外部天线综合指南

从嵌入移动设备的小型天线到蜂窝或卫星基站中的大型天线阵列，天线是无线设计中使用的主要组件。天线有多种形状和尺寸可供选择，要么嵌入设备内部（内部），要么固定在外部（外部）。尽管存在一系列固有的设计挑战，但内置天线通常用于紧凑型物联网 (IoT) 应用，因此必须遵守严格的尺寸和性能标准。相反，外置天线由于其外形尺寸更大，因此更加稳定且更易于集成。

在进行无线设计时，建议在设计阶段尽早检查合适的天线，以避免性能问题和代价高昂的重新设计。为此，设计工程师必须确定产品要求，例如 PCB 设计、尺寸和外壳。此外，还应考虑性能参数，包括：

带宽

电压驻波比 (VSWR)

辐射模式

获得

在下文中，我们将为设计工程师提供有关外部天线的综合指南，概述它们的优缺点、关键性能参数以及可用的不同类型。

外接天线的优缺点

通过射频连接器固定在设备外壳的外部，外部天线易于集成，通常需要很少的设计资源。与内置天线不同，外置天线通常是独立于地平面的即插即用解决方案，这意味着它们不会严重依赖于它们所连接的 PCB 区域的大小。这允许更短的开发时间和更快的上市时间。由于尺寸较大，外置天线与内置天线相比具有更大的范围和灵敏度。此外，固定在设备外部使它们能够提供出色的视线。外部天线通常会保留较高的额定增益 (dBi)，从而在信号传输必须集中在特定方向的应用中实现出色的定向行为。

此外，较大的天线在支持较低频率和较长波长方面是最佳选择。正因为如此，许多高增益外部天线在较低的 sub-GHz 范围内保持带宽，同时仍保持可接受的性能。尽管外部天线有很多好处，但必须考虑成本，因为生产更大的天线需要额外的制造工艺和材料。此外，对于处理小型物联网应用的设计工程师来说，外部天线通常不适合，因为它们的尺寸和形状因数。

外置天线关键性能参数

测量天线带宽和 VSWR

除了为项目确定适当的 PCB 设计、尺寸和外壳外，还必须考虑一系列性能参数以确保适当的功能。应评估带宽以确定天线有效发射和接收信号的最佳频率范围。例如，考虑一个特定的蓝牙®天线有望在 2.4GHz-2.5GHz 的 100MHz 频率带宽内发挥最佳性能。由于天线的固有特性，这种蓝牙天线也容易受到其预期带宽之外的频率的影响，但在这个特定的频率范围 (2.4GHz-2.5GHz) 内，天线有望以一定的效率实现最佳性能 (百分比）水平。但是，这可能会因天线元件的设计精度而异。通常应测量天线带宽的决定性因素电压驻波比 (VSWR)，以确定将从天线反射回无线电的功率量（图 1). 反射回无线电的功率越少，天线的工作效率就越高。特定带宽的首选 VSWR 通常小于或等于 3:1。例如，声称工作频率为 100MHz-400MHz 的天线可能声明其 VSWR 在此带宽效率内小于 1.5。在这种情况下，这意味着天线预计会反射大约 4% 的无线电功率。

图 1：由 VSWR 定义的天线带宽。（来源：移动马克）

识别天线辐射模式

更少的数字参数和更多的图形 3D 表示，应该评估辐射方向图以确定天线周围的能量分布。尽管 3D 辐射图提供了天线能量分布的完整表示，但 2D 图仍然有助于提供一种简单的方法来识别大部分天线能量将集中在何处。辐射图的主要目的是可视化全向（图 2）或定向（图 3 ）) 天线是。全向天线被描述为具有在单个平面（即水平xy平面）内的所有方向上相对相同的辐射图。同时，定向天线的辐射模式不对称，其大部分辐射能量集中在一个方向上。

