物联网或移动应用选择天线时的注意事项说明

天线（在某些国家称为“天线”）是接收机射频信号链中的第一个组成部分，也是发射机链中的最后一个组成部分。虽然概念上是在电路中的电压/电流和辐射到空间中或从空间辐射的相应电磁（EM）场之间的简单能量换能器，但是存在与该基本无源部件相关联的许多实施问题。

许多书籍，文章和网站都涵盖了基本天线理论（Linx Technologies的三篇应用笔记特别有用 1,2,3 ）。今天的天线用户和设计师也使用功能强大且相当精确的软件工具来模拟天线和相关的EM场。这些可以对天线的“自由场”特性及其在最终产品和安装中的性能进行详细模拟，因为天线固有地与其周围环境相互作用。这些工具对于PC板设计尤其重要，其中天线和其余电路非常接近。

此外，小型低功耗无线设备（如物联网（IoT）和手持/便携设备）的增长已经对工作频率，带宽，尺寸，物理性能提出了新的性能要求这种“无味”成分的设计和辐射方向图/方向性/增益。设计人员可以选择许多基本天线类型，包括外部长线，短鞭，PC板制造，陶瓷芯片和专有（定制设计）样式。对于在GHz区域工作的物联网和移动设备，鞭子，PC板和陶瓷芯片天线是最实用的选择。

鞭状天线是一个外部分立元件，通常最多约2到在这些频率下长4英寸（5到10厘米）。它提供定义明确，独立的性能规范，这些规范在很大程度上独立于发送器/接收器本身。鞭子可以通过板上连接器直接连接到PC板，或者位于附近，并通过同轴电缆连接。虽然同轴电缆和PC板连接器除了天线本身之外还增加了成本，但这种布置允许PC板设计以及最终产品封装和安装的灵活性。

PC板天线被制造成印刷电路板的精确尺寸和蚀刻区域，并且通常需要1平方厘米至10平方厘米的电路板空间。除了额外的基板（板）占地面积的成本之外，它对材料清单（BOM）成本没有影响，因此从成本角度看起来非常有吸引力。供应商和各种网站（经常开发新设计）提供免费参考设计，并且有数百种这样的天线布局可以满足许多需求：单频或多频带，并具有定制的带通或陷波特性以满足独特需求;这种实现方式可以轻松定制，以满足不寻常的条件或阻抗匹配要求。

尽管有这些明显的优点，PC板天线在许多情况下并不是最简单或最好的选择。他们所需的额外空间可能在整个产品包装中不可用或过多。它们的性能对整个电路板布局和附近组件非常敏感，因此对天线设计的任何改变或对电路板布局的修改（甚至偏离经认证的参考设计）都需要对天线性能进行竞争性重新评估。该设计可能需要PC板中的额外层，并且可能使整个板的物理布局复杂化甚至约束。

芯片天线采用陶瓷基板的金属化制造，类似于基于芯片的SAW滤波器，双工器或定向耦合器。它们很小（大约几平方毫米），可以像其他任何表面安装组件一样在生产中处理，并且成本适中。缺点是与鞭子或精心设计的PC板天线相比，它们只是中等效率的EM散热器。它们也具有有限的带宽（在某些情况下是一种优点，在其他情况下是一种负担），并且它们的性能可能对附近的组件和地平面有些敏感。

另请注意，某些设计需要输出功率放大器（功率放大器）和天线之间的阻抗匹配电路，以最大限度地传输功率并最大限度地降低垂直驻波比（VSWR）;这可以由分立元件组成，也可以作为PC板布局的一部分实现。大多数标准天线设计为具有50Ω阻抗，而PA的输出通常不可避免。 PC板天线的一个优点是原则上它可以设计成具有所需的非标准阻抗（如果需要甚至是无功的）以匹配源阻抗，因此不需要单独的匹配电路。/p>

维持平衡或失去平衡

设计电路与天线本身以及物理互连电缆（如果有）之间的单端/平衡拓扑不匹配可能需要一个巴伦组件来弥合差异。

巴伦 - “平衡 - 不平衡”的缩小 - 是一种无源，双端口，类似变压器的元件，可在单端，地参考信号和不需要的差分信号之间进行转换参考参考（图1）。平衡 - 不平衡转换器没有标识的“输入”和“输出”端口，但可以任意一种方式使用;换句话说，相同的平衡 - 不平衡变换器组件可用于单端到平衡变换以及相反的变换。

图1：平衡 - 不平衡转换器是一种双向无源元件，可将单端接地信号转换为平衡差分信号，反之亦然;它通常使用具有RF功能的变压器装置实现（其他物理实现也是可能的）。

这是幸运的，因为大多数RF路径是双工（双向）通道，需要信号从天线到前端（接收模式）和从功率放大器到天线（发射模式）。虽然它们看起来也很简单，但是平衡 - 不平衡转换器具有重要的类天线参数，包括频率范围，带宽，插入损耗，线性度，额定功率，尺寸和成本。请注意，由于它们是变压器，因此它们还可以通过选择适当的初级/次级匝数比来提供电阻源 - 负载阻抗匹配。

