HAM大学:天线调谐丨小白可以参考的跳坑指南

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什么是天线调谐?

天线具有电阻、电容和电感,这取决于天线的物理特性,包括天线的形状、尺寸、材料和环境因素。当高频信号被馈送到天线以进行辐射时,并不是所有的功率都能够从天线辐射出去,其中的或多或少的一小部分将被反射回发射源。这些反射波在传输线上产生“驻波”并导致损耗。当源阻抗等于负载阻抗时,反射最小。因此,为了减少这些反射和最终的功率损失,负载阻抗(即,天线)应等于发射源阻抗(通常为50Ω)。天线调谐基本上是将天线阻抗与发射源阻抗匹配的过程。如果天线已经具有与电源阻抗相等的阻抗,则不需要进行调谐。

驻波的形象

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为什么要调谐天线

天线可能是无线系统中最重要的部分,因为它负责在物理层上发送和接收数据。一个经过适当调整的天线可以在许多方面有所帮助。它可以增加工作范围,也有助于降低无线设备的功耗。

电压驻波比(VSWR),S11,回波损耗

这些是在进行天线调谐时最常使用和听到的术语。VSWR代表电压驻波比。它是反射系数的函数,描述了从天线反射回来的功率。反射系数被称为S11或回波损耗。对于天线来说,VSWR总是一个实数和正数。VSWR越小,天线与传输线的匹配越好,天线获得的能量功率越大。最小VSWR为1.0。在这种情况下,天线没有反射功率。一般情况下,当VSWR小于2时,我们可以认为天线匹配良好无需进行阻抗匹配。

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从表中可以看出,VSWR为2时相当于反射功率的11.1%。这就意味着89.9%的信号功率传输到了天线上。VSWR为1.5时这种传输能力提高到了96%,提升得并不大。因此,将VSWR从2降低到1.8-1.7不会给天线调谐带来太多的改进。

天线的选择

常用天线类型:

鞭状天线结构简单,在市场上很容易买到。除了沿着振子的方向(甜甜圈形状的辐射模式)外,可以算是一种全方向天线。这种天线非常高效。其主要缺点是尺寸,因此不适合放入盒子里。

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偶极子天线结构简单,占地面积小。它们的辐射模式类似于鞭状天线,除了沿振子方向(甜甜圈形状)外,也是全方位的。偶极子天线、半波天线、单极天线、折叠偶极子天线、短偶极子天线等都有不同的改进。它们的主要缺点也是它们的尺寸。

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PCB天线小而紧凑。不需要任何匹配组件,因为匹配是通过改变天线的长度来完成的。主要用于有空间限制的地方,例如手机内部。它们的主要缺点是效率不如偶极子天线。注意,如果在PCB板上做了任何改变,天线可能需要重新调谐。例如,如果层压板或PCB厚度、PCB材料或某些其它部件被改变,就需要重新调谐天线

带有PCB天线的ESP-12F WiFi模块

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介质谐振天线也是一款小而紧凑型的天线。本质上也是一款全方向天线。通常需要接地面。它们的输入阻抗不同,因此几乎在所有情况下都需要匹配。它们的主要缺点是不如偶极天线有效。在几乎所有的情况下,它们都需要与匹配电路进行适当的调谐,并且匹配部件引入额外的损耗。

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工作频段

天线的尺寸决定了工作频率范围。天线尺寸越大,谐振频率越小,反之亦然。所选择的天线应根据所需的工作频率范围。

频带宽度

天线的带宽是指天线能正确工作的频率范围。天线的带宽是指天线的VSWR小于2:1(或回波损耗小于-10dB)时的Hz数。

下图所示天线带宽可以认为从2.4GHz到2.7GHz

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天线在盒子或外壳内时,与自由空间中的天线相比,天线参数可能发生变化。为了补偿这些偏移,宽带天线是首选。

下图比较了三种不同物理参数天线的带宽。黑色虚线的带宽最高,而红色虚线的带宽最低。注意,回波损耗也随着带宽的增加而增加。所以,我们设计或选择天线时必须在带宽和回波损耗之间进行折衷。

下面的图表比较了三种不同物理参数的天线的带宽。黑色虚线的带宽最高,而红色虚线的带宽最低。请注意,回波损耗也随着带宽的增加而增加。

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尺寸和空间限制

当把天线放在盒子里时,有时可能会有空间限制。一般来说,与适当尺寸的天线相比,较小尺寸的天线损耗更大。如果空间不受限制,或者天线可以放在盒子外(鞭状天线),建议选择合适的天线尺寸。

增益、辐射方向图和指向性

具有高指向性的天线将提供更好的距离和性能,但只有一个特定的方向。一个无向性天线(全向)在距离上会有短板。

天线的增益可以是正值,也可以是负值。正值指示天线与无向性天线相比会辐射多大,负值指示天线与无向性天线相比辐射的程度更小。

辐射方向图是描述天线辐射方向的图。它有主瓣和旁瓣。天线在主瓣方向上辐射最大,而在某些特定方向(主瓣和旁瓣之间)可能没有辐射。

例如,在这种辐射方向图中,辐射的主要部分将沿着主瓣和后瓣,但会有非常小的辐射沿着旁瓣。

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连接器类型

天线将如何连接到PCB将取决于连接器的类型。大多数天线选择SMA和U.FL连接器。连接器还取决于PCB上可用的空间。

SMA连接器

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U.FL连接器

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所需工具

  • 硬件:

VNA(矢量网络分析仪)

市场上有很多不同的VNA,但它们通常非常昂贵。笔者使用的VNA被称为“miniVNA”,与其他VNA相比相当经济。它是一个基于USB的VNA,没有显示器,因此必须连接到计算机来查看结果。

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这里有一个从全球速卖通购买的链接:https://ru.aliexpress.com/item/32961910083.html

校准套件

校准套件用于校准VNA,并具有3个连接器、短路、开路和50Ω阻抗。如果不提供VNA,则必须从外部购买。

匹配元件

为了调谐天线,需要匹配不同值的元件(电感和电容)。请确保他们的ESR评级较低。ESR越低,杂散电感和电容效应越低。

这是笔者从lcsc.com购买的不同价值元件的物料清单:BOM

可以直接上传到他们的网站上快速购买。

连接器转换器

有时需要将一种连接器类型转换为另一种连接器类型。例如,从SMA-U.FL或SMA公头-SMA母头。为此,可以使用不同的转换器将一种连接器类型转换为另一种连接器类型。

SMA-U.FL连接器

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SMA公头-母头连接器

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VNA和校准软件

VNA的软件将取决于正在使用的VNA。更多信息请参考VNA的网站。

史密斯圆图:

史密斯图是在反射系散平面上标绘有归一化输入阻抗(或导纳)等值圆族的计算图。是一款用于电机与电子工程学的图表,主要用于传输线的阻抗匹配上。当在矢量网络分析仪(VNA)上测量时,它用来显示实际(物理)天线的阻抗。使用史密斯图可以很容易地计算出匹配组件的值。

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有一个软件可以绘制史密斯图表并计算组件值:https://www.w0qe.com/SimSmith.html

未完待续!

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