通信天線設備(antenna)是一種能量變換器，它把傳輸線上傳播的導行波，變換成在無界媒介中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。對于設計一個應用于射頻系統(tǒng)中的小功率、短距離的2.4GHz無線收發(fā)設備，天線的設計和選擇是其中的重要部分，良好的天線系統(tǒng)可以使通信距離達到最佳狀態(tài)。2.4GHz天線的種類也很多，不同的應用需要不用的天線。
圖1 天線傳輸原理
為保證天線的傳輸效率，通信天線的長度大約是電磁波波長的1/4，所以信號頻率越低，波長越長，天線的長度越長；信號頻率越高，波長越短，天線的長度越短。則常用的2.4GHz頻段頻率高，波長短，天線的長度短，可用內(nèi)置天線，也可以用外置天線。天線做的更短，如1/8波長或1/16波長，也可以使用，只是效率會下降。某些設備會采用“短天線+LNA”的方式，也能達到長天線的接收效果。但是短天線要達到長天線的發(fā)射效果，就需要提升發(fā)射功率了，因此對講機需要發(fā)射信號，都是長的外置天線，而FM收音機只收不發(fā)，有內(nèi)置接收天線。例如2G(900MHz)、4G(700-2600MHz)、WIFI模塊和藍牙模塊(2.4GHz)、GPS(1.5GHz)，這些常用的物聯(lián)網(wǎng)通信方式，可以做內(nèi)置天線。
對于手持機、穿戴設計、智能家居等小尺寸產(chǎn)品，很少使用外置天線，普遍采用內(nèi)置天線。集成度高，產(chǎn)品外觀更美觀，性能比外置天線略弱一點。物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件產(chǎn)品，要聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，都需要有天線。空間越小、頻段越多，天線設計越復雜。外置天線一般都是標準品，買頻段合適的，無需調(diào)試，即插即用。例如快遞柜、售貨機這些，普遍使用磁吸的外置天線，吸在鐵皮外殼上即可。這些天線不能放在鐵皮柜里面，金屬會屏蔽天線信號，所以只能放在外面。優(yōu)點是使用方便、價格便宜，缺點是不能用在小尺寸產(chǎn)品上。
那如何從眾多的2.4GHz天線中選擇出適合自己無線收發(fā)設備的2.4GHz天線，接下來就通過對2.4GHz天線的分類和分類對比來介紹如何選擇2.4GHz天線。應用在2.4GHz頻段上的天線主要有陶瓷天線、PCB天線和彈簧天線等，陶瓷天線和PCB天線屬于內(nèi)置天線，彈簧天線屬于外置天線。
圖2 各種類型的陶瓷天線
陶瓷天線工作原理是利用GPS衛(wèi)星來實現(xiàn)導航定位的，而用戶的接收機主要任務是提取衛(wèi)星信號中的偽隨機噪聲碼和數(shù)據(jù)碼，以進一步解算得到接收機載體的位置、速度和時間(PVT)等導航信息，陶瓷天線的原理要分兩部分來說：一是發(fā)射天線，一是接收天線。一般的天線都具有可逆性，可同時做發(fā)射天線和接收天線。陶瓷天線發(fā)射天線簡單說，就是通過一根叫做“天線”的電極將天線與地之間形成的高頻電場變成電磁波，從而能發(fā)射出去并傳波到遠方。陶瓷天線接收天線簡單說，就是通過一根叫做“天線”的電極將空中傳來的電磁波感應為電場，生成高頻信號電壓，送到接收機進行信號處理。在陶瓷天線單元設計中采用了高頻、低噪聲放大器，以減弱天線熱噪聲及前面幾級單元電路對接收機性能的影響，而陶瓷天線的作用是將衛(wèi)星傳來的無線電信號的電磁波能量變換成接收機電子器件可攝取應用的電流，所以天線的大小和形狀十分重要，因為這些決定了陶瓷天線能獲取微弱的電磁波信號的能力。
陶瓷天線是一種適合于藍牙裝置使用的小型化天線，在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中用的最多的，就是GPS、藍牙、GSM陶瓷天線。陶瓷天線分為塊狀陶瓷天線和多層陶瓷天線。塊狀天線是使用高溫將整塊陶瓷體一次燒結完成后再將天線的金屬部分印在陶瓷塊的表面上。而多層天線燒制采用低溫共燒的方式講多層陶瓷迭壓對位后再以高溫燒結，所以天線的金屬導體可以根據(jù)設計需要印在每一層陶瓷介質(zhì)層上，如此一來可以有效縮小天線尺寸，并能達到隱藏天線目的。
