天線的基本原理

天線的基本概念：電磁場的傳播

? 時變電場激發磁場；時變磁場激發電場，電場和磁場相互激發，由近及遠傳播

天線的基本概念：偶極子

? 頻率越低，波長越長，天線尺寸越大

? 頻率越高，波長越短，天線尺寸越小

天線的基本概念：單極子

? 單極子的電流和偶極子類似，但是輸入電壓只有偶極子的一半，則其輸入阻抗為偶極子一半

? 單極子天線的主要覆蓋空間是上半空間

天線的基本概念：IFA/PIFA天線

? IFA和PIFA是同樣類型的天線，只是天線的寬度不同而已，IFA是線狀走線，PIFA是面狀走線，IFA是非常重要的一種天線形式，應用非常廣。

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     物聯網天線的關鍵指標

? 天線是無線設備中*的設備。

? 天線的指標選取與其使用場景密切相關。

? 物聯網天線有其*的使用場景。

在討論物聯網天線之前，需要了解下天線的基本知識。以便更好理解指標的選定。      

   天線的基本概念：天線的本質是一種能量轉換裝置，將電信號轉化為電磁波或者進行相反的轉換。

天線的功能：控制輻射能量的方向

天線指標：回波損耗                RL=20*log10[(VSWR+1)/(VSWR-1)]

      回波損耗跟駐波的物理意義是相近的，表征的是天線跟RF網絡匹配程度。回波損耗越小（回波損耗≤0dB），表明 天線跟射頻網絡的匹配程度高的可能性越大。  

       以下圖為例，當天線的阻抗跟傳輸線的特征阻抗接近時，輸出了95%的能量，只有5%被反射回系統。

天線指標：隔離度

      隔離度表征的在多天線系統中（至少兩個天線），天線獨立的程度，隔離度越小（隔離度≤0dB），表明天線間越獨立，也就是相互影響程度越小。

Isolation=10lg（A/B）

A表示輸入功率，B表示輸出功率，單位為mw

天線指標：效率

      效率是天線一個非常重要的指標，表征天線輻射出去的功率（即有效地轉換成電磁波的功率）和輸入到天線的有功功率之比。，率是天線能力的一個重要體現。常用的單位有dB和%。

天線指標：增益

      天線領域說的增益，跟射頻領域和基帶領域說的增益是兩個概念，前者表明天線能量的集中程度，增益越高表明天線輻射的能量越集中在某些方向。 其常用單位有dBi和dBd    其中dBi=dBd+2.15dB    

天線指標：方向性

      方向圖指標有很多，但與本文主題相關的主要是方向性。顧名思義，也就是考慮天線的能量在空間中如何分配，我們希望能量盡可能集中在場景使用的空間。

      我們常提到的定向天線和全向天線也就是根據方向圖的特點做的劃分。

從上述內容中可以看出天線的指標很多，如何選取與我們業務緊密相關的指標才是關鍵。因此我們要先了解物聯網終端產品的使用場景，根據場景來確定指標。

      我們以本文提到的水表、電表、燃氣表、煙感、地磁和中繼等設備為例，其的特點包括：

? 安裝分散，分布在基站設備的四周。

? 安裝的位置在大樓里，離基站較遠。

? 設備安裝時不會有固定朝向。

我們通過應用場景可以歸結出三大主要指標:

指標的選定已經完成，接下來我們要考慮如何測試這些指標

上述的指標需要用到兩個主要設備：一個是網絡分析儀，一個是微波暗室系統。

是德科技（安捷倫）的E5071C，頻段從100KHz~8.5GHz。

主流的暗室測試系統包括ETS、SATIMO以及BLUETEST

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天線應用實例

天線的分類一覽表

舉個實際的例子：

天線測試駐波：

? 暗室長度為12米，能滿足500MHz的小口徑天線方向圖測試。

天線方向圖：

?  主波束繞過了背后的金屬容器。

天線效率：

? 單極子的帶寬依然有欠缺，但是重點頻段的增益非常突出，zui高點能達到25%

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整機堆疊與調試

疑問

從上述內容中可以明顯看出內置天線與外置天線性能存在差異。

? 為什么內置天線會比外置天線差？

-----從效率上可以看出，內置天線效率較外置天線低很多。

? 為什么單一天線很難做到 “球”形覆蓋？

-----即便是外置天線，其全向的定義也僅適用某個面上，而不是球形。

總的來說，內置天線有兩大主要問題：

? 空間狹小，天線的凈空區域不足，凈空不足會造成兩個影響

    a）  有金屬物質進入天線的近場區，影響回損和方向圖

    b）  天線輻射面積太小，影響天線效率

? 離噪聲源太近，結果就是影響天線的TIS（接收靈敏度）

    a）  主要的噪聲源包括DDR / Core / USB3.0 / SATA /DCDC/等

    b）  噪聲的影響會降低產品的使用距離

內置天線設計建議

1、適度的ID和結構傾斜，讓天線擁有盡可能大的輻射面積和凈空區間

     -----讓天線的性能做到*

2、遠離噪聲源，不損失整機的TIS（接收靈敏度）

     -----降低噪聲的三個途徑：a）  降低噪聲源信號強度

                            b）  增強路徑衰減

                            c）  接收端的屏蔽

3、收集使用場景和芯片參考設計，讓天線滿足整機的設計目標。

     ------有場景要求和芯片參考設計，可以讓天線發揮更大價值

*建議：讓天線領域從CDP階段就參與項目，我們會在對項目初衷影響zui小的情況下，將天線性能zui大限度提升。