平H极化和垂直V极化; 螺旋极化又分...

发表于 2017-12-13 16:10 334次阅读
卫星的线极化与螺旋极化解析

1.5m天线接收C、Ku波段卫星电视使用说明

如何用1.5m天线同时接收卫星上的C、Ku波段卫星电视节目,对众多的卫星电视接收爱好者来说是个努力探...

发表于 2017-12-13 15:37 500次阅读
1.5m天线接收C、Ku波段卫星电视使用说明

随环境而变化的特殊天线用途详述

移动通信直放站是为消除移动通信网的局部范围信号盲区或弱信号区而设计的通信设备。 直放站通常分为两种:...

发表于 2017-12-13 15:34 130次阅读
随环境而变化的特殊天线用途详述

DEMA中波短天线的工作原理与性能指标介绍

传统天线(classical antennas)是根据赫兹(Hertz)定理的半波长共振理论来设计的...

发表于 2017-12-13 15:30 205次阅读
DEMA中波短天线的工作原理与性能指标介绍

AP天线覆盖影响因素分析

一般的AP在空旷的环境下理论上有100米到300米的覆盖范围,在办公的环境下有35米到100米覆盖范...

发表于 2017-12-13 15:29 154次阅读
AP天线覆盖影响因素分析

移动通信中的智能天线设计介绍

天线作为移动通信的重要组成部分,在提高网络性能、改善网络质量等方面起着巨大的作用。天线技术发展迅速,...

发表于 2017-12-13 15:28 197次阅读
移动通信中的智能天线设计介绍

基站辐射比手机辐射还要强?

通信基站、变电站、加油站和加气站越来越多的站进入居民小区。对这些与生活休戚相关的公共设施,人们产生了...

发表于 2017-12-13 15:15 134次阅读
基站辐射比手机辐射还要强?

手机天线可保大脑免受辐射伤害

英国工程学教授格林发明了一种能保护大脑使其免受无线电波辐射的手机天线。 格林告诉法新社说:这是一种新...

发表于 2017-12-13 15:06 86次阅读
手机天线可保大脑免受辐射伤害

基于U2270B的射频识别系统天线设计分析

近年来,自动识别方法在服务领域、货物销售、后勤分配、商业、生产企业和材料流通等领域得到了快速的发展,...

发表于 2017-12-13 14:28 309次阅读
基于U2270B的射频识别系统天线设计分析

基于AR1900解决方案的PAS手机令人爱不释手

8月,先进无线解决方案供应商Atheros宣布,UTStarcom的超薄型X30 PAS手机将采用该...

发表于 2017-12-13 13:02 128次阅读
基于AR1900解决方案的PAS手机令人爱不释手

手机等移动终端产品的电视接收天线设计

自数字电视开播以来,各种电视接收产品也因应市场需求不断推出,举凡带有动态显示器的各种产品也均将导入电...

发表于 2017-12-13 12:28 169次阅读
手机等移动终端产品的电视接收天线设计

卫星干扰起因及改善的解决办法解析

全球卫星干扰正在恶化。在Broadcast Asia 2006卫星会议上,业界角逐者们研讨了引起干扰...

发表于 2017-12-13 12:27 232次阅读
卫星干扰起因及改善的解决办法解析

卫星天线的防雷保护设计解决方案

用于电视/宽带服务广播信号的通信卫星主要使用两个工作频段,即C、Ku。C频段的频率范围为4.0 GH...

发表于 2017-12-13 11:33 489次阅读
卫星天线的防雷保护设计解决方案

基于PCB的小天线设计

原因或许就是因为它们是无源器件,在RF信号通路中所起的作用看来不大。也可能是是因为设计师希望他们一直...

发表于 2017-12-13 11:32 176次阅读
基于PCB的小天线设计

自适应阵列天线的简要介绍

在移动通信系统中,系统的容量是比较重要的一个指标。为了提高系统的容量,一般都采用分集、编码增益等一系...

发表于 2017-12-13 11:16 324次阅读
自适应阵列天线的简要介绍

智能天线在3G系统中的应用简介

在向第3代移动通信系统(3G)发展过程中,迅速增加的业务量和有限的频谱资源之间的矛盾日益突出。 运营...

发表于 2017-12-13 10:44 158次阅读
智能天线在3G系统中的应用简介

新型天线设计-等离子天线技术优点分析

天线是所有射频通讯系统的重要部分。射频信号的收发从一般的广播到各种复杂的武器系统,其共同点都是使用一...

发表于 2017-12-13 10:31 92次阅读
新型天线设计-等离子天线技术优点分析

基于基站的智能天线和空间分集接收技术分析

本文分析了信道的空时传输特性以及CDMA系统存在的主要问题,由此给出了智能天线和空间分集接收技术的...

发表于 2017-12-13 10:30 195次阅读
基于基站的智能天线和空间分集接收技术分析

GSM网络中的智能天线应用教程

在上行方面,智能天线为试验小区提供载干比增益,从而提高了试验小区运营质量;在下行方面,智能天线减少了...

发表于 2017-12-13 10:30 113次阅读
GSM网络中的智能天线应用教程

TD-SCDMA智能天线系统介绍及其测试

本文简要介绍了智能天线的原理、智能天线阵的物理特性和波束赋形、智能天线算法的实现。 最后对 TD-S...

发表于 2017-12-13 10:26 173次阅读
TD-SCDMA智能天线系统介绍及其测试