射频天线设计与应用

无线常识

射频天线前了解基本无线电常识

基本概念

射频（Radio Frequency，简称RF）:指能够在空间中传播的电磁波频率，通常范围从300kHz到300GHz。在这个频率范围内，电磁波可以有效传播并通过天线进行发射和接收，是现代无线通信技术的基础。射频信号的产生依赖于振荡器，将电能转化为高频电磁波，并通过天线进行传播。

频率(Frequency)：无线电频率是一种电磁波的频率，通常以赫兹（Hz）为单位来表示。它描述的是无线电波每秒内振动的次数。在无线通信中，无线电频率是传输信息的关键参数之一。不同频率的无线电波具有不同的传播特性，适用于不同的通信需求和应用场景。例如，广播、电视、移动通信、雷达和卫星通信等，都使用不同频段的无线电频率。

波长(wavelength)：波在一个振动周期内传播的距离，表示相邻两个相位相同点之间的空间间隔。

天线(Antenna)：一种将传输线上的电信号转换为自由空间电磁波，或将电磁波转换为电信号的装置，用于发射和接收无线信号。

无线电广播常识

频率：广播电台的发射机是产生无线电波的原动力，那儿首先电流以极为快速地来回摆动，也就是产生振荡，经过发射机的放大和处理，这个讯号够强了，便输送到发射塔的天线，这里也就是实际产生无线电波的地方。参看图1所示，其中曲线代表强度与时间的关系，无线电波是沿着天线流动的电子所产生的，假设曲线的左边是起点，我们可以看出曲线从零点逐渐升高，然后又回到零点，这表示电流在天线上，从一端奔向另一端所产生的无线电波，而当电流从另一端奔回时，便产生了零点基线下方的曲线，这一来回就是一个周期。

像图1曲线就是无线电波的频率，例如某MW电台是1,000,000周期／秒，但通常人们习惯把它缩减成1,000千赫(KHz)，KHz是Kilo Hertz的缩写，中文称为千赫，意思就是一千个周期，但是在短波波段频率通常更高(3000-30000千赫)，为了方便读写，通常用MHz(兆赫)来表示短波频率，MHz是英文Mega Hertz的缩写，而很多场合里，都把KHz及MHz混用，因此最好能分清楚这两种不同单位的意义及其换算，要把KHz转换成MHz时，只要把小数点向前移三位即可。例如：

5900 KHz = 5.9MHz 18000KHz = 18 MHz 1 MHz = 1000 KHz = 1000，000 Hz 注意：对于调频广播，为了简便读写，也是用MHz（兆赫）来表示。

波长：短波广播中常常听到的另一种称呼"米波段"或"公尺波段"(Meter Band)，这指的就是波长，也就是从天线发射出去的电波一个周期之间的距离。假设图2中的无线电波是15MHz，那么它的波长指的就是从A点到B点的距离。如果每秒的周期数目加倍，就变成30MHz，也就是图3。观察图2、图3两波形，便可发现15MHz每周期中含有30MHz两个周期，也就是说频率愈高，波长就愈短。

频率与波长的关系和转换：如何把波长转换成频率，或做相反的转换呢？虽然一个电台以固定的频率广播，但是 "波长"也常被拿来使用。例如，在说明短波传导状況时，使用31米波段，比使用"9500KHz到9900千赫/KHz"（这是在31米波段內规划用做国际短波广播的频率范围）简单多了。把频率换算波长的的公式是波长（米/公尺）＝300,000,000/频率（兆赫/MHz），分子300,000,000米/公尺是无线电波在大气中的传播速度（即光速），所以15兆赫(MHz)的波长是，波长＝300000000/15000000＝20米/公尺。当然短波广播规定有许多的频率范围，要记住这些频率与相对的波长是挺麻烦的，但是只要抓住一个要领，便不成问题了。首先记得一个频率与波长的关系，例如15兆赫(MHz)是20米，然后频率增加一倍，波长便减半，相反的频率减半，波长便加倍。例如15MHz是20米，那么30MHz就是10米，而7.5MHz则是40米，这样就容易多了。

如果上述太复杂，您也可以这样简单地理解：频率是用来表示某电台的精确位置；而波长却是用来表示该电台的大概位置，米波段是用来表示某小段频率范围。

如19米波段表示频率15.10–15.60兆赫范围。（请参考后文的国际广播米波段表）

无线电频谱：通常无线电波所指的是从极低频10KHz到极超高频的顶点30GHz（Giga Hertz），因为超出这个范围以外的无线电频谱，其特性便有很大不同了，例如光线、X射线等，而在上述10KHz到30GHz，通常划分成七个区域，参看下表，其中高频3～30MHz就是我们所讨论的短波。

无线电频谱的划分：

极低频 VLF Very Low 频率频率范围 10KHz - 30KHz
低频 LF（俗称长波LW）Low 频率频率范围 30KHz - 300KHz
中频 MF （俗称中波MW）Medium 频率频率范围 30KHz - 3000KHz
高频 HF （俗称短波SW）High 频率频率范围 3MHz - 30MHz
极高频 VHF（俗称超短波，而频率在88-108MHZ范围的民用广播则俗称为调频电台FM）Very High 频率频率范围 30MHz - 300MHz
超高频 UHF Ultra High 频率频率范围 300MHz - 3000MHz
极超高频 SHF Super High 频率频率范围 3000MHz - 30000MHz

