開發(fā)無線產(chǎn)品可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。人們?cè)谠O(shè)計(jì)和開發(fā)過程中會(huì)遇到許多陷阱，陷阱和常見錯(cuò)誤。最后保存天線的實(shí)現(xiàn)是很常見的。事實(shí)上，天線使您的產(chǎn)品無線化。它是將信號(hào)發(fā)射到太空的最關(guān)鍵組件。通常很少考慮天線位置以及附近物體如何影響它。這不僅會(huì)破壞產(chǎn)品的性能，還會(huì)影響計(jì)劃和成本。

天線是其環(huán)境的一個(gè)功能。無論是坐在桌子上，制造商的開發(fā)板上還是產(chǎn)品中，這三種情況都會(huì)導(dǎo)致不同的性能。與設(shè)計(jì)中大多數(shù)可能會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生預(yù)期影響的組件不同，天線會(huì)受到周圍一切的影響。來自天線的輻射電磁場(chǎng)與附近的材料相互作用，并且可以改變其操作頻率。必須將天線置于其最終環(huán)境中并使阻抗匹配，以使其在所需頻帶內(nèi)工作。匹配不良的天線會(huì)使鏈路預(yù)算降低10-30 dB，并嚴(yán)重降低范圍。所有天線，無論是現(xiàn)成的還是在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)，都可能需要匹配。

要了解天線受其附近物體影響的原因，必須檢查天線如何輻射。首先，忘記天線或附近發(fā)生了什么。重要的是天線的輸入阻抗。檢查圖1中的偶極子，當(dāng)一個(gè)電位施加到天線輸入端時(shí)，兩端的電荷累積相反?；旧吓紭O端可視為開路，具有高電壓且無電流。由于偶極子兩端的電荷累積，電流開始流動(dòng)。當(dāng)你從偶極子的末端向內(nèi)移動(dòng)到饋電點(diǎn)時(shí)，電壓下降，電流上升。在饋電點(diǎn)，電流達(dá)到峰值，同時(shí)電壓降低。饋電點(diǎn)處的電壓和電流之間的比率是天線的輸入阻抗。這是驅(qū)動(dòng)天線性能的阻抗。另外，由于天線上存在電流，所以電磁場(chǎng)是輻射的。

圖1：偶極子圖。

天線阻抗作為傳輸信號(hào)到天線的傳輸線的負(fù)載阻抗。天線的阻抗決定了沿傳輸線的電壓和電流以及它們的相位關(guān)系。在傳輸線上，存在駐波比（也稱為VSWR）。該比率測(cè)量駐波量與行波量的關(guān)系。粗略地說，VSWR = 1表示純行波，VSWR =∞表示純駐波。需要非常低的VSWR，因?yàn)樗砻鞔蟛糠帜芰勘粋鬟f到天線。高VSWR意味著大部分能量被反射回傳輸線并且沒有被輻射。當(dāng)天線在傳輸線端子處匹配時(shí)，存在低VSWR。未經(jīng)傳輸而反射回天線輸入的能量會(huì)影響RF電路，因?yàn)樗仨氃谄渌胤胶纳ⅰ?/p>

圖2：開路傳輸線上的電流和電壓幅度。

天線阻抗隨頻率變化，因?yàn)殡娏鞣植寂c波長(zhǎng)直接相關(guān)。偶極子上的電流和電壓形成正弦分布，因此從偶極子端到饋電點(diǎn)的距離隨波長(zhǎng)的分?jǐn)?shù)而變化，阻抗也是如此。

天線阻抗必須保持盡可能接近跟蹤線的阻抗。在大多數(shù)系統(tǒng)中，天線有50歐姆的走線。由于天線阻抗隨頻率而變化，因此只有有限的范圍可以與跟蹤線匹配以實(shí)現(xiàn)有效的功率傳輸。將天線在一定頻率范圍內(nèi)與跟蹤線匹配的過程稱為“調(diào)諧”或“匹配”天線。匹配的質(zhì)量由VSWR表征，帶寬指的是給定VSWR的天線阻抗接近50歐姆的頻率范圍。