图 2：全向天线的垂直和水平辐射图示例。（来源：ResearchGate）

图 3：定向天线的垂直和水平辐射图示例。（来源：EVDO）

用增益评估天线的性能

评估天线性能时考虑的第一个参数是增益。增益总是在天线辐射方向图的上下文中描述。增益定义为与各向同性源的信号强度相比，其峰值辐射方向上的信号强度。各向同性源旨在用作参考天线，尽管它在物理上并不存在。参考天线作为实际天线的极好比较源，因为它的辐射方向图在所有方向上都是一致的。参考图 4 了解天线增益 (dBi) 的一般公式。对于实践中的任何天线，增加其增益意味着您正在增加其方向性，这会增加所需方向的功率，但会以其他方向辐射的功率为代价。

图 4：增益 (dBi) 公式。（来源：Abracon）

外部天线的类型

外部天线有各种形状和尺寸。一个常见的例子是安装在互联网路由器外部的橡皮鸭天线。属于全向或定向子组，可用的不同类型的外部天线具有不同的特性，以最好地支持特定的用例。

全向天线

大多数情况下，与无线接入点 (WAP) 上类似的终端安装天线、鞭状天线、橡皮鸭天线和室外偶极天线等天线都是全向天线。典型的结构包括将天线元件封装在橡胶或塑料护套中，并带有外露的 RF 连接器。这些全向天线始终独立于地平面，使得与发射器的简单耦合成为集成的唯一要求。由于这些天线的非定向性，它们应该垂直指向地面，因为它们往往会在水平 (xy) 平面内广泛辐射。任何需要点对多点通信的无线应用都将从这种辐射模式中获益最多。例如，

其他全向天线

圆盘式、磁性安装和螺丝安装天线旨在平放在一个表面上，例如汽车的天花板或车顶。它们可以安装在金属或非金属表面上，具体取决于天线型号。形状因素是一个很大的区别特征。它们通常采用更薄的设计，非常适合寻求与终端安装天线等更大外形不同审美的客户。根据设计，许多圆盘式天线可以支持集成低噪声放大器 (LNA)，以显着改善信号接收——特别是对于微弱的全球导航卫星系统 (GNSS) 传入信号。与鞭式天线不同，圆盘式天线通常意味着水平朝向地面或天空，因为它们往往在垂直平面上具有更多 360 度的覆盖范围。®，安装在办公室单层楼中央的天花板天线。信号覆盖范围必须朝下，以确保下方的所有计算机、电话和打印机都能正常接收信号。圆盘式天线外形的另一个优点是许多不同的型号可以支持多种无线协议。对于想要将 GNSS、蜂窝和 Wi-Fi 所需的所有不同天线整合到单一外形尺寸的任何基站来说，这是最佳选择。像这样的组合天线本质上是三个不同的天线元件安装在一个外壳中，每个不同的协议都有自己的电缆和连接器。  

定向天线

平板天线、碟形天线和八木天线专注于依赖远程点对点或点对多点通信的应用。由于这些天线的辐射模式非常集中，您总是可以期望在其数据表中看到高额定增益 (dBi)（通常高于 9dBi）。如果这些天线在一个方向上提供高峰值增益，它们非常适合任何要求苛刻的远程应用，在这些应用中，终端节点设备或设备集合集中在特定区域。例如，共享同一个无线网络的一对办公楼在每一侧都有一个室外级八木天线或平板天线，两个天线彼此朝向以形成点对点通信链路。

结论

物联网应用的不断发展增加了对各种天线选项的需求。工程师是否倾向于内部解决方案来满足低成本、大批量和尺寸要求；或为了简化设计和保证性能而采用外部解决方案——天线将始终是无线系统的关键接口。建议在项目设计阶段尽早完成天线，以确保最佳性能。在不考虑天线的情况下完全满足您的产品要求（例如其 PCB 设计、尺寸和外壳）将降低您在所选天线不适合或不兼容的情况下修改设计的能力。除了充分了解您的应用要求、熟悉不同的天线类型之外，

审核编辑 黄昊宇