1. 天线有哪些种类


天线是将射频信号由传输线辐射到空气中或从空气中接收到传输线上的一种装置,也可视为一种阻抗转换器或者一种能量变换器,它把传输线上传播的导行波,变换成在无界媒介中传播的电磁波,或者进行相反的变换。对于设计一个应用于射频系统中的无线收发设备,天线的设计和选择是其中的重要部分,良好的天线系统可以使通信距离达到最佳状态,同类型天线大小与射频信号的波长成正比,信号的频率越低,所需的天线越大。


天线由安装的位置可分为外置天线和内置天线,安装在设备内部的称之为内置天线,安装在设备外部的称之为外置天线。对于手持设备、穿戴设计、智能家居等小尺寸产品,普遍采用内置天线,其集成度高,产品外观美观。物联网、智能硬件产品需要联网传输数据,因此都需要使用天线。所处空间越小、频段越多,天线设计越复杂,外置天线一般都是标准品,选购所需频段的天线便可以使用,无需调试,即插即用。例如快递柜、售货机这些,普遍使用磁吸的外置天线,吸在铁皮外壳上即可。这些天线不能放在铁皮柜里面,金属会屏蔽天线信号,所以只能放在外面,本文从天线的分类以及选型方法为核心,对天线的相关信息进行介绍。

 

1.1、    外置天线


外置天线从辐射场辐射角度方向的不同可分为全向天线定向天线

 

1.1.1    全向天线


全向天线,即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射,也就是平常所说的无方向性,在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束,一般情况下波瓣宽度越小,增益越大。外置全向天线主要包括吸盘天线、玻璃钢天线和胶棒天线。

 

全向天线空间辐射图

 

1.1.2定向天线

 

定向天线是指在某一个或某几个特定方向上发射和接收电磁波特别强,而在其他的方向上发射和接收电磁波则为零或极小的一种天线。采用定向发射天线的目的是增加辐射功率的有效利用率,增加保密性;采用定向接收天线的主要目的是增强信号强度增加抗干扰能力。外置定向天线主要包括平板天线、八木天线和对数周期天线。
 

 

定向天线空间辐射图

 

1.2、    内置天线


内置天线主要是指可以放置在设备内部的天线总称,内置天线主要包括FPC天线、PCB天线、弹簧天线、陶瓷贴片天线、激光直接成型技术(LDS)和五金弹片天线。

 

2.    选型指南


在给设备选择合适的天线,首先要根据产品结构确定选用内置还是外置天线,外置天线即将天线安装在设备外部; 

 

 

2.1 外置天线选型

 

首先需要确定设备信号覆盖区域,信号的覆盖方向由天线的辐射方向图决定,按照天线辐射方向,天线分为全向天线和定向天线。

 

外置全向天线

 

全向天线,即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射,也就是平常所说的无方向性。

 

2.1.1 吸盘天线

增益相对较高,最大特点为带有强磁吸盘、安装固定非常方便,但吸盘一定要吸附在金属表面上,在无线模块行业,吸盘天线常常和无线模块配合使用,以此达到增加无线模块的通信距离的目的,比如智能抄表、自动售卖机、快递柜、车载电台等。

 

2.1.2 铜棒吸盘天线

与普通鞭状吸盘天线类似,但比鞭状吸盘的优势在于,采用直径较大的纯铜辐射体,其欧姆损耗小,天线效率高、带宽覆盖宽。适用于对性能要求相对较高的数传电台、中等距离的图传等。


 
2.1.3 胶棒天线

最常见外置天线,其增益适中、价格相对低廉,常用在无线通讯模块、无线路由、数传电台等。可根据安装空间要求选择合适尺寸大小的天线,选择天线尺寸与增益有关系,通常情况下,同频段长度越长增益越高。

 

2.1.4 玻璃钢天线

在全向天线中、玻璃钢天线性能表现最为出色、其内芯为纯铜振子、采用平衡馈电、受环境影响小;外壳采用优质玻璃钢,有很好的三防特性,对恶劣的自然环境适应好。特别适合超远距离网关信号覆盖,图像传输等。

 

外置定向天线

 

一般用于通讯距离远、信号覆盖范围小、目标密度大的环境、极端例子为点对点远距离通讯。

 

2.1.5 平板天线

效率高、体积轻小安装方便,可以兼顾增益与辐射区域。适用室内、隧道内无线信号覆盖;中等距离的信号传输,图传及信号穿墙等。


 
2.1.6 八木天线

增益非常高、体积稍大、方向性强、使用时需要注意天线的方向,可用于超远距离信号传输、图传及测向等。


 
2.1.7 对数周期天线

超宽带天线,带宽覆盖非常宽,带宽可达10:1,常用于信号放大,室内分布和电梯信号覆盖。


2.2 内置天线选型

 

内置天线的形态一共可以分为:FPC/PCB/弹簧/陶瓷/五金弹片/激光直接成型技术(LDS)等类型。目前一般选择较多的是FPC和PCB天线;在成本控制高、性能要求一般的情况下选择弹簧&五金弹片较多;特殊应用场景会选择陶瓷贴片或LDS天线,一般的内置天线均受环境影响,需要定制设计或者阻抗匹配

 

2.2.1  FPC(柔性印制电路板

具有良好的性价比,喷油后可与各种外观颜色相匹配;产品柔韧性好,可完美贴合于规则圆弧面 ;工艺成熟稳定,生产周期快,批量交付性好;适用于对性能有较高要求的宽频带智能设备天线设计。


 
2.2.2  PCB天线(印制电路板

PCB天线与FPC天线最大区别为,FPC具有很好的柔性,PCB天线为硬板,在结构安装上,如果需要弯折以及弧面则选择FPC天线,如果是平面可选择PCB天线,PCB天线比FPC便于安装。


 
2.2.3  弹簧天线

其最大的特点是价格便宜,但是增益低、带宽窄;内置于产品内部时,往往需要调试天线匹配。


 
2.2.4  陶瓷贴片天线

占用空间很小、性能比较好;带宽窄,比较难做到多频段;有效提高主板的整合度,并可降低天线对ID的限制;需要在主板的定义之初导入设计。

 

2.2.5  LDS天线

适用于特殊外观面的天线,可充分利用天线空间;对于天线性能的实现更接近环境的物理极限 ;对天线所依附的壳体或支架有特殊的材质要求;工艺成熟,并可通过喷涂配色,过程中有一定的不良率。

 

2.2.6  五金弹片天线

具有很高的性价比,有效降低成本 ;产品强度高,不易破损 ;工艺成熟稳定,生产周期快,批量交付性好 ;对天线区域及圆弧外观面的应用,具有一定的局限性。