24GHz 頻段增益天線模塊設(shè)備選擇

1、【物聯(lián)網(wǎng)天線選擇攻略】2.4GHz頻段增益天線模塊設(shè)備選擇天線模塊設(shè)備(ant enna)是一種能量變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變 換成在無界媒介中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。對于設(shè)計一個應(yīng)用于射 頻系統(tǒng)中的小功率、短距離的2.4GHz無線收發(fā)設(shè)備，天線的設(shè)計和選擇是其中 的重要部分，良好的天線系統(tǒng)可以使通信距離達到最佳狀態(tài)。2.4GHz天線的種 類也很多，不同的應(yīng)用需要不用的天線。增益天線簡介RadioXAntennaMailing Lino(5Notwork 4AntennaRsdiKRadioTnansrnls&ionLi鬧(SOO)NEatching Network圖1 天

2、線傳輸原理為保證天線的傳輸效率，天線的長度大約是電磁波波長的1/4,所以信號頻 率越低，波長越長，天線的長度越長；信號頻率越高，波長越短，天線的長度越 短。則常用的2.4GHz頻段頻率高，波長短，天線的長度短，可用內(nèi)置天線，也 可以用外置天線。天線做的更短，如1 /8波長或1/16波長，也可以使用，只是 效率會下降。某些設(shè)備會采用“短天細LNA ”的方式，也能達到長天線的接收效 果。但是短天線要達到長天線的發(fā)射效果，就需要提升發(fā)射功率了，因此對講機需要發(fā)射信號，都是長的外置天線，而FM收音機只收不發(fā)，有內(nèi)置接收天線。 例如 2G(900MHz)、4G(700-2600MHz)、WIFI 和藍牙

3、(2.4GHz)、GPS(1.5GHz)，這 些常用的物聯(lián)網(wǎng)通信方式，可以做內(nèi)置天線。對于手持機、穿戴設(shè)計、智能家居等小尺寸產(chǎn)品，很少使用外置天線，普遍 采用內(nèi)置天線。集成度高，產(chǎn)品外觀更美觀，性能比外置天線略弱一點。物聯(lián)網(wǎng)、 智能硬件產(chǎn)品，要聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，都需要有天線。空間越小、頻段越多，天線設(shè) 計越復(fù)雜。外置天線一般都是標準品，買頻段合適的，無需調(diào)試，即插即用。例 如快遞柜、售貨機這些，普遍使用磁吸的外置天線，吸在鐵皮外殼上即可。這些 天線不能放在鐵皮柜里面，金屬會屏蔽天線信號，所以只能放在外面。優(yōu)點是使 用方便、價格便宜，缺點是不能用在小尺寸產(chǎn)品上。天線類別那如何從眾多的2.4GHz天線

4、中選擇出適合自己無線收發(fā)設(shè)備的2.4GHz天線, 接下來就通過對2.4GHz天線的分類和分類對比來介紹如何選擇2.4GHz天線。應(yīng) 用在2.4GHz頻段上的天線主要有陶瓷天線、PCB天線和彈簧天線等，陶瓷天線 和PCB天線屬于內(nèi)置天線，彈簧天線屬于外置天線。一、陶瓷天線圖2 各種類型的陶瓷天線陶瓷天線工作原理是利用GPS衛(wèi)星來實現(xiàn)導(dǎo)航定位的，而用戶的接收機主要 任務(wù)是提取衛(wèi)星信號中的偽隨機噪聲碼和數(shù)據(jù)碼，以進一步解算得到接收機載體 的位置、速度和時間(PVT)等導(dǎo)航信息，陶瓷天線的原理要分兩部分來說：一是 發(fā)射天線，一是接收天線。一般的天線都具有可逆性，可同時做發(fā)射天線和接收 天線。陶瓷天線發(fā)

5、射天線簡單說，就是通過一根叫做“天線”的電極將天線與地 之間形成的高頻電場變成電磁波，從而能發(fā)射出去并傳波到遠方。陶瓷天線接收 天線簡單說,就是通過一根叫做“天線”的電極將空中傳來的電磁波感應(yīng)為電場， 生成高頻信號電壓，送到接收機進行信號處理。在陶瓷天線單元設(shè)計中采用了高 頻、低噪聲放大器，以減弱天線熱噪聲及前面幾級單元電路對接收機性能的影響， 而陶瓷天線的作用是將衛(wèi)星傳來的無線電信號的電磁波能量變換成接收機電子 器件可攝取應(yīng)用的電流，所以天線的大小和形狀十分重要，因為這些決定了陶瓷 天線能獲取微弱的電磁波信號的能力。陶瓷天線是一種適合于藍牙裝置使用的小型化天線，在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中用的最 多的，就

6、是GPS、藍牙、GSM陶瓷天線。陶瓷天線分為塊狀陶瓷天線和多層陶瓷 天線。塊狀天線是使用高溫將整塊陶瓷體一次燒結(jié)完成后再將天線的金屬部分印 在陶瓷塊的表面上。而多層天線燒制采用低溫共燒的方式講多層陶瓷迭壓對位后 再以高溫燒結(jié)，所以天線的金屬導(dǎo)體可以根據(jù)設(shè)計需要印在每一層陶瓷介質(zhì)層上, 如此一來可以有效縮小天線尺寸，并能達到隱藏天線目的。由于陶瓷本身介電常數(shù)比PCB電路板的要高，所以使用陶瓷天線能有效縮小天線 尺寸。在介電損耗方面，陶瓷介質(zhì)也比PCB電路板的介電損失小，所以非常適合 低耗電率的的藍牙模塊中使用。陶瓷天線尺寸一般1210封裝相當，效果要強 于板載天線。使用也比較方便，一般有ANT接

