短距离无线通信设备的天线设计

无线射频模块可实现的通信范围不仅仅取决于输出功率和接收器灵敏度，还取决于天线解决方案。了解不同的天线特性，以便为特定应用选择最合适的天线是非常重要的学问。
在短距离无线通信等低功率无线应用中，天线选择的关键要素是尺寸要求、辐射性能、设计的简易性、生产便利性和设备成本。

基本概念：
天线(Antennas):
天线是设计用于发射或捕获电磁波的电导线(electrical conductor)排列。天线发射的信号可以被另一个天线检测到，这个过程称为无线电传播。根据无线电的工作频率将天线制成一定的尺寸。

波长(Wavelength):
波长是指无线电波在一个振动周期内传播的距离。也就是沿着波的传播方向，相邻两个振动位相差2π的点之间的距离。波长是计算天线长度最重要的指标。
波长的计算：
λ = c/f c是光速，f是无线电频率

天线增益(Antenna gain)：
给定方向上的天线增益是指在该方向上辐射的能量与全向天线(isotropic antenna)以相同输入功率驱动时在同一方向上辐射的能量之比。全向天线(isotropic antenna)是一种理想的参考天线，它在所有方向上均等地辐射能量。由于天线不能产生能量，实际天线辐射的总功率与全向天线(isotropic antenna)相同，但在某些方向上它比全向天线(isotropic antenna)辐射更多的能量，因此在其他方向上它必须辐射更少的能量。
天线增益可以表示为：
G = D* η* m D是天线方向性，η是天线效率，m是失配损耗，是失配导致反射从而引起的损耗

天线增益通常以最大辐射方向上计算，并以dBi(与全向天线相比)或dBd(与偶极子天线相比)表示。偶极子天线(dipole antenna)也可用作参考天线。与全向天线(isotropic antenna)相比，它的增益为 2.14dBi。

天线方向性(directivity)：
天线方向性指的是天线在不同平面的辐射电磁波场强，主要表现方法为天线的方向图。与方向性密切相关的是天线的增益。方向性是衡量天线在给定方向上集中发射功率的能力。在固定的点对点无线电链路中，天线方向性可用于集中所需方向的辐射波。但是在发射器和接收器位置不固定的系统中，各向同性辐射是首选。

天线效率(Efficiency):
小型天线术语中最重要的概念，天线效率是指天线在所有方向辐射出去的功率之和与输入到天线的有功功率之比。它是一个小于1的数值。

天线带宽(BandWidth):
天线带宽(BandWidth):表示其辐射特定频率范围的能力。小型天线的带宽与其品质因数(Quality factor)和选择性密切相关。窄带宽意味着高品质因数(Quality factor)和良好的选择性。

辐射方向图(radiation pattern):
也叫天线方向图或远场方向图(far-field pattern)，是天线辐射特性(现场强度、极化)以空间坐标函数的图形表示。辐射方向图是在远场区域确定的。

天线极化(Polarization)：
天线极化是描述天线辐射电磁波矢量空间指向的参数。由于电场与磁场有恒定的关系(电磁波都具有电场分量E和磁场分量H，它们彼此垂直且与传播方向垂直)，故一般都以电场矢量的空间指向作为天线辐射电磁波的极化方向。
如果电场矢量E场垂直定向，则称该波为“垂直极化”。有时电场矢量E 场随时间旋转，然后称该波为“圆极化”。两个天线，其方向使得天线波瓣(antenna lobe)最大值彼此面对，是最佳对齐方式。系统设计者应该尽可能地改善方向特性。

品质因数(Q-factoror Quality factor)
品质因数的概念将天线描述为谐振器。高品质因数意味着尖锐的共振和窄的带宽。
天线的品质因数可以用下面的公式表示：
Q = 天线电抗(antenna reactance) /天线阻抗(antenna resistance)
Q值的概念在考虑天线时非常有用。由于小天线具有低辐射阻抗和高辐射电抗，所以小天线的Q值很高。天线越小，Q值越高。因此，小天线的带宽会很小，更难匹配，更容易受到周围物体的干扰。

天线类型：
偶极子天线(dipole antenna):

是在无线电通信中，使用最早、结构最简单、应用最广泛的一类天线。它由一对对称放置的导体构成，导体相互靠近的两端分别与馈电线相连。用作发射天线时，电信号从天线中心馈入导体；用作接收天线时，也在天线中心从导体中获取接收信号。常见的偶极子天线由两根共轴的直导线构成，这种天线在远处产生的辐射场是轴对称的，并且在理论上能够严格求解。偶极子天线是共振天线，理论分析表明，细长偶极子天线内的电流分布具有驻波的形式，驻波的波长正好是天线产生或接收的电磁波的波长。因而制作偶极子天线时，会通过工作波长来确定天线的长度。最常见的偶极子天线是半波天线，它的总长度近似为工作波长的一半。

偶极子天线的增益为2.14dBi。天线极化的电磁场对应于元件的方向。它可以是水平或垂直极化

偶极子天线的典型辐射方向图

在产品设计中我们通常不使用偶极子天线，因为它是 1/4 波长的单极天线的两倍大。偶极子天线的性能非常好，如果有足够的空间，它很容易在应用中实现。偶极子天线是一种廉价的解决方案，因为其成本仅限于匹配网络和巴伦。

