俗話說“近朱者赤墨者黑”，咳咳，這說明環(huán)境對(duì)人的影響非常大。人是這樣，天線更是如此。

辣么，環(huán)境是怎樣影響天線呢？而天線的環(huán)境又是怎樣影響整機(jī)的無線性能呢？

對(duì)很多無線終端產(chǎn)品而言，整機(jī)無線性能的調(diào)優(yōu)，最大的難點(diǎn)并非在于天線單體的設(shè)計(jì)，而在于產(chǎn)品ID、結(jié)構(gòu)、堆疊、材質(zhì)等因素給天線預(yù)留的“可見”環(huán)境，及產(chǎn)品內(nèi)部其它零部件產(chǎn)生的電磁干擾等“不可見”環(huán)境；從某種程度上講，天線的環(huán)境，對(duì)產(chǎn)品整機(jī)的無線性能幾乎起著決定性的作用。

好了，閑言少敘，今日份重點(diǎn)奉上：

一、 天線的環(huán)境概述與分類

二、 天線之間的信號(hào)干擾案例

三、 天線基礎(chǔ)知識(shí)概述

四、 小結(jié)

一、 天線的環(huán)境概述與分類

這里天線的環(huán)境，主要針對(duì)內(nèi)置類天線，其環(huán)境大概可以籠統(tǒng)地分為以下幾類。

1、 預(yù)留空間（面積、高低、位置、凈空）

預(yù)留的空間，指產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中為天線預(yù)留的空間是否充足，主要涉及天線設(shè)計(jì)區(qū)域的面積、天線距離主板的高度、天線的安裝位置、凈空區(qū)域等方面。

1）預(yù)留給天線本體的面積

根據(jù)波長-頻率的反比關(guān)系，天線所需滿足的頻率越低，波長越長，預(yù)留給天線區(qū)域的寬度和長度決定著天線的最低頻率。

2）天線所需的高度或距離

天線與主板間的高度（距離）也是重要的考量因素。一般來說，天線距離主板的高度至少需要8MM以上，極端的環(huán)境下也至少要做到5MM以上。當(dāng)天線的高度小于8MM時(shí)，天線的輻射效率會(huì)受限。

如下圖1和圖2分別為天線垂直于主板及平行于主板放置時(shí)的情況。

圖1

圖2

3）天線的位置

天線的位置，指的是天線在產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)中固定的位置，需要考量產(chǎn)品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)層疊，盡量遠(yuǎn)離干擾源，提供較好的環(huán)境給天線以實(shí)現(xiàn)良好的效果，并方便工廠端組裝。

4）凈空

凈空，指的是天線豎直面投影區(qū)域內(nèi)的空曠面積（上下范圍都要考慮）。在天線的投影區(qū)域范圍內(nèi)，不要鋪地（尤其是板載天線），保持天線的凈空，以提高天線的輻射效率。

圖3

5）天線所需高度不足的例子

下面舉一個(gè)天線所需高度不足的例子。

圖4

如上圖所示的是某產(chǎn)品設(shè)計(jì)的天線，紅色標(biāo)記的為天線的塑膠支架，蜂窩孔外殼為金屬材質(zhì)。

圖5

受限于外殼的裝配，該產(chǎn)品設(shè)計(jì)的天線支架剖面高度只能做得非常低，最高處的高度僅有5MM，最低處距離屏蔽板的高度只有2.5MM，而產(chǎn)品的天線需支持的頻段為1880-2690MHz，天線的電壓駐波比已到2以下，整機(jī)測(cè)試天線的效率僅僅為40%左右。這是由于天線距離金屬屏蔽外殼高度不夠?qū)е绿炀€較難具備好的效率值，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需調(diào)整。

2、 產(chǎn)品的外殼材質(zhì)

1）塑膠外殼介電常數(shù)對(duì)天線諧振頻率影響

產(chǎn)品的外殼會(huì)對(duì)天線的性能產(chǎn)生較大的影響，原因在于天線輻射的區(qū)域內(nèi)，由于外部空間介電常數(shù)發(fā)生變化，電磁波在穿過介質(zhì)的過程中，波長會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致天線的諧振頻率發(fā)生變化，在實(shí)際使用的頻率上性能出現(xiàn)偏差。