7、入腳和地腳，在PCB設(shè)計時，天 線周圍一定要凈空，特別注意不能敷銅。同時在使用陶瓷天線時，也要注意巴倫 電路的匹配問題，如果是用專用的集成電路，最好讓生產(chǎn)商測試一下平衡電路與 陶瓷天線的匹配情況。如果匹配的不好，也會影響天線的效果。陶瓷天線的優(yōu)點是占用空間很小、性能比較好。缺點是很難做到多頻段，因 此難以應(yīng)用在4G類產(chǎn)品中。對電路板凈空要求比較高，不適用于特別緊湊的產(chǎn) 品。二、PCB天線代匸-cc匸-圖3 各種類型的PCB天線PCB天線是指無線接收和發(fā)射用的PCB 上的部分。發(fā)射時，它把發(fā)射機的高 頻電流轉(zhuǎn)換為空間電磁波；接收時，它又把從空間獲取的電磁波變換成高頻電流 輸入接收機。使用PCB天

8、線時，也要注意巴倫電路的匹配問題，如果是用專用的 集成電路，最好讓生產(chǎn)商測試一下平衡電路與PCB天線的匹配情況，如果匹配的 不好，也是會影響天線的效果的。PCB天線大量應(yīng)用于藍牙模塊、WIFI模塊、ZIGBEE模塊等單一頻段的模塊電 路板上。優(yōu)點是空間占用較少，成本低廉，不需單獨組裝天線，不易觸碰損壞，整機 組裝方便，但會犧牲性能。缺點是單個天線場型很難做到圓整，插損高，效率相 對低下，容易遭到主板上的干擾；同時只適合單一頻段，如藍牙，wifi；不同批 次的PCB天線性能會有一定偏差。三、外置天線%圖4各種不同的外置天線外置天線主要是通過直接焊接在天線（ANT）引腳、IPEX接口或者SMA接口

9、 來連接外置天線，IPEX天線接口和SMA天線接口是一種作為射頻電路和天線的 接口，被廣泛應(yīng)用于無線局域網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品的單板上。外置天線的種類有很多，彈簧天線、FPC天線、短膠棒天線、長可彎折天線、 吸盤天線等外置天線。外置天線的優(yōu)點是場型能控制更好，插損低，信號的方向 指向性好，效率高，抗干擾能力強，能減少受到主板上的干擾，而且不用太多的 調(diào)試匹配，若存在無線收發(fā)設(shè)備和外置天線不匹配的情況，也可以通過直接更換 外置天線來解決，無須更換PCB板；缺點是成本較高，組裝起來比較麻煩。2.4G天線的應(yīng)用以成都億佰特的E73系列藍牙模塊為例介紹2.4G不同的天線類型對比。圖5成都億佰特公司E73系列模塊序

10、 號參數(shù) 名稱E73-2G4M04S1AE73-2G4M04S1BE73-2G4M08S1CE73-2G4M04S1D1射頻 芯片nRF52810nRF52832nRF52840nRF518222品牌NORDICNORDICNORDICNORDIC3模塊 尺寸17.5*28.7mm17.5*28.7mm13*18mm17.5*28.7mm4工作 頻段2.3792.496GHz2.3792.496GHz2.3602.5GHz2.3792.496GHz5內(nèi)核ARM Cortex-M4ARMCortex-M4FARM Cortex-M4ARM Cortex-M06支持 協(xié)議BLE 4.2/5.0BL

11、E 4.2/5.0BLE 4.2/5.0BLE 4.2/5.07FLASH192KB512KB1024KB256KB8RAM24KB64KB256KB16KB9供電 電壓1.8V3.6V DC,推薦3.3V1.8V3.6V DC,推薦3.3V1.8V3.6V DC，推薦 3.3V1.8V3.6V DC,推薦3.3V10通信 電平3.3V3.3V3.3V3.3V11實測 距離100m,晴朗空 曠，最大功率， 天線增益 5dBi,高度 2.5m，1M 空中 速率100m，晴朗空 曠，最大功率， 天線增益 5dBi，高度 2.5m，1M 空中 速率120m，晴朗空曠，最大功率， 天線增益5dBi，高

12、度2.5m， 1M空中速率100m,晴朗空 曠，最大功率， 天線增益 5dBi,高度 2.5m, 1M 空中 速率12發(fā)射 功率最大4dBm最大4dBm最大8dBm最大4dBm13接收 靈敏-95dBmlMbps-95dBm1MbpsT03dBm125kbps,-95dBm1Mbps-96dBm度1接口IPEX/PCB，默IPEX/PCB，默陶瓷天線IPEX/PCB，默4方式認PCB認PCB認PCB表1 E73系列模塊電氣參數(shù)對比圖由表 1 可知,E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B、E73-2G4M04S1D 兼容的是 IPEX天線和PCB天線，默認接口都是PCB天線，E7

13、3-2G4M08S1C使用的是陶瓷天 線。由上表可以很清晰的看出 E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B、E73-2G4M08S1C、 E73-2G4M04S1D之間的區(qū)別，首先四個型號采用不同的芯片方案，尺寸和功率 E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B 和 E73-2G4M04S1D 是一樣的，E73-2G4M08S1C 稍有差異；但在相同的測試條件下，但從傳輸距離來講，E73-2G4M08S1C相對于 E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B 和 E73-2G4M04S1D 這 3 個型號之間傳輸距離稍 好，發(fā)射功率也會稍大一些。特別要提出的是，E73-2G4M08S1C發(fā)射功率為8dBm，相對于別的藍牙模塊來 說，功率會大一些，所以傳輸距離相比于別的藍牙產(chǎn)品傳輸距離稍遠。若使用IPEX天線接口接入外置天線，