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手持設(shè)備天線選用原則

作者: 時(shí)間:2010-06-22 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

天線是影響所有無(wú)線通信系統(tǒng)可靠性和性能的眾多因素中很關(guān)鍵的一個(gè)。選擇能完全滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的天線是非常重要的。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/260973.htm


然而,現(xiàn)今的小型也給天線設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了挑戰(zhàn),天線要盡量薄、結(jié)構(gòu)要緊湊、性能要高,而且還要滿足各種各樣的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。面市時(shí)間和成本也是制造商要考慮的兩個(gè)重要因素。


為系統(tǒng)選擇最好的天線的兩個(gè)主要條件是天線的電氣和機(jī)械特性。這些指標(biāo)受設(shè)備的設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)所限制。

基本的電氣特性


應(yīng)該考慮的基本電氣特性是天線的工作頻率、帶寬、最大增益、平均增益、效率、回波損耗,或者電壓駐波比(VSWR),以及極化方向、指向性、副瓣和后瓣輻射強(qiáng)度、前后比、相位方向圖、阻抗和額定功率。天線的構(gòu)成材料和實(shí)際的射頻RF設(shè)計(jì)也決定了天線的最終電氣性能。天線的構(gòu)成材料應(yīng)該有很低的損耗和很好的傳導(dǎo)率。


工作頻率


工作頻率的范圍由應(yīng)用的類(lèi)型決定。例如,Wi-Fi 802.11b/g、ZigBee和BlueTooth都使用相同的2.4GHz ISM頻段,該頻段的帶寬大約是80MHz(2.4~2.48GHz)。商業(yè)GPS系統(tǒng)使用L1 1.575GHz頻段,其帶寬為2MHz(1575.42MHz±1MHz)。


GSM系統(tǒng)使用 850/1900MHz頻段,或者900/1800MHz頻段,具體采用哪個(gè)頻段取決于相應(yīng)地區(qū)的運(yùn)營(yíng)商。3G系統(tǒng)也使用不同的頻段,也是與地區(qū)相關(guān)的。例如,歐洲的WCDMA系統(tǒng)使用2.1GHz頻段。
四或五頻段移動(dòng)電話的天線主要用于全球漫游,以及實(shí)現(xiàn)不同通信體制間的通信,如圖1所示。它們可以在四頻段GSM系統(tǒng)和W-CDMA2100系統(tǒng)中收發(fā)信號(hào)以實(shí)現(xiàn)在所有移動(dòng)電話頻段內(nèi)的互通。其他一些應(yīng)用也包括WiMax、 UWB、ISM900、ISM5/5.8GHz、DVB-H、MediaFLO、DECT、RFID、VHF、UHF、AM和FM等。

圖1 內(nèi)置的、混合型移動(dòng)電話五頻段天線通常用于全球漫游和不同通信技術(shù)體制間的通信


多天線系統(tǒng),例如分集和多天線系統(tǒng)(MIMO)被用在需要提高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用中。使用多天線系統(tǒng)時(shí),設(shè)計(jì)和表征整個(gè)天線系統(tǒng)是至關(guān)重要的,這包括天線與天線之間的隔離度和相關(guān)性測(cè)試等。


最大增益、平均決定了天線的帶寬和性能。這些指標(biāo)越高,天線的帶寬和性能就越好。而且,天線在它的工作頻率范圍內(nèi)也應(yīng)該有足夠的VSWR。


通常,10dB的回波損耗(2.0:1.0 VSWR)或更好是人們預(yù)期的指標(biāo)。為了獲得天線整體性能的更好相位圖,應(yīng)該考慮效率的最大增益或者平均增益。但是不要陷進(jìn)僅考慮這些特性中的一個(gè)就得出一個(gè)結(jié)論。


最大峰值增益是衡量天線指向性的一個(gè)很好指標(biāo),但如果把它作為決定常規(guī)天線性能的主要標(biāo)準(zhǔn)則會(huì)被誤導(dǎo)。通常,越是復(fù)雜的設(shè)備中,增益會(huì)越低,所以當(dāng)天線被安裝在實(shí)際的設(shè)備中時(shí)就會(huì)產(chǎn)生損耗。

這是由于高的峰值增益總是意味著指向性的某一強(qiáng)度,而且可能導(dǎo)致天線在某個(gè)方向上增益更低,這是由于在相位方向圖中某方向的零強(qiáng)度。人們應(yīng)該選擇一個(gè)在推薦的分貝值之上還有余量的天線,以確保它滿足實(shí)際環(huán)境中的系統(tǒng)需求。


大多數(shù)的無(wú)線系統(tǒng)都有50Ω的阻抗,天線也應(yīng)該盡可能地與這個(gè)值匹配,以減少系統(tǒng)中的不匹配/損耗。為了全面表征天線的特性,其他要考慮的因素還包括極化方向(垂直極化、水平極化,或圓極化),以及相位方向圖(在xz平面、zy平面和xy平面)等。


大多數(shù)手持便攜設(shè)備需要一個(gè)線性極化天線,并且具有用于覆蓋360°全方向的全向相位方向圖,但真正的全向相位方向圖只是理論上的。


通常,設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)影響天線相位方向圖的形狀,并在相位方向圖中產(chǎn)生零強(qiáng)度和指向性。如圖2所示,在許多情況下,決定真實(shí)天線性能的最好方式是天線的完整三維輻射效率,因?yàn)樗@示了有多少天線的能量被轉(zhuǎn)換成輻射波傳輸出去,以及由于天線阻抗不匹配所造成的損耗和輻射損耗有多少。