當(dāng)天線放置在外殼中時(shí)，電磁場(chǎng)會(huì)與周圍的物質(zhì)相互作用。結(jié)果，這些領(lǐng)域的發(fā)展方式與自由空間領(lǐng)域的發(fā)展方式不同。這種相互作用最終改變了天線上的電流分布，從而改變了其阻抗。這就是必須在最終外殼中調(diào)諧天線的原因。天線阻抗將根據(jù)周圍材料的接近度，電氣特性和尺寸而變化。如果天線設(shè)計(jì)在實(shí)施期間未正確調(diào)諧，則可能會(huì)破壞天線設(shè)計(jì)。

天線可以通過兩種方式中的一種進(jìn)行調(diào)整，可以通過調(diào)整尺寸，也可以使用通常由分立元件組成的匹配網(wǎng)絡(luò)。通常，改變物理尺寸不是一種選擇，因此在天線輸入之前放置一個(gè)離散網(wǎng)絡(luò)。調(diào)諧天線的挑戰(zhàn)在于其阻抗受到附近材料的影響。如果您在工作臺(tái)上將天線調(diào)諧到2.4 GHz，然后將其放入機(jī)箱中，則調(diào)諧頻率將發(fā)生變化。下面的圖3展示了這種效果。紅線是自由空間中的天線，無與倫比。綠線表示現(xiàn)在在自由空間中匹配的相同天線。藍(lán)線是放置在機(jī)箱中時(shí)的最終天線響應(yīng)。由于天線未在外殼中調(diào)諧，因此阻抗與感興趣的頻率上的50歐姆PCB走線不匹配。必須在外殼中調(diào)諧天線，以便考慮阻抗的變化。這適用于所有天線，包括芯片和其他預(yù)封裝天線。

圖3：由于不匹配導(dǎo)致的天線頻移。

進(jìn)一步使問題復(fù)雜化，沒有兩種材料會(huì)影響天線。例如，常見的錯(cuò)誤是使用尺寸和形狀相似但不是由相同生產(chǎn)質(zhì)量材料制成的原型外殼。即使通過更改印刷跡線天線的PCB材料也可能導(dǎo)致阻抗匹配發(fā)生變化。如果外殼中的任何物體發(fā)生變化，則必須始終重新調(diào)整天線的調(diào)諧，即使距離幾厘米的物體也會(huì)產(chǎn)生影響。

在決定產(chǎn)品中天線的位置時(shí)，請(qǐng)考慮以下問題：

外殼是由什么制成的？

天線附近會(huì)是什么？

附近是否有金屬？

如何使用該設(shè)備？

制作外殼的材料將極大地影響它的調(diào)音方式。金屬對(duì)天線性能極其不利，因?yàn)樗哂袑?dǎo)電性。即使含有非常低比例金屬的涂料也會(huì)產(chǎn)生重大影響。保持所有金屬物體（包括PCB）盡可能遠(yuǎn)離天線。電磁場(chǎng)在金屬物體上產(chǎn)生電流，將它們變成小型輻射器。這不僅會(huì)傷害比賽，還會(huì)顯著降低天線的增益模式。此外，還必須考慮產(chǎn)品的最終用途。天線是否會(huì)被手遮??？產(chǎn)品是否會(huì)安裝在金屬墻上？所有這些都會(huì)影響調(diào)整。

在調(diào)整天線的外殼時(shí)，需要考慮很多因素。調(diào)諧天線的過程既困難又耗時(shí)。在許多情況下，附近還有其他PCB，外殼材料，電池，顯示屏，金屬支架和各種其他有害物體。所有這些都會(huì)影響調(diào)整，必須存在。天線位置應(yīng)該是開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)首先考慮的因素之一;但它通常是最后確定的組成部分。

圖4：集成到產(chǎn)品中的天線，在萊爾德嵌入式無線解決方案的CST微波工作室中設(shè)計(jì)。

預(yù)測(cè)天線調(diào)諧和輻射問題的最有效方法是使用仿真軟件來評(píng)估和預(yù)測(cè)外殼的影響。天線設(shè)計(jì)人員必須識(shí)別產(chǎn)品中的材料，定義其電氣特性，并了解天線如何與它們相互作用。精心設(shè)計(jì)和模擬的天線通常不需要匹配的網(wǎng)絡(luò);但是它只能針對(duì)其設(shè)計(jì)的確切產(chǎn)品進(jìn)行正確調(diào)整。