為低功耗無(wú)線應(yīng)用選擇天線概要

為低功耗無(wú)線應(yīng)用選擇天線綱要為低功耗無(wú)線應(yīng)用選擇天線綱要7/7為低功耗無(wú)線應(yīng)用選擇天線綱要為低功耗無(wú)線應(yīng)用選擇天線天線是RF系統(tǒng)中的一個(gè)重要組件，而且對(duì)性能有重視要的影響。高性能、小尺寸以及低成本是好多RF應(yīng)用最常有的要求。為了滿足這些要求，推行一個(gè)合適的天線并概括描述其性能特點(diǎn)是特別重要的。本文描述了典型的天線種類并闡述了選擇天線時(shí)應(yīng)該考試的重要參數(shù)。天線的種類在選擇天線時(shí)，天線的尺寸、成本以及性能是最重要的考慮因素。對(duì)于短距離圖1典型的天線解決方案1PCB天線設(shè)計(jì)一款PCB天線其實(shí)不是一件簡(jiǎn)單了然的事情，由于還需要一個(gè)仿真工具才能獲得一個(gè)合意的解決方案。除了要供應(yīng)一種最合適的設(shè)計(jì)之外，配置這樣一個(gè)能進(jìn)行精確仿真的工具也是一項(xiàng)困難且耗時(shí)的工作。芯片天線對(duì)于天線而言，若是板級(jí)空間特別有限，那么芯片天線可以說(shuō)是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案。這各種類的天線可支持小解決方案尺寸（即即是在1GHz頻率以下）。與PCB天線對(duì)照，這類天線的缺點(diǎn)在于該解決方案會(huì)增加資料和貼裝成本。芯片天線的一般成本介于0.10美元和1.00美元之間。即使一些芯片天線廠商聲稱說(shuō)這類天線可與某種50Ω阻抗般配以適應(yīng)頻帶，但平時(shí)還需要其他一些與之相般配的組件。鞭形天線若是我們最重視的是性能，而不是外形尺寸和成本，那么帶有一個(gè)連接器的外面天線將是一個(gè)很好的解決方案。這些天線平時(shí)為單極天線，且擁有全向輻射模式，這就是說(shuō)該天線在一個(gè)平面上各個(gè)方向的性能幾乎都是相同的。鞭形天線應(yīng)安裝在接地層上，以獲得最正確的性能。為了實(shí)現(xiàn)最大程度的節(jié)約，四分之一波長(zhǎng)的線即可供應(yīng)一款高效的解決方案。天線參數(shù)在選擇天線時(shí)，一些需要考慮的最重要的因素包括：輻射模式、天線效率以及天線帶寬。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相同而變化。當(dāng)解讀這樣一個(gè)輻射模式變化圖時(shí)，認(rèn)識(shí)幾個(gè)天線參數(shù)是特別重要的。圖2輻射模式除了該輻射模式變化圖之外，將輻射模式與天線的配置相聯(lián)系也是很重要的。輻射模式平時(shí)在三個(gè)互成直角的平面XY、XZ和YZ上測(cè)試。誠(chéng)然可以進(jìn)行全3D圖形測(cè)量，但由于這是一項(xiàng)耗時(shí)的工作且需要昂貴的設(shè)備，因此一般不這么做。定義這三個(gè)平面的另一種方法是使用一個(gè)球形坐標(biāo)系統(tǒng)。這三個(gè)平面將由=90°,Φ=0°和Φ=90°來(lái)定義。圖3顯示了如何將球形符號(hào)與這三個(gè)平面聯(lián)系在一起。若是沒有給出相關(guān)如何將輻射模式圖上的輻射方向與天線的配置聯(lián)系起來(lái)的信息，那么0°為X方向，XY平面上角度朝Y方向趨增。就XZ平面而言，0°位于Z方向，同時(shí)角度朝X方向趨增。對(duì)YZ平面來(lái)說(shuō)，0°位于Z方向，角度朝Y方向趨增。圖3球形坐標(biāo)系統(tǒng)增益或參照電平平時(shí)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(dāng)全向天線被用作參照時(shí)，增益以dBi單位，或被規(guī)定為等效全向輻射功率(EIRP)。圖2中的外圓相當(dāng)于5.6dBi，左下方的4dB/div符號(hào)表示對(duì)所有漸漸增加的小圓來(lái)說(shuō)發(fā)射級(jí)別降低了4dB。