无线模块的天线性能如何优化?

2019-06-12 07:42:00 来源:ZLG立功科技·致远电子
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摘要:在无线通讯模块的实际应用中,常常因为体积限制而不得不使用板载形式的天线。如果天线没有处理好,会大幅影响通讯效果。本文将为大家详细讲解如何通过细节的优化,发挥出无线模块的最佳性能。
 
一、背景
无线模块的传输距离,除了模块本身的性能之外很大程度取决于天线的使用。常用的天线有PCB天线、弹簧天线、陶瓷天线、棒状天线和吸盘天线等。不同的天线性能有差异,但是一样的天线不同的使用方式通信距离也会差几倍甚至几十倍。后面讨论影响的PCB天线性能的VSWR和辐射增益
 
1. 天线基础
天线的基本定义:沿传输线的均匀段,两线间距远小于波长,能量以平面电磁波的模式导行,只有很少的损失(很少的辐射);沿传输线的渐变张开段,两线间距达到或超过波长的量级,波将向自由空间辐射而表现为天线的性质。
 
前段解释为白话:也就是如图1传输线与参考地这两根线张开了,这两根线就是天线;靠得近了两根线的电磁场相互抵消变成传输线如图2所示。文章讨论的是如何让传输线上的功率更有效率的传输。
 
图1半波偶极子                    
 
图2传输线
 
二、PCB天线从模块到应用
1. 带PCB天线模块
一般情况下对传输距离要求不高,但是对模块体积要求较高时。2.4GHz 频段常选用PCB天线。对于通信距离要求较高的则需要选用增益和效率较高的棒状天线和吸盘天线等。
 
供应商提供带PCB天线模块一般都是按照模块的地仿真调试的,如图3~图5辐射增益最大2.75dBi,2.4GHz频段的驻波比(VSWR)都小于2。
 
图3 模块倒F天线仿真图                 
 
图4模块倒F天线方向图
 
图5 模块倒F天线VSWR图
 
2. 天线下方铺地
PCB天线只是天线偶极子的一端,并将板子的地作为天线的另外一端。在实际使用过程中需注意板子的地应与天线保持距离,避免天线的谐振改变而导致辐射效率降低。
 
在天线下方铺地仿真如图6~图9,天线的阻抗远离50Ω、辐射图增益只有-3 dBi。辐射增益比原来的小了将近6dB,并且驻波比也都远大于2。显然天线下方铺地会严重影响天线的辐射效率。
 
图6 天线下方铺地仿真图                 
 
图7 天线下方铺地方向图
 
图8天线下方铺地Smith图
 
图9 天线下方铺地VSWR图
 
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