【導(dǎo)讀】在無(wú)線(xiàn)通訊模塊的實(shí)際應(yīng)用中，常常因?yàn)轶w積限制而不得不使用板載形式的天線(xiàn)。如果天線(xiàn)沒(méi)有處理好，會(huì)大幅影響通訊效果。本文將為大家詳細(xì)講解如何通過(guò)細(xì)節(jié)的優(yōu)化，發(fā)揮出無(wú)線(xiàn)模塊的最佳性能。
1、背景
無(wú)線(xiàn)模塊的傳輸距離，除了模塊本身的性能之外很大程度取決于天線(xiàn)的使用。常用的天線(xiàn)有PCB天線(xiàn)、彈簧天線(xiàn)、陶瓷天線(xiàn)、棒狀天線(xiàn)和吸盤(pán)天線(xiàn)等。不同的天線(xiàn)性能有差異，但是一樣的天線(xiàn)不同的使用方式通信距離也會(huì)差幾倍甚至幾十倍。后面討論影響的PCB天線(xiàn)性能的VSWR和輻射增益。
1.1 天線(xiàn)基礎(chǔ)
天線(xiàn)的基本定義：沿傳輸線(xiàn)的均勻段，兩線(xiàn)間距遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，能量以平面電磁波的模式導(dǎo)行，只有很少的損失（很少的輻射）；沿傳輸線(xiàn)的漸變張開(kāi)段，兩線(xiàn)間距達(dá)到或超過(guò)波長(zhǎng)的量級(jí)，波將向自由空間輻射而表現(xiàn)為天線(xiàn)的性質(zhì)。
前段解釋為白話(huà)：也就是如圖1.1傳輸線(xiàn)與參考地這兩根線(xiàn)張開(kāi)了，這兩根線(xiàn)就是天線(xiàn)；靠得近了兩根線(xiàn)的電磁場(chǎng)相互抵消變成傳輸線(xiàn)如圖1.2所示。文章討論的是如何讓傳輸線(xiàn)上的功率更有效率的傳輸。
圖1.1 半波偶極子
圖1.2 傳輸線(xiàn)
2、PCB天線(xiàn)從模塊到應(yīng)用
2.1 帶PCB天線(xiàn)模塊
一般情況下對(duì)傳輸距離要求不高，但是對(duì)模塊體積要求較高時(shí)。2.4GHz 頻段常選用PCB天線(xiàn)。對(duì)于通信距離要求較高的則需要選用增益和效率較高的棒狀天線(xiàn)和吸盤(pán)天線(xiàn)等。
供應(yīng)商提供帶PCB天線(xiàn)模塊一般都是按照模塊的地仿真調(diào)試的，如圖2.1~圖2.3輻射增益最大2.75dBi，2.4GHz頻段的駐波比（VSWR）都小于2。
圖2.1 模塊倒F天線(xiàn)仿真圖
圖2.2 模塊倒F天線(xiàn)方向圖
圖2.3 模塊倒F天線(xiàn)VSWR圖
2.2 天線(xiàn)下方鋪地
PCB天線(xiàn)只是天線(xiàn)偶極子的一端，并將板子的地作為天線(xiàn)的另外一端。在實(shí)際使用過(guò)程中需注意板子的地應(yīng)與天線(xiàn)保持距離，避免天線(xiàn)的諧振改變而導(dǎo)致輻射效率降低。
在天線(xiàn)下方鋪地仿真如圖2.4~圖2.7，天線(xiàn)的阻抗遠(yuǎn)離50Ω、輻射圖增益只有-3 dBi。輻射增益比原來(lái)的小了將近6dB，并且駐波比也都遠(yuǎn)大于2。顯然天線(xiàn)下方鋪地會(huì)嚴(yán)重影響天線(xiàn)的輻射效率。
圖2.4 天線(xiàn)下方鋪地仿真圖
圖2.5 天線(xiàn)下方鋪地方向圖
圖2.6 天線(xiàn)下方鋪地Smith圖
圖2.7 天線(xiàn)下方鋪地VSWR圖
2.3 天線(xiàn)下有介質(zhì)
天線(xiàn)下方不鋪地，但是介質(zhì)不挖空，相對(duì)天線(xiàn)是下方介質(zhì)厚度增加。而介電常數(shù)和介質(zhì)厚度影響著傳輸波長(zhǎng)，從而是導(dǎo)致天線(xiàn)頻點(diǎn)偏移和輻射效率降低，如圖2.8~圖2.10所示。
圖2.8 天線(xiàn)下有介質(zhì)仿真圖
圖2.9 天線(xiàn)下有介質(zhì)方向圖
圖2.10 天線(xiàn)下有介質(zhì)VSWR圖
2.4 天線(xiàn)附近凈空
天線(xiàn)下方地與介質(zhì)都挖空，仿真結(jié)果幾乎與模塊仿真一致。如圖2.11~圖2.13所示，天線(xiàn)增益2.4dBi與原來(lái)之相差0.35dB，2.4GHz頻段的駐波比也全部在2以下。在實(shí)際使用過(guò)程中，只需通過(guò)阻抗匹配微調(diào)天線(xiàn)頻點(diǎn)，甚至在帶寬較寬的情況下不需要重新調(diào)整匹配。
圖2.11 天線(xiàn)附近凈空仿真圖
圖2.12 天線(xiàn)附近凈空仿真圖
圖2.13 天線(xiàn)附近凈空VSWR圖
3、結(jié)論
天線(xiàn)在使用過(guò)程中應(yīng)避免天線(xiàn)附近有其他物體避免影響天線(xiàn)的諧振點(diǎn)，導(dǎo)致輻射效率降低。特別注意天線(xiàn)旁邊不能有地（包括電池），否則會(huì)大大降低天線(xiàn)的性能。
彈簧天線(xiàn)與PCB天線(xiàn)類(lèi)似，將板子的地作為天線(xiàn)的另外一端。在比較靠近彈簧天線(xiàn)地方也不建議其他材質(zhì)和鋪地。彈簧天線(xiàn)與地之間比較理想的物理位置如圖1.1所示，一邊是地一邊是天線(xiàn)，二者的延伸方向相反。
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