由于陶瓷本身介電常數(shù)比PCB電路板的要高，所以使用陶瓷天線能有效縮小天線尺寸。在介電損耗方面，陶瓷介質(zhì)也比PCB電路板的介電損失小，所以非常適合低耗電率的的藍牙模塊中使用。陶瓷天線尺寸一般 1210 封裝相當，效果要強于板載天線。使用也比較方便，一般有ANT 接入腳和地腳，在PCB設計時，天線周圍一定要凈空，特別注意不能敷銅。同時在使用陶瓷天線時，也要注意巴倫電路的匹配問題，如果是用專用的集成電路，最好讓生產(chǎn)商測試一下平衡電路與陶瓷天線的匹配情況。如果匹配的不好，也會影響天線的效果。
陶瓷天線的優(yōu)點是占用空間很小、性能比較好。缺點是很難做到多頻段，因此難以應用在4G類產(chǎn)品中。對電路板凈空要求比較高，不適用于特別緊湊的產(chǎn)品。
圖3 各種類型的PCB天線
PCB天線是指無線接收和發(fā)射用的PCB上的部分。發(fā)射時，它把發(fā)射機的高頻電流轉換為空間電磁波；接收時，它又把從空間獲取的電磁波變換成高頻電流輸入接收機。使用PCB天線時，也要注意巴倫電路的匹配問題，如果是用專用的集成電路，最好讓生產(chǎn)商測試一下平衡電路與PCB天線的匹配情況，如果匹配的不好，也是會影響天線的效果的。
PCB天線大量應用于藍牙模塊、工業(yè)級WIFI模塊、ZIGBEE模塊、lora模塊等單一頻段的模塊電路板上。
PCB天線優(yōu)點是空間占用較少，成本低廉，不需單獨組裝天線，不易觸碰損壞，整機組裝方便，但會犧牲性能。缺點是單個天線場型很難做到圓整，插損高，效率相對低下，容易遭到主板上的干擾；同時只適合單一頻段，如藍牙模塊，wifi模塊；不同批次的PCB天線性能會有一定偏差。
圖4 各種不同的外置天線
外置天線主要是通過直接焊接在天線（ANT）引腳、IPEX接口或者SMA接口來連接外置天線，IPEX天線接口和SMA天線接口是一種作為射頻電路和天線的接口，被廣泛應用于無線局域網(wǎng)相關產(chǎn)品的單板上。
外置天線的種類有很多，彈簧天線、FPC天線、短膠棒天線、長可彎折天線、吸盤天線等外置天線。外置天線的優(yōu)點是場型能控制更好，插損低，信號的方向指向性好，效率高，抗干擾能力強，能減少受到主板上的干擾，而且不用太多的調(diào)試匹配，若存在無線收發(fā)設備和外置天線不匹配的情況，也可以通過直接更換外置天線來解決，無須更換PCB板；缺點是成本較高，組裝起來比較麻煩。
以成都億佰特的E73系列藍牙模塊為例介紹2.4G不同的天線模塊類型對比。
圖5 成都億佰特公司E73系列模塊
序號 | 參數(shù)名稱 | E73-2G4M04S1A | E73-2G4M04S1B | E73-2G4M08S1C | E73-2G4M04S1D |
1 | 射頻芯片 | nRF52810 | nRF52832 | nRF52840 | nRF51822 |
2 | 品牌 | NORDIC | NORDIC | NORDIC | NORDIC |
3 | 模塊尺寸 | 17.5*28.7mm | 17.5*28.7mm | 13*18mm | 17.5*28.7mm |
4 | 工作頻段 | 2.379~2.496GHz | 2.379~2.496GHz | 2.360~2.5GHz | 2.379~2.496GHz |
5 | 內(nèi)核 | ARM Cortex-M4 | ARM Cortex-M4F | ARM Cortex-M4 | ARM Cortex-M0 |
6 | 支持協(xié)議 | BLE 4.2/5.0 | BLE 4.2/5.0 | BLE 4.2/5.0 | BLE 4.2/5.0 |
7 | FLASH | 192KB | 512KB | 1024KB | 256KB |
