天线匹配的原理及问题解决分析

开发无线产品可能是一项艰巨的任务。人们在设计和开发过程中会遇到许多陷阱，陷阱和常见错误。最后保存天线的实现是很常见的。事实上，天线使您的产品无线化。它是将信号发射到太空的最关键组件。通常很少考虑天线位置以及附近物体如何影响它。这不仅会破坏产品的性能，还会影响计划和成本。

天线是其环境的一个功能。无论是坐在桌子上，制造商的开发板上还是产品中，这三种情况都会导致不同的性能。与设计中大多数可能会对电路产生预期影响的组件不同，天线会受到周围一切的影响。来自天线的辐射电磁场与附近的材料相互作用，并且可以改变其操作频率。必须将天线置于其最终环境中并使阻抗匹配，以使其在所需频带内工作。匹配不良的天线会使链路预算降低10-30 dB，并严重降低范围。所有天线，无论是现成的还是在实验室中设计，都可能需要匹配。

要了解天线受其附近物体影响的原因，必须检查天线如何辐射。首先，忘记天线或附近发生了什么。重要的是天线的输入阻抗。检查图1中的偶极子，当一个电位施加到天线输入端时，两端的电荷累积相反。基本上偶极端可视为开路，具有高电压且无电流。由于偶极子两端的电荷累积，电流开始流动。当你从偶极子的末端向内移动到馈电点时，电压下降，电流上升。在馈电点，电流达到峰值，同时电压降低。馈电点处的电压和电流之间的比率是天线的输入阻抗。这是驱动天线性能的阻抗。另外，由于天线上存在电流，所以电磁场是辐射的。

图1：偶极子图。

天线阻抗作为传输信号到天线的传输线的负载阻抗。天线的阻抗决定了沿传输线的电压和电流以及它们的相位关系。在传输线上，存在驻波比（也称为VSWR）。该比率测量驻波量与行波量的关系。粗略地说，VSWR = 1表示纯行波，VSWR =∞表示纯驻波。需要非常低的VSWR，因为它表明大部分能量被传递到天线。高VSWR意味着大部分能量被反射回传输线并且没有被辐射。当天线在传输线端子处匹配时，存在低VSWR。未经传输而反射回天线输入的能量会影响RF电路，因为它必须在其他地方耗散。

图2：开路传输线上的电流和电压幅度。

天线阻抗随频率变化，因为电流分布与波长直接相关。偶极子上的电流和电压形成正弦分布，因此从偶极子端到馈电点的距离随波长的分数而变化，阻抗也是如此。

天线阻抗必须保持尽可能接近跟踪线的阻抗。在大多数系统中，天线有50欧姆的走线。由于天线阻抗随频率而变化，因此只有有限的范围可以与跟踪线匹配以实现有效的功率传输。将天线在一定频率范围内与跟踪线匹配的过程称为“调谐”或“匹配”天线。匹配的质量由VSWR表征，带宽指的是给定VSWR的天线阻抗接近50欧姆的频率范围。

当天线放置在外壳中时，电磁场会与周围的物质相互作用。结果，这些领域的发展方式与自由空间领域的发展方式不同。这种相互作用最终改变了天线上的电流分布，从而改变了其阻抗。这就是必须在最终外壳中调谐天线的原因。天线阻抗将根据周围材料的接近度，电气特性和尺寸而变化。如果天线设计在实施期间未正确调谐，则可能会破坏天线设计。

天线可以通过两种方式中的一种进行调整，可以通过调整尺寸，也可以使用通常由分立元件组成的匹配网络。通常，改变物理尺寸不是一种选择，因此在天线输入之前放置一个离散网络。调谐天线的挑战在于其阻抗受到附近材料的影响。如果您在工作台上将天线调谐到2.4 GHz，然后将其放入机箱中，则调谐频率将发生变化。下面的图3展示了这种效果。红线是自由空间中的天线，无与伦比。绿线表示现在在自由空间中匹配的相同天线。蓝线是放置在机箱中时的最终天线响应。由于天线未在外壳中调谐，因此阻抗与感兴趣的频率上的50欧姆PCB走线不匹配。必须在外壳中调谐天线，以便考虑阻抗的变化。这适用于所有天线，包括芯片和其他预封装天线。

图3：由于不匹配导致的天线频移。

进一步使问题复杂化，没有两种材料会影响天线。例如，常见的错误是使用尺寸和形状相似但不是由相同生产质量材料制成的原型外壳。即使通过更改印刷迹线天线的PCB材料也可能导致阻抗匹配发生变化。如果外壳中的任何物体发生变化，则必须始终重新调整天线的调谐，即使距离几厘米的物体也会产生影响。

在决定产品中天线的位置时，请考虑以下问题：

外壳是由什么制成的？

天线附近会是什么？

附近是否有金属？

如何使用该设备？

制作外壳的材料将极大地影响它的调音方式。金属对天线性能极其不利，因为它具有导电性。即使含有非常低比例金属的涂料也会产生重大影响。保持所有金属物体（包括PCB）尽可能远离天线。电磁场在金属物体上产生电流，将它们变成小型辐射器。这不仅会伤害比赛，还会显着降低天线的增益模式。此外，还必须考虑产品的最终用途。天线是否会被手遮住？产品是否会安装在金属墙上？所有这些都会影响调整。

在调整天线的外壳时，需要考虑很多因素。调谐天线的过程既困难又耗时。在许多情况下，附近还有其他PCB，外壳材料，电池，显示屏，金属支架和各种其他有害物体。所有这些都会影响调整，必须存在。天线位置应该是开发新产品时首先考虑的因素之一;但它通常是最后确定的组成部分。

图4：集成到产品中的天线，在莱尔德嵌入式无线解决方案的CST微波工作室中设计。

预测天线调谐和辐射问题的最有效方法是使用仿真软件来评估和预测外壳的影响。天线设计人员必须识别产品中的材料，定义其电气特性，并了解天线如何与它们相互作用。精心设计和模拟的天线通常不需要匹配的网络;但是它只能针对其设计的确切产品进行正确调整。