天線（在某些國家稱為“天線”）是接收機射頻信號鏈中的第一個組成部分，也是發(fā)射機鏈中的最后一個組成部分。雖然概念上是在電路中的電壓/電流和輻射到空間中或從空間輻射的相應(yīng)電磁（EM）場之間的簡單能量換能器，但是存在與該基本無源部件相關(guān)聯(lián)的許多實施問題。

許多書籍，文章和網(wǎng)站都涵蓋了基本天線理論（Linx Technologies的三篇應(yīng)用筆記特別有用 1,2,3 ）。今天的天線用戶和設(shè)計師也使用功能強大且相當(dāng)精確的軟件工具來模擬天線和相關(guān)的EM場。這些可以對天線的“自由場”特性及其在最終產(chǎn)品和安裝中的性能進行詳細模擬，因為天線固有地與其周圍環(huán)境相互作用。這些工具對于PC板設(shè)計尤其重要，其中天線和其余電路非常接近。

此外，小型低功耗無線設(shè)備（如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和手持/便攜設(shè)備）的增長已經(jīng)對工作頻率，帶寬，尺寸，物理性能提出了新的性能要求這種“無味”成分的設(shè)計和輻射方向圖/方向性/增益。設(shè)計人員可以選擇許多基本天線類型，包括外部長線，短鞭，PC板制造，陶瓷芯片和專有（定制設(shè)計）樣式。對于在GHz區(qū)域工作的物聯(lián)網(wǎng)和移動設(shè)備，鞭子，PC板和陶瓷芯片天線是最實用的選擇。

鞭狀天線是一個外部分立元件，通常最多約2到在這些頻率下長4英寸（5到10厘米）。它提供定義明確，獨立的性能規(guī)范，這些規(guī)范在很大程度上獨立于發(fā)送器/接收器本身。鞭子可以通過板上連接器直接連接到PC板，或者位于附近，并通過同軸電纜連接。雖然同軸電纜和PC板連接器除了天線本身之外還增加了成本，但這種布置允許PC板設(shè)計以及最終產(chǎn)品封裝和安裝的靈活性。

PC板天線被制造成印刷電路板的精確尺寸和蝕刻區(qū)域，并且通常需要1平方厘米至10平方厘米的電路板空間。除了額外的基板（板）占地面積的成本之外，它對材料清單（BOM）成本沒有影響，因此從成本角度看起來非常有吸引力。供應(yīng)商和各種網(wǎng)站（經(jīng)常開發(fā)新設(shè)計）提供免費參考設(shè)計，并且有數(shù)百種這樣的天線布局可以滿足許多需求：單頻或多頻帶，并具有定制的帶通或陷波特性以滿足獨特需求;這種實現(xiàn)方式可以輕松定制，以滿足不尋常的條件或阻抗匹配要求。

盡管有這些明顯的優(yōu)點，PC板天線在許多情況下并不是最簡單或最好的選擇。他們所需的額外空間可能在整個產(chǎn)品包裝中不可用或過多。它們的性能對整個電路板布局和附近組件非常敏感，因此對天線設(shè)計的任何改變或?qū)﹄娐钒宀季值男薷模ㄉ踔疗x經(jīng)認證的參考設(shè)計）都需要對天線性能進行競爭性重新評估。該設(shè)計可能需要PC板中的額外層，并且可能使整個板的物理布局復(fù)雜化甚至約束。

芯片天線采用陶瓷基板的金屬化制造，類似于基于芯片的SAW濾波器，雙工器或定向耦合器。它們很小（大約幾平方毫米），可以像其他任何表面安裝組件一樣在生產(chǎn)中處理，并且成本適中。缺點是與鞭子或精心設(shè)計的PC板天線相比，它們只是中等效率的EM散熱器。它們也具有有限的帶寬（在某些情況下是一種優(yōu)點，在其他情況下是一種負擔(dān)），并且它們的性能可能對附近的組件和地平面有些敏感。

另請注意，某些設(shè)計需要輸出功率放大器（功率放大器）和天線之間的阻抗匹配電路，以最大限度地傳輸功率并最大限度地降低垂直駐波比（VSWR）;這可以由分立元件組成，也可以作為PC板布局的一部分實現(xiàn)。大多數(shù)標準天線設(shè)計為具有50Ω阻抗，而PA的輸出通常不可避免。 PC板天線的一個優(yōu)點是原則上它可以設(shè)計成具有所需的非標準阻抗（如果需要甚至是無功的）以匹配源阻抗，因此不需要單獨的匹配電路。/p>

維持平衡或失去平衡

設(shè)計電路與天線本身以及物理互連電纜（如果有）之間的單端/平衡拓撲不匹配可能需要一個巴倫組件來彌合差異。

巴倫 - “平衡 - 不平衡”的縮小 - 是一種無源，雙端口，類似變壓器的元件，可在單端，地參考信號和不需要的差分信號之間進行轉(zhuǎn)換參考參考（圖1）。平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器沒有標識的“輸入”和“輸出”端口，但可以任意一種方式使用;換句話說，相同的平衡 - 不平衡變換器組件可用于單端到平衡變換以及相反的變換。

圖1：平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器是一種雙向無源元件，可將單端接地信號轉(zhuǎn)換為平衡差分信號，反之亦然;它通常使用具有RF功能的變壓器裝置實現(xiàn)（其他物理實現(xiàn)也是可能的）。