8 | RAM | 24KB | 64KB | 256KB | 16KB |
9 | 供電電壓 | 1.8V~3.6V DC，推薦3.3V | 1.8V~3.6V DC，推薦3.3V | 1.8V~3.6V DC，推薦3.3V | 1.8V~3.6V DC，推薦3.3V |
10 | 通信電平 | 3.3V | 3.3V | 3.3V | 3.3V |
11 | 實測距離 | 100m，晴朗空曠，最大功率，天線增益5dBi，高度2.5m，1M空中速率 | 100m，晴朗空曠，最大功率，天線增益5dBi，高度2.5m，1M空中速率 | 120m，晴朗空曠，最大功率，天線增益5dBi，高度2.5m，1M空中速率 | 100m，晴朗空曠，最大功率，天線增益5dBi，高度2.5m，1M空中速率 |
12 | 發(fā)射功率 | 最大4dBm | 最大4dBm | 最大8dBm | 最大4dBm |
13 | 接收靈敏度 | -95dBm@1Mbps | -95dBm@1Mbps | -103dBm@125kbps,-95dBm@1Mbps | -96dBm |
14 | 接口方式 | IPEX/PCB，默認PCB | IPEX/PCB，默認PCB | 陶瓷天線 | IPEX/PCB，默認PCB |
表1 E73系列模塊電氣參數(shù)對比圖
由表1可知，E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B、E73-2G4M04S1D兼容的是IPEX天線和PCB天線，默認接口都是PCB天線，E73-2G4M08S1C使用的是陶瓷天線。
由上表可以很清晰的看出E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B、E73-2G4M08S1C、E73-2G4M04S1D之間的區(qū)別，首先四個型號采用不同的芯片方案，尺寸和功率E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B和E73-2G4M04S1D是一樣的，E73-2G4M08S1C稍有差異；但在相同的測試條件下，但從傳輸距離來講，E73-2G4M08S1C相對于E73-2G4M04S1A、E73-2G4M04S1B和E73-2G4M04S1D這3個型號之間傳輸距離稍好，發(fā)射功率也會稍大一些。
特別要提出的是，E73-2G4M08S1C發(fā)射功率為8dBm，相對于別的藍牙模塊來說，功率會大一些，所以傳輸距離相比于別的藍牙產(chǎn)品傳輸距離稍遠。
若使用IPEX天線接口接入外置天線，傳輸距離肯定相對于板載天線，傳輸距離肯定會更遠一些。若考慮要體積和安裝的需求，同時傳輸距離也在可接受范圍之內(nèi)，板載的PCB天線或者陶瓷天線更受青睞。但是決定一個無線收發(fā)設備不僅僅是傳輸距離這項參數(shù)，更多的是產(chǎn)品的性能，以及在不同使用環(huán)境下的不同應用。所以不管是對于E73系列，還是對于成都億佰特的其他藍牙模塊、ZigBee模塊、GPRS模塊等無線數(shù)傳模塊產(chǎn)品，都有其必要的使用環(huán)境，可根據(jù)自身項目的需求來選擇不同的2.4GHz天線。
成都億佰特是一家再物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸應用領域的高新企業(yè)，國家瞪羚企業(yè)。目前億佰特自主研發(fā)數(shù)百項專利發(fā)明，主要有ZigBee模塊、lora無線模塊、WiFi模塊、藍牙模塊、4GGPRS/NBIOT/can/dtu等無線數(shù)傳模塊及數(shù)傳電臺、遙控開關、工業(yè)路由器、串口服務器、工業(yè)信號傳輸、電源模塊、天線設備等無線通信設備的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。給客戶提供各種技術支持和案例使用。
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