天线的基本原理

天线的基本概念：电磁场的传播

 时变电场激发磁场；时变磁场激发电场，电场和磁场相互激发，由近及远传播

天线的基本概念：偶极子

 频率越低，波长越长，天线尺寸越大

 频率越高，波长越短，天线尺寸越小

天线的基本概念：单极子

 单极子的电流和偶极子类似，但是输入电压只有偶极子的一半，则其输入阻抗为偶极子一半

 单极子天线的主要覆盖空间是上半空间

天线的基本概念：IFA/PIFA天线

 IFA和PIFA是同样类型的天线，只是天线的宽度不同而已，IFA是线状走线，PIFA是面状走线，IFA是非常重要的一种天线形式，应用非常广。

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     物联网天线的关键指标

 天线是无线设备中*的设备。

 天线的指标选取与其使用场景密切相关。

 物联网天线有其*的使用场景。

在讨论物联网天线之前，需要了解下天线的基本知识。以便更好理解指标的选定。      

   天线的基本概念：天线的本质是一种能量转换装置，将电信号转化为电磁波或者进行相反的转换。

天线的功能：控制辐射能量的方向

天线指标：回波损耗                RL=20*log10[(VSWR+1)/(VSWR-1)]

      回波损耗跟驻波的物理意义是相近的，表征的是天线跟RF网络匹配程度。回波损耗越小（回波损耗≤0dB），表明 天线跟射频网络的匹配程度高的可能性越大。  

       以下图为例，当天线的阻抗跟传输线的特征阻抗接近时，输出了95%的能量，只有5%被反射回系统。

天线指标：隔离度

      隔离度表征的在多天线系统中（至少两个天线），天线独立的程度，隔离度越小（隔离度≤0dB），表明天线间越独立，也就是相互影响程度越小。

Isolation=10lg（A/B）

A表示输入功率，B表示输出功率，单位为mw

天线指标：效率

      效率是天线一个非常重要的指标，表征天线辐射出去的功率（即有效地转换成电磁波的功率）和输入到天线的有功功率之比。，率是天线能力的一个重要体现。常用的单位有dB和%。

天线指标：增益

      天线领域说的增益，跟射频领域和基带领域说的增益是两个概念，前者表明天线能量的集中程度，增益越高表明天线辐射的能量越集中在某些方向。 其常用单位有dBi和dBd    其中dBi=dBd+2.15dB    

天线指标：方向性

      方向图指标有很多，但与本文主题相关的主要是方向性。顾名思义，也就是考虑天线的能量在空间中如何分配，我们希望能量尽可能集中在场景使用的空间。

      我们常提到的定向天线和全向天线也就是根据方向图的特点做的划分。

从上述内容中可以看出天线的指标很多，如何选取与我们业务紧密相关的指标才是关键。因此我们要先了解物联网终端产品的使用场景，根据场景来确定指标。

      我们以本文提到的水表、电表、燃气表、烟感、地磁和中继等设备为例，其的特点包括：

 安装分散，分布在基站设备的四周。

 安装的位置在大楼里，离基站较远。

 设备安装时不会有固定朝向。

我们通过应用场景可以归结出三大主要指标:

指标的选定已经完成，接下来我们要考虑如何测试这些指标

上述的指标需要用到两个主要设备：一个是网络分析仪，一个是微波暗室系统。

是德科技（安捷伦）的E5071C，频段从100KHz~8.5GHz。

主流的暗室测试系统包括ETS、SATIMO以及BLUETEST

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天线应用实例

天线的分类一览表

举个实际的例子：

天线测试驻波：

 暗室长度为12米，能满足500MHz的小口径天线方向图测试。

天线方向图：

  主波束绕过了背后的金属容器。

天线效率：

 单极子的带宽依然有欠缺，但是重点频段的增益非常突出，zui高点能达到25%

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整机堆叠与调试

疑问

从上述内容中可以明显看出内置天线与外置天线性能存在差异。

 为什么内置天线会比外置天线差？

-----从效率上可以看出，内置天线效率较外置天线低很多。

 为什么单一天线很难做到 “球”形覆盖？

-----即便是外置天线，其全向的定义也仅适用某个面上，而不是球形。

总的来说，内置天线有两大主要问题：

 空间狭小，天线的净空区域不足，净空不足会造成两个影响

    a）  有金属物质进入天线的近场区，影响回损和方向图

    b）  天线辐射面积太小，影响天线效率

 离噪声源太近，结果就是影响天线的TIS（接收灵敏度）

    a）  主要的噪声源包括DDR / Core / USB3.0 / SATA /DCDC/等

    b）  噪声的影响会降低产品的使用距离

内置天线设计建议

1、适度的ID和结构倾斜，让天线拥有尽可能大的辐射面积和净空区间

     -----让天线的性能做到*

2、远离噪声源，不损失整机的TIS（接收灵敏度）

     -----降低噪声的三个途径：a）  降低噪声源信号强度

                            b）  增强路径衰减

                            c）  接收端的屏蔽

3、收集使用场景和芯片参考设计，让天线满足整机的设计目标。

     ------有场景要求和芯片参考设计，可以让天线发挥更大价值

*建议：让天线领域从CDP阶段就参与项目，我们会在对项目初衷影响zui小的情况下，将天线性能zui大限度提升。