特別是在小型便攜或中,由于實(shí)際使用的設(shè)備可能是朝著任意方向,三維效率是比最大增益更好的參數(shù)。此外,由于最大增益峰值波束可能朝向用戶的身體,增益會(huì)由于人體衰減而降低。

機(jī)械結(jié)構(gòu)布局


設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)布局決定了所需要的天線的尺寸和類(lèi)型,而天線的尺寸和類(lèi)型也限制和決定了天線的電氣特性。因此,設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也應(yīng)該考慮到天線的選擇。


典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性就是形狀要素(外部的或內(nèi)部的)、結(jié)構(gòu)、尺寸、安裝方式、連接形式、美學(xué)考慮,以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的持久性和天線部件的可靠性。設(shè)備和天線這兩者的構(gòu)成材料選擇和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響著可制造性。


恰當(dāng)?shù)倪x擇可以實(shí)現(xiàn)成本敏感、易于制造的方案,特別是對(duì)于大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。值得注意是,更大的天線與更好的天線性能沒(méi)有直接關(guān)系。當(dāng)實(shí)現(xiàn)了如下設(shè)計(jì)規(guī)則時(shí),體積小巧的印證了比體積更大的天線的性能要好得多。

圖2 決定真實(shí)天線性能的一個(gè)方法就是察看它的整體三維輻射效率圖

選擇


大多數(shù)需要一個(gè),而不是外部天線,這純粹是出于美學(xué)考慮。實(shí)際上,根據(jù)應(yīng)用和設(shè)備的功能不同可能需要不止一個(gè)天線。


的典型結(jié)構(gòu)是印制金屬、PCB、塑料基板的柔性印制板、彎折天線、LTCC、、四臂天線和內(nèi)置板天線。設(shè)備的尺寸和機(jī)械結(jié)構(gòu)的約束,以及電氣要求,也決定了所要使用的天線的結(jié)構(gòu)和技術(shù)。


大多數(shù)這種內(nèi)置天線可以通過(guò) SMD工藝安裝、SMT工藝安裝、簧片引腳、壓簧連接、微型U.FL/I-Pex連接器或直接焊接。 當(dāng)使用長(zhǎng)電纜連接時(shí),信號(hào)在電纜中的傳輸損耗是很重要的因素,其數(shù)值可能達(dá)到幾分貝。


要想在具有多頻段應(yīng)用的小型手持設(shè)備中解決這些最困難的設(shè)計(jì)問(wèn)題,就會(huì)縮小天線和所需技術(shù)類(lèi)型的選擇范圍。這些挑戰(zhàn)是隔離度、最小、手臂/身體影響和特殊吸收率。


當(dāng)小型手持設(shè)備中的多個(gè)天線位置很近時(shí),隔離度就成為非常重要的問(wèn)題。工作在相同或相近頻段的天線彼此間就會(huì)發(fā)生耦合,性能就會(huì)降低。


選擇天線所需要的最小增益和效率成為小型設(shè)備設(shè)計(jì)中的一個(gè)挑戰(zhàn),這是由于天線和其他部件的距離很近,如LCD、金屬屏蔽殼、電池,以及其他電子部件等。在比較低頻段的應(yīng)用中,如 850MHz和900MHz頻段,同樣也存在挑戰(zhàn),這是由于工作頻率越低波長(zhǎng)越長(zhǎng)。


人體對(duì)手持設(shè)備的影響也會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題,當(dāng)人們拿著手持設(shè)備接近身體組織時(shí),手臂/身體的影響會(huì)造成頻率失諧。頻率的諧振就會(huì)偏離出工作頻段,從而會(huì)由于阻抗的不匹配和天線性能的下降而使信號(hào)產(chǎn)生很大的衰減。


此外,靠近手持設(shè)備的人體組織也會(huì)吸收天線輻射的能量,阻止信號(hào)向開(kāi)放空間傳輸。同樣,由于頻率可調(diào)整的需求,SAR指標(biāo)也應(yīng)該被考慮到。


由于許多特殊的有很高的隔離特性和近場(chǎng)輻射分布特性,SAR和身體/手臂的影響可以降到最低,所以,即使是在小型的手持設(shè)備中也可以獲得極好的隔離度。

選擇陶瓷天線


在選擇陶瓷天線時(shí),也需要注意一些問(wèn)題。陶瓷天線有許多種不同的類(lèi)型,如LTCC天線、陶瓷單極天線等,在比較某些天線制造商獨(dú)有的陶瓷天線的時(shí)候,人們就會(huì)發(fā)現(xiàn)天線的性能和應(yīng)用的效果也是有差別的。


設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)的一致性是非常重要的,因?yàn)檫@有益于和天線公司的合作,這些公司具有很多的知識(shí)產(chǎn)權(quán)、很強(qiáng)的研究能力和工程能力。如果天線選擇合適和依照設(shè)計(jì)指南的正確設(shè)計(jì),即使采用微型的陶瓷天線,也可以達(dá)到70%~80%的效率,1~2dBi的最大增益,以及好于3dBi的平均增益。


所有的天線都應(yīng)該進(jìn)行全屏蔽測(cè)試以確保其質(zhì)量和可靠性。這些測(cè)試包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和可靠性測(cè)試,如機(jī)械和溫度沖擊測(cè)試、振動(dòng)和極限溫度測(cè)試,以及組裝前的機(jī)械連接設(shè)計(jì)測(cè)試。電氣特性也應(yīng)該在一定條件下進(jìn)行測(cè)試,如用塑料殼包裹或電話機(jī)殼包裹后測(cè)試、靠近人體頭部/手臂模型測(cè)試等,就像人們實(shí)際使用時(shí)那樣。



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