433M的天线怎么设计才能传得远

ZLG致远电子2020-09-05 07:18:25


摘要

iPhone 6 Plus与iPhone 6体积相差一倍,机壳天线长度也不同,但它们与基站通信都可以获得比较好的效果,而如果把iPhone 5s和iPhone 6的天线对调,那他们的通讯效果都会差很多。这是因为所有的天线都需要根据实际的硬件“环境”做相应的调整。

技术支持电话叮铃铃响了,客户在电话中用不爽的语气说:“我用你们公司的433M贴片无线模块ZM470SX-M设计的产品,怎么比直插的ZM470SX-E设计的产品,通信距离少了这么多?是不是你们的产品质量有问题!”


周立功说:客户不会有错。所以写文章指导客户。




以下是我们这两个产品的外观:


不就是一个直插一个贴片嘛!

我们的产品在研发阶段和出厂阶段都经过了严格的测试。而且在产品开发时,对于ZM470SX-E和ZM470SX-M这两款模块,我们也分别做了接收灵敏度和发射功率的对比测试,实验结果也显示并不存在贴片比直插差的现象。所以对于产品的质量,我们是敢拍着胸脯打包票的。


让我们来看看问题到底出在哪:


我们立马把客户的样机拿来分析了一下,客户设计了分别使用了两种模块的两种产品,虽然制版时使用的是相同的天线,但模块与天线的布局完全不一样。再仔细一看,在使用贴片ZM470SX-M的产品上,射频天线居然贴着显示屏(导体)了!看到这里,我们松了一口气,然后默默地调整了天线,通信距离立马加了三倍。



图3 客户产品实物


换根天线,通信距离可以相差这么大?




在收发天线极化匹配并忽略空气衰减的前提下,视距通信距离(r)的二次方与接收灵敏度(Pr)成反比、与发射功率(Pt)、发射天线增益(Gt)和接收天线有效面积(Aer)成正比;具体关系如著名的Friis传输公式所示。




鉴于这个公式,由于接收灵敏度和发射功率这两个参数在我司模块出厂的时候已经确定,因此导致通信距离不足的主要问题点就落到了客户的天线设计上。而客户原来设计的弹簧天线是触碰到了导体的,很明显会造成阻抗不匹配的问题。


阻抗不匹配为什么会影响通信距离呢?


传输线与终端负载如果阻抗不匹配,电波从传输线传导到终端负载,由于阻抗特性的不同,一部分电磁波的能量被反射回来,使馈电线上同时存在入射波和反射波,如图4所示。在入射波和反射波相位相同的地方,电压振幅相加为最大电压振幅Vmax,形成波腹;而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin,形成波节。


在通信学中,我们就把电压波腹指与电压波节值之比,定义为电压驻波比(VSWR),其公式如下:





图4 VSWR示意图


这就很明显了,如果反射波越多,消耗的能量越大,其无线通信距离也就越小。于是不难看出,失配越严重VSWR越大。在其它参数不变情况下,VSWR越小通信距离越远,VSWR越大通信距离越近。


而经过实际测试,客户天线的VSWR已经高达20,对天线的性能造成了严重的影响。由于在自由空间传输时470MHz的电磁波的波长为64cm,于是我们使用四分之波长的铜丝做天线,避开与导体的接触,就很顺利地解决这个问题啦。


那么我们应该如何掌握天线的设计呢?我司资深研发人员给出以下建议:


第一,熟悉射频电路的理论基础。做天线设计只读懂天线理论还不够的,需要研读电磁场与电磁波相关方面的书籍。只有对天线的理论基础熟练掌握,才能在出问题时根据实际情况,灵活处置。

第二,熟悉主要的天线设计模型。天线模型繁多,不同的电路板需要选取不同的模型来进行改进设计,不存在一种模型包打天下的情况。

第三,使用合适的测试设备。天线性能的调试需要使用专业仪器反复实测、反复调整才能达到最佳性能。通过对理论值和实测值进行比对,逐步修正是调试天线的唯一手段。



嵌入式470MHz无线通讯模块


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致远电子 (ID: ZLG_zhiyuan )

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