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在萬物互聯(lián)的大趨勢(shì)下,無線通信模塊成為了各類電子設(shè)備中不可或缺的一部分,而模塊的通信質(zhì)量很大程度上取決于天線設(shè)計(jì)是否合理。本文介紹了如何選擇合適的天線并發(fā)揮出天線最佳的性能。
隨著技術(shù)的進(jìn)步,為了節(jié)省研發(fā)周期,不少廠商都推出各種各樣的成品天線。然而如果工程師選擇不當(dāng),不僅起不到應(yīng)有的效果,反而會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間與成本在排查調(diào)試上,得不償失。本文將介紹常用的幾種天線并結(jié)合在工程中的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)給出設(shè)計(jì)建議,以供大家參考。
接下來為大家介紹常用的天線種類:
1、板載PCB式天線:采用PCB蝕刻而成,成本低,但是性能有限,可調(diào)性好,可大批量用于藍(lán)牙、WiFi無線通信模塊。
2、SMT貼片式:常用的有陶瓷天線,占用面積少,集成度高,容易更換,適用于對(duì)空間要求小的產(chǎn)品,但是該類型天線價(jià)格稍貴且?guī)捚 ?/p>
3、外置棒狀天線:性能好,無需調(diào)試,方便更換,增益高,適用于各種終端設(shè)備。
4、FPC天線:通過饋線連接,安裝自由,增益高,通??梢允褂帽衬z貼在機(jī)器非金屬外殼上,適用于性能要求高且外殼空間充足的產(chǎn)品上。
圖1 常見天線
天線的作用是將射頻信號(hào)輻射到自由空間,這時(shí)候選擇合適的天線對(duì)于傳輸距離就有很大的影響。天線對(duì)周圍環(huán)境很敏感,很多情況下會(huì)出現(xiàn)即使選擇了合適的天線,也達(dá)不到預(yù)期的效果。由于有些客戶對(duì)天線設(shè)計(jì)需要考慮的因素不清楚,這里我們給出在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的一些經(jīng)驗(yàn),便于客戶更好地設(shè)計(jì)出自己的電路與PCB,增加項(xiàng)目的成功機(jī)會(huì)。
一、匹配電路設(shè)計(jì)
在原理圖設(shè)計(jì)時(shí),需要在天線與模塊射頻輸出管腳預(yù)留一個(gè)π型網(wǎng)絡(luò)。天線的阻抗受PCB的鋪地、天線的安裝以及周圍的金屬等因素影響,預(yù)留這個(gè)網(wǎng)絡(luò)是為了在天線嚴(yán)重偏離50歐姆阻抗時(shí),將其匹配至50歐姆。
X1,X2,X3都是電抗元件,如果天線是標(biāo)準(zhǔn)的50歐姆阻抗,那么X2,X3可以不焊接,X1接220PF電容或者0歐姆電阻。在PCB設(shè)計(jì)時(shí),這三個(gè)器件已經(jīng)盡量靠近模塊的射頻輸出腳,并且連接的傳輸線短且直。匹配元件的周圍1.5mm區(qū)域內(nèi)不要鋪地,以減少寄生參數(shù)對(duì)匹配電路的影響。
圖2 匹配電路
二、微帶線設(shè)計(jì)
在PCB設(shè)計(jì)時(shí),由于大部分的天線與模塊的輸出阻抗是50歐姆,為了盡量減少在傳輸過程中能量的反射,射頻輸出管腳到天線之間的PCB引線應(yīng)為50歐姆的微帶線。常用的板材為FR4(介電常數(shù)4.2-4.6),根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)線寬約為微帶線距離參考層距離的2.2倍時(shí),微帶線的特征阻抗約為50歐姆。具體設(shè)計(jì)時(shí),建議使用微帶線阻抗控制工具(ADS、txline等)來計(jì)算,并通過實(shí)際調(diào)試來完成微帶線的設(shè)計(jì)。如下圖所示,微帶線下面的鋪地層必須是完整的地,在微帶線兩側(cè)需要多打接地過孔。
圖3 微帶線
三、金屬對(duì)天線的影響
如果天線附近有金屬材料的物體時(shí),金屬能反射電磁波,不但會(huì)影響天線的實(shí)際使用空間,增加天線的損耗電阻,降低輻射效率,而且導(dǎo)致天線輻射性能的惡化。在安裝天線時(shí),要注意:
1、天線距離電池至少要有5mm;
2、天線距離屏蔽殼至少要有4mm;
3、在需要安裝外殼的場(chǎng)合,不要在外殼表面使用具有金屬成分的噴漆或者鍍層。
WM6201系列是ZLG致遠(yuǎn)電子針對(duì)工業(yè)4.0領(lǐng)域推出的一款低功耗、高性能Wi-Fi模塊,產(chǎn)品采用博通無線方案設(shè)計(jì),內(nèi)置一顆Cortex-M4內(nèi)核的處理器,主頻高達(dá)100MHz,無線遵循IEEE 802.11b/g/n協(xié)議,支持UART串口透明傳輸,用戶無需了解復(fù)雜的TCP/UDP及無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速聯(lián)網(wǎng)。
模塊經(jīng)過系列權(quán)威射頻儀器的檢驗(yàn)和認(rèn)證,并采用超小的體積設(shè)計(jì),使其更易于集成到各種智能設(shè)備中。