全向天线(isotropic antenna):
即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，理想的全向天线辐射方向图为球形。以其为基准，定义了一种天线增益的单位dBi。理想的全向天线的增益为0dBi。
全向天线的典型辐射方向图：

单极天线(monopole antenna):

单极天线也叫鞭状天线(whip antenna)，本质上说单极天线就是在地平面上延伸出来的一个1/4波长的导线。单极天线需要地平面才能正常工作，地平面可以是实际地面，也可以是诸如搭载工具车体等人造接地面上。单极天线的远端应该远离地平面。
单极天线在谐振频率下的阻抗为 37 欧姆。所以它很容易匹配到50欧姆。
单极天线的典型辐射方向图：

单极天线很容易设计，单极天线的谐振频率可以通过天线长度的微小变化来调整。相对于偶极子天线，单极天线的极化可以是水平的也可以是垂直的。它的辐射模式类似于偶极子天线。因为单极天线的功率仅在地平面上半平面辐射，理论上它的增益比偶极子天线高3dB左右。
当物理尺寸可接受且存在接地平面时，单极天线是最佳解决方案。较小的接地平面会影响单极天线的性能，并使天线的辐射方向图向上倾斜。
用一根电导线就可以实现单极天线，也可以将外部导线用PCB上的布线代替，根据介电常数和电路板厚度，PCB天线的长度比计算的1/4波长短10%至20%。应避免在天线走线上形成 90º 直角。正常尺寸的单极天线的增益通常为4dbi。

单极天线的优点是价格便宜，性能好。如果模块尺寸很小，一个简单替代方法是将单极天线剪短并在单极天线底部附近添加一个电感器以补偿高容抗。这种天线的性能几乎与全尺寸单极天线相当。

螺旋天线(helical antenna):
螺旋天线一种具有螺旋形状的天线。它由导电性能良好的金属螺旋线组成。它们可以被设计为以正常模式运行的小螺旋，或以轴向模式运行的大螺旋。如果螺旋天线的直径和长度都远小于一个波长，则螺旋天线很小，这通常是短距离无线通信产品应用的情况。
螺旋天线的阻抗取决于许多参数：线圈直径、线圈的环间距、线圈长度（或匝数）和频率。任何这些参数、附近物体或人体的变化都会使天线“失谐”，使其远离共振。螺旋天线比单极天线更难以优化。
螺旋天线的天线效率高于具有相同尺寸的非螺旋天线。但是，其增益通常比全尺寸单极天线的增益低5dB。此外，如果出于尺寸目的，将螺旋线放置在地平面附近，会使其增益更低。
螺旋天线是圆极化的，即辐射的电磁波包含垂直和水平分量。这与偶极子天线不同，偶极子天线仅垂直于其轴辐射。
从尺寸的角度来看，螺旋天线非常有吸引力，因为它的长度可以比全尺寸的单极天线短得多。如果线圈缠绕得足够紧，它可能会短于波长的十分之一。

贴片天线(chip antenna):
一般是指陶瓷材料用HTCC或者LTCC等工艺烧结而成的。由于类似芯片，因此称之chip antenna。
贴片天线是表面贴装设备，一般设计用于300MHz 至 2.5GHz 的频率，是可用的最小天线。贴片天线设备的带宽非常窄，必须在精确的频率下制造。它们依赖于地平面，很容易因手部效应而失谐。芯片天线通常在制造工厂现场调谐。
贴片天线具有良好的增益，但仍低于单极天线。极化平行于芯片的长轴，因此最大辐射垂直于长轴。贴片天线可能是最昂贵的天线解决方案。

环形天线：
环形天线是将一根金属导线绕成一定形状，如圆形、方形、三角形等，以导体两端作为输出端的天线。绕制多圈（如螺旋状或重叠绕制）的称为多圈环天线。

短距离无线设备中常用的天线设计实例：

天线总结：
单极天线是物理上最大的天线，适用于需要最佳范围的应用。单极天线覆盖范围很广，也是最容易设计和应用的天线。如果天线尺寸是关键的考量参数，螺旋天线和环形天线是一个很好的折衷方案，它们的所有组件通常可以完全封闭并做得非常紧凑。它们比单极天线更难设置和优化，因为天线的特性受到附近物体的强烈影响。环形天线的天线辐射范围最差。
常用天线的参数对比图

天线匹配(antenna matching):
一些类型的天线可不用任何外部器件固有地匹配到设计地阻抗（典型的单端50欧姆）。然而板子大小，塑料壳子，金属屏蔽罩和天线附近的器件会引起天线的失调。
找出最合适的天线设计是有机会的，但有效的天线开发需要使用天线测试设备，例如网络分析仪、校准测试天线、半波测试暗室(SAR)等。除非您可以熟练使用此类设备，否则推荐使用标准天线设计。

短距离无线通信模块将天线放置在应用电路板上，应用电路板需要将外部天线匹配到50欧姆(SAW 滤波器阻抗)。
如果天线不是 50 欧姆，则必须在无线通信模块和天线之间实施匹配网络。典型的匹配网络有π型和T型匹配。

天线设计实例：
有耗损的PCB触点和陶瓷罩子导致极差的天线效率

良好的天线效率
统一的天线辐射方向图
隐藏在统一的2mmABS罩中

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