为什么天线有时需要平衡 - 不平衡转换器？考虑标准的鞭状配置天线：它有一个驱动元件，与底层地平面或其等效物一起工作（它是等效的，因为在这种情况下，术语“地面”是用词不当，因为没有地球连接的地面便携式或大多数物联网设备，而电路中有一个“共同的”连接点或平面。相比之下，基本的半波偶极子 - 许多天线设计的基础 - 是一个差分分量。当然，标准同轴电缆是单端接口。

通常，差分天线比单端天线大，需要仔细匹配其尺寸以满足其性能规格。另一方面，单端设计通常效率较低。此外，RF电路及其IC越来越多地在内部使用平衡差分信号路径来改善性能，平衡不可避免的寄生效应和杂散效应，并通过共模抑制最小化噪声的影响。

标准天线选择与频率，应用相匹配

代表性的鞭状天线是Linx Technologies的ANT-2.4-CW-RH，可提供标准或反极性SMA连接器（对于某些装置，后者需要满足第15部分FCC规则）。它是一种50Ω全向鞭状天线，采用螺旋缠绕结构，可降低约1英寸（2.5厘米）的高度，包括连接器（图2a和2b）。该天线专为小型塑料或金属外壳中的小型独立产品而设计;在前一种情况下，它需要一个接近地平面来执行规范。

图2：a）ANT-2.4-CW-RH存根Linx Technologies的2.4 GHz鞭状天线使用螺旋绕组将其物理长度减小到约1英寸，包括连接器; b）该天线的尺寸图显示其紧凑的物理封装，这也是底部SMA连接器直径的良好机械匹配。

该单元的中心频率为2.45 GHz，它建议在2.39至2.49 GHz范围内使用。 VSWR在带宽上低于2：1（典型值）（图3），这意味着天线辐射了88.9％的能量，（其余部分反射回源或作为天线内的热量消散，并且由天线捕获的相同百分比的能量被传送到接收器）。 （请注意，许多RF设计人员更喜欢在VSWR为3：1或甚至2：1或更低的频率下使用天线，以将损耗保持在可接受的水平。）

图3：在预期的频率范围内，Linx天线的VSWR保持在2：1以下，但如果应用可以接受，则可以在此范围之外使用与VSWR相关的损耗高达3：1。

芯片天线具有与鞭子类型截然不同的外形，物理外观和尺寸。 Taiyo Yuden的AH212M245001-T针对使用蓝牙，无线LAN，ZigBee和WiMax连接的应用，是一个2×1.25×0.85 mm的小矩形块（图4）。该全向天线设计用于2.4至2.5 GHz的工作频率。它在该范围内的VSWR为3：1，效率约为66％;在2.35 GHz和2.61 GHz之间的较窄的260 MHz带宽中，VSWR小于2：1（图5）。

图4：AH212M245001- Taiyo Yuden的T芯片天线，也是2.4 GHz频段，只占几平方毫米，可以通过生产设备以与BOM上任何其他SMT元件相同的方式进行处理。

图5：AH212M245001-T的VSWR与频率曲线图显示其在260 MHz带宽上的2：1 VSWR;当感兴趣的频带扩展到2.4到2.5 GHz之间时，VSWR增加到3：1。

决定在手持式或物联网产品中使用哪种天线类型是整个系统级设计分析的一部分。每种选择 - 鞭子，PC板或芯片 - 都可以在性能，尺寸，成本和使用方面提供折衷。虽然在设计周期的后期通常不考虑天线细节，但基本类型的选择对设计的封装，性能和特定应用的适用性具有很大的“连锁反应”。

总之

天线是接收时射频信号链中的第一个分量，也是发射时的最后一个分量。虽然在概念上它执行“简单”的能量转换器功能，但实际上存在与该基本无源部件相关的许多问题。

天线理论可能很复杂，尤其是因为有许多可用的配置变化和相互冲突的营销需求。幸运的是，今天的工具和模型功能强大且足够精确，能够详细了解天线在特定设计和操作环境中的性能。

本文研究了在为物联网或移动应用选择天线时的关键属性和注意事项，并且我已经介绍了一个关于平衡 - 不平衡转换器的简短部分，这是天线和发射器/接收器之间某些配置所需的无源元件电子产品。设计人员可以选择多种天线类型，包括电线，鞭子，PC板，陶瓷和专有样式。由于尺寸，性能和成本的原因，大多数物联网/移动终端产品在实践中使用芯片天线或鞭子。