外部天線綜合指南

從嵌入移動設(shè)備的小型天線到蜂窩或衛(wèi)星基站中的大型天線陣列，天線是無線設(shè)計中使用的主要組件。天線有多種形狀和尺寸可供選擇，要么嵌入設(shè)備內(nèi)部（內(nèi)部），要么固定在外部（外部）。盡管存在一系列固有的設(shè)計挑戰(zhàn)，但內(nèi)置天線通常用于緊湊型物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用，因此必須遵守嚴格的尺寸和性能標準。相反，外置天線由于其外形尺寸更大，因此更加穩(wěn)定且更易于集成。

在進行無線設(shè)計時，建議在設(shè)計階段盡早檢查合適的天線，以避免性能問題和代價高昂的重新設(shè)計。為此，設(shè)計工程師必須確定產(chǎn)品要求，例如 PCB 設(shè)計、尺寸和外殼。此外，還應(yīng)考慮性能參數(shù)，包括：

帶寬

電壓駐波比 (VSWR)

輻射模式

獲得

在下文中，我們將為設(shè)計工程師提供有關(guān)外部天線的綜合指南，概述它們的優(yōu)缺點、關(guān)鍵性能參數(shù)以及可用的不同類型。

外接天線的優(yōu)缺點

通過射頻連接器固定在設(shè)備外殼的外部，外部天線易于集成，通常需要很少的設(shè)計資源。與內(nèi)置天線不同，外置天線通常是獨立于地平面的即插即用解決方案，這意味著它們不會嚴重依賴于它們所連接的 PCB 區(qū)域的大小。這允許更短的開發(fā)時間和更快的上市時間。由于尺寸較大，外置天線與內(nèi)置天線相比具有更大的范圍和靈敏度。此外，固定在設(shè)備外部使它們能夠提供出色的視線。外部天線通常會保留較高的額定增益 (dBi)，從而在信號傳輸必須集中在特定方向的應(yīng)用中實現(xiàn)出色的定向行為。

此外，較大的天線在支持較低頻率和較長波長方面是最佳選擇。正因為如此，許多高增益外部天線在較低的 sub-GHz 范圍內(nèi)保持帶寬，同時仍保持可接受的性能。盡管外部天線有很多好處，但必須考慮成本，因為生產(chǎn)更大的天線需要額外的制造工藝和材料。此外，對于處理小型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計工程師來說，外部天線通常不適合，因為它們的尺寸和形狀因數(shù)。

外置天線關(guān)鍵性能參數(shù)

測量天線帶寬和 VSWR

除了為項目確定適當?shù)?PCB 設(shè)計、尺寸和外殼外，還必須考慮一系列性能參數(shù)以確保適當?shù)墓δ堋?yīng)評估帶寬以確定天線有效發(fā)射和接收信號的最佳頻率范圍。例如，考慮一個特定的藍牙?天線有望在 2.4GHz-2.5GHz 的 100MHz 頻率帶寬內(nèi)發(fā)揮最佳性能。由于天線的固有特性，這種藍牙天線也容易受到其預(yù)期帶寬之外的頻率的影響，但在這個特定的頻率范圍 (2.4GHz-2.5GHz) 內(nèi)，天線有望以一定的效率實現(xiàn)最佳性能 (百分比）水平。但是，這可能會因天線元件的設(shè)計精度而異。通常應(yīng)測量天線帶寬的決定性因素電壓駐波比 (VSWR)，以確定將從天線反射回無線電的功率量（圖 1). 反射回無線電的功率越少，天線的工作效率就越高。特定帶寬的首選 VSWR 通常小于或等于 3:1。例如，聲稱工作頻率為 100MHz-400MHz 的天線可能聲明其 VSWR 在此帶寬效率內(nèi)小于 1.5。在這種情況下，這意味著天線預(yù)計會反射大約 4% 的無線電功率。

圖 1：由 VSWR 定義的天線帶寬。（來源：移動馬克）

識別天線輻射模式

更少的數(shù)字參數(shù)和更多的圖形 3D 表示，應(yīng)該評估輻射方向圖以確定天線周圍的能量分布。盡管 3D 輻射圖提供了天線能量分布的完整表示，但 2D 圖仍然有助于提供一種簡單的方法來識別大部分天線能量將集中在何處。輻射圖的主要目的是可視化全向（圖 2）或定向（圖 3 ）) 天線是。全向天線被描述為具有在單個平面（即水平xy平面）內(nèi)的所有方向上相對相同的輻射圖。同時，定向天線的輻射模式不對稱，其大部分輻射能量集中在一個方向上。