如下圖所示為天線的波長與介電常數(shù)的關(guān)系式。當(dāng)工作的頻率一定時(shí)候，天線的波長和介電常數(shù)有關(guān)。

圖6

在天線的調(diào)優(yōu)過程中，需代入產(chǎn)品外殼影響，因?yàn)楫a(chǎn)品在使用其無線功能時(shí)肯定也是帶上外殼的，但更重要的是在前期外殼材料選用時(shí)盡量少用外噴金屬成分涂料漆的外殼。

2）金屬外殼的開縫與斷層處理

一般對(duì)于金屬外殼的電子設(shè)備而言，都需要給天線留有輻射的縫隙，常見的是通過開槽或者金屬之間做斷層處理，從而制造輻射的空間；此外還可利用某段金屬殼體作為天線的輻射單元，達(dá)到節(jié)省空間和美觀的效果。

如下圖所示，金屬外殼的頂部做了隔斷，中間形成一根獨(dú)立的金屬輻射體，用作低頻段的天線；內(nèi)部采用頂針饋電的結(jié)構(gòu)。感興趣的可以找一臺(tái)手機(jī)拆開看看。

圖7

3、 主板地的面積

對(duì)于天線的設(shè)計(jì)來說，通常來說主板的地面積越大是越好的。良好的地面積能有效拓寬天線的工作帶寬和提升天線的效率。對(duì)于做多頻段的天線而言，良好的主板接地方式，是提升天線性能的基礎(chǔ)之一。

4、 主板干擾源的處理

在某些干擾源施加預(yù)留屏蔽措施并有效接地，能相對(duì)營造一個(gè)較好的“無形的”天線環(huán)境。一般說來，常見的干擾源有：CPU、LCD、變壓器、喇叭、攝像頭、產(chǎn)品內(nèi)部通信接口的排線、電源電路、電機(jī)等。

5、 天線之間的信號(hào)干擾

這里的天線之間信號(hào)的干擾，指的是一臺(tái)設(shè)備中使用多天線情況下，天線之間的信號(hào)干擾。最常見的干擾是同頻干擾，所謂同頻干擾，是指無用信號(hào)的頻率范圍和有用信號(hào)的頻率范圍相同，對(duì)需接收有用信號(hào)的接收機(jī)干擾，造成其接收性能的下降。同頻干擾在雙天線或者多天線的產(chǎn)品中比較常見，此外，還可能存在交調(diào)干擾。因此，在搭載多天線的產(chǎn)品中，需充分考慮到每根天線的布局、朝向、位置，甚至極化方式等等，切忌天線與天線之間距離太近。

二、 天線之間的信號(hào)干擾案例

下面是一個(gè)天線之間信號(hào)干擾的案例。

圖8

1）產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

如上圖所示，產(chǎn)品內(nèi)含2/3/4G全頻段天線及GPS天線兩根天線， 1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)位置均可作為天線的安裝位置。

2）當(dāng)GPS天線安裝于3號(hào)位置時(shí)：

當(dāng)將全頻段天線固定在1號(hào)位置，GPS天線固定在2號(hào)位置時(shí)，在RTS90混響實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的數(shù)據(jù)如下圖所示：FDD-LTE BAND1和BAND3的接收靈敏度分別為80dBm和-72dBm。

圖9

3）當(dāng)GPS天線安裝于2號(hào)位置時(shí)：

不改變天線設(shè)計(jì)，只改變天線的安裝位置。當(dāng)將全頻段天線固定在1號(hào)位置，GPS天線固定在2號(hào)位置時(shí)，在RTS90混響實(shí)驗(yàn)室測(cè)得FDD-LTE BAND1和BAND3頻段的接受靈敏度如下圖所示：分別為-91dBm和-84dBm。

圖10

三、 天線基礎(chǔ)知識(shí)概述

以上是天線對(duì)天線環(huán)境的一些簡單的介紹。既然說到天線，可以再看看和天線相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。

1、天線如何傳輸電磁波

首先，天線是什么？天線說白了其實(shí)就是一個(gè)能夠輻射或接收電磁波的一個(gè)器件，為什么天線可以輻射信號(hào)？舉個(gè)栗子，以我們常用的電子元器件電容器類比，它的結(jié)構(gòu)是兩塊平行的金屬板，電場(chǎng)方向與極板方向垂直，由正極指向負(fù)極。