国际短波广播波段：全世界所有的无线电频率之使用，皆是由国际电信联合会所分配。国际电信联合会（ITU : International Telecommunication Union）是一个隶属于联合国的国际电信管理组织，定期召集各会员国开会决定无线电频率的分配及使用。而ITU所制定的国际短波广播波段共有13个。各米波段都有一定的频率范围，您也许会觉得奇怪，从2.3-26.1MHZ被分成13段，为什么不连贯在一起呢？

这是因为：在高频的频谱内（3-30MHz），国际电信管理组织（ITU）有规定，除了国际短波广播外，还有很多其它通讯的用途。您可以很容易地在收音机说明书上找到米波段的划分表。

天线的工作原理

天线的辐射原理基于麦克斯韦电磁场理论：变化的电场在周围空间产生变化的磁场，变化的磁场又产生变化的电场，二者相互激发并以电磁波形式向外传播。在发射端，射频信号通过馈线送入天线，天线将其辐射为电磁波；在接收端，天线捕获电磁波并通过馈线送入接收机。

天线的基本参数

方向性（Directivity）

描述天线辐射能量在空间的分布，常用辐射方向图表示，包括全向和指向性天线。

增益（Gain）

极化（Polarization）

带宽（Bandwidth）

阻抗（Impedance）

有效孔径（Effective Aperture）

天线捕获平面波能量的能力，与增益和波长相关。

基本公式

无线电波在空气中的传播速度近似为光速 c≈3.00×108 米/秒，因此波长 λ 与频率 f 的关系为：

λ=cf

其中：

- λ 为波长（米，m）
- c 为光速（约 3×10^8 m/s）
- f 为频率（赫兹，Hz）

例如：

2.4 GHz WiFi 信号：λ=3.00×108÷2.4×109≈0.125 米，即约 12.5 厘米

5 GHz WiFi 信号：λ=3.00×108÷5×109≈0.06 米，即约 6 厘米

单位换算

米（m） ↔ 厘米（cm）：1 m = 100 cm

米（m） ↔ 英尺（ft）：1 m ≈ 3.2808 ft

米（m） ↔ 英寸（in）：1 m ≈ 39.37 in

实际应用

在无线电通信中，天线长度通常与波长相关：

半波长天线：长度约为波长的一半

四分之一波长天线：长度约为波长的四分之一

例如，100 MHz 的信号：

半波长天线长度 ≈ 1.5 米
四分之一波长天线长度 ≈ 0.75 米

正确匹配天线长度可以提高信号传输和接收效率。

通过以上方法和工具，用户可以方便地根据无线电波频率计算波长，并应用于天线设计、无线通信和其他电磁波相关领域。

天线设计

以FM广播收音机为例，国内FM广播频率在86～108ＭHz, 我们取中间频率点，(86+108）/2=97MHz, 依上述公式，计算得波长λ＝3.09cm，天线通常用１/4波长，大约75cm

天线制作

１最简单天线一段 75cm长直径1ｍｍ的导线长即可。

我们的方案DEMO是没有天线焊点，很多用户问天线接线搁哪儿呢？

用一条75cm长的AUX音频线或有线耳机接到音频输入孔即可

２、最常见常用的天线

拉杆天线，笔者最早看到的天线是收音机天线就是它，后面有了黑白电视的天线，是它还是它。

它优点十分明显：可伸缩方便收纳，更主要可以适配不同波长无线电的要求；可旋转方便调试指向到信号最的位置。

FM天线信号放大电路设计

有时客户反馈FM信号不是很好，可以设计一个FM天线信号放大电路增强信号

也可以用FM信号专用集成放大器，效果会更好，但成本会更高。

推荐MAX2181，一款高度集成的FM可变增益、低噪声放大器，理想用于车载FM和FM分集有源天线。。器件具有独立的AM和FM信号通道，每个通道具有30dB的增益范围，增益受控于片上功率检测器。AM信号通道能够覆盖148kHz至30MHz的输入频率范围，FM信号通道则可支持65MHz至162.5MHz频率范围。

器件集成了一路电压稳压器和旁路晶体管，可采用+6V至+24V电池供电。在极端温度条件下，片上热保护电路可自动限定结温。

器件采用小型、3mm x 3mm、TQFN封装，工作在扩展工业级温度范围(-40°C至+85°C)。

一般应用于汽车有源天线，或其他信号增加+滤波场合。

FM布局与布线注意事项

远离干扰源： 天线应尽可能远离开关电源、数字电路（PWM、时钟、数据总线）、电机、显示屏排线等潜在的强噪声源。

远离金属物体： 避免将天线设计在靠近金属外壳、电池、大电解电容的位置。如果设备有金属外壳，天线通常需要放置在塑料窗口附近。

馈线： 连接匹配网络输出端到接收机RF输入端的走线应尽量短直。如果较长，需设计成50Ω微带线，全部包地处理。

音频功放选择： FM模式尽量用AB类的音频功放，一般D类功放都可以切换到AB类，可通过软件切换的AB类。

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