圖 2：全向天線的垂直和水平輻射圖示例。（來源：ResearchGate）

圖 3：定向天線的垂直和水平輻射圖示例。（來源：EVDO）

用增益評估天線的性能

評估天線性能時考慮的第一個參數(shù)是增益。增益總是在天線輻射方向圖的上下文中描述。增益定義為與各向同性源的信號強度相比，其峰值輻射方向上的信號強度。各向同性源旨在用作參考天線，盡管它在物理上并不存在。參考天線作為實際天線的極好比較源，因為它的輻射方向圖在所有方向上都是一致的。參考圖 4了解天線增益 (dBi) 的一般公式。對于實踐中的任何天線，增加其增益意味著您正在增加其方向性，這會增加所需方向的功率，但會以其他方向輻射的功率為代價。

圖 4：增益 (dBi) 公式。（來源：Abracon）

外部天線的類型

外部天線有各種形狀和尺寸。一個常見的例子是安裝在互聯(lián)網(wǎng)路由器外部的橡皮鴨天線。屬于全向或定向子組，可用的不同類型的外部天線具有不同的特性，以最好地支持特定的用例。

全向天線

大多數(shù)情況下，與無線接入點 (WAP) 上類似的終端安裝天線、鞭狀天線、橡皮鴨天線和室外偶極天線等天線都是全向天線。典型的結(jié)構(gòu)包括將天線元件封裝在橡膠或塑料護套中，并帶有外露的 RF 連接器。這些全向天線始終獨立于地平面，使得與發(fā)射器的簡單耦合成為集成的唯一要求。由于這些天線的非定向性，它們應(yīng)該垂直指向地面，因為它們往往會在水平 (xy) 平面內(nèi)廣泛輻射。任何需要點對多點通信的無線應(yīng)用都將從這種輻射模式中獲益最多。例如，

其他全向天線

圓盤式、磁性安裝和螺絲安裝天線旨在平放在一個表面上，例如汽車的天花板或車頂。它們可以安裝在金屬或非金屬表面上，具體取決于天線型號。形狀因素是一個很大的區(qū)別特征。它們通常采用更薄的設(shè)計，非常適合尋求與終端安裝天線等更大外形不同審美的客戶。根據(jù)設(shè)計，許多圓盤式天線可以支持集成低噪聲放大器 (LNA)，以顯著改善信號接收——特別是對于微弱的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 傳入信號。與鞭式天線不同，圓盤式天線通常意味著水平朝向地面或天空，因為它們往往在垂直平面上具有更多 360 度的覆蓋范圍。?，安裝在辦公室單層樓中央的天花板天線。信號覆蓋范圍必須朝下，以確保下方的所有計算機、電話和打印機都能正常接收信號。圓盤式天線外形的另一個優(yōu)點是許多不同的型號可以支持多種無線協(xié)議。對于想要將 GNSS、蜂窩和 Wi-Fi 所需的所有不同天線整合到單一外形尺寸的任何基站來說，這是最佳選擇。像這樣的組合天線本質(zhì)上是三個不同的天線元件安裝在一個外殼中，每個不同的協(xié)議都有自己的電纜和連接器。

定向天線

平板天線、碟形天線和八木天線專注于依賴遠程點對點或點對多點通信的應(yīng)用。由于這些天線的輻射模式非常集中，您總是可以期望在其數(shù)據(jù)表中看到高額定增益 (dBi)（通常高于 9dBi）。如果這些天線在一個方向上提供高峰值增益，它們非常適合任何要求苛刻的遠程應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，終端節(jié)點設(shè)備或設(shè)備集合集中在特定區(qū)域。例如，共享同一個無線網(wǎng)絡(luò)的一對辦公樓在每一側(cè)都有一個室外級八木天線或平板天線，兩個天線彼此朝向以形成點對點通信鏈路。

結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷發(fā)展增加了對各種天線選項的需求。工程師是否傾向于內(nèi)部解決方案來滿足低成本、大批量和尺寸要求；或為了簡化設(shè)計和保證性能而采用外部解決方案——天線將始終是無線系統(tǒng)的關(guān)鍵接口。建議在項目設(shè)計階段盡早完成天線，以確保最佳性能。在不考慮天線的情況下完全滿足您的產(chǎn)品要求（例如其 PCB 設(shè)計、尺寸和外殼）將降低您在所選天線不適合或不兼容的情況下修改設(shè)計的能力。除了充分了解您的應(yīng)用要求、熟悉不同的天線類型之外，

審核編輯黃昊宇