圖11

如果我們嘗試把兩個(gè)極板掰開，那么電場(chǎng)的方向?qū)?huì)產(chǎn)生彎曲。

圖12

將兩極板完全掰開，角度呈180°時(shí)，電場(chǎng)的方向?qū)⒆優(yōu)橐粋€(gè)半圓，此時(shí)的電場(chǎng)呈現(xiàn)環(huán)形閉合狀態(tài)。

圖13

我們知道，電場(chǎng)可以激發(fā)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)同樣可以激發(fā)電場(chǎng)，兩者所在平面相互垂直。從上圖上看，由于電容器的夾角張開，在空間中形成了一個(gè)垂直于地平面的環(huán)形電場(chǎng)。相應(yīng)的，該電場(chǎng)又激發(fā)了平行于地平面的磁場(chǎng)。

圖14

如此類推，從天線端激發(fā)的電磁場(chǎng)便可相互交替激發(fā)，向空間的遠(yuǎn)處進(jìn)行傳輸。

2、天線的常見指標(biāo)

最后介紹一下天線常用的一些指標(biāo)指標(biāo)，僅從通俗的角度去解釋。

1）效率

效率是指天線所輻射出去的功率與天線的輸入功率的比值。這個(gè)比值越大，說明天線輻射出去的能量越多，損耗的越少。

2）電壓駐波比

電壓駐波比的計(jì)算公式為：

VSWR = Vmax / Vmin ，Vmax 指的是傳輸線上的最大電壓值，Vmin指的是傳輸線上的最小電壓值。

或者也可以用反射系數(shù)來計(jì)算：VSWR = (1 +Γ) / (1-Γ) ，可以直觀地看到，當(dāng)Γ=0時(shí)，即反射系數(shù)為0時(shí)，VSWR = 1，意味著當(dāng)VSWR = 1時(shí)，沒有反射。當(dāng)然這在實(shí)際情況中不可能發(fā)生。

3）增益

增益表征的是天線輻射場(chǎng)強(qiáng)的集中程度。增益越高，說明天線輻射的方向越集中。

圖15

如上圖所示的天線為高增益天線的2D方向圖。E面為天線垂直面的方向圖，H面為水平面的方向圖。

4）回波損耗

回波損耗也被稱作S11參數(shù)。通常要求的值是小于-10dB?；?fù)p的值越小，說明天線反射的能量越少，這個(gè)值越低越好。

圖16

上圖是回?fù)p的圖片；回?fù)p在-10dB以下對(duì)應(yīng)的頻率范圍，則被稱為天線的帶寬。

5）極化

極化是根據(jù)電場(chǎng)振動(dòng)的方向來規(guī)定的。當(dāng)電場(chǎng)矢量的方向呈線性變化時(shí)，則稱為線極化。當(dāng)線極化的天線的電場(chǎng)矢量與地面平行的時(shí)候，被稱為水平極化；與地面垂直的時(shí)候，則被稱為垂直極化。

還有一種極化方式是橢圓極化。圓極化天線是橢圓極化天線的一種特例。這里可以引入直角坐標(biāo)幫助理解。

圖17

從上圖是右旋極化的一個(gè)例子。伸出右手，四指從電場(chǎng)E的正軸，往H正軸的方向旋轉(zhuǎn)，大拇指指向信號(hào)傳輸方向。符合這個(gè)規(guī)律的橢圓機(jī)化，被稱作右旋橢圓極化。

圖18

上圖則是左旋橢圓機(jī)化的示意圖。

需要明白的是，在橢圓極化和圓極化中，電場(chǎng)矢量的方向不是固定不變的，電場(chǎng)矢量會(huì)像時(shí)針一樣做右旋或者左旋的轉(zhuǎn)動(dòng)。

四、小結(jié)

本文僅僅從較淺的層次描述了“天線的環(huán)境”相關(guān)的因素，而實(shí)際在產(chǎn)品前期設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品ID及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本決定了產(chǎn)品整機(jī)尺寸、外殼材質(zhì)，對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部組裝較復(fù)雜、零配件較多的產(chǎn)品，還應(yīng)做相應(yīng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)堆疊，在減小裝配難度同時(shí)，也能考慮到干擾零部件的對(duì)天線環(huán)境的影響。而若想要獲得較好的整機(jī)無線性能，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期就應(yīng)考慮相應(yīng)的天線環(huán)境問題，如僅僅在PCB layout設(shè)計(jì)時(shí)才開始考慮射頻、天線的性能問題，將會(huì)受到較大掣肘。

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審核編輯 黃宇