為低功耗無線應用選擇天線

為低功耗無線應用選擇天線

[日期：2008-12-11]

來源：今日電子/21IC  作者：德州儀器公司 Audun Andersen

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天線是 RF 系統中的一個重要組件，並且對效能有著重大的影響。高效能、小尺寸以及低成本是許多RF應用最常見的要求。為了滿足這些要求，實施一個適當的天線並概括描述其效能特點是非常重要的。本文描述了典型的天線類型並闡述了選擇天線時應該考試的重要參數。

天線的類型
在選擇天線時，天線的尺寸、成本以及效能是最重要的考慮因素。對於短距離無線裝置而言，三種最常見的天線為PCB天線、晶片天線以及鞭形天線。這三種天線的優缺點如表1所示。

圖1 典型的天線解決方案

1 PCB天線
設計一款PCB天線並不是一件簡單明了的事情，因為還需要一個模擬工具才能得到一個合意的解決方案。除了要提供一種最適宜的設計之外，配置這樣一個能進行精確模擬的工具也是一項困難且耗時的工作。

2 晶片天線
對於天線而言，如果板級空間非常有限，那麼晶片天線可以說是一個不錯的解決方案。這種類型的天線可支援小解決方案尺寸（即使是在1GHz頻率以下）。與PCB天線相比，這種天線的缺點在於該解決方案會增加材料和貼裝成本。晶片天線的一般成本介於0.10美元和1.00美元之間。即使一些晶片天線廠商聲稱說這種天線可與某種50Ω阻抗匹配以適應頻帶，但通常還需要其他一些與之相匹配的組件。

3 鞭形天線
如果我們最注重的是效能，而不是外形尺寸和成本，那麼帶有一個連接器的外部天線將是一個很好的解決方案。這些天線通常為單極天線，且擁有全向輻射模式，這就是說該天線在一個平面上各個方向的效能幾乎都是一樣的。鞭形天線應安裝在接地層上，以獲得最佳的效能。為了實現最大程度的節約，四分之一波長的線就可提供一款高效的解決方案。

天線參數
在選擇天線時，一些需要考慮的最重要的因素包括：輻射模式、天線效率以及天線頻寬。

1 輻射模式和增益
圖2顯示了在PCB平面中，PCB天線的輻射模式將如何隨方向不同而變化。當解讀這樣一個輻射模式變化圖時，瞭解幾個天線參數是非常重要的。

圖2 輻射模式

除了該輻射模式變化圖以外，將輻射模式與天線的配置相聯絡也是很重要的。輻射模式通常在三個互成直角的平面XY、XZ和YZ上測試。雖然可以進行全3D圖形測量，但由於這是一項耗時的工作且需要昂貴的裝置，因此一般不這麼做。定義這三個平面的另一種方法是使用一個球形座標系統。這三個平面將由θ=90°,Φ=0°和Φ=90°來定義。圖3顯示了如何將球形符號與這三個平面聯絡在一起。如果沒有給出有關如何將輻射模式圖上的輻射方向與天線的配置聯絡起來的資訊，那麼0°為X方向，XY平面上角度朝Y方向趨增。就XZ平面而言，0°位於Z方向，同時角度朝X方向趨增。對YZ平面來說，0°位於Z方向，角度朝Y方向趨增。

圖3 球形座標系統

增益或參考電平通常是指全向輻射天線，其為一種各方向均為相同輻射功率的理想天線。當全向天線被用作參考時，增益以dBi單位，或被規定為等效全向輻射功率(EIRP)。圖2中的外圓相當於5.6dBi，左下方的4dB/div符號表示對所有漸漸增多的小圓來說發射層級降低了4dB。相比全向天線，PCB天線在0°方向會有一個5.6dB進階別的輻射。

如式1所示，天線增益G被定義為最大輻射強度同平均輻射強度乘以天線效率的比。

（1）

其中，Umax為最大輻射強度，Uavg為平均強度，這兩個值的比被稱為方向性D。天線元件的電阻損耗和天線饋電點上的反射共同決定了效率e，其就是Prad除以輸入功率Pin得出的輻射功率。高增益並不必然意味著天線擁有高效能。通常，移動系統要求一個全向輻射模式，這樣其效能才會在所有天線方向上均大概一致。對於接收機和發送器等具有固定位置的應用而言，當天線指向其他高增益輻射方向時可以獲得更高的效能。

為了精確地測量天線輻射方向，只對被測裝置的直達波進行測量並避免影響測量結果的反射波非常重要。為了最少化拾取反射能量，通常在無迴音室或天線測試場進行這些測量。另一個要求是，在天線遠聲場測量的訊號必須為平面波。如式2所示，遠聲場距離Rf由波長λ和最大天線尺寸DIM決定。由於無迴音室的空間有限，因此通常在室外天線測試場對一些大型、低頻率天線進行測試。

       （2）

2 偏振
偏振是對電場方向的描述。所有在自由空間中傳播的電磁波都具有與傳播方向垂直的電場和磁場。在考慮偏振的情況下，通常會對電場向量進行描述，而忽略磁場，因為其同電場正交並成比例關係。為了獲得最佳效能，接收和發射天線都應該具有相同的偏振。實際上，短距離應用中的大多數天線都會在多個方向產生偏振。由於室內裝置承受了許多反射，因此偏振不像一些室外工作裝置那麼重要。

3 頻寬和阻抗匹配
確定天線頻寬的兩種常見方法是：1）在相關頻帶上調節載波的同時對輻射功率進行測量；2）使用網路分析儀對天線饋電點的反射進行測量。圖4顯示了第一種方法，其對一個2.4GHz 天線的輻射功率進行測量，這種天線在    2.4GHz頻帶上具有接近2dB的輸出功率變化，同時還具有接近於這一頻帶中心的最大輻射。這種測量方法是通過對2.3～2.8GHz的連續波訊號進行調節來完成的。這類方法應該在一個無迴音室中進行，以獲得正確的絕對頻寬層級。然而，即使在沒有無迴音室的情況下，這種方法也非常有用。

圖4 2.4GHz天線的頻寬

在普通實驗室環境中的測量可以得到一個相對結果，其表明天線在理想頻帶中間是否具有最佳效能。被用來進行這種測量的接收天線的效能特性將會對測量結果產生影響。因此，該天線在測量頻帶上具有大概相同的效能非常重要。這種預防措施有助於確保在測量頻帶上觀測到的效能相對變化是有效。

描述天線頻寬特性的第二種方法是對天線饋電點上的反射功率進行測量。斷開天線並使用一條同軸線纜將一台網路分析儀串連至天線便可以進行此類測量。天線的頻寬通常被定義為頻率範圍，該頻率下的反射低於-10dB，或者VSWR少於2。這就相當於在這一頻率範圍中僅有不到10%的有效功率被天線反射。

4 尺寸、成本和效能
理想的天線不但要非常小、零成本，而且還要擁有優異的效能。然而，現實生活中，在這些指標之間謀求一個折中是非常必要的。當尋求小型天線解決方案時，晶片天線是較好的替代方案。1GHz以下頻率條件下時尤為如此，因為晶片天線允許使用比傳統 PCB 天線更小型的解決方案。但晶片天線的主要缺點是較高的成本以及典型的窄帶效能。