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[经验] 天线环境差,整机的无线性能会好吗?

2018-11-8 11:03:54  108 天线 高性能 整机
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俗话说“近朱者赤近班妹者甜”,咳咳,这说明环境对人的影响非常大。人是这样,天线更是如此。
      那么,环境是怎样影响天线呢?而天线的环境又是怎样影响整机的无线性能呢?在这个可以放肆嗨皮的周五晚上,班妹无心爱良夜,只想跟你唠叨天线环境跟整机性能之间的那些事~~


      对很多无线终端产品而言,整机无线性能的调优,最大的难点并非在于天线单体的设计,而在于产品结构、堆叠、材质等因素给天线预留的“可见”环境,及产品内部其它零部件产生的电磁干扰等“不可见”环境;从某种程度上讲,天线的环境,对产品整机的无线性能几乎起着决定性的作用。

好了,闲言少叙,今日份重点奉上:

一、 天线的环境概述与分类
二、 天线之间的信号干扰案例
三、 天线基础知识概述
四、 小结




一、 天线的环境概述与分类
这里天线的环境,主要针对内置类天线,其环境大概可以笼统地分为以下几类。

1、 预留空间(面积、高低、位置、净空)
预留的空间,指产品在设计过程中为天线预留的空间是否充足,主要涉及天线设计区域的面积、天线距离主板的高度、天线的安装位置、净空区域等方面。
1)预留给天线本体的面积
根据波长-频率的反比关系,天线所需满足的频率越低,波长越长,预留给天线区域的宽度和长度决定着天线的最低频率。
2)天线所需的高度或距离
天线与主板间的高度(距离)也是重要的考量因素。一般来说,天线距离主板的高度至少需要8MM以上,极端的环境下也至少要做到5MM以上。当天线的高度小于8MM时,天线的辐射效率会受限。
如下图1和图2分别为天线垂直于主板及平行于主板放置时的情况。
图1
图2

3)天线的位置

天线的位置,指的是天线在产品内部结构当中固定的位置,需要考量产品内部的结构层叠,尽量远离干扰源,提供较好的环境给天线以实现良好的效果,并方便工厂端组装。

4)净空
净空,指的是天线竖直面投影区域内的空旷面积(上下范围都要考虑)。在天线的投影区域范围内,不要铺地(尤其是板载天线),保持天线的净空,以提高天线的辐射效率。
图3

5)天线所需高度不足的例子

下面举一个天线所需高度不足的例子。


图4

如上图所示的是某产品设计的天线,红色标记的为天线的塑胶支架,蜂窝孔外壳为金属材质。

图5

受限于外壳的装配,该产品设计的天线支架剖面高度只能做得非常低,最高处的高度仅有5MM,最低处距离屏蔽板的高度只有2.5MM,而产品的天线需支持的频段为1880-2690MHz,天线的电压驻波比已到2以下,整机测试天线的效率仅仅为40%左右。这是由于天线距离金属屏蔽外壳高度不够导致天线较难具备好的效率值,这样的结构设计需调整。


2、 产品的外壳材质
1)塑胶外壳介电常数对天线谐振频率影响
产品的外壳会对天线的性能产生较大的影响,原因在于天线辐射的区域内,由于外部空间介电常数发生变化,电磁波在穿过介质的过程中,波长会发生变化,从而导致天线的谐振频率发生变化,在实际使用的频率上性能出现偏差。
如下图所示为天线的波长与介电常数的关系式。当工作的频率一定时候,天线的波长和介电常数有关。
图6

在天线的调优过程中,需代入产品外壳影响,因为产品在使用其无线功能时肯定也是带上外壳的,但更重要的是在前期外壳材料选用时尽量少用外喷金属成分涂料漆的外壳。


2)金属外壳的开缝与断层处理
一般对于金属外壳的电子设备而言,都需要给天线留有辐射的缝隙,常见的是通过开槽或者金属之间做断层处理,从而制造辐射的空间;此外还可利用某段金属壳体作为天线的辐射单元,达到节省空间和美观的效果。
如下图所示,金属外壳的顶部做了隔断,中间形成一根独立的金属辐射体,用作低频段的天线;内部采用顶针馈电的结构。感兴趣的可以找一台手机拆开看看。


图7
3、 主板地的面积

对于天线的设计来说,通常来说主板的地面积越大是越好的。良好的地面积能有效拓宽天线的工作带宽和提升天线的效率。对于做多频段的天线而言,良好的主板接地方式,是提升天线性能的基础之一。
4、 主板干扰源的处理
    在某些干扰源施加预留屏蔽措施并有效接地,能相对营造一个较好的“无形的”天线环境。一般说来,常见的干扰源有:CPU、LCD、变压器、喇叭、摄像头、产品内部通信接口的排线、电源电路、电机等。
5、 天线之间的信号干扰
这里的天线之间信号的干扰,指的是一台设备中使用多天线情况下,天线之间的信号干扰。最常见的干扰是同频干扰,所谓同频干扰,是指无用信号的频率范围和有用信号的频率范围相同,对需接收有用信号的接收机干扰,造成其接收性能的下降。同频干扰在双天线或者多天线的产品中比较常见,此外,还可能存在交调干扰。因此,在搭载多天线的产品中,需充分考虑到每根天线的布局、朝向、位置,甚至极化方式等等,切忌天线与天线之间距离太近。