對(duì)照全向天線，PCB天線在0°方向會(huì)有一個(gè)5.6dB高級(jí)其他輻射。如式1所示，天線增益G被定義為最大輻射強(qiáng)度同平均輻射強(qiáng)度乘以天線效率的比。1）其中，Umax為最大輻射強(qiáng)度，Uavg為平均強(qiáng)度，這兩個(gè)值的比被稱為方向性D。天線元件的為了精確地測(cè)量天線輻射方向，只對(duì)被測(cè)設(shè)備的直達(dá)波進(jìn)行測(cè)量并防備影響測(cè)量結(jié)果的反射波特別重要。為了最少化拾取反射能量，平時(shí)在無(wú)回音室或天線測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行這些測(cè)量。另一個(gè)要求是，在天線遠(yuǎn)聲場(chǎng)測(cè)量的信號(hào)必定為平面波。如式2所示，遠(yuǎn)聲場(chǎng)距離Rf由波長(zhǎng)λ和最大天線尺寸DIM決定。由于無(wú)回音室的空間有限，因此平時(shí)在室外天線測(cè)試場(chǎng)對(duì)一些大型、低頻率天線進(jìn)行測(cè)試。2）偏振偏振是對(duì)電場(chǎng)方向的描述。所有在自由空間中流傳的電磁波都擁有與流傳方向垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。在考慮偏振的情況下，平時(shí)會(huì)對(duì)電場(chǎng)向量進(jìn)行描述，而忽略磁場(chǎng)，由于其同電場(chǎng)正交并成比率關(guān)系。為了獲得最正確性能，接收和發(fā)射天線都應(yīng)該擁有相同的偏振。實(shí)質(zhì)上，短距離應(yīng)用中的大多數(shù)天線都會(huì)在多個(gè)方向產(chǎn)生偏振。由于室內(nèi)設(shè)備承受了好多反射，因此偏振不像一些室外工作設(shè)備那么重要。帶寬和阻抗般配確定天線帶寬的兩種常有方法是：1）在相關(guān)頻帶上調(diào)理載波的同時(shí)對(duì)輻射功率進(jìn)行測(cè)量；2）使用網(wǎng)絡(luò)解析儀對(duì)天線饋電點(diǎn)的反射進(jìn)行測(cè)量。圖4顯示了第一種方法，其對(duì)一個(gè)2.4GHz天線的輻射功率進(jìn)行測(cè)量，這類天線在2.4GHz頻帶上擁有湊近2dB的輸出功率變化，同時(shí)還擁有湊近于這一頻帶中心的最大輻射。這類測(cè)量方法是經(jīng)過(guò)對(duì)2.3～2.8GHz的連續(xù)波信號(hào)進(jìn)行調(diào)治來(lái)完成的。這類方法應(yīng)該在一個(gè)無(wú)回音室中進(jìn)行，以獲得正確的絕對(duì)帶寬級(jí)別?？墒?，即使在沒有無(wú)回音室的情況下，這類方法也特別適用。圖42.4GHz天線的帶寬在一般實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的測(cè)量可以獲得一個(gè)相對(duì)結(jié)果，其表示天線在理想頻帶中間可否擁有最正確性能。被用來(lái)進(jìn)行這類測(cè)量的接收天線的性能特點(diǎn)將會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，該天線在測(cè)量頻帶上擁有大概相同的性能特別重要。這類預(yù)防措施有助于保證在測(cè)量頻帶上察看到的性能相對(duì)變化是有效的。描述天線帶寬特點(diǎn)的第二種方法是對(duì)天線饋電點(diǎn)上的反射功率進(jìn)行測(cè)量。斷開天線并使用一條同軸線纜將一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)解析儀連接至天線便可以進(jìn)行此類測(cè)量。天線的帶寬平時(shí)被定義為頻率范圍，該頻率下的反射低于-10dB，也許VSWR少于2。這就相當(dāng)于在這一頻率范圍中僅有不到10%的有效功率被天線反射。尺寸、成本和性能理想的天線不僅需特別小、零成本，而且還要擁有優(yōu)異的性能。可是，現(xiàn)實(shí)生活中，在這些指標(biāo)之間謀求一個(gè)折中是特別必要