天線的基本原理

天線的基本概念：電磁場的傳播

? 時(shí)變電場激發(fā)磁場；時(shí)變磁場激發(fā)電場，電場和磁場相互激發(fā)，由近及遠(yuǎn)傳播

天線的基本概念：偶極子

? 頻率越低，波長越長，天線尺寸越大

? 頻率越高，波長越短，天線尺寸越小

天線的基本概念：單極子

? 單極子的電流和偶極子類似，但是輸入電壓只有偶極子的一半，則其輸入阻抗為偶極子一半

? 單極子天線的主要覆蓋空間是上半空間

天線的基本概念：IFA/PIFA天線

? IFA和PIFA是同樣類型的天線，只是天線的寬度不同而已，IFA是線狀走線，PIFA是面狀走線，IFA是非常重要的一種天線形式，應(yīng)用非常廣。

· 貳 ·

     物聯(lián)網(wǎng)天線的關(guān)鍵指標(biāo)

? 天線是無線設(shè)備中*的設(shè)備。

? 天線的指標(biāo)選取與其使用場景密切相關(guān)。

? 物聯(lián)網(wǎng)天線有其*的使用場景。

在討論物聯(lián)網(wǎng)天線之前，需要了解下天線的基本知識。以便更好理解指標(biāo)的選定。      

   天線的基本概念：天線的本質(zhì)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，將電信號轉(zhuǎn)化為電磁波或者進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換。

天線的功能：控制輻射能量的方向

天線指標(biāo)：回波損耗                RL=20*log10[(VSWR+1)/(VSWR-1)]

      回波損耗跟駐波的物理意義是相近的，表征的是天線跟RF網(wǎng)絡(luò)匹配程度。回波損耗越?。ɑ夭〒p耗≤0dB），表明 天線跟射頻網(wǎng)絡(luò)的匹配程度高的可能性越大。  

       以下圖為例，當(dāng)天線的阻抗跟傳輸線的特征阻抗接近時(shí)，輸出了95%的能量，只有5%被反射回系統(tǒng)。

天線指標(biāo)：隔離度

      隔離度表征的在多天線系統(tǒng)中（至少兩個(gè)天線），天線獨(dú)立的程度，隔離度越?。ǜ綦x度≤0dB），表明天線間越獨(dú)立，也就是相互影響程度越小。

Isolation=10lg（A/B）

A表示輸入功率，B表示輸出功率，單位為mw

天線指標(biāo)：效率

      效率是天線一個(gè)非常重要的指標(biāo)，表征天線輻射出去的功率（即有效地轉(zhuǎn)換成電磁波的功率）和輸入到天線的有功功率之比。，率是天線能力的一個(gè)重要體現(xiàn)。常用的單位有dB和%。

天線指標(biāo)：增益

      天線領(lǐng)域說的增益，跟射頻領(lǐng)域和基帶領(lǐng)域說的增益是兩個(gè)概念，前者表明天線能量的集中程度，增益越高表明天線輻射的能量越集中在某些方向。 其常用單位有dBi和dBd    其中dBi=dBd+2.15dB    

天線指標(biāo)：方向性

      方向圖指標(biāo)有很多，但與本文主題相關(guān)的主要是方向性。顧名思義，也就是考慮天線的能量在空間中如何分配，我們希望能量盡可能集中在場景使用的空間。

      我們常提到的定向天線和全向天線也就是根據(jù)方向圖的特點(diǎn)做的劃分。

從上述內(nèi)容中可以看出天線的指標(biāo)很多，如何選取與我們業(yè)務(wù)緊密相關(guān)的指標(biāo)才是關(guān)鍵。因此我們要先了解物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品的使用場景，根據(jù)場景來確定指標(biāo)。

      我們以本文提到的水表、電表、燃?xì)獗?、煙感、地磁和中繼等設(shè)備為例，其的特點(diǎn)包括：

? 安裝分散，分布在基站設(shè)備的四周。

? 安裝的位置在大樓里，離基站較遠(yuǎn)。

? 設(shè)備安裝時(shí)不會有固定朝向。

我們通過應(yīng)用場景可以歸結(jié)出三大主要指標(biāo):

指標(biāo)的選定已經(jīng)完成，接下來我們要考慮如何測試這些指標(biāo)

上述的指標(biāo)需要用到兩個(gè)主要設(shè)備：一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)分析儀，一個(gè)是微波暗室系統(tǒng)。

是德科技（安捷倫）的E5071C，頻段從100KHz~8.5GHz。

主流的暗室測試系統(tǒng)包括ETS、SATIMO以及BLUETEST

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天線應(yīng)用實(shí)例

天線的分類一覽表

舉個(gè)實(shí)際的例子：

天線測試駐波：

? 暗室長度為12米，能滿足500MHz的小口徑天線方向圖測試。

天線方向圖：

?  主波束繞過了背后的金屬容器。

天線效率：

? 單極子的帶寬依然有欠缺，但是重點(diǎn)頻段的增益非常突出，zui高點(diǎn)能達(dá)到25%

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整機(jī)堆疊與調(diào)試

疑問

從上述內(nèi)容中可以明顯看出內(nèi)置天線與外置天線性能存在差異。

? 為什么內(nèi)置天線會比外置天線差？

-----從效率上可以看出，內(nèi)置天線效率較外置天線低很多。

? 為什么單一天線很難做到 “球”形覆蓋？

-----即便是外置天線，其全向的定義也僅適用某個(gè)面上，而不是球形。

總的來說，內(nèi)置天線有兩大主要問題：

? 空間狹小，天線的凈空區(qū)域不足，凈空不足會造成兩個(gè)影響

    a）  有金屬物質(zhì)進(jìn)入天線的近場區(qū)，影響回?fù)p和方向圖

    b）  天線輻射面積太小，影響天線效率

? 離噪聲源太近，結(jié)果就是影響天線的TIS（接收靈敏度）

    a）  主要的噪聲源包括DDR / Core / USB3.0 / SATA /DCDC/等

    b）  噪聲的影響會降低產(chǎn)品的使用距離

內(nèi)置天線設(shè)計(jì)建議

1、適度的ID和結(jié)構(gòu)傾斜，讓天線擁有盡可能大的輻射面積和凈空區(qū)間

     -----讓天線的性能做到*

2、遠(yuǎn)離噪聲源，不損失整機(jī)的TIS（接收靈敏度）

     -----降低噪聲的三個(gè)途徑：a）  降低噪聲源信號強(qiáng)度

                            b）  增強(qiáng)路徑衰減

                            c）  接收端的屏蔽

3、收集使用場景和芯片參考設(shè)計(jì)，讓天線滿足整機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

     ------有場景要求和芯片參考設(shè)計(jì)，可以讓天線發(fā)揮更大價(jià)值

*建議：讓天線領(lǐng)域從CDP階段就參與項(xiàng)目，我們會在對項(xiàng)目初衷影響zui小的情況下，將天線性能zui大限度提升。