二、 天线之间的信号干扰案例

下面是一个天线之间信号干扰的案例。
图8
1)产品的内部结构

如上图所示,产品内含2/3/4G全频段天线及GPS天线两根天线, 1号、2号、3号位置均可作为天线的安装位置。
2)当GPS天线安装于3号位置时:
当将全频段天线固定在1号位置,GPS天线固定在2号位置时,在RTS90混响实验室测得的数据如下图所示:FDD-LTE BAND1和BAND3的接收灵敏度分别为80dBm和-72dBm。
图9
3)当GPS天线安装于2号位置时


不改变天线设计,只改变天线的安装位置。当将全频段天线固定在1号位置,GPS天线固定在2号位置时,在RTS90混响实验室测得FDD-LTE BAND1和BAND3频段的接受灵敏度如下图所示:分别为-91dBm和-84dBm。
图10



天线基础知识概述

以上是天线对天线环境的一些简单的介绍。既然说到天线,可以再看看和天线相关的基础知识。

1、天线如何传输电磁波
首先,天线是什么?天线说白了其实就是一个能够辐射或接收电磁波的一个器件,为什么天线可以辐射信号?举个栗子,以我们常用的电子元器件电容器类比,它的结构是两块平行的金属板,电场方向与极板方向垂直,由正极指向负极。
图11

如果我们尝试把两个极板掰开,那么电场的方向将会产生弯曲。
图12


将两极板完全掰开,角度呈180°时,电场的方向将变为一个半圆,此时的电场呈现环形闭合状态。
图13

我们知道,电场可以激发磁场,磁场同样可以激发电场,两者所在平面相互垂直。从上图上看,由于电容器的夹角张开,在空间中形成了一个垂直于地平面的环形电场。相应的,该电场又激发了平行于地平面的磁场。
图14

如此类推,从天线端激发的电磁场便可相互交替激发,向空间的远处进行传输。


2、天线的常见指标
最后介绍一下天线常用的一些指标指标,仅从通俗的角度去解释。
1)效率
    效率是指天线所辐射出去的功率与天线的输入功率的比值。这个比值越大,说明天线辐射出去的能量越多,损耗的越少。

2)电压驻波比
电压驻波比的计算公式为:      
VSWR = Vmax / Vmin ,Vmax 指的是传输线上的最大电压值,Vmin指的是传输线上的最小电压值。
或者也可以用反射系数来计算:VSWR = (1 +Γ) / (1-Γ) ,可以直观地看到,当Γ=0时,即反射系数为0时,VSWR = 1,意味着当VSWR = 1时,没有反射。当然这在实际情况中不可能发生。
3)增益
增益表征的是天线辐射场强的集中程度。增益越高,说明天线辐射的方向越集中。
图15

如上图所示的天线为高增益天线的2D方向图。E面为天线垂直面的方向图,H面为水平面的方向图。


4)回波损耗
回波损耗也被称作S11参数。通常要求的值是小于-10dB。回损的值越小,说明天线反射的能量越少,这个值越低越好。
图16

上图是回损的图片;回损在-10dB以下对应的频率范围,则被称为天线的带宽。



5)极化
极化是根据电场振动的方向来规定的。当电场矢量的方向呈线性变化时,则称为线极化。当线极化的天线的电场矢量与地面平行的时候,被称为水平极化;与地面垂直的时候,则被称为垂直极化。
还有一种极化方式是椭圆极化。圆极化天线是椭圆极化天线的一种特例。这里可以引入直角坐标帮助理解。
图17

从上图是右旋极化的一个例子。伸出右手,四指从电场E的正轴,往H正轴的方向旋转,大拇指指向信号传输方向。符合这个规律的椭圆机化,被称作右旋椭圆极化。
图18

上图则是左旋椭圆机化的示意图。


需要明白的是,在椭圆极化和圆极化中,电场矢量的方向不是固定不变的,电场矢量会像时针一样做右旋或者左旋的转动。




四、小结

本文仅仅从较浅的层次描述了“天线的环境”相关的因素,而实际在产品前期设计中,产品ID及结构设计基本决定了产品整机尺寸、外壳材质,对产品内部组装较复杂、零配件较多的产品,还应做相应的产品结构堆叠,在减小装配难度同时,也能考虑到干扰零部件的对天线环境的影响。而若想要获得较好的整机无线性能,在产品设计前期就应考虑相应的天线环境问题,如仅仅在PCB layout设计时才开始考虑射频、天线的性能问题,将会受到较大掣肘。


希望可以帮到大家,如果有不同意见也可以来和班妹交流~~















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