這是幸運的，因為大多數(shù)RF路徑是雙工（雙向）通道，需要信號從天線到前端（接收模式）和從功率放大器到天線（發(fā)射模式）。雖然它們看起來也很簡單，但是平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器具有重要的類天線參數(shù)，包括頻率范圍，帶寬，插入損耗，線性度，額定功率，尺寸和成本。請注意，由于它們是變壓器，因此它們還可以通過選擇適當(dāng)?shù)某跫?次級匝數(shù)比來提供電阻源 - 負載阻抗匹配。

為什么天線有時需要平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器？考慮標準的鞭狀配置天線：它有一個驅(qū)動元件，與底層地平面或其等效物一起工作（它是等效的，因為在這種情況下，術(shù)語“地面”是用詞不當(dāng)，因為沒有地球連接的地面便攜式或大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，而電路中有一個“共同的”連接點或平面。相比之下，基本的半波偶極子 - 許多天線設(shè)計的基礎(chǔ) - 是一個差分分量。當(dāng)然，標準同軸電纜是單端接口。

通常，差分天線比單端天線大，需要仔細匹配其尺寸以滿足其性能規(guī)格。另一方面，單端設(shè)計通常效率較低。此外，RF電路及其IC越來越多地在內(nèi)部使用平衡差分信號路徑來改善性能，平衡不可避免的寄生效應(yīng)和雜散效應(yīng)，并通過共模抑制最小化噪聲的影響。

標準天線選擇與頻率，應(yīng)用相匹配

代表性的鞭狀天線是Linx Technologies的ANT-2.4-CW-RH，可提供標準或反極性SMA連接器（對于某些裝置，后者需要滿足第15部分FCC規(guī)則）。它是一種50Ω全向鞭狀天線，采用螺旋纏繞結(jié)構(gòu)，可降低約1英寸（2.5厘米）的高度，包括連接器（圖2a和2b）。該天線專為小型塑料或金屬外殼中的小型獨立產(chǎn)品而設(shè)計;在前一種情況下，它需要一個接近地平面來執(zhí)行規(guī)范。

圖2：a）ANT-2.4-CW-RH存根Linx Technologies的2.4 GHz鞭狀天線使用螺旋繞組將其物理長度減小到約1英寸，包括連接器; b）該天線的尺寸圖顯示其緊湊的物理封裝，這也是底部SMA連接器直徑的良好機械匹配。

該單元的中心頻率為2.45 GHz，它建議在2.39至2.49 GHz范圍內(nèi)使用。 VSWR在帶寬上低于2：1（典型值）（圖3），這意味著天線輻射了88.9％的能量，（其余部分反射回源或作為天線內(nèi)的熱量消散，并且由天線捕獲的相同百分比的能量被傳送到接收器）。 （請注意，許多RF設(shè)計人員更喜歡在VSWR為3：1或甚至2：1或更低的頻率下使用天線，以將損耗保持在可接受的水平。）

圖3：在預(yù)期的頻率范圍內(nèi)，Linx天線的VSWR保持在2：1以下，但如果應(yīng)用可以接受，則可以在此范圍之外使用與VSWR相關(guān)的損耗高達3：1。

芯片天線具有與鞭子類型截然不同的外形，物理外觀和尺寸。 Taiyo Yuden的AH212M245001-T針對使用藍牙，無線LAN，ZigBee和WiMax連接的應(yīng)用，是一個2×1.25×0.85 mm的小矩形塊（圖4）。該全向天線設(shè)計用于2.4至2.5 GHz的工作頻率。它在該范圍內(nèi)的VSWR為3：1，效率約為66％;在2.35 GHz和2.61 GHz之間的較窄的260 MHz帶寬中，VSWR小于2：1（圖5）。

圖4：AH212M245001- Taiyo Yuden的T芯片天線，也是2.4 GHz頻段，只占幾平方毫米，可以通過生產(chǎn)設(shè)備以與BOM上任何其他SMT元件相同的方式進行處理。

圖5：AH212M245001-T的VSWR與頻率曲線圖顯示其在260 MHz帶寬上的2：1 VSWR;當(dāng)感興趣的頻帶擴展到2.4到2.5 GHz之間時，VSWR增加到3：1。

決定在手持式或物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中使用哪種天線類型是整個系統(tǒng)級設(shè)計分析的一部分。每種選擇 - 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。雖然在設(shè)計周期的后期通常不考慮天線細節(jié)，但基本類型的選擇對設(shè)計的封裝，性能和特定應(yīng)用的適用性具有很大的“連鎖反應(yīng)”。

總之

天線是接收時射頻信號鏈中的第一個分量，也是發(fā)射時的最后一個分量。雖然在概念上它執(zhí)行“簡單”的能量轉(zhuǎn)換器功能，但實際上存在與該基本無源部件相關(guān)的許多問題。

天線理論可能很復(fù)雜，尤其是因為有許多可用的配置變化和相互沖突的營銷需求。幸運的是，今天的工具和模型功能強大且足夠精確，能夠詳細了解天線在特定設(shè)計和操作環(huán)境中的性能。

本文研究了在為物聯(lián)網(wǎng)或移動應(yīng)用選擇天線時的關(guān)鍵屬性和注意事項，并且我已經(jīng)介紹了一個關(guān)于平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器的簡短部分，這是天線和發(fā)射器/接收器之間某些配置所需的無源元件電子產(chǎn)品。設(shè)計人員可以選擇多種天線類型，包括電線，鞭子，PC板，陶瓷和專有樣式。由于尺寸，性能和成本的原因，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)/移動終端產(chǎn)品在實踐中使用芯片天線或鞭子。