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对于物联网和移动设备的天线选项

关键词:物联网,移动设备,天线,接收机

时间:2015-10-14 14:33:03      来源:网络

所述天线(称为在一些国家的“天线”)是在接收机RF信号链中的第一组分和最后一个所述发射机链中。虽然它是从概念上的电压/电流的电路和相应的电磁(EM)场辐射进入或从空间之间的简单的能量换能器,存在与此基本无源部件相关的许多实现问题。

所述天线(称为在一些国家的“天线”)是在接收机RF信号链中的第一组分和最后一个所述发射机链中。虽然它是从概念上的电压/电流的电路和相应的电磁(EM)场辐射进入或从空间之间的简单的能量换能器,存在与此基本无源部件相关的许多实现问题。

基本的天线理论是覆盖在许多书籍,文章和网站(从领新技术三个应用笔记是特别有用的1,2,3)。今天的天线的用户和设计师还利用功能强大且相当精确的软件工具,模型中的天线和相关的电磁场。这些允许的天线的“自由字段”特征的详细仿真以及其在最终产品中与安装性能,因为天线固有地与他们的周围环境相互作用。这些工具对于PC板设计,其中天线和电路的其余部分是在接近特别重要。

此外,小尺寸,低功率无线设备,诸如用于观光噪比(IoT)和手持/便携式设备的因特网的发展,已经将新的性能的任务上的工作频率,带宽,大小,物理设计,和辐射图案/指向性/这“乏味”组成的增益。设计人员可以在许多基本的天线类型,包括外部长线,短鞭,PC板加工,陶瓷芯片和专用(定制设计)的风格进行选择。鞭子,PC板,和陶瓷芯片天线是物联网和在GHz区域操作的移动设备最实用的选择。

鞭状天线是一个外部分立部件,通常高达约2至4英寸(5至10厘米)长,在这些频率。它提供了定义良好的,自包含的性能规格这在很大程度上是独立于发射机/接收机本身。鞭状可以直接通过一个板安装连接器连接到PC板,或位于附近,并通过同轴电缆连接。而无论是同轴电缆和PC板连接器,除了天线本身增加了成本,这布置允许灵活性在PC板设计以及最终产品的包装和安装。

印制电路板天线制造的印刷电路板的精确尺寸和蚀刻区,通常董事会地产一和十平方厘米的需要。它具有对材料(BOM)成本比附加基底(板)的足迹的成本其他纸币没有影响,所以会出现从成本角度非常有吸引力的。免费的参考设计可从销售商和各种网站(与正在频繁地开发新设计),并有数百个现成的多种需要这样的天线布局:单或多波段,并提供量身定制的带通或陷波的特性,以适应独特的需求;这个实现可以很容易地进行定制,以满足不同寻常的条件或阻抗匹配要求。

尽管存在这些明显的优点,在PC板天线不是在许多情况下,最简单的或最佳选择。它们需要额外的空间可以是整体的产品包装内不可用或过量。其性能对整个电路板的布局和附近的组件,因此任何改变天线或修改电路板布局(或经过认证的参考设计,甚至是偏差)的设计非常敏感,需要的天线性能高下重新评估。该设计可能需要一个额外层印刷电路板,并可能复杂化,甚至限制了整个电路板的物理布局。

该芯片天线被制造为金属化的陶瓷基板的,类似的基于芯片的SAW滤波器,双工器,或定向耦合器。他们是小(几平方毫米的数量级),可在生产就像任何其他表面安装部件来处理,并具有适中的成本。不足之处是,他们只是适度相比,鞭子或一​​个精心设计的PC板天线高效电磁辐射。它们也具有有限的带宽(一个凭借在某些情况下,在其他一责任)和它们的性能可对附近的元件和地平面有些敏感。

还要注意,一些设计中所需要的输出的PA(功率放大器)和天线之间的阻抗匹配电路,可最大限度的动力传输和最小化垂直驻波比(VSWR);这可制成分立元件或实施为的PCB布局的一部分。大多数标准天线被设计为具有50Ω的阻抗,而PA的输出往往不可避免地不。所述PC板天线的一个优点是,它可以被设计,在原则上,以具有期望的非标准阻抗(即使反应性的,如果需要的话),以匹配源阻抗,从而省去了一个单独的匹配电路。

保持平衡,或者失去它

设计的电路和天线本身,以及它们的物理的互连电缆(如有的话)之间的单端/均衡拓扑不匹配,可能需要平衡 - 不平衡变换器元件弥合的差异。

的平衡 - 不平衡 - 的“平衡 - 不平衡”收缩 - 是被动的,两端口,变压器等,其执行单端,接地信号和差分信号之间的转换不要求一个接地参考分量(图1) 。的平衡 - 不平衡不具有确定的“输入”和“输出”端口,但可用于任何一种方式;换言之,同样的平衡 - 不平衡变换器元件可以用于单端至平衡转换以及相反。

不平衡转换器双向被动元件的图像

图1:巴伦是其将单端,接地信号转换成一个平衡差分1反之亦然双向无源部件;它是使用RF功能的变压器装置通常实现(其他物理实现是可能的)。

这是幸运的,因为大多数RF路径是双工(双向)通道需要的信号从天线到前端(接收模式)和功率放大器天线(发射模式)。尽管它们也似乎是简单的部件,不平衡变压器具有重要天线状参数,包括频率范围,带宽,插入损耗,线性,额定功率,尺寸和成本。注意,由于它们是变压器,它们也可以通过选择合适的主/次级匝数比提供电阻的源到负载阻抗匹配。

