深入解讀無線通信中的天線① — 初識(shí)天線

天線作為無線信號(hào)輻射和接收的重要器件，在無線通信中起著關(guān)鍵作用。天線究竟是如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)從有線到無線的轉(zhuǎn)換的？天線都有哪些關(guān)鍵參數(shù)，又該如何評(píng)估一款天線的性能？本系列文章帶你深入了解。

在無線電設(shè)備中，天線就是用來輻射和接收無線電波的裝置，是一種電與磁的能量轉(zhuǎn)換器。

按方向性分類，天線分為全向天線和定向天線兩種。全向天線將能量信號(hào)平均輻射到所有方向上，由于能量被分散了，傳輸距離也較短。而定向天線則將能量信號(hào)輻射到特定的方向上，由于能量更集中，因此在該方向上傳輸距離會(huì)更遠(yuǎn)。

圖1  定向天線和全向天線

按材質(zhì)或結(jié)構(gòu)，天線又可以分為許多種類，常見的是：PCB天線（板載天線）、陶瓷天線、棒狀天線等。致遠(yuǎn)電子推出的ZLG52810藍(lán)牙模塊，使用的就是PCB天線，這類天線集成在產(chǎn)品內(nèi)部，可以大大減小對(duì)客戶產(chǎn)品尺寸的要求。

那么，要如何評(píng)估一款天線性能的優(yōu)劣？下面介紹天線的幾個(gè)主要參數(shù)：

1. 工作頻率

工作頻率是天線最基本的參數(shù)，代表該天線能夠輻射或接收的信號(hào)頻率。天線的工作頻率一般是某個(gè)范圍，這個(gè)范圍稱為天線的帶寬。例如某個(gè)天線的帶寬是2.3GHz~2.5GHz，則它能夠?qū)⒃擃l段內(nèi)的信號(hào)有效輻射出去或接收進(jìn)來，而該頻段外的信號(hào)例如2GHz，則無法通過該天線輻射或接收。

不同技術(shù)的產(chǎn)品，需要選擇相應(yīng)工作頻段的天線，才能正常工作，例如：

●   藍(lán)牙是2.402~2.480GHz；

●   Wi-Fi是2.412~2.472GHz；

●   Lora是470~510MHz。

圖2  Wi-Fi天線的工作頻率測(cè)試

2. 增益

天線是無源器件，它并不會(huì)增大信號(hào)強(qiáng)度。和PA的增益不同，天線的增益通常指最大輻射方向的功率增益值，可以理解為天線在特定方向上的輻射能力，增益越大，天線輻射的能量也越集中，在相應(yīng)方向上輻射能力越強(qiáng)，信號(hào)傳輸距離越遠(yuǎn)。

廣州致遠(yuǎn)電子推出的ZM602系列Wi-Fi模塊所設(shè)計(jì)的PCB天線增益達(dá)到了3.3dBi，空曠環(huán)境下最遠(yuǎn)通訊距離達(dá)到了450m，傳輸距離優(yōu)于市場(chǎng)上絕大部分的Wi-Fi產(chǎn)品。

3. 電壓駐波比

電壓駐波比（VSWR）是表征端口阻抗匹配程度的一個(gè)量，它是衡量射頻功率從功率源通過傳輸線到負(fù)載（天線）的效率，是駐波中最大電壓與最小電壓之比。

駐波比等于1時(shí)，表示饋線和天線的阻抗完全匹配，此時(shí)高頻能量全部被天線輻射出去，沒有能量的反射損耗；駐波比為無窮大時(shí)，表示全反射，能量完全沒有輻射出去。VSWR在無線模塊設(shè)計(jì)中，應(yīng)小于或等于2.0。

天線饋電點(diǎn)兩端感應(yīng)的信號(hào)電壓與信號(hào)電流之比，稱為天線的輸入阻抗，通信領(lǐng)域中標(biāo)準(zhǔn)阻抗值為50Ω。

圖3  天線的輸入阻抗測(cè)試