天线的原理、规格和操作了解.doc
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1、天线的原理、规格和操作了解天线可能是RF设计中最容易被忽视的部分,但RF链路的范围,性能和合法性严重依赖它。无论如何,天线选择通常会留到设计结束,此时可能无法在所提供的空间内实现最佳天线性能。此时的选项可能是经过多次重新设计或最终接受性能下降。这两种选择都不可取,但是基本了解各种类型天线的理论和行为,可以避免这种情况,设计人员可以更接近最佳射频性能。为此,部分这个由两部分组成的系列中的一个侧重于天线的基本电磁场原理。然后,它通过两种类型的天线来说明这些原理,这些天线通常用于低功率手持产品:偶极子和单极鞭子。这些类型涵盖了广泛的可用天线,并且是最常见的不正确实施的天线。本系列的第2部分更详细地介
2、绍了偶极天线和单极天线,同时还讨论了一些天线设计受当今可穿戴设备,手持设备和紧凑型设备需求驱动的趋势。这些较新的天线包括芯片天线,如Johanson Technology 2450AT18B100E,2.4 GHz至2.5 GHz芯片RF天线,以及贴片天线,如Antenova SRF2W012-100 DROMUS,灵活的双频Wi-Fi天线。它还将讨论作为印刷电路板本身的一部分制造的天线。天线基本原理很容易混淆或误解天线规格的含义以及如何应用它们。例如,天线的增益与放大器的增益非常不同。然而,最常见的误解可能是单极天线数据表上的辐射方向图将是最终产品上天线的辐射方向图。实际上,四分之一波单极天
3、线的辐射方向图是因此,除了确定潜在的天线性能外,制造商的增益规格和辐射方向图几乎没有用处,因此严格依赖于产品的设计和布局。这就是掌握基本原理至关重要的原因。天线是一种将电流转换为电磁波的装置,反之亦然。它可以被认为是复杂的电阻 - 电感 - 电容(RLC)网络。在某些频率,它将表现为感抗,而在其他频率则表现为容抗。在特定频率下,两个电抗的幅度相等,但影响相反,因此相互抵消。在这个特定频率下,阻抗是纯电阻性的,天线被认为是谐振的。这是物理符合理论的地方。共振将发生在感兴趣频率的整数倍或分数处。这些频率对应于波长。该波长是所需的天线长度。该长度必须包含在最终产品中,无论是嵌入外壳内部还是外部连接到
4、设备上。电磁波的频率通过众所周知的公式= c/f与波长相关,其中f是以赫兹(Hz)为单位的频率,是以米(m)为单位的波长,c是光速(2.99810 8 米/秒)。方程清楚地表明频率越高,波长越短,天线越小。例如,433.92 MHz的波长为0.69 m(2.3 ft。),916 MHz的波长为0.33 m(1.0 ft。)。 433.92 MHz是远程无钥匙进入(RKE)系统(如汽车钥匙扣)的常用频率,但显然,2.3英尺的天线无法装入其中。幸运的是每个人他们想把钥匙放在口袋里,有办法让天线变小。由于谐振将发生在基频的整数分数(1/2,1/3,1/4等),因此可以使用较短的天线来发送和恢复信号。
5、与工程中的所有内容一样,需要权衡利弊。减小天线的尺寸会对天线的效率和阻抗产生一些影响,这会影响系统的最终性能。半波偶极天线的长度是天线的一半。基波波长(图1)。它分为两个四分之一波长,称为元素。元件彼此成180度设置并从中间进给。这种类型的天线称为中心馈电半波偶极子,并将天线长度缩短一半。图1a:半波偶极子天线被广泛使用,因为它将天线尺寸减小了一半,同时提供了良好的整体性能。 (图片来源:Linx Technologies)图1b:Linx Technologies的ANT-DB1-HDP-SMA是半波偶极子的一个很好的例子天线。它采用中心馈电,覆盖三个频段,尺寸为5.2英寸,高0.8英寸。
6、(图像来源:Linx Technologies)半波偶极天线的一个很好的例子是Linx Technologies的ANT-DB1-HDP-SMA(图1b)。该天线同时在824-960MHz,1.71-1.99GHz和2.401-2.483GHz的任何或所有三个频带上工作。紧凑的中心馈电半波偶极子是“平坦的”,尺寸为5.2英寸宽,0.8英寸高,厚度为0.5英寸,非常适合墙面安装。其整体9.8英尺连接电缆便于此类安装。使偶极天线更小的方法是使用偶极子的四分之一波元件之一,并允许产品印刷电路板上的接地平面作为平衡器,从而产生另一个四分之一波元件。/p由于大多数设备都有电路板,因此将其用于天线的一半是
7、节省空间的并且可以降低成本。通常,这部分天线将接地,发射器或接收器将相应地参考它。这种风格被称为四分之一波单极天线,是当今便携式设备中最常见的天线之一(图2)。图2:本季度波单极天线使用电路板或其他导电表面作为其接地平面,进一步减小了整体尺寸。 (图像来源:Linx Technologies)减小天线尺寸的另一种方法是将元件线圈化。这是将直线盘绕或缠绕在非导电基底周围以形成螺旋元件的地方(图3)。这具有缩短表观长度的优点,但它也会降低天线的带宽。像电感一样,线圈越紧密,Q越高,带宽越小。在直线天线可以具有100MHz的带宽的情况下,螺旋线可以仅具有10MHz的带宽。随着频率变低,这变得更加明显
8、,因为线圈通常靠得更近以保持特定的总长度。螺旋天线的代表性示例是Linx Technologies ANT-916-CW-RH- ND,中心频率为916 MHz,带宽为35 MHz,频率范围为900 - 935 MHz。这款四分之一波长天线是全向的,专为户外使用而设计,长度为2.00英寸,直径为0.33英寸。它配备SMA或符合Part 15标准的RP-SMA连接器。图3:螺旋天线进一步缩短天线长度,如916 MHz所示(左,Linx Technologies ANT-916-C W-RH -ND)和315 MHz(右)单元,但带宽大大减少。这在许多应用中实际上可能是一个优势。 (图像来源:Li
9、nx Technologies)天线规格如果天线是最不了解的射频元件,则天线数据表是所有射频规格中最不了解的。例如,许多设计人员在没有真正了解他们正在研究什么或如何与他们的产品性能相关的情况下寻找辐射测试数据。因此,我们来看看最常见的天线规格。阻抗天线的阻抗是出现在天线端子处的实际电阻和虚电抗。由于天线具有电感和电容特性,因此它们会随频率而变化。附近的物体,如其他天线,电路板上的元件以及设备的用户也会影响阻抗。天线会有两种类型的电阻。辐射阻力将电能转换为辐射。欧姆电阻是天线结构上的损耗,将电能转换为热能。辐射电阻应远高于欧姆电阻,尽管两者对天线的效率都很重要。通常,自由空间中偶极天线端子处的辐
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