为什么巴伦有时需要与天线?考虑标准鞭配置天线:它有一从动元件,并与底层接地面或它的等价物(它是一个等效因为在这样的背景下,术语“地”是用词不当,因为有在没有地球连接在地便携式或大部分的IoT的设备,而有一个“公共”连接点或面,在电路)。与此相反,基本半波偶极子 - 的基础许多天线设计 - 是一个差分分量。当然,一个标准的同轴电缆是一个单端接口。

在一般情况下,差分天线比单端大的人,并要求精心匹配的尺寸,以满足其性能规格。另一方面,单端设计通常效率较低。此外,RF电路及其集成电路越来越多地使用平衡,差分信号路径内部,以提高性能,平衡不可避免的寄生电容和寄生效应,最大限度地减少噪音,通过共模抑制的影响。

标准天线选择相匹配的频率,应用程序

代表性的鞭状天线是ANT-2.4-CW-RH从领新技术,可以配备一个标准或反向极性SMA连接器(后者需要满足第15部分FCC规定的某些安装)。它是50Ω全向鞭状天线与螺旋形缠绕构造为约1英寸(2.5厘米),其中包括在连接器高度减小(图2a和2b)。这种天线设计为小的,独立的产品中存在的小的塑料或金属外壳;在前者的情况下,它需要一个接近地平面进行规格。

ANT-2.4-CW-RH存根般的2.4 GHz的鞭子的Linx技术天线的形象

图2:a)在ANT-2.4-CW-RH从领新技术存根状的2.4 GHz的鞭状天线使用螺旋缠绕,以减少到约1英寸,包括连接器的物理长度; b)本天线的尺寸图显示了其紧凑物理封装,这也是很好的机械匹配在底部的SMA连接器的直径。

本单位的中心频率为2.45 GHz的,它是推荐使用超过2.39至2.49 GHz的范围内。驻波比小于2:1(典型)在带宽(图3),这意味着天线辐射88.9%的发送给它的能量的,(其余反射回源或作为热量耗散的天线内,并且能量由天线捕捉的相同的百分比被传输到接收器)。 (请注意,许多RF设计者喜欢使用的天线的频率,其中VSWR为3:1或甚至2:1或更低,以保持损失到可接受的水平)

领新天线的图像保持低于2:1的VSWR

图3:在其预定的频率范围内,天线的Linx保持低于2:1的VSWR,虽然它可以在该范围之外使用,如果该应用程序可以接受的VSWR至多3有关的损失:1。

芯片天线有一个非常不同的外形,外貌,而且比鞭子类型的大小。该AH212M245001-T从太阳诱电,使用蓝牙,无线局域网,ZigBee和WiMAX连接它的目标应用程序,是一个很小的矩形块有2×1.25×0.85毫米(图4)。这种全向天线从2.4到2.5GHz设计用于操作。它具有3:1的VSWR超过该范围,对应于约66%的效率;驻波比小于2:1的2.35 GHz和2.61 GHz的(图5)之间的狭窄的260-MHz的带宽。

从太阳诱电AH212M245001-T芯片天线的形象

图4:从太阳诱电的AH212M245001-T的芯片上天线,也为2.4GHz频带,只占用几平方毫米,并且可以通过生产设备进行处理的方式相同BOM上任何其他SMT元件。

太阳诱电AH212M245001-T VSWR的图像与频率图

图5:VSWR与频率积为AH212M245001-T显示出其2:1的VSWR在一个紧密的260 MHz的带宽;驻波比增加至3:1作为感兴趣的频带加宽来之间2.4和2.5千兆赫。

在一个手持式或的IoT产物要使用的天线类型的决定是该设计的整体系统级分析的一部分。每一个选择 - 鞭,PC板,或芯片 - 提供折衷的性能,尺寸,成本和一致性使用。而天线的细节往往没有考虑到以后在设计周期,基本型的选择上有一个大的“连锁反应”融入到设计的包装,性能和适合特定应用。

综上所述

该天线是在接收和发射时最后一个当RF信号链中的第一个组件。虽然在概念它执行一个“简单”的能源转换器的功能,在实践中有这个基本的无源元件相关的许多问题。

天线理论可以是复杂的,尤其是因为有许多可用的配置的变化和冲突的市场需求。幸运的是,今天的工具和模型是强大的,准确的,足以提供详细的洞察到一个特定的设计和操作环境,天线的性能。

当选择一个天线,用于的IoT或移动应用本文已经审查关键属性和考虑,我已经包括一个短的部分上平衡不平衡转换器,需要在天线和发射机/接收机电子器件之间一些构造一个被动组件。设计人员可以在许多类型的天线,包括电线,鞭,PC板,陶瓷和专有的款式可供选择。大多数物联网/移动终端产品使用一个芯片天线或在实践中鞭子由于其尺寸,性能和成本。

最后,我想提醒设计师,他们应该与应用工程师工作在天线供应商,因为它们提供的选择和风险超出标准规格和图形切实可行的建议,也可以最大限度地减少需要重复其